传感器原理与应用--压电传感器--ppt课件.ppt

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1、传感器原理与应用压电传感器第一节压电传感器的概述压电式传感器的特点：是一种自发电式传感器。它以某些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，从而实现电量电测的目的。压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最终能变换为力的那些非电物理量，例如动态力、动态压力、振动加速度等，但不能用于静态参数的测量。压电效应天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，用金刚石刀具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片受到压力时，晶格产生变形，表面产生电荷，电荷Q与所施加的力F成正比，这种现象称为压电效应。还有一些人造材料也具有压电效应。若在电介质的极化方向上施加交

2、变电压，它就会产生机械变形。当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）。如果在压电材料的两个电极面上施加交流电压，那么压电片能产生机械振动。即：压电片在电极方向上有伸缩的现象，称为“电致伸缩效应”，也叫做“逆压电效应”。逆压电效应实线代表未施加激励电压的形变前的状态虚线代表在激励源的正半周，压电材料拉长形变后的状态。在激励源的负半周，压电材料压缩变形(未画出)。逆压电效应示意图煤气灶压电点火器另一种是利用压电陶瓷制成的。使劲扭动打火按钮，“撞击块”敲击多块串联的压电陶瓷，就能产生高电压，形成电火花而点燃煤

3、气。压电陶瓷还可以制成电子打火机，可使用100万次以上。6煤气灶上的点火器有两种。一种为有源点火器，要依靠干电池逆变电路产生高压电火花；石英晶体石英晶体的化学式为SiO2，它的每个晶胞中有3个硅离子和6个氧离子，一个硅离子和两个氧离子交替排列（氧离子是成对出现的）。沿光轴看去，可以认为是正六边形排列结构。在无外力作用时，硅离子所带正电荷的等效中心与氧离子所带负电荷的等效中心是重合的，整个晶胞不呈现带电现象。天然石英晶体外形天然石英晶体外形（续）天然石英晶体的结构及剖面天然石英晶体的三个轴在晶体学中，可用三根相互垂直的轴来表示。其中纵向轴称为

4、光轴，也称z轴，有折光效应，没有压电效应。经过正六面体棱线，并垂直于光轴的轴线称为电轴，也称x轴；经过正六面体的棱面且垂直于光轴的轴线称为机械轴，也称y轴。11天然石英晶体的三个面从石英晶体上切割出一块平行六面体的切片，再进一步从该正六面体上切割出正方形薄片，就是工业中常用的石英晶片。正方形薄片的6个面分别垂直于光轴（z轴）、电轴（x轴）和机械轴（y轴）。石英晶体切片的三个面（续）在x面的两个表面施加压力，在x面的上下表面产生电荷；在y两个表面施加压力，仍然只在x面产生电荷。l、δ、b分别为石英晶片的长度、厚度和高度。电荷只产生在与x轴垂直

5、的x面的前后两侧。石英晶体的特性石英（SiO2）是一种具有良好压电特性的压电晶体。其介电常数和压电系数的温度稳定性相当好,在常温范围内这两个参数几乎不随温度变化,如下两图。在20～200℃范围内，温度每升高1℃，压电系数仅减少0.016％。但是当到573℃时，它突然完全失去了压电特性，这就是它的居里点。石英晶体的切片石英晶体片及封装石英晶体薄片双面镀银并封装天然石英晶体的x、y轴向受力产生电荷比较1.在晶体的弹性限度内，在x轴方向上施加压力Fx时，在x面上产生的电荷为：Q=d11Fx式中的d11称为压电常数。2.在y轴方向施加压力Fy时，仍

6、然在x面上产生电荷：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；当施加静态力时，在初始瞬间，产生与力成正比的电荷，但由于表面漏电，所产生的电荷很快泄漏，并消失。1－正电荷等效中心2－负电荷等效中心压电效应的微观分析未受力时石英晶体的正负电荷中心重叠从宏观上看，整体不带电1－正电荷等效中心2－负电荷等效中心石英晶体的正负电荷中心分离，宏观上看，x面的上表面带正电，下表面带负电Q=d11Fx晶体沿x面受压力时的带电情况分析1－正电荷等效中心2－负电荷等效中心晶片沿x面受拉力时，或是所受压力消失后

7、，弹性体反弹时，也能导致石英晶体的正负电荷中心分离,x面的上表面带负电,下表面带正电。受交变力时，产生交变电信号。y面受压力时的带电情况等效于沿x轴方向施拉力的情况。但产生的电荷量可能比沿x轴方向施拉力时的电荷量大几倍，视晶片的长度与宽度之比l/δ的倍数而不同。沿y面受压力时,石英晶体的正负电荷中心也产生分离,x面的上表面带负电,下表面带正电无论是沿x轴方向施加力，还是沿y轴方向施加力，电荷只产生在x面上。光轴（z轴）方向受力时，由于晶格的变形不会引起正负电荷中心的分离，所以不会产生压电效应。沿y面受拉力时,石英晶体的正负电荷中心也产生分

8、离,x面的上表面带正电,下表面带负电，带电的方向与x面受压力时的情况相同交变外力作用在压电元件上，可以产生交变的电荷Q，在上下镀银的表面上产生交变电压。对压电元件施加交变力，产生