传感器与检测技术课件第三章-4压电式传感器.ppt

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1、压电式传感器是一种典型的有源(发电型)传感器，以电介质的压电效应为基础，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、压力、加速度、机械冲击和振动进行测量，在声学、医学、力学和航空航天方面都得到广泛的应用。压电陶瓷位移器压电陶瓷超声换能器压电加速度计压电警号压电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。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。正压电效应（顺压电效应）：某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的一定表面

2、上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。正（顺）压电效应示意图1.压电效应F－－－－－－＋＋＋＋＋＋FFF＋＋＋＋＋＋－－－－－－逆压电效应（电致伸缩效应）：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的现象。电能机械能正压电效应逆压电效应1.压电效应常见的压电材料可分为两类，即压电单晶体和多晶体压电陶瓷。压电单晶体有石英(包括天然石英和人造石英)、水溶性压电晶体(包括酒石酸钾钠、酒石酸乙烯二铵、酒石酸二钾、硫酸锤等)；多晶体压电陶瓷有钛酸钡压

3、电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷和铌镁酸铅压电陶瓷等。2.压电晶体及材料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。压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、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。希望具有高电阻率和大介电常数，以减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性。④环境适应性。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。⑤时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。如图所示为天然石英晶体，其结构形状为一个六角形晶柱，两端为一对称棱锥。2.压电晶体及材料石英晶体天然形成的石英晶体外形2.压电晶体及

4、材料天然形成的石英晶体外形在晶体学中，可以把将其用三根互相垂直的轴表示，其中，纵轴Z称为光轴，光线沿Z轴方向通过晶体不发生双折射，此轴可用光学方法确定。沿光轴的作用力不产生压电效应，故又称作中性轴。X轴称为电轴，它通过两个相对的棱线，是相邻柱面内夹角的等分线并且要与Z轴垂直。垂直与此轴的晶面上有最强的压电效应。垂直于XOZ平面的y轴为机械轴，在电场作用下，y轴方向有最明显的机械变形。ZXY(a)(b)石英晶体(a)理想石英晶体的外形(b)坐标系ZYX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

5、为“横向压电效应”，沿光轴Z－Z方向受力则不产生压电效应。2.压电晶体及材料硅氧离子的排列示意图(a)硅氧离子在Z平面上的投影（b）等效为正六边形排列的投影(b)(a)++---YXXY+2.压电晶体及材料Y+++---X(a)FX=0P1P2P3FXXY++++－－－－FX(b)FX<0+++---P1P2P3(c)FX>0Y+++--X-+++－－－FXFXP2P3P1+－电偶极矩分析2.压电晶体及材料电偶极矩分析电偶极矩电偶极矩分析电偶极矩电偶极矩石英晶体的上述特征与内部分子结构有关：当晶体不受力时F=0，正负离子分布在六边形顶角，电偶极矩，晶体呈中性；当晶体受沿X

6、轴方向的应力时，X方向压缩形变，电偶极矩在X轴的正方向出现正电荷；当晶体受沿Y轴方向的应力时，Y方向压缩形变，电偶极矩在X轴的正方向出现负电荷；归纳：作用力与电荷的关系（a）yxzOxazybc（b）若从晶体上沿y方向切下一块如图5-6（a）所示的晶片，当沿电轴x方向施加应力σx时，晶片将产生厚度变形，并发生极化现象。在晶体线性弹性范围内，极化强度P11与应力σx成正比。压电元件受力后,表面电荷与外力成正比关系:d为压电系数在X轴方向施力时,产生电荷大小为:σ1为X方向应力在Y轴方向施力时,产生电荷大小为:σ2为Y方向应力压电系数d11=-d12为常数a、b是晶体切片几何

7、尺寸(厚、长)关系式：压电石英晶体的特点：压电常数小，其时间和温度稳定性好，常温下几乎不变。机械强度和品质因数高，许用应力高达（6.9~9.8）×107MPa，且刚度大，固有频率高，动态特性好。居里点为573℃，重复性好、绝缘性好。对于天然石英，上述性能尤佳，它们常用于精度和稳定性要求高的场合和制作标准传感器。压电陶瓷压电陶瓷谐波器超声波医学压电陶瓷晶片压电陶瓷蜂鸣器打火用压电陶瓷压电陶瓷陶瓷压电效应陶瓷压电逆效应3.压电元件及其晶片连接方法+_U’_++++++++++++___________++++++++++++___