传感器及应用第6章压电式传感器课件.ppt

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1、07传感器及应用第6章压电式传感器7/28/2021107传感器及应用第6章6.1压电式传感器的基本特性6.1.1压电效应当某些材料在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生变形时，其表面上会产生电荷；若将外力去掉时，它们又重新回到不带电的状态这种现象就称为压电效应而具有这种压电效应的物体称为压电材料或由这种材料制作的元件称压电元件7/28/2021207传感器及应用第6章常见的压电材料有石英、钛酸钡、锆钛酸铅晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。作用力相反时，其极性也会随着改变石英晶体的压电机制7/28/2021307传感器及应用

2、第6章++++++++++++————————————(a)(b)(c)(d)晶体切片上电荷符号与受力方向的关系压电切片上电荷符号与受力方向的关系如下图所示————++++7/28/2021407传感器及应用第6章压电陶瓷如果在压电陶瓷片上加一个与极化方向平行的外力，陶瓷片将产生压缩变形，片内的正、负束缚电荷之间距离变小。7/28/2021507传感器及应用第6章由于电矩取向基本一致，故表面带电。为了减小能量，电极表面会带异性电荷。电畴发生偏转，极化强度也变小，因此，原来吸附在极板上的自由电荷，有一部分被释放而出现放电现象。7/2

3、8/2021607传感器及应用第6章石英和压电陶瓷（钛酸钡，钛酸铥等）是性能较好的压电材料，应用也比较广泛但有共同的缺点容度大，易碎。不耐冲击，难加工，难以做成轻小柔软的压电元件如能用聚合物就会很好的克服这一缺点7/28/2021707传感器及应用第6章高分子偏二氟乙稀（PVDF）是一种良好的热塑性工程材料，有明显的压电效应虽比压电陶瓷压电性低十倍，但比石英高十倍，质轻软，可按需要形状制成薄片结合PVDF和压电陶瓷的各自的优占，已研制成用压电陶瓷与PVDF复合材料制作的声呐压电式传感器，用以探测水下目标7/28/2021807传感

4、器及应用第6章6.1.2压电方程与压电常数1.压电方程压电材料受力时，表面产生电荷，力与电荷间有如下关系Q=dijF式中dij称压电系数，单位为C/N。通常用单位面积的电荷和压强表示=dij7/28/2021907传感器及应用第6章压电系数有2个下角注。前面一个下角注i表示电学量方向，一共有3个分量；后面一个下角注j有6个数，前面3个表示正应力，后面3个表示切应力。7/28/20211007传感器及应用第6章通常把沿电轴(X轴)方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”而把沿机械轴(Y轴)方向的力作用下产生电荷的

5、压电效应称为“横向压电效应”在光轴(Z轴)方向受力时则不产生压电效应由于压电材料有各向异性，所以在x面上产生的电荷除与x、y、z方向的应力xx力外，还与切应力xy等有关电荷与应力的关系比较复杂，用张量表示7/28/20211107传感器及应用第6章d11表示在X轴向受力，在垂直X轴的两表面产生的电荷大小d31表示在X轴向受力，在垂直Z轴的两表面产生的电荷大小d16表示在XOY表面内作用的剪切力，而在垂直于X轴的两表面产生的电荷大小。晶体在任意受力状态下产生的电荷面密度由下列方程组表示：7/28/20211207传感器及应用第

6、6章2.压电系数的表示一般的表示式为压电系数要用18个分量表示，它是一个张量，用矩程表示。由于晶体具有对称性，往往使压电系数的分量小于187/28/20211307传感器及应用第6章石英压电系数钛酸钡压电系数因对称性，d12=-d11，d25=-d14，d26=-2d11。所以石英晶体只有两个独立的压电系数：d11和d14。7/28/20211407传感器及应用第6章压电系数dij的物理意义是：在“短路条件”下，单位应力所产生的电荷密度“短路”是指先将两个面短接，将表面的电荷先排除后，再受外力的作用，这时产生电荷这样做可以防止二次

7、效应（无表面起始电荷）3.一些在实际应用中的压电系数都是在不存在二次效应下的定义7/28/20211507传感器及应用第6章（1）压电电压系数gij在不计及二次效应的条件下，单位应力作用下晶体内部产生的电势梯度在数值上等于压电系数除以晶体的绝对介电常数式中，ij为相对介电系数，0为真空介电系数，g、d、具有相同的下角注7/28/20211607传感器及应用第6章（2）压电劲度系数hij每单位机械应变在晶体内部产生的电势梯度。其数值为压电电压系数和晶体模量的乘积各量的下角注应相同（3）机电耦合系数Kij表示压电体中存储的电能E

8、cd与其吸收的机械能Erj之比的平方根；也表示压电体中存储的机械能Ecj对的电能Erd之比的平方根7/28/20211707传感器及应用第6章机电耦合系数还可表示为机电耦合系数没有量纲。它可作为压电晶体的压电效应强弱的一种表示，这是一个非常重要的压