压电测量技术课件.ppt

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1、学习要求1.了解压电效应及石英晶体、陶瓷的压电效应；2.掌握压电式传感器的等效电路；3.熟悉电压放大器原理及使用特点；4.熟悉电荷放大器的特点及使用注意事项；5.了解压电式传感器的简单应用。压电式传感器：利用压电材料的压电效应实现能量的转换。当压电材料受到外力作用时，其表面将产生电荷，将机械能转变成电能。利用压电材料可以制成力敏元件。压电器件受力、表面形变电荷9.1压电式传感器的工作原理★正压电效应：有些材料，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产生符号相反的电荷；当外力去除后，又重新恢复为不带电的状

2、态。当作用力的方向改变时，电荷的极性随之改变。★逆压电效应：在这些材料的极化方向施加电场，它们就会产生变形，这种现象称为“逆压电效应”，或称为“电致伸缩效应”。压电材料：具有压电效应的材料称为压电材料。压电介质正压电效应Q(E)电能T(S)机械能逆压电效应压电常数压电材料的性能常用压电常数来表征。以晶体为例，设有一用晶体制成的压电元件受到力F作用，在其相应表面上产生表面电荷Q，力F与电荷Q之间存在如下关系：d—压电常数F+q=DF不同的受力方向及不同表面上电荷积累是不同的。用单位面积上的力和电荷来表征压电效应时，得到：j方向受力时在i方向上

3、电荷积累的表面密度(即沿i方向的极化强度)；沿方向j施加外力时，单位面积上感受的应力；压电常数(j方向受应力，在i方向产生电荷时的压电常数)。压电常数dij有两个下脚注:第1个下脚注：表示晶体的极化方向，即产生电荷的表面垂直于x轴(y轴或z轴)，记作i=1（或2或3）。第2个下脚注：j=1或2、3、4、5、6，分别表示在沿x轴、y轴、z轴方向作用的正应力和在垂直于x轴、y轴、z轴的平面内作用的剪切力。晶体在任意受力状态下所产生的表面电荷密度可由下列方程组决定：P1、P2、P3：分别为在垂直于x轴、y轴和z轴的表面上产生的总的电荷密度；σ1、

4、σ2、σ3：表示晶体分别沿x轴、y轴、z轴方向所受的外力分量产生的拉或压应力；σ4、σ5、σ6：为剪切应力分量。晶体（压电材料）的压电特性可以用它的压电常数矩阵表示如下：石英晶体的压电常数矩阵：（k=1、2、3；h=1、2、3、4、5、6）—沿h方向的应变。—沿k方向施加的电场。石英晶体的逆压电效应可用下列形式表示：结论：1）有正压电效应的压电晶体，必有相应的逆压电效应。晶体中，哪个方向上有正压电效应，则此方向上必定存在逆压电效应。2）逆压电效应的压电常数与正压电效应的压电常数相等，且一一对应。一般有：逆压电效应中压电常数矩阵是正压电效应中

5、压电常数矩阵的转置矩阵。压电介质正压电效应Q(E)电能T(S)机械能逆压电效应★压电常数dij的物理意义在“短路条件”下，单位应力所产生的电荷密度。“短路条件”是指压电元件的表面电荷从一开始发生就被引开，因而在晶体变形上不存在“二次效应”的理想条件。压电常数d有时也称为压电应变常数。（1）压电常数g：它表示在不计“二次效应”的条件下，每单位应力在晶体内部产生的电势梯度，因此有时也称为压电电压常数，数值上等于压电常数d除以晶体的绝对介电常数，即：（2）压电常数h：它表示在不计“二次效应”条件下，每单位机械应变在晶体内部产生的电势梯度。因而h常

6、数应关系到压电晶体材料的机械性能参数，数值上等于压电常数g和晶体的杨氏模量E的乘积：9.2压电材料选择压电材料的要求：①转换性能：具有较高的耦合系数或具有较大的压电常数；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：希望具有高的电阻率和大的介电常数，以期减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性；④温度和湿度稳定性要好，具有较高的居里点，以期得到较宽的工作温度范围；⑤时间稳定性:压电特性不随时间变化。压电晶体分类：单晶体：石英晶体等多晶体：压电陶瓷等石英晶体石英晶体有天然

7、的石英和人工石英单晶体两种。结构：石英晶体属六方晶体，有右旋石英晶体和左旋石英晶体之分，其理想外形共包括三十个晶面，分成五组。以m、R、r、s和x表示。六个m面也称柱面，六个R面也称大棱面，六个面r也称为小棱面，还有六个s面和六个x面。x轴：与z轴垂直的平面上，并通过相对两棱的直线(有三个)，又称为电轴。y轴：与x轴、z轴垂直的是y轴，又称为机械轴；z轴：晶体对称轴，又称为光轴；x切割：截得的压电元件之两个端面与x轴相垂直；y切割：截得的压电元件中的两个端面与y轴相垂直。压电晶体的三种压电效应a)纵向压电效应:沿电轴X-X方向的力作用下产生

8、电荷的压电效应.压电晶体的三种压电效应b)横向压电效应:沿机械轴Y-Y方向的力作用下产生电荷的压电效应.压电晶体的三种压电效应c)切向压电效应石英是具有良好压电效应的一种压电晶体