第6章压电式传感器ppt课件.ppt

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1、第6章压电式传感器6.1压电效应及压电材料6.2压电式传感器测量电路6.3压电式传感器的应用6.1压电效应及压电材料逆压电效应: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，这种现象称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。正压电效应:有时人们把这种机械能转换为电能的现象，称为“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。这种现象称～。当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。压电材料:具有压电效应的材料称为～，压电材料能实现

2、机—电能量的相互转换，如图6-1所示。性能优良的压电材料:石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料。图6-1压电效应可逆性主要特性参数有：①压电常数:压电常数是衡量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。③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

3、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压电材料分类：压电晶体和压电陶瓷。表6-1常用压电材料性能参数纵向压电效应:沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压电效应称～，横向压电效应:沿机械轴y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为～。沿光轴z方向的力作用时不产生压电效应。图6-2天然结构石英晶体(a)晶体外形；(b)切割方向；(c)晶片6.1.1石英晶体石英晶体SiO2，单晶体结构。纵向轴—光轴z，经过六面体棱线并垂直于光轴的—电轴x，与x,z轴同时垂直的轴—机械轴y正六面体,各个方向的特性不同

4、。从晶体上沿y方向切下一块图6-2（c）示的晶片，当沿电轴方向施加作用力Fx时，在与电轴x垂直的平面上将产生电荷，其大小为(6-1)在同一切片上，沿机械轴y方向施加作用力Fy，则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qy，其大小为(6-2)d11—x方向受力的压电系数(c)晶片d12——y方向受力的压电系数，根据石英晶体的对称性有d12=-d11；a、b——晶体切片的长度和厚度。qx、qy的符号由受压力还是受拉力决定。（自学阅读P105）石英晶体的上述特性与其内部分子结构有关。图6-3是一个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子，在垂直于z轴的xy平面上的投影，等

5、效为一个正六边形排列。图中“”代表硅离子Si4+，“”代表氧离子O2-。当石英晶体未受外力作用时，正、负离子正好分布在正六边形的顶角上，形成三个互成120°夹角的电偶极矩P1、P2、P3。如图6-3（a）所示。图6-3石英晶体压电模型(a)不受力时；(b)x轴方向受力；(c)y轴方向受力因为P=ql,q为电荷量，l为正负电荷之间距离。此时正负电荷重心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即P1+P2+P3=0，所以晶体表面不产生电荷，即呈中性。当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时，晶体沿x方向将产生压缩变形，正负离子的相对位置也随之变动。如图6-3（b）所示，

6、此时正负电荷重心不再重合，电偶极矩在x方向上的分量由于P1的减小和P2、P3的增加而不等于零。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。当晶体受到沿y轴方向的压力作用时，晶体的变形如图6-3c）所示。与图6-3（b）情况相似，P1增大，P2、P3减小。在x轴上出现电荷，它的极性为x轴正向为正电荷。在y轴方向上仍不出现电荷。如果沿z轴方向施加作用力，因为晶体在x方向和y方向所产生的形变完全相同，所以正负电荷重心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。这表明沿z轴方向施加作用力，晶体不会产生压电效应。当作用力Fx、Fy的方向相反时，电荷的

7、极性也随之改变。压电陶瓷: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。极化过程: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,如图6-4（a）所示。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→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不变化，即剩余极化强度

8、很大，这时的材料才具有压电特性,如图6-4（b）所示