第5章压电式传感器ppt课件.ppt

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1、5.1压电效应及压电材料5.2压电传感器测量电路5.3压电式传感器的应用练习与思考题第5章压电式传感器返回主目录第5章压电式传感器压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应,是典型的有源传感器。当材料受力作用而变形时,其表面会有电荷产生，从而实现非电量测量。压电式传感器具有体积小,重量轻,工作频带宽等特点,因此在各种动态力、机械冲击与振动的测量,以及声学、医学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用。5.1压电效应及压电材料1、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,其内部就产生极化现象,同时在它的两个表面上便产生符号相反的

2、电荷,当外力去掉后,其又重新恢复到不带电状态，这种现象称压电效应。当作用力方向改变时,电荷的极性也随之改变。有时人们把这种机械能转为电能的现象,称为“正压电效应”。相反,当在电介质极化方向施加电场,这些电介质也会产生变形,这种现象称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。具有压电效应的材料称为压电材料,压电材料能实现机—电能量的相互转换,如图5-1所示。在自然界中大多数晶体具有压电效应,但压电效应十分微弱。随着对材料的深入研究,发现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。压电材料可以分为两大类:压电晶体和压电陶瓷。压电材料的主要特性参数有:（1

3、）压电常数压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数,它直接关系到压电输出的灵敏度。（2）弹性常数压电材料的弹性常数、刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。（3）介电常数对于一定形状、尺寸的压电元件,其固有电容与介电常数有关;而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。（4）机械耦合系数在压电效应中,其值等于转换输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根;它是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。（5）电阻压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏,从而改善压电传感器的低频特性。（6）居里点压电材料开始丧失压电特性的温度称为居里点。一、石英晶

4、体的压电效应石英晶体是最常用的压电晶体之一。它理想的几何形状为正六面体晶柱，如图5.2（a）所示。（a）石英晶体的外形（b）坐标轴（c）切片图5.2石英晶体在晶体学中可用三根互相垂直的晶轴表示，其中纵向轴Z称为光轴；经过正六面体棱线且垂直于光轴的x轴称为电轴；与x轴和z轴同时垂直的y轴称为机械轴，如图5.2（b）所示。通常把沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”，把沿机械轴y轴方向的力作用下产生电荷的压电效应，称为“横向压电效应”。而沿z轴方向受力时不会产生压电效应。若从晶体上沿y方向切下一块如图5-2（c）所示晶片,当在电轴方向施

5、加作用力时,在与电轴x垂直的平面上将产生电荷,其大小为qx=d11fx(5-1)式中:d11——x方向受力的压电系数;石英晶体的d11=2.31×10-12C/N；qx————垂直于x轴平面上的电荷；fx————沿晶轴x方向施加的作用力。压电系数有两个下标，即和j，其中（=1,2,3）表示在面上产生的电荷，例如=1,2,3分别表示在垂直于x,y,z轴的晶片表面即X,Y,Z面上产生的电荷。下标j=1,2,3,4,5,6,其中j=1,2,3分别表示晶体沿x，y，z轴方向承受的正应力；j=4,5,6则分别表示晶体在X,Y,Z面上承受的剪切应力。压电元件坐

6、标系的表示法见图5.3。例如d11表示沿x方向受力，在X面上产生电荷时的压电系数。图5.3压电元件坐标系的表示法从式（5.1）中可以看出切片上产生的电荷多少与切片的尺寸无关，即qx与Fx成正比。电荷qx的符号由晶体受压还是受拉而决定，如图5.4(a)、(b)。图5.4晶片上电荷极性与受力方向关系若在同一切片上,沿机械轴y方向施加作用力fy,则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qy,其大小为qy=d12fy（5-2）式中:d12——y轴方向受力的压电系数,d12=-d11;根据石英晶体轴的对称条件：d12=－d11则式（5.2）为（5.3）从式（5.

7、3）可见沿机械轴方向的力作用在晶体上时产生的电荷与晶体切片的尺寸有关，式中的负号说明沿y轴的压力所引起的电荷极性与沿x轴的压力所引起的电荷极性是相反的。当石英晶体沿z轴方向被压缩或被拉伸时，晶体沿x方向和y方向产生同样的变形，因此沿z轴方向施加作用力时，石英晶体不会产生压电效应，即d13=0。当石英晶体分别受到沿X面、Y面、Z面上作用的剪切力时，压电常数d14、d25、d26不为零。说明沿X面作用剪切力时（j=4），在X面表面上产生电荷（i=1）。沿Y面作用剪切力时（j=5），在Y面表面上产生电荷（i=2）。沿Z面作用剪切力时（j=6），在Y面表面上产生电

8、荷（i=2）。根据压电效应的性质和石英晶体的对称性，石英晶体的压电