《压变式传感器》PPT课件.ppt

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1、传感器与检测技术董春利主编潘洪坤执笔大连职业技术学院电气电子工程系2008年3月全国高等职业教育规划教材省级精品课程配套教材第五章压变式传感器5.1压电式传感器5.2压磁式传感器第一节压电式传感器压电式传感元件是力敏感元件，所以它能测量最终能变换为力的那些物理量，例如力、压力、加速度等各种动态力、机械冲击与振动的测量。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、重量轻等优点一、压电传感器工作原理1．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，其内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便

2、产生符号相反的电荷，当外力去掉后，其又重新恢复到不带电状态，当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变，这种现象称压电效应。又叫顺压电效应）。反之，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。这个现象叫做逆压电效应，又叫电致伸缩效应。在自然界中许多物质具有压电效应和你压电效应，常见的有石英晶体、压电陶瓷等。2．石英晶体石英晶体化学式为SiO2,是一个正六面体。英晶体各个方向的特性是不同的。其中纵向轴z称为光轴，经过六面体棱线并垂直于光轴的x轴称为电

3、轴，与x和z轴同时垂直的轴y称为机械轴。通常把沿电轴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方向的作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”；而沿光轴z方向受力时不产生压电效应。（1）石英晶体的压电效应1）石英晶体未受外力作用，此时正负电荷重心重合，电偶极矩的矢量和等于零，P1+P2+P3=0，所以晶体表面不产生电荷，即呈中性。2）当石英晶体受到沿x轴方向的压力fx作用时，X轴P1减小和P2、P3的增加，即：（P1+P2+P3)x>0。在Y、Z方向上的分量为零，可见，在X轴的正向出现正电荷

4、，在Y、Z轴方向则不出现电荷。3）当晶体受到沿y轴方向的压力fy作用时，P1增大，P2、P3减小，即：（P1+P2+P3)x<0。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。当作用力fy的方向相反时，电荷的极性也随之改变。4）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。“⊕”代表Si4+离子，“”代表氧离子O2-（a）不受力时（b）x轴方向受力时（c）y轴方向受力时（2）压

5、电效应参数的分析1、从石英晶体上沿y方向切下一块，使它的晶面分别平行于X、Y、Z轴。并在垂直X轴方向两面用真空镀膜或沉银法得到电极面。2、若在同一切片上，沿机械轴y方向施加作用力FY极间电荷：1、2、1：在X轴方向施加压力时，左旋石英晶体的X轴正向带正电；如果作用力FX改为拉力，则在垂直于X轴的平面上仍出现等量电荷，但极性相反。2、仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qY但产生的电荷的符号是不同的。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

6、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。2．压电陶瓷（1）压电陶瓷的极化压电陶瓷属于铁电体一类的物质，是人工制造的多晶压电材料，它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场方向的排列，从而使材料得到极化。外电场愈强，就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。当把电压表接到陶瓷片的两个电极上进行测量时，在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚电荷。（2）压电陶瓷的压电效应1）正压电效应：由机械效应转为电效应，或由机械

7、能转为电能的现象，就是正压电效应。2）逆压电效应：外加电场与极化方向相同，沿极化方向伸长，反之，产生缩短形变。由电效应而转为机械效应或由电能转为机械能的现象，就是逆压电效应。3）结论：压电陶瓷所以具有压电效应，是由于陶瓷内部存在自发极化。这些自发极化经过极化工序处理而被迫取向排列后，陶瓷内即存在剩余极化强度。如果外界的作用（如压力或电场的作用）能使此极化强度发生变化，陶瓷就出现压电效应。陶瓷片加与电场极化强度变化陶瓷片形变陶瓷片压缩形变极化强度变小释放电荷力撤消充电施加力（2）压电效应分析压电效应产生的电荷量的大小与外力成

8、正比关系：式中：d33—压电陶瓷的压电系数；F—作用力。压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多，所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。极化处理后的压电陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温度有关，它的参数也随时间变化，从而使其压电特性减弱。二、压电式传感器测量电路1．压电式传感器测量特点（1）测量对象