压电传感器ppt课件.ppt

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1、第6章压电传感器7.1晶体的压电效应7.2压电材料7.3压电元件结构形式7.4等效电路与测量电路7.5压电传感器的应用1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,是典型的双向有源传感器。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。压电式传感器27.1晶体的压电效应7.1.1晶体压电效应的说明当某些晶体沿一定方向伸长或压缩时,在其表面上会产生电荷(束缚电荷),这种效应称为压电效应。晶体的这一性质称为

2、压电性。具有压电效应的晶体称为压电晶体。压电效应是可逆的,即晶体在外电场的作用下要发生形变,这种效应称为反向压电效应。3压电效应某些电介质，在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个表面上生成符号相反的电荷，当外力去掉后，它又会恢复到不带电状态，这种现象称为压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之而改变。图7-1压电效应示意图4逆压电效应在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或叫做电致伸缩效应。图7-2逆向压电效应示意图5压电效应的可逆性压电介质机械能电能正压

3、电效应逆压电效应6(a)具有压电效应的晶体不受外力：正负电荷中心重合，单位体积的电矩（极化强度）等于零，对外不呈现极性；受外力作用：晶体变形，正负电荷中心分离，单位体积的电矩（极化强度）不等于零，对外呈现极性。7(b)不具有压电效应的晶体由于具有中心对称的结构,无论外力如何作用,晶体正负电荷的中心总是重合在一起,因此这些晶体不会出现压电效应。8在自然界中大多数晶体都具有压电效应，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压电常数:压电常数是衡量

4、材料压电效应强弱的参数，它直接关系到压电输出灵敏度。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。7.2压电材料9③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：它的意义是，在压电效应中，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，这是衡量压电材料机—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居里点温度:它是指压电材料开始丧失压电特性的温度。10表7-1常用压电材料性能参数117.2.1石英晶体

5、石英晶体是最早应用的压电材料,至今石英仍是最重要的也是用量最大的振荡器、谐振器和窄带滤波器等元件的压电材料。随着压电传感器的大量应用,在石英之后研制出了许多人造晶体,如罗息盐、ADP、KDP、EDT、DKT和LH等压电单晶体。但由于它们的性能存在某些缺陷,后来随着人造压电石英的大量生产和压电陶瓷性能的提高,这些人造单晶体已逐渐被取代了。12X轴向受力：Y轴向受力：Z轴向受力：无图7-3石英晶体13现象：图7-4电荷符号与受力方向的关系14机理：图7-5石英晶体内部分子结构模型15机理：图7-6力作用对离子排列位置的影响167.2.2压电陶瓷（多晶体）图7-7压电陶瓷17压

6、电机理：压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。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。在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场方向的排列，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，当外电场去掉后，电畴的极化方向基本变化，即剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性。18极化

7、处理后陶瓷材料内部存在有很强的剩余极化，当陶瓷材料受到外力作用时，电畴的界限发生移动，电畴发生偏转，从而引起剩余极化强度的变化，因而在垂直于极化方向的平面上将出现极化电荷的变化。这种因受力而产生的由机械效应转变为电效应，将机械能转变为电能的现象，就是压电陶瓷的正压电效应。电荷量的大小与外力成如下的正比关系：式中：d33——压电陶瓷的压电系数；F——作用力。19压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多，所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。极化处理后的压电陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温度有关，它的参数也随时间变化，从而