多次压电效应对压电力传感器静态特性的影响

    随着人类对微观物质和宇观世界的探索不断向新的深度和广度拓展,对摄取信息的关键器件———传感器提出了更高的要求[1]。一直以来,人类社会不断致力于改变信息摄取落后的现状,传感器技术成为迅猛发展起来的高新技术之一,它与通信技术、计算机技术构成了信息技术的三大支柱。压电式传感器以其频响高,体积小,质量轻,频带宽和应用范围广等特点而备受青睐[2],目前国内外研究者仍在不懈努力地提高压电传感器的性能以扩展其应用领域。文献[3]已证明压电体不仅存在一次压电效应,还发生多次感生压电效应,即在外场作用下压电体的机械能与电能发生连续相互转化,而且二次、三次...感生效应影响方向总是与所施加外场方向相反,对原效应的效果产生阻碍作用,因此,多次压电效应的存在势必对压电传感器与执行器的性能产生影响。灵敏度是传感器的一个重要指标,指输出量的增量与相应输入量的增量之比,它已成为传感器技术研究的热点之一[4]。本文以两片xy切型石英晶片组成的压电传感器为实验对象,研究了多次压电效应对压电石英传感器静态灵敏度的影响,并在实验的基础上进一步分析了多次压电效应对灵敏度影响的实质,以及压电传感器的灵敏度提高后多次压电效应对传感器刚度和固有频率产生的影响。

    1　实验

    1.1　实验原理

    多次压电效应的产生与压电体所处的边界条件密切相关[5]。压电体在外力作用下产生多次压电效应的前提是其处于电学开路边界条件,此时通过正压电效应在电极面上产生的电荷不会流失,电极面上因有电荷累积而形成电场,那么压电体必然会发生二次逆压电效应,产生附加的压电应变,又引起晶体内部的电极化发生变化,通过三次正压电效应产生新的电场,压电体中再次开始了新的机电转换,即压电体从只施加外应力T开始,依次产生的一次及多次压电效应的过程为:应力T→电位移D(1)→应变S(2)→电位移D(3)→应变S(4)→...,由于感生效应对原效应所起的阻碍作用,多次压电效应产生的相邻两个力学量的方向相反,产生的电学量亦然。因压电体的机械能与电能转换极快,多次正压电效应产生的电位移叠加在一起,多次逆压电效应产生的应变也叠加在一起。可见,为了显示出多次压电效应的影响,必须采取一定的方法使压电体不发生多次压电效应。通过与压电体并联一个比它的等效电容量大得多的电容器,使压电体在施加外力时产生的几乎所有电荷都储存于此电容器上,压电体的电极面就没有电荷来产生附加电场,即压电体上的附加电场几乎为零,则不能发生二次逆及其后的多次压电效应,从而就能得到不发生多次压电效应的压电体。