传感器第六章 压电式+压磁式课件.ppt

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1、第一部分压电式传感器第一节压电效应及压电材料第二节压电传感器的等效电路及测量电路第三节压电传感器的应用第二部分压磁式传感器第一节压磁效应与压磁元件第二节压磁传感器工作原理及其结构第三节压磁传感器的应用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压电式传感器的原理：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。特点：压电式传感器具有响应频带宽，灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等优点。应用领域：压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最终能变换为力的非电物

2、理量，例如动态力、动态压力、振动加速度，在工程力学、生物医学、石油勘探、声波测井、电声学等领域得到了广泛的应用。第一节压电效应及压电材料一、压电效应二、石英晶体（SiO2）的压电效应三、陶瓷的压电效应四、压电材料一、压电效应顺（正）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，同时在它的一定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，电荷极性也随之改变。这种机械能转化为电能的现象称为正压电效应或顺压电效应。返回F－－－－－－＋＋＋＋＋＋FFF＋＋＋＋＋＋－

3、－－－－－逆压电效应（电致伸缩效应）当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失，这种将电能转变为机械能的现象。正压电效应电能机械能逆压电效应压电元件返回二、石英晶体（SiO2）的压电效应ZXY纵向轴Z－Z称为光轴经过正六面体棱线，并垂直于光轴的X－X轴称为电轴与X－X轴和Z－Z轴同时垂直的Y－Y轴（垂直于正六面体的棱面）称为机械轴(a)晶体外形；(b)切割方向；(c)晶片石英坐标1、石英晶体产生压电效应原理“＋”代表Si4+，“－”代表2O2-。F=0

4、时正、负离子在正六边形顶角P1、P2、P3互成120º夹角正负电荷中心重合电偶极矩的矢量和等于零P1＋P2＋P3＝0此时晶体表面不产生电荷，即呈中性。受X方向压力时正、负电荷重心不再重合P1减小，P2、P3增大(P1+P2+P3)X<0（P1+P2+P3）Y=0（P1+P2+P3）Z=0这种沿X轴施加力，而在垂直于X轴晶面上产生电荷的现象即为纵向压电效应。受Y轴压力与X方向拉力相同(P1+P2+P3)X>0X轴的正向:负电荷Y、Z轴方向无电荷这种沿Y轴施加力，而在垂直于X轴晶面上产生电荷的现象即为横向压电效应。受Z轴力:无论是压

5、力还是拉力作用都会使晶体在x方向和y方向产生完全相同的形变，所以，正、负电荷重心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。这就表明，在沿z(即光轴)方向的力Fz作用下，晶体不产生压电效应。（切向压电效应）石英压电效应返回2、纵向压电效应d11为x方向受力的压电系数d11=2.31×10-12C/NFX为作用力xbzyac返回3、横向压电效应d12——y轴方向受力的压电系数；石英晶体对称性，有d12=-d11；a-长度；b-厚度。返回①当晶片受到x方向的压力作用时，qx只与作用力Fx成正比，而与晶片的几何尺寸无关；②沿机械轴y方向向晶片施加

6、压力时，产生的电荷是与几何尺寸有关的；③石英晶体不是在任何方向都存在压电效应；④晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆压电效应；⑤无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）与电荷（或电场强度）之间皆呈线性关系。结论：返回三、陶瓷的压电效应无外电场作用时总极化强度为零施加外电场时电畴自发极化方向与外电场一致外电场去掉后具剩余极化强度人造多晶体：经极化处理后的人工多晶铁电体电畴剩余极化强度－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋自由电荷束缚电荷电极电极＋＋＋＋＋极化方向无外力作用时电压表不能测出陶瓷片内的极化程度束缚电荷会吸附自由

7、电荷陶瓷片对外不表现极性这种由机械效应转变为电效应，或者由机械能转变为电能的现象，就是正压电效应。d33:压电陶瓷压电系数F：作用力加外力＋＋＋＋＋－－－－－＋＋＋＋＋极化方向F电畴偏转，极化强度变小，自由电荷释放－－－－－＋＋－－返回逆压电效应：由于电效应而转变为机械效应或者由电能转变为机械能的现象。－－－－－－＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－极化方向电场方向Ｅ返回（a）纵向变形y++++FzFzxz----d33:压电陶瓷的压电系数；Fz:作用力。①转换性能。要求具有较大的压电常数。②机械性能。机械强度高、刚度大。具有

8、较高的固有振动频率。③电性能。高电阻率和大介电常数。为了减少电荷的泄漏以及外部分布电容的影响。④环境适应性。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。⑤时间稳定性。要求压电性能不随时间褪化。压电材料具备主要特性：四、压电材料指压电材料开