传感器原理及应用 教学课件 作者 程德福 第二章力传感器4.ppt

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1、第四节压电式传感器一、压电效应二、压电材料三、压电式传感器的测量电路四、压电式传感器的应用1压电式传感器是一种典型的发电型传感器，以电介质的压电效应为基础，在外力作用下,在电介质表面产生电荷，从而实现非电量测量。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。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、重量轻等特点。概述第四节压电式传感器2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警号第四节压电式传感器压电加速度计3某些电介质（晶体）当沿着一定方

2、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；一、压电效应第四节压电式传感器这种现象称正压电效应4石英晶体的压电效应演示当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。5压电元件机械能电能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——转化成电能也可以将电能——转化成

3、机械能。第四节压电式传感器正压电效应逆压电效应6第四节压电式传感器7第四节压电式传感器超声波传感器8第四节压电式传感器1、石英晶体的压电效应ZXY(a)(b)石英晶体(a)理想石英晶体的外形(b)坐标系ZYX石英晶体的理想外形是一个正六面体，在晶体学中它可用三根互相垂直的轴来表示，其中纵向轴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。9第四节压电式传感器(b)(a)++---YXXY硅氧离子的排列示意图(a)硅氧离子在Z平面上的投影（

4、b）等效为正六边形排列的投影+石英晶体具有压电效应，是由其内部结构决定的。组成石英晶体的硅离子Si4+和氧离子O2-在Z平面投影，如图(a)。为讨论方便，将这些硅、氧离子等效为图(b)中正六边形排列，图中“＋”代表Si4+，“－”代表2O2-。10晶体沿X方向将产生收缩，电偶极矩在X方向的分量为(P1+P2+P3)X>0(P1+P2+P3)Y=0(P1+P2+P3)Z=0即在X轴的正向出现正电荷，在Y、Z轴方向则不出现电荷。第四节压电式传感器Y+++--X-+++－－－FXFXP2P3P1+－Y+++---X(a)FX=0P1P

5、2P3FXXY++++－－－－FX(b)FX<0+++---P1P2P3(c)FX>0正、负离子（即Si4+和2O2-）正好分布在正六边形顶角上，形成三个互成120º夹角的偶极矩P1、P2、P3，电偶极矩的矢量和等于零，即P1＋P2＋P3＝0（P1+P2+P3）X<0（P1+P2+P3）Y=0（P1+P2+P3）Z=0即在X轴的正向出现负电荷，在Y、Z轴方向则不出现电荷。结论：当晶体受到沿X（即电轴）方向的力FX作用时，它在X方向产生正压电效应，而Y、Z方向则不产生压电效应。11当晶体在Y轴方向力FY作用时：当FY＞0时，晶体的

6、形变与在X轴方向力FX＜0相似；当FY＜0时，则与在X轴方向力FX＞0相似。可见，晶体在Y（即机械轴）方向的力FY作用下，使它在X方向产生正压电效应，在Y、Z方向则不产生压电效应。如果沿Z轴方向上施加作用力FZ，因为晶体沿X方向和沿Y方向所产生的正变形完全相同，所以，正、负电荷中心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。表明：沿Z（即光轴）方向加作用力FZ晶体不产生压电效应。12第四节压电式传感器晶体切片：从石英晶体上沿轴线切下的平行六面体薄片。当晶片受到沿X轴方向的压力FX作用时，晶体切片厚度t将产生变形，并在与X轴垂直的平面上产生电

7、荷QXX，即ZYbl石英晶体切片tX++++－－－－(b)X++++++++－－－－－－－－(c)(d)FYFYXX++++－－－－(a)FXXFX13压电效应结论①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）之间呈线性关系；②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；③石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的。通常把沿电轴X－X方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”，而把沿机械轴Y－Y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”，沿光轴Z－Z方向受力则不产生压电效应。14

8、1、种类：石英晶体：如石英等；压电陶瓷：如钛酸钡、锆钛酸铅等；压电半导体：如硫化锌、碲化镉等；高分子压电材料：聚二氟乙烯等。2、对压电材料特性要求：①转换性能：要求具有较大压电常数；②机械性能：机械强度高、刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率；③电性能