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顺压电效应:某些电介质,在受到一定方向的外力作用而变形时,内部产生极化现象,而在其表面产生电荷,当去掉外力后,又重新回到不带电状态,这种将机械能转换成电能的现象,称为顺压电效应,又称为压电效应。
逆压电效应:当在电介质极化方向施加电场时,电介质在一定方向上产生机械变形,内部出现机械应力,这种将电能转换成机械能的现象称“逆压电效应”,又称为电致伸缩效应--驱动器。
F
F
极化面
Q
压电介质
机械能
{
电能
}
正压电效应
逆压电效应
压电效应及可逆性
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压电传感器的特点
1)磁电式速度传感器响应频率范围窄;
2)磁电式机械运动部件容易损坏;
3)磁电式传感器质量大,造成系统附加质量大。
与磁电式传感器的比较:
力敏感传感器,可测力、压力、加速度等
双向有源传感器
体积小、重量轻
结构简单、工作可靠
频带宽
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各种小巧的压力传感器
压电传感器的外形
压力变送器部件
压力变送器
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一、石英晶体(SiO2)的压电效应
特点:
石英晶体是各向异性晶体
晶体分右(左)旋
外形规则
x
y
z
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石英晶体的三个晶轴
光学轴(基准轴,Z轴):光沿该方向通过没有双折射现象,该方向没有压电效应,光学方法确定。
电轴(X轴):经过晶体棱线,垂直于该轴的表面上压电效应最强。
机械轴(Y轴):垂直于XZ面,在电场作用下,该轴方向的机械变形最明显。
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石英晶体压电效应机理
电偶极矩P=qL,q为电荷量,L为正负电荷之间距离。
2O2-
Si4+
L
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+
+
+
-
-
-
X
Y
P1
P2
P3
当石英晶体未受外力作用时,正、负离子正好分布在正六边形的顶角上,形成三个互成120°夹角的电偶极矩P1、P2、P3。此时正负电荷重心重合,电偶极矩的矢量和等于零,即P1+P2+P3=0,所以晶体表面不产生电荷,即呈中性。
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受到X方向的力—纵向压电效应
+
+
+
-
-
-
X
Y
P1
P2
P3
晶体沿x方向将产生压缩变形,正负离子的相对位置也随之变动。此时正负电荷重心不再重合。
电偶极矩在x方向上的分量由于P3的减小和P1、P2的增加而不等于零,在x轴的正方向出现正电荷,电偶极矩在y方向上的分量仍为零,不出现电荷。
当作用力方向相反时,电荷的极性也随之改变。
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受到Y方向的力—横向压电效应
+
+
+
-
-
-
X
Y
P1
P2
P3
当晶体受到沿y轴方向的压力作用时,P3增大,P1、P2减小。
在垂直x轴表面上出现电荷,它的极性为:x轴正向为负。在y轴方向上不出现电荷。
当作用力方向相反时,电荷的极性也随之改变。
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受到Z方向的力—没有压电效应产生
+
+
+
-
-
-
X
Y
P1
P2
P3
如果沿z轴方向施加作用力,因为晶体在x方向和y方向所产生的形变完全相同,所以正负电荷重心保持重合,电偶极矩矢量和等于零。这表明沿z轴方向施加作用力,晶体不会产生压电效应。