《压电测量技术》PPT课件(I)

《《压电测量技术》PPT课件(I)》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

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态。当作用力的方向改变时，电荷的极性随之改变。★逆

2、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

3、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、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

4、电常数矩阵表示如下：石英晶体的压电常数矩阵：（k=1、2、3；、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

5、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

6、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。

7、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。在2