传感器原理及检测技术 吉林大学 力敏传感器 压电式传感器学习教案.pptx

《传感器原理及检测技术》是吉林大学的一门课程，主要探讨了力敏传感器，特别是压电式传感器的工作原理和技术。压电效应是这门课程的核心概念，分为正压电效应和逆压电效应。 正压电效应，也称为顺压电效应，指的是某些电介质在受到外力作用变形时，其内部会产生极化现象，表面则出现电荷。这种电荷在力的作用方向改变时会随之改变，当外力去除后，材料又恢复到不带电的状态。这种现象表明物质能够将机械能转化为电能。 相反，逆压电效应，又称电致伸缩效应，是指当电介质在极化方向施加电场时，会在一定方向上产生机械变形或机械压力。当电场撤销，这些变形或应力也会消失，即电能可以转化为机械能。 在石英晶体中，压电效应尤为显著。石英晶体有三个互相垂直的轴：光轴Z-Z、电轴X-X和机械轴Y-Y。当沿电轴X-X方向施加力时，产生纵向压电效应；沿机械轴Y-Y方向施加力，则产生横向压电效应；沿光轴Z-Z方向施加力则无压电效应。 石英晶体的压电效应源于其内部硅离子Si4+和氧离子O2-的结构。当受到压力时，正负离子的位置发生改变，导致电偶极矩分布的改变，从而产生电荷。例如，当沿X轴施加压力时，正负电荷中心不再重合，X轴方向出现正电荷，而Y和Z轴方向则不出现电荷。 同样，沿Y轴或Z轴施加力也会引起类似的电荷分布变化，但产生的压电效应方向不同。这使得石英晶体成为制造压电传感器的理想材料，可以用于检测各种力的变化，如压力、振动、加速度等。 压电式传感器利用压电效应将机械信号转换为电信号，广泛应用于工业、医疗、科研等领域，例如测量力、压力、声音、振动等。通过理解压电效应的原理和石英晶体的特性，我们可以设计出更精确、更灵敏的传感器，以满足各种检测需求。