第7章 压电式传感器ppt课件.ppt

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1、压电式传感器是一种典型的有源传感器(或发电型传感器)。它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量电测的目的。压电传感元件是力敏感元件，所以它能测量最终能变换为力的那些物理量，例如力、压力、加速度等。压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、质量轻等优点。近年来，由于电子技术的飞速发展，随着与之配套的二次仪表以及低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现，使压电传感器的使用更为方便。因此，在工程力学、生物医学、电声学等许多技术领域中，压电式传感器获得了广泛的应用。触觉传感器加速度传感器1§7-1压电效

2、应压电效应：沿着一定方向对某些电介质施力而使它变形时，其内部就产生极化现象，在它的两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又重新恢复不带电状态。逆压电效应(电致伸缩效应)：在电介质的极化方向施加电场，这些电介质产生变形。具有压电效应的物质如天然形成的石英晶体，人工制造的压电陶瓷、锆钛酸铅等。天然石英晶体人工制造的压电陶瓷2一、石英晶体压电效应§7-1压电效应天然结构石英晶体的理想外形是一个正六面体，石英晶体的坐标系：Z轴，也叫光轴，经过正六面体棱线；X轴，也叫电轴，垂直于正六面体的棱边；Y轴，也叫机械轴，垂直于正六面体的棱面。（光轴）（电轴）（机械轴）（a）

3、正负电互相平衡，外部没有带电现象。（b）X向压缩，表面A上呈现负电荷、B表面呈现正电荷“纵向压电效应”“横向压电效应”（c）Y向压缩，在A和B表面上分别呈现、负电荷3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，如右图所示。并在垂直X轴方向两面用真空镀膜或沉银法得到电极面。石英晶体切片§7-1压电效应4§7-1压电效应当晶片受沿电轴(X轴)的压力Fx作用时厚度变形极化现象+PXX—极化强度σXX—应力FX—沿晶轴X方向施加的压缩力；d11—压电系数，与受力方向有关；l，b—石英晶片的长度和宽度qX—垂直于X轴平面上电荷极间电压CX

4、—电极面间电容X轴平面上电荷5§7-1压电效应当晶片受沿机械轴(Y轴)的压力Fy作用时，电荷仍在与X轴垂直平面上出现电荷的大小为：其中，d12—石英晶体在Y轴方向受力时的压电系数，d11=-d12t—晶片厚度X轴平面上电荷极间电压6物联网传感器技术与应用点击此处结束放映§7-1逆压电效应晶体在外电场的作用下，内部正负电荷的重心会发生位移．这一极化位移又会导致晶体发生形变。即在压电体表面形成上正、下负的电场时，压电体在长度方向便会伸张；反之，若在压电体上、下表面施加反向电场．则压电体在长度方向就会收缩。当对压电体施加交变电场时，在压电体中就会激发出某种模态的弹性振

5、动。Δt=d11UX其中，EX—X轴方向的电场强度8由上述可知：①无论是正或逆压电效应，其作用力(或应变)与电荷(或电场强度)之间呈线性关系；②晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆压电效应；（正压电效应存在，逆压电效应必存在，反之而不对。）③石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的。§7-1压电效应9§7-2压电材料应用于压电式传感器中的压电材料主要有两种：一种是压电晶体，如石英等；另一种是压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等。对压电材料要求具有以下几方面特性。①转换性能。要求具有较大压电常数。②机械性能。压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、机械刚

6、度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。③电性能。希望具有高电阻率和大介电常数，以减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性。④环境适应性强。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。⑤时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。10一、石英晶体石英在高温下相对介电常数的温度特性石英的d11系数相对于20oC的d11随温度变化特性§7-2压电材料石英是一种具有良好压电特性的压电晶体。其介电常数和压电系数的温度稳定性相当好，在常温范围内这两个参数几乎不随温度变化。优点是性能非常稳定，机械强度高，绝缘性能也相当好。缺点是价格昂贵，且压电系数

7、比压电陶瓷低得多。因此一般仅用于标准仪器或要求较高的传感器中。11二、压电陶瓷§7-2压电材料压电陶瓷由于具有很高的压电系数，因此在压电式传感器中得到广泛应用。压电陶瓷主要有以下几种。(一)钛酸钡压电陶瓷由碳酸钡(BaCO3)和二氧化钛(TiO2)按1∶1克分子比例混合后充分研磨成型，经高温1300～1400oC烧结，然后再经人工极化处理得到的压电陶瓷。优点：具有很高的介电常数和较大的压电系数(约为石英晶体的50倍)。缺点：居里温度低(120oC)，温度稳定性和力学强度不如石英晶体。(二)锆钛酸铅系压电陶瓷(PZT)由PbTiO3和PbZrO3组成的固溶体Pb(

8、Zr、Ti)O3。优点：