压电式传感器课件.ppt

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1、第6章压电式传感器压电式传感器是一种有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。石英晶体的压电效应早在1680年即已发现，1948年制作出第一个石英传感器。下页返回第6章压电式传感器6.1压电转换元件的工作原理--压电效应6.2影响压电传感器的因素6.3压电材料6.4等效电路6.5测量电路6.6压电式传感器的应用举例6.7新型压电材料及应用6.8超声波传感器原理及应用本章要点下页上页返回6.1压电转换元件的工作原理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

2、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；当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变；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。下页上页返回6.1压电转换元件的工作原理压电式传感器大都是利用压电材料的压电效应制成的。在电声和超声工程中也有利用逆压电效应制作的传感器。压电转换元件受力变形的状态可分为图6-1所示的几种基本形式。但由于压电晶体的各向异性，并不是所有的压电晶体都能在

3、这几种变形状态下产生压电效应。例如石英晶体就没有体积变形压电效应。但它具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。下页上页返回6.1压电转换元件的工作原理压电方程和压电常数矩阵压电效应正压电效应——某些晶体或多晶陶瓷受到外力作用时，内部就产生极化现象，表面上产生符号相反的电荷的现象；逆压电效应——如对晶体施加一定电场，晶体本身将产生机械变形的现象。下页上页返回6.1压电转换元件的工作原理天然石英晶体的结构外形光轴(Z轴):晶体的对称轴,光线沿Z轴通过晶体不产生双折射现象,且无压电效应；电轴(X轴):与该压轴垂直的面，

4、压电效应最为显著;机械轴(Y轴):在外电场作用时，在此轴上产生的机械变形最大。下页上页返回6.1压电转换元件的工作原理压电方程——压电效应的数学表达式压电效应：晶体表面上产生的电荷与外力作用大小成正比。精确表达式式中：dij是压电常数，单位为(C/N)；Pi是电荷的表面密度，单位为(C/cm2);σi是单位面积上的作用力（应力），单位为(N/cm2）。下页上页返回6.1压电转换元件的工作原理压电常数矩阵：下页上页返回一般情况下压电方程：6.1压电转换元件的工作原理石英晶体压电效应机理：下页上页返回6.1压电转换

5、元件的工作原理下页上页返回单向应力单独作用时（Fx、Fy及Fz），只在表面A和B上出现电荷，符号与Fx，Fy有关：(1)P1≠0，P2=P3=0,(当只有Fx或Fy时)：d11=-d12≠0,d21=d31=0,d22=d32=0;(2)P1=P2=P3=0,(当只有Fz时)：d13=d23=d33=0;6.1压电转换元件的工作原理下页上页返回剪切力单独作用时，在表面A和B及C和D上出现电荷：(3)P1≠0，P2=P3=0,(当只有σ4时,使晶体在x方向有伸缩,等效有σ1作用)：d14≠0,d24=d34=0;

6、(4)P2≠0，P1=P3=0,(当只有σ5、σ6时,改变了晶体在y方向无电荷的状况)：d25≠0,d26≠0,d15=d35=0,d16=d36=0;6.1压电转换元件的工作原理下页上页返回压电常数矩阵：对石英晶体6.1压电转换元件的工作原理下页上页返回压电陶瓷压电效应机理压电陶瓷是一种经过极化处理的人工多晶铁电体。多晶：由无数细微单晶组成；铁电体：具有电畴结构；电畴：分子自发形成的极化方向相同的小区域。6.1压电转换元件的工作原理下页上页返回极化处理：在一定温度下，以强电场使“电畴”规则排列，余下了很强的剩

7、余极化，压电陶瓷材料表面出现束缚电荷，吸附空气中的自由电荷，形成压电陶瓷。压电常数矩：注意事项：极化面在Z轴，而X，Y轴各向同性。6.1压电转换元件的工作原理下页上页返回单向应力的压电方程表达其中，P=Q/S，σ=F/S（S为作用面的面积），压电陶瓷与石英晶体比较压电陶瓷效果显著。6.2影响压电式传感器主要因数①横向灵敏度横向灵敏度是衡量横向干扰效应的指标。一只理想的单轴压电传感器，应该仅敏感其轴向的作用力，而对横向作用力不敏感。产生原因是压电片制造得作用面不平行，粗糙，以及安装不精确，使得力轴Sm与电轴SL（

8、极化轴）不重合。二者成角。其定义用其相对轴向灵敏度的百分比表示。下页上页返回6.2影响压电式传感器主要因数定义（用轴向灵敏度的百分比表示）：最大横向灵敏度Km=(Ky/Kz)100%=tg×100%;一般横向灵敏度Kt=(Kt/Kz)100%=tg×cos×100%;下页上页返回6.2影响压电式传感器主要因数产生横向灵敏度的必要条件（1）伴随轴向作用力的同时，存在横向力；（2