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发电型传感器，是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，从而实现非电量测量。压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动等进行测量，即它只能测动态的量，不能测静态的量。第7章压电式传感器7.1压电效应一、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（内部正负电荷中心相对位移）,同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷,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。这种由机械能转为电能的现象,称为“正压电效应”。当

2、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）。可将电能转换为机械能。_y+正压电效应逆压电效应压电元件受力后，表面电荷Q与外力F成正比关系，压电效应表达式：d－压电系数；F－外作用力;电能机械能正压电效应逆压电效应7.2压电材料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。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,目前应用较多的压电材料主要有三种：压电晶体；压电陶瓷；高分子压电材料。1、单晶体——石英晶体石英晶体是天然的单晶体结构。它是一个正六面体

3、，有右旋和左旋晶体之分，外形互为镜像对称。下面是石英晶体的实物图天然形成的石英晶体外形天然形成的石英晶体外形（续）电轴（X轴）：垂直于此轴面上的压电效应最强。机械轴（Y轴）：垂直于棱柱面。在电场（沿X向）作用下，沿Y轴方向的机械变形最大。YZXY(a)(b)石英晶体(a)理想石英晶体的外形(b)坐标系ZX在晶体学中石英晶体可以用三根互相垂直的轴来表示，光轴（Z轴）：垂直于XY平面。光线沿该轴通过石英晶体时，无折射（即发生全反射），在此方向加外力，无压电效应现象。压电效应的物理解释石英晶体sio2，3个硅离子Si4+离子,6个氧离子O2-，两两成对

4、。微观分子结构为一个正六边形。垂直于X轴端面有无数个此分子结构。（1）未受外力作用时,正、负离子正好分布在正六边形的顶角上,形成三个互成120°夹角的电偶极矩P1、P2、P3。如图a所示。P1+P2+P3=0。正负电荷中心重合，晶体垂直X轴表面不产生电荷--呈中性。从–Q指向+Q的矢径l和电量Q的乘积定义为电偶极矩，通常用矢量p表示。（2）受x轴方向的压力作用时,晶体沿x方向将产生压缩变形,正负离子的相对位置也随之变动。如图（b）所示,此时正负电荷重心不再重合,电偶极矩在x方向上的分量由于P1的减小和P2、P3的增加而不等于零,即（P1+P2+P3）

5、<0。在x轴的正方向出现负电荷,电偶极矩在y方向上的分量仍为零,不出现电荷。（3）受到沿y轴方向的压力作用时,晶体的变形如图（c）所示，P1增大,P2、P3减小，即（P1+P2+P3）>0。在x轴正方向出现正电荷,在y轴方向上不出现电荷。补充两个概念极化：指事物在一定条件下发生两极分化，使其性质相对于原来状态有所偏离的现象。如分子极化、光子极化(偏振)、电极极化等。具有自发极化的晶体中存在一些自发极化取向一致的微小区域,称为电畴.①未加电场材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴,它有一定的极化方向,从而存在电场。在无外电场作用时,电畴在晶体中杂乱分布,它们

6、的极化效应被相互抵消,压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性,不具有压电性质。2、多晶体——压电陶瓷（人工制造的多晶体压电材料）压电陶瓷的极化特性②加电场电畴方向发生转动,趋向于按外电场的方向排列,从而使材料得到极化。外电场愈强,就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度,即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时,外电场去掉后,电畴的极化方向基本不变,即剩余极化强度很大,这时的材料具有压电特性。直流电场E剩余极化强度剩余伸长电场作用下的伸长(a)极化处理前(b)极化处理中(c)极化处理后压电陶瓷外形无

7、铅压电陶瓷及其换能器外形（上海硅酸盐研究所研制）7.3等效电路与测量电路一、压电式传感器的等效电路从前面分析可知，压电元件在受到外力作用时，会在一个电极表面聚集正电荷，在另一个表面聚集负电荷，因此，压电式传感器可以看成一个电荷发生器或者看成一个电容器，若已知压电片面积为S，压电片厚度为δ，压电材料的相对介电常数为ε，则等效电容器的电容值为：压电元件受外力时，两表面产生等量的正、负电荷，压电元件的开路电压为：压电式传感器作为压力传感器使用时，可等效为如图(a)所示的电压源,也可等效为一个电荷源，如图(b)所示。压电传感器电压源与电荷源等效电路压电式传感器

8、与测量电路连接时，还应考虑连接线路的分布电容Cc，放大电路的输入电阻Ri，放大电路的输入电容C