《磁电压电热电》PPT课件

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1、第四节磁电、压电、热电式传感器3.4.1磁电式传感器磁电式传感器：利用电磁感应原理将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号（电动势）的一种传感器。它不需要辅助电源就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号,是有源传感器。由于它输出功率大且性能稳定,具有一定的工作带宽（10～1000Hz）,所以得到普遍应用。根据电磁感应定律,当N匝线圈在恒定磁场内运动时,设穿过线圈的磁通为Φ,则线圈内的感应电势E与磁通变化率dΦ/dt有如下关系:E=-w(dΦ/dt)若线圈相对磁场运动为速度v或角转度ω时，则式E=-w(dΦ/

2、dt)可改写为e＝NBlv或e＝kNBAω磁电感应式传感器工作原理按结构不同分类动圈式3.4.2压电式传感器压电效应石英晶体的压电效应等效电路测量电路3.4.2压电式传感器压电式传感器是一种无源的双向机电传感器。它的工作原理是基于压电材料的压电效应。特点：体积小，结构轻可以实现力的测量，以及可以转换为力的物理量的测量，如加速度。测量动态参数。由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，因此压电式传感器不能用于静态测量。压电元件在交变力的作用

3、下，电荷可以不断补充，可以供给测量回路以一定的电流，故只适用于动态测量。压电效应某些晶体或多晶陶瓷，当沿着一定方向受到外力作用时，内部就产生极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又恢复到不带电状态；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。上述现象称为正压电效应。反之，如对晶体施加一定变电场，晶体本身将产生机械变形，外电场撤离，变形也随着消失，称为逆压电效应。自然界中与压电效应有关的现象举例：黑暗的环境中，榔头敲碎冰糖，冰糖在破碎的一瞬间，发出暗淡的蓝色闪光，晶体的压电效应。例：在敦煌的鸣沙

4、丘，当许多游客在沙丘上蹦跳或从鸣沙丘上往下滑时，可以听到雷鸣般的隆隆声。产生这个现象的原因是无数干燥的沙子（SiO2晶体）在重压引起振动，表面产生电荷，在某些时刻，恰好形成电压串联，产生很高的电压，并通过空气放电而发出声音。例：在电子打火机中，多片串连的压电材料受到敲击，产生很高的电压，通过尖端放电，而点燃火焰。压电材料压电晶体—石英（单晶体），性能稳定，机械强度和温度、时间稳定性比较好。在20～200℃的范围内压电常数的变化率只有-0.0001/℃。但是压电常数不高（表示压电性能的参数），多用于标准传感器和高精度

5、传感器中，高温较高传感器中。压电薄膜—高分子压电材料，压电常数较大，动态测量范围比较广,聚偏二氟乙烯（PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。其中以PVDF的压电常数最高。高分子压电材料是一种柔软的压电材料。可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。经极化处理后就显现出电压特性。它不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面积或较长的尺度，因此价格便宜。压电陶瓷—人工制作的多晶体，由无数电畴组成，原始的压电陶瓷无压电性质，必须在一定得温度下做极化处理。价格便宜，制作方便，居里温度高、压电常数大，国

6、内外大部分压电元件采用的是压电陶瓷。（1）锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）有较高的压电常数[d＝（200～500）10-12C/N]和居里点（500℃左右），是目前经常采用的一种压电材料。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的灵敏度压电关系表达式：　　　　：压电常数压电材料开始丧失压电特性的温度称为居里点温度。压电材料的主要特性参数石英晶体的压电机理分析石英的晶体结构为六方形晶柱，两端对称棱锥化学式为SiO2。定义：x：两相邻柱面内夹角等分线，垂直此轴压电效应最强。称为电轴。y：垂直于平行柱

7、面，在电场作用下变形最大，称为机械轴。z：无压电效应，中心轴，也称光轴。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,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,正负电荷重心不再重合,在x轴的正方向出现正电荷,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,在x轴上出现电荷,它的极性为x轴正向为负电荷。在y轴方向上不出现电荷。如果沿z轴

8、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。压电陶瓷极化后的压电陶瓷，当受外力变形后，由于电极矩的重新定位而产生电荷，压电陶瓷的压电系数是石英的几十倍甚至几百倍，但稳定性不如石英好。等效电路压电式传感器对被测量的变化是通过其压电元件产生电荷量