第 8 章 压电式传感器ppt课件.ppt

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1、第8章压电式传感器8.1压电效应及压电材料8.2压电式传感器测量电路8.3压电式传感器的应用7/29/202118.1压电效应及压电材料正压电效应(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,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电荷;当外力去掉后,又重新恢复到不带电状态;当作用力方向改变时,电荷的极性也随之改变。人们把这种机械能转换为电能的现象,称为“正压电效应”。逆压电效应:当在电介质极化方向施加电场,这些电介质也会产生几何变形。人们把这种电能转换为机械能的现象,称为“逆压电效应”。7/29/2021

2、2压电效应可逆性7/29/20213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。压电材料分类:压电晶体、压电陶瓷和有机高分子压电材料。7/29/20214常用压电材料性能参数7/29/20215一、石英晶体石英晶体:化学式为SiO2,是单晶体结构,正六面体。石英晶体的各向异性:纵向轴z称为光轴,经过六面体棱线并垂直于光轴的x轴称为电轴,与x和z轴同时垂直的y轴称为机械轴。纵向压电效应: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”;横向压电效应:把沿机械轴y方向的力作用下产生电荷的压电效应

3、称为“横向压电效应”。而沿光轴z方向的力作用时不产生压电效应。7/29/20216晶体外形(b)切割方向(c)晶片石英晶体7/29/20217天然形成的石英晶体外形7/29/20218天然形成的石英晶体外形7/29/20219石英晶体切片及封装石英晶体薄片双面镀银并封装7/29/202110纵向压电效应:若从晶体上沿y方向切下一块晶片,沿电轴方向施加作用力F1时,在与电轴x垂直的平面上将产生电荷,其大小为式中,d11为x方向受力的压电系数。横向压电效应:若在同一切片上,沿机械轴方向施加作用力F2时,则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷,其大小

4、为式中,d12为y方向受力的压电系数,其中d12=-d11。7/29/202111不受力时(b)x轴方向受力(c)y轴方向受力石英晶体压电模型注:电偶极矩P=ql7/29/202112切向效应7/29/202113石英晶体压电效应原理:(a)石英晶体未受外力作用时,P1+P2+P3=0,所以晶体表面不产生电荷,即呈中性。(b)石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时,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。(c)石英晶体受到沿y轴方向的压力作用时,在x轴的正向出现正电荷,电偶极矩在y方向上的分量仍为零,不出现电荷。

5、(d)石英晶体沿z轴方向施加作用力时,晶体不会产生压电效应。(e)当作用力Fx、Fy的方向相反时,电荷的极性也随之改变。7/29/202114石英晶体的压电效应演示7/29/202115优点:性能非常稳定,机械强度高,绝缘性能非常好,绝缘阻抗一般大于1012。缺点:石英晶体的压电系数比压电陶瓷小的多,且价格较贵,所以压电石英一般用于制作标准仪器或要求较高的传感器。压电石英特性:7/29/202116二、压电陶瓷压电陶瓷:是人工制造的多晶体压电材料,压电系数高。人工极化:材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴,在无外电场作用时,电畴在晶体中杂乱

6、分布,它们各自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。在强直流极化电场作用下,电畴的极化方向依外电场方向充分排列。在撤消极化电场后,压电陶瓷内部仍存有很强的剩余极化强度,这时的材料才具有压电特性。7/29/202117未极化(b)电极化压电陶瓷的极化7/29/202118压电陶瓷外形7/29/202119无铅压电陶瓷及其换能器外形(上海硅酸盐研究所研制)7/29/202120压电陶瓷的正压电效应:式中,d33——压电陶瓷的压电系数;F—作用力。优点:压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多,所以

7、采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。7/29/202121钛酸钡(BaTiO3),它的压电系数约为石英的50倍,但居里点温度只有115℃,使用温度不超过70℃,温度稳定性和机械强度都不如石英。锆钛酸铅(PZT)系列,居里点在300℃以上,性能稳定,有较高的介电常数和压电系数。铌镁酸铅:20世纪60年代发展起来的压电陶瓷,具有极高的压电系数和较高的工作温度,而且能承受较高的压力。压电陶瓷材料:7/29/2021221、某些合成高分子聚合物经延展拉伸和电极化处理而成,如聚偏二氟乙烯(PVDF);2、高分子化合物中参杂PZT和BaTiO

8、3粉末制成薄膜。优点:有机高分子压电材料的独特优点是质轻柔软、抗拉强度高,便于批量生产和大面积使用,可制作大面积阵列传感器。三、有机高分子压电材料7/29/202123高分子压电薄膜及拉制7/

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