传感器上课讲义-6压电式ppt课件.ppt

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1、第6章压电式传感器传感器与自动检测8/30/20211第6章压电式传感器主要内容1.压电效应2.压电材料3.压电元件结构4.等效电路与测量电路5.压电传感器的应用8/30/20212第6章压电式传感器概述压电式传感器是一种典型的发电型传感器，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、机械冲击和振动进行测量，在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用。8/30/20213第6章压电式传感器概述压电陶瓷位移器压电陶瓷超声换能器压电秤重浮游计压电加速度计压电警号8

2、/30/20214第6章压电式传感器6.1压电效应某些电介质（晶体）当沿着一定方向施加力变形时，内部产生极化现象，同时在它表面会产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又重新恢复不带电状态；当作用力方向改变后，电荷的极性也随之改变；这种现象称压电效应。8/30/20215第6章压电式传感器6.1压电效应压电效应是可逆的在介质极化的方向施加电场时，电介质会产生形变，将电能转化成机械能，这种现象称“逆压电效应”。所以压电元件可以将机械能——转化成电能也可以将电能——转化成机械能。压电元件机械能电能8/30/20216第6章压电式传感器

3、6.2压电材料6.2.1石英晶体自然界许多晶体具有压电效应，但十分微弱，研究发现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅是优能的压电材料。压电材料可以分为两类：压电晶体、压电陶瓷。外形结构8/30/20217第6章压电式传感器6.2压电材料6.2.1石英晶体压电晶片按特定方向切片人工合成水晶8/30/20218第6章压电式传感器6.2压电材料6.2.1石英晶体压电元件受力后,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

4、a、b是晶体切片几何尺寸(长、厚)8/30/20219压电方程晶体的压电效应是一种机电耦合效应。它是由力学量应力T和应变S与电学量电场强度E和电位移D之间互相耦合产生的。对于具有压电效应的晶体,不仅电学量E和D以及力学量T和S存在着直接的关系,同时还存在力学量和电学量之间的耦合效应。压电方程就是描写力学量间、电学量间以及力学量和电学量相互之间互相联系的关系式。实际上力学量和电学量之间的关系式还和热学量(温度和熵)有关。但对于较快的变化,例如声频或更高的频率,可认为是等熵(绝热)过程。下面的压电方程假定均适合绝热情况。对于等温

5、情况需另加说明。8/30/202110在电场强度、电位移和应力、应变这四组变量中,可以任选一组力学量和一组电学量作自变量,这就有四种情况,有四组压电方程。(1)选取应变分量Sk和电位移分量Dj为独立变量,得到h型压电方程式中,cDhk是电位移不变(恒电位移)时的弹性常数或开路弹性常数;β2ij是应变不变(恒应变)时的介质隔离率(也称倒介电常数)或受夹介质隔离率;hjh、hik称为压电刚度常数,简称压电常数。8/30/202111(2)选取电场强度分量Ej和应力分量Tk为独立变量,得到d型压电方程式中,sEhk是恒电场下的柔性

6、常数,也称短路柔性常数;εTij是恒应力下的介电常数,也称自由介电常数;djh、dik称为压电应变常数,简称压电常数。8/30/202112(3)选取应力分量Tk与电位移Dj为独立变量,得到g型压电方程式中,sDhk是恒电位移下的柔性常数,或称开路柔性常数;βTij是恒应力下介电隔离率,也称自由介电隔离率;gjh、gik称为压电电压常数,简称压电常数。8/30/202113(4)选取应变分量Sk与电场强度分量Ej为独立变量,得到e型压电方程式中,cEhk是恒电场下的弹性常数,或称短路弹性常数;εSij是应变不变时的介电常数或

7、称受夹介电常数;ejh、eik称为压电应力常数,简称压电常数。8/30/202114在压电方程中,弹性常数、柔性常数各有36个,压电常数有18个,介电常数、介电隔离率各有9个。由于晶体的对称性,独立的常数将有不同程度的减少。例如常用的压电材料,石英晶体和压电陶瓷的压电方程如下:石英晶体属32点群(三角晶系),由其常数矩阵可写出其d型压电方程,即8/30/202115(纵向振动)(横向振动)(轮廓切变)(轮廓切变)(厚度切变)8/30/202116压电陶瓷的常数矩阵同六角晶系6mm点群。其d型压电方程如下:(横向振动)(横向振

8、动)(纵向振动)(厚度切变)(厚度切变)8/30/202117压电元件变形方式(a)厚度变形(TE);(b)长度变形(LE)；(c)体积变形(VE)；面切变形(FS)；(e)剪切变形(TS)8/30/202118第6章压电式传感器6.2压电材料6.2.1石英晶体石英晶体