第09讲 压电式压力传感器ppt课件.ppt

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1、第五章压电式传感器压电器件受力、表面形变电荷1目　录压电材料测量电路双击添加标题文字压电效应压电传感器及其特点§1　压电效应PiezoelectricEffect雅克·居里（JacquesCurie）（1856年10月29日-1941年），法国物理学家，蒙彼利埃大学教授。皮埃尔·居里(PierreCurie)(1859-1906)居里兄弟他们发现了一些晶体在某一特定方向上受压时，在它们的表面上会出现正或负电荷，这些电荷与压力的大小成正比，而当压力排除之后电荷也消失。1881年，他们发表了关于石英与电气石中压电

2、效应的精确测量。1882年，他们证实了李普曼(G．Lippmann)关于逆效应的预言：电场引起压电晶体产生微小的收缩。利用压电现象，他们还设计了一种压电石英静电计——居里计。1.石英晶体的压电效应左旋石英晶体石英晶体的晶轴X轴垂直的平面上产生的电荷Qx，它的大小为式中：ｄ11为压电系数，受力方向和变形不同时压电系数也不同。石英晶体的正压电效应在这些电介质的一定方向上施加机械力而产生变形时，就会引起它内部正负电荷中心相对转移而产生电的极化，从而导致其两个相对表面(极化面)上出现符号相反的束缚电荷Q当外力消失，又

3、恢复不带电原状；当外力变向，电荷极性随之而变。这种现象称为正压电效应，或简称压电效应。若对上述电介质施加电场作用时，同样会引起电介质内部正负电荷中心的相对位移而导致电介质产生变形，且其应变S与外电场强度E成正比：式中：dt—逆压电常数矩阵。这种现象称为逆压电效应，或称电致伸缩。1、正（顺）压电效应2、逆压电效应（电致伸缩）压电常数弹性常数（刚度）介电常数机电耦合系数电阻居里点压电效应强弱：灵敏度固有频率、动态特性固有电容、频率下限机电转换效率泄漏电荷、改善低频特性丧失压电性的温度§2　压电材料压电材料的主要参

4、数压电材料可分为三大类：一是压电晶体(单晶)，它包括压电石英晶体和其他压电单晶；二是压电陶瓷(多晶半导瓷)；三是新型压电材料，又可分为压电半导体和有机高分子压电材料两种。在传感器技术中，目前国内外普遍应用的是压电单晶中的石英晶体和压电多晶中的钛酸钡与锆钛酸铅系列压电陶瓷。压电晶体(a)　天然石英晶体；(b)　人工石英晶体；(c)　右旋石英晶体理想外形压电陶瓷压电陶瓷是一种经极化处理后的人工多晶铁电体。所谓“多晶”，它是由无数细微的单晶组成；所谓“铁电体”，它具有类似铁磁材料磁畴的“电畴”结构。每个单晶形成一单

5、个电畴，无数单晶电畴的无规则排列，致使原始的压电陶瓷呈现各向同性而不具有压电性BaTiO3压电陶瓷的极化新型压电材料压电半导体硫化锌(ZnS)、碲化镉(CeTe)、氧化锌(ZnO)、硫化镉(CdS)等，这些材料显著的特点是：既具有压电特性又具有半导体特性。因此既可用其压电性研制传感器，又可用其半导体特性制作电子器件；也可以两者合一，集元件与线路于一体，研制成新型集成压电传感器测试系统。有机高分子压电材料其一，是某些合成高分子聚合物，经延展拉伸和电极化后具有压电性的高分子压电薄膜，如聚氟乙烯（PVF)等。其二，

6、是高分子化合物中掺杂压电陶瓷PZT或BaTiO3粉末制成的高分子压电薄膜。压电材料压电陶瓷压电晶体钛酸钡BaTiO3锆钛酸铅系列铌镁酸铅DMN铌酸锂LiNbO3石英SiO2PZT-4PZT-5PZT-8性能参数压电系数(C/N)d152604106704102200d11=2.31d31-78-100-185-90-230-25.9d14=2.31d331902004.5200700487相对介电常数(r)120010502100100025003.94.5居里点温度(℃)11531026030026012

7、10573密度(103kg/m3)5.57.457.57.457.64.642.65弹性模量(108Pa)11083.311712324.580机械品质因数300250080≥800105105~106最大安全应力(106N/m2)8176768395~10体电阻率(m)101010101010>1012最高允许温度(℃)80250250350常用压电晶体和压电陶瓷材料特性一、压电晶片的连接方式（1）并联：（2）串联：§2等效电路和测量电路只适宜动态测量压电晶片：压电传感器：二、压电传感器的等效电路压电传

8、感器在实际测量系统中的等效电路前置放大器的作用：（1）放大（2）阻抗转换电压放大器电荷放大器1、电压放大器三、压电传感器的测量电路前置放大器输入端电压：前置放大器输入端电压幅值：输入电压与作用力间的相位差：时间常数时间常数输入电压与作用力间的相位差：讨论：适合测量高频交变力(1)(2)(3)由运算放大器构成的电压比例放大器2、电荷放大器电荷放大器原理图灵敏度与电缆电容无关上限下限例1：压电式测力传感