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壓電式傳感器
壓電式傳感器可以對各種動態力、機械沖擊和振動進行測量,在聲學、醫學、力學、導航方面都得到廣泛的應用。它具有體積小、質量輕、頻響高、信噪比大等特點。
壓電式傳感器
壓電式傳感器的工作原理是基于某些介質材料的壓電效應,是典型的有源傳感器。當材料受力作用而變形時,其表面會有電荷產生,從而實現非電量測量。
壓電效應
某些電介質,當沿著一定方向對其施力而使它變形時,其內部就產生極化現象,同時在它的兩個表面上便產生符號相反的電荷,當外力去掉后,其又重新恢復到不帶電狀態,這種現象稱壓電效應。相反,當在電介質極化方向施加電場,這些電介質也會產生變形,這種現象稱為“逆壓電效應”(電致伸縮效應)。
壓電材料
石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料是性能優良的壓電材料。應用于壓電式傳感器中的壓電元件材料一般有三類:壓電晶體、經過極化處理的壓電陶瓷、新型壓電材料。
他們都具有較大的壓電常數,機械性能良好,時間穩定性好,溫度穩定性好等特性,所以是較理想的壓電材料。
1、壓電晶體
天然形成的石英晶體外形
石英晶體切片及封裝
石英晶體在振蕩電路中工作時,壓電效應與逆壓電效應交替作用,從而產生穩定的振蕩輸出頻率。
石英晶體振蕩器(晶振)
石英晶體是一種應用廣泛的壓電晶體。它是二氧化硅單晶體,屬于六角晶系。它為規則的六角棱柱體。石英晶體有3個晶軸:x軸、y軸和z軸。vz軸又稱光軸,它與晶體的縱軸線方向一致:x軸又稱電軸,它通過六面體相對的兩個棱線并垂直于光軸:y軸又稱為機械軸,它垂直于兩個相對的晶柱棱面。
石英晶體的壓電效應與其內部結構有關,產生極化現象的機理可說明。石英晶體的化學式為SiO2,它的每個晶胞中有3個硅離子和6個氧離子,一個硅離子和兩個氧離子交替排列(氧離子是成隊出現的)。沿光軸看去,可以等效地認為正六邊形排列結構。
圖中1—正電荷等效中心 2—負電荷等效中心
(1)在無外力作用時
(2)當晶體沿電軸(x軸)方向受到壓力時,晶格產生變形
(3)同樣,當晶體的機械軸(y軸)方向受到壓力時,也會產生晶格變形
(4)當晶體的光軸(z軸)方向受到受力時,由于晶格的變形不會引起正負電荷中心的分離,所以不會產生壓電效應。
沿機械軸方向的力作用在晶體上時,產生的電荷與晶體切面的幾何尺寸有關,式中的負號說明沿機械軸的壓力引起的電荷極性與沿電軸的壓力引起的電荷極性恰好相反。
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