《g压电式传感器》PPT课件

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1、2.4压电式传感器一、压电效应二、压电材料三、测量电路四、压电传感器的应用1原理：基于某些电介质的压电效应，属自源型传感器功能：压电元件是力敏元件，能测量最终能变换为力的物理量，例如力、压力、加速度等。特点：响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简、工作可靠、重量轻；主要不足：无静态输出，输出阻抗高应用：随着与压电传感器件配套的二次仪表及低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现，压电传感器的使用更方便。在工程力学、生物医学、石油勘探、电声学等许多技术领域中获得广泛应用。2.4压电式传感器2一、压电效应正压电效应：某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，其内部产生极化现象，同时，在其一定

2、的表面上产生电荷；当外力拆除后，又重新恢复不带电状态的现象，当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。逆压电效应（电致伸缩效应）：当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。电能机械能正压电效应逆压电效应3天然形成的石英晶体外形压电晶体及其压电效应4石英晶体切片及封装石英晶体薄片双面镀银并封装5石英晶体振荡器（晶振）石英晶体在振荡电路中工作时，压电效应与逆压电效应交替作用，从而产生稳定的振荡输出频率。晶振6石英晶体的压电效应演示当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同；当动态力

3、变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。7石英晶体的压电效应8光轴:纵向Z轴；电轴:经过正六面体棱线，并垂直于光轴的X轴；机械轴:与X轴和Z轴同时垂直的Y轴,垂直于六面体的棱面。纵向压电效应:沿电轴X方向的力作用下产生电荷的压电效应；横向压电效应:沿机械轴Y方向的力作用下产生电荷的压电效应；沿光轴Z方向受力则不产生压电效应。ZXY理想石英晶体的外形和坐标系ZYX（一）石英晶体的压电机理天然石英晶体的结构外形可视为一个六角棱柱体9石英晶体的压电效应由其内部结构决定。组成石英晶体的硅离子Si4+和氧离子O2-在Z平面投影，如图(a)。为讨论方便，将这些硅、氧离子等效为图(b)中正六

4、边形排列，图中“＋”代表Si4+，“－”代表2O2-。(b)(a)++---YXXY硅氧离子的排列示意图(a)硅氧离子在Z平面上的投影（b）等效为正六边形排列的投影+石英晶体压电效应机理解说：1011当作用力FX=0时，正、负离子（Si4+和2O2-）正好分布于正六边形顶角，形成三个互成120º夹角的偶极矩P1、P2、P3，如图（a）所示。此时正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即P1＋P2＋P3＝0无电荷出现。如图b所示,当晶体受沿X方向的压力（FX<0）作用时，晶体沿X方向将产生收缩，正、负离子相对位置随之发生变化，正、负电荷中心不再重合，电偶极矩在X方向的分量为(P1+P2+

5、P3)X>0；在Y、Z方向上的分量为：(P1+P2+P3)Y=0，(P1+P2+P3)Z=0由上可知，在FX作用下，X轴的正向出现正电荷，在Y、Z轴方向则不出现电荷。Y+++---X(a)FX=0P1P2P3FXXY++++－－－－FX(b)FX<0+++---P1P2P312可见，当晶体受X(电轴)方向的力FX作用时，它在X方向产生正压电效应，而Y、Z方向不产生压电效应。晶体在Y轴方向力FY作用下的情况与FX相似。当FY＞0时，晶体的形变与图（b）相似；当FY＜0时，则与图（c）相似。可见，晶体在Y（即机械轴）方向的力FY作用下，使它在X方向产生正压电效应，在Y、Z方向则不产生压电效应

6、。（P1+P2+P3）X<0（P1+P2+P3）Y=0（P1+P2+P3）Z=0(c)FX>0Y+++--X-+++－－－FXFXP2P3P1+－当晶体受到沿X方向的拉力（FX＞0）作用时，其变化情况如图（c）。此时电偶极矩的三个分量为：在X轴正向出现负电荷，在Y、Z方向则不出现电荷。13晶体在Z轴方向力FZ作用下，因为晶体沿X和沿Y方向所产生的正应变完全相同，正、负电荷中心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。这表明，沿Z(即光轴)方向的力FZ作用下，晶体不产生压电效应。假设从石英晶体上切下一片平行六面体—晶体切片，使它的晶面分别平行于X、Y、Z轴，如图。在垂直X轴方向两面用真空镀膜或沉银法

7、得到电极面，就得到压电元件。当晶片受沿X向的压缩应力XX作用时，晶片将发生厚度变形，并产生极化现象。ZYXbl石英晶体切片t14式中FX——X轴方向的外力；d11——压电系数，受力方向和变形不同时，压电系数也不同，石英晶体的d11=2.3×10-12CN-1；l、b——石英晶片的长度和宽度。极化强度PXX在数值上等于晶面上的电荷密度，即式中qX——垂直于X轴平面上的电荷。将上两式整理，得式中——电极面间电容。其极间电压为在晶体线性