传感检测技术与其应用 第7章ppt课件.ppt

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1、传感检测技术及其应用第二篇典型传感器的原理及其应用技术Monday,October04,2021第7章压电式传感器1.掌握压电式传感器的工作原理；2.了解压电式传感器的等效电路；3.了解压电式传感器的测量电路；4.理解压电式传感器的应用。压电式传感器是一种可逆型换能器，它既可以将机械能转换为电能，又可以将电能转化为机械能。它的工作原理是基于某些物质的压电效应。10/4/20212第1节压电效应及压电材料压电式传感器是一种可逆型换能器，既可以将机械能转变为电能，又能将电能转变成机械能。其工作原理是利用某些物质的压电效应。某些晶体在外力作用下，不仅产生形变，而且内部发生极化现象，

2、在其表面产生电荷，形成电场；去掉外力后又重新回到不带电的平衡状态，这种现象称为压电效应。一、压电效应10/4/20213与压电效应相反，如果将具有压电效应的晶体置于电场中，其几何尺寸也发生变化，这种由于外力作用导致物体机械变形现象称为逆压电效应。二、压电材料具有压电效应的敏感功能材料称为压电材料。压电材料应具有大的压电系数；机械强度高、刚度大；高电阻率和介电系数；稳定性好。10/4/20214光轴：z轴，与晶体纵轴方向一致。光线沿z轴方向通过晶体不发生双折射。沿光轴的作用力不产生压电效应，故又称为中性轴。电轴：x轴，通过两个相对的六角棱线并垂直于光轴的轴线。垂直于此轴的晶面上有

3、最强的压电效应。1.石英晶体：中间为六角形棱柱，两端为对称的棱锥，共30个晶面。10/4/20215机械轴：y轴，垂直于x轴和z轴所在平面的轴线。在电场作用下，y轴具有最明显的机械变形。石英晶体z轴仅一个，x轴和y轴各有3个。纵向压电效应：沿x轴施加作用力，晶体表面产生电荷的现象。电荷出现在与x轴相垂直的表面上。产生的电荷量为：Qx=dxFx式中dx－纵向压电常数；Fx－作用力。10/4/2021610/4/20217横向压电效应：沿y轴施加作用力，晶体表面产生电荷的现象。电荷仍出现在与x轴相垂直的表面上。产生的电荷量为式中dy－横向压电常数；Fy－作用力；sx、sy－分别为

4、与x轴、y轴相垂直的表面面积；a－x轴向厚度；b－y轴向长度。由于力所施加的表面与感生电荷的表面不同，电荷量与晶体尺寸有关。10/4/20218根据石英晶体轴对称的条件，dy=dx，从而：即横向压电效应产生的电荷与纵向压电效应产生的电荷极性相反。切向压电效应：沿x轴或y轴施加剪切力，晶体表面产生电荷的现象。沿x轴的剪切力产生的电荷出现在与y轴垂直的表面上（电荷量与剪切力成正比，与晶片尺寸无关）；沿y轴的剪切力产生的电荷出现在与x轴垂直的表面上。10/4/20219天然或人工合成石英晶体（SiO2），具有良好的机械强度和压电效应。压电系数较小（dx=2.310-12C/N），

5、但压电系数的温度稳定性好。在20～200C内，温度每升高1C，压电系数仅减小0.016%，升高到200C时，仅减小5%，达到573C时，失去压电特性，此温度称为石英的居里点。介电常数为4.5。10/4/202110其它压电晶体有铌酸锂（LiNbO3），居里点1210C，具有良好的压电性，适用于高温环境，但比石英脆，抗冲击性差。钽酸锂（LiTaO3），居里点666C，压电常数为石英的3倍。酒石酸钾钠（NaKC4H4O64H2O），压电系数较大（dx=310-9C/N），但机械强度低，机械强度、电阻率、居里点均较低，易受潮，性能不稳定。10/4/2021112.多晶

6、压电陶瓷（压电陶瓷）由多种材料经烧结合成，制作方便，成本低。原始压电陶瓷须经强电场极化处理后才具有压电性。压电陶瓷的压电常数一般比石英高数百倍。现代压电元件，大多采用压电陶瓷。①钛酸钡（BaTiO3）由碳酸钡BaCO3和二氧化钛TiO2按1：1摩尔比混合烧结而成。压电常数约为石英的50倍，介电常数高(1200)，居里点约120C。10/4/202112②锆钛酸铅（PZT）系列压电陶瓷居里点300C左右，压电常数70～80010-12C/N，性能和稳定性均超过钛酸钡。其中有些产品可耐高温、高压。3.高分子有机压电材料聚二氟乙烯（PVF2）、聚氟乙烯（PVF）、聚氯乙烯（PV

7、C）、聚偏二氟乙烯（PVDF）等。易于大量生产、面积大、柔软不易破碎，可制成阵列器件。用于微压和机器人触觉。4.压电半导体具有压电和半导体两种特性，易于集成。10/4/20211310/4/20211410/4/202115第2节压电式传感器的测量电路金属膜FFa)压电晶片b)等效电荷源c)等效电压源CaRaQCaRaua压电器件相当于具有一定电容的电荷源，其电荷和电容为：电容两极板间开路电压为：等效电路中电流一、压电元件的等效电路10/4/202116若考虑负载（测量电路），等效电路如下