第7章压电式传感器

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1、传感器原理及应用第7章压电式传感器传感器原理及应用第7章压电式传感器主要内容7.1压电效应7.2压电材料7.3等效电路与测量电路7.4压电式传感器的应用传感器原理及应用第7章压电式传感器概述压电式传感器以电介质的压电效应为基础，外力作用下在电介质表面产生电荷，从而实现非电量测量,是一种典型的发电型传感器.压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动进行测量，在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用。传感器原理及应用第7章压电式传感器概述压电陶瓷位移器压电陶瓷超声换能器压电秤重浮游计压电加速度计压电警号传感器原理及应用第7章压电式传感器7.1压电效应自然界中32种晶体点阵，分为中心对称和非对

2、称两大类，其中非中心对称的有21种，20种具有压电效应，压电现象是晶体缺乏中心对称引起的。某些电介质（晶体）当沿着一定方向施加力变形时，内部产生极化现象，同时在它表面会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；当作用力方向改变后，电荷的极性也随之改变;这种现象称压电效应。传感器原理及应用第7章压电式传感器7.1压电效应压电效应是可逆的在介质极化的方向施加电场时，电介质会产生形变，将电能转化成机械能，这种现象称“逆压电效应”。压电元件可以将机械能电能也可以将电能机械能压电元件机械能电能传感器原理及应用第7章压电式传感器7.2压电材料7.2.1石英晶体自然界许多晶体具有压电效应，但十分

3、微弱，研究发现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅是优能的压电材料。压电材料可以分为两类：压电晶体、压电陶瓷。石英晶体外形结构石英晶体特征天然、人工晶体两种都属于单晶体化学式为——SiO2外形无论再小都呈六面体结构沿各个方向的特征不同（按特定方向切片）沿X（电轴）作用产生电荷称纵向压电效应沿Y（机械轴）……………..横向压电效应沿Z（光轴）不产生压电效应传感器原理及应用第7章压电式传感器7.2压电材料7.2.1石英晶体——单晶体（水晶）压电晶片按特定方向切片人工合成水晶传感器原理及应用第7章压电式传感器7.2压电材料7.2.1石英晶体压电特性的各向异性可用矩阵表示（略）压电元件受力后,表面电荷与外力成正

4、比关系:d为压电系数（为常数）在X轴方向施力时,产生电荷大小为:d11纵向压电系数，σ1为X方向应力在Y轴方向施力时,产生电荷大小为:d12横向压电系数，σ2为Y方向应力根据晶体的对称性，压电系数d12=-d11a、b是晶体切片几何尺寸(长、厚)由拉力还是压力决定qx、qy符号。传感器原理及应用第7章压电式传感器7.2压电材料7.2.1石英晶体石英晶体的上述特征与内部分子结构有关：当晶体不受力时F=0，正负离子分布在六边形顶角，电偶极矩互成1200夹角，矢量和为零，晶体呈中性；当晶体受沿X轴方向的应力时，X方向压缩形变，电偶极矩在X轴方向的分量由于出现上负下正电荷；传感器原理及应用第7章压电式

5、传感器7.2压电材料7.2.1石英晶体当晶体受沿Y轴方向的应力时，Y方向压缩形变，电偶极矩在X轴方向的分量由于出现上正下负电荷；晶体受沿Z轴方向的应力时X、Y方向形变相同不产生压电效应；应力方向为拉力时，电荷极性与上述相反。传感器原理及应用第7章压电式传感器7.2压电材料7.2.1石英晶体石英晶体压电模型传感器原理及应用第7章压电式传感器动画演示石英晶体压电模型动画演示传感器原理及应用第7章压电式传感器7.2压电材料7.2.2压电陶瓷（多晶体）压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料，材料的内部晶粒有许多自发极化的电畴，它有一定的极化方向。无电场作用时，电畴在晶体中分布杂乱分布，极化相互抵消呈中性。

6、施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向外电场方向排列。外电场强度达到饱和程度时，所有的电畴与外电场一致。传感器原理及应用第7章压电式传感器7.2压电材料7.2.2压电陶瓷（多晶体）外电场去掉后，电畴极化方向基本不变，剩余极化强度很大。所以，压电陶瓷极化后才具有压电特性，未极化时是非压电体。传感器原理及应用第7章压电式传感器7.2压电材料7.2.2压电陶瓷（多晶体）晶体极化后，沿极化方向（垂直极化平面）作用力时，引起剩余极化强度变化，在极化面上产生电荷，电荷量的大小与外力成正比关系，电荷密度：d33—压电陶瓷的纵向压电常数，d33比d11、d12大的多所以压电陶瓷制作的传感器灵敏度比压电晶体

7、高，但极化后的压电陶瓷受温度影响又使压电特性减弱。随时间延长（2年后）d33会下降，作为传感器使用时要经常校准修正。传感器原理及应用第7章压电式传感器7.2压电材料7.2.3新型压电材料石英和压电陶瓷是性能较好的压电材料，但有共同的缺点，密度大、硬、易碎，不耐冲击，难以加工。而新型合成高分子材料，PVF聚氟乙烯、PVF2聚偏二氟乙烯、PVC聚氯乙烯等能很好的克服这一缺陷，可以作成轻小柔软的压电元件