最新[工学]9 电容式 压电式课件ppt.ppt

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1、[工学]9电容式压电式4.3电容式传感器C—电容量；δ—两平行极板间的距离；—介质的相对介电常数；—真空的介电常数，=8.85×10-12F/m；A—极板面积。应用：可用于位移、压力、厚度、液位、湿度、振动、转速、流量的测量。2.面积变化型3.介质变化型单臂接法UscCxC1C2C3Usr差动接法UscC0+ΔCC0—ΔCUsr测量电路将电容量转换成电压、电流或频率信号。常用的测量电路有：（1）桥式电路4.电容式传感器的测量电路（2）运算放大器电路变极距型电容传感器的极距变化与电容量成非线性关系，这一缺点使电器传感器的应用受到一定限制，而采用运算放大器电路可得到输出电压与输入位移的线性关系。如

2、图所示，C0为固定电容，Cx为反馈电容且为电容式传感器。根据运算放大器的运算关系，有Cx运算放大器电路C0UsckUsr1)边缘效应产生的原因：电场均匀分布于两极板所围成的空间;2)后果：边缘效应相当于传感器并联一个电容,引起传感器灵敏度下降和非线性增加。3)消除边缘效应的方法：应增大初始电容量，即可适当增大极板面积、减小极板间距。也可采用等位环的方法边缘效应4.4压电式传感器（一）压电效应（二）压电材料（三）等效电路（四）测量电路（五）常见种类（六）测量误差压电式传感器：利用压电材料的压电效应实现能量的转换。当压电材料受到外力作用时，其表面将产生电荷，将机械能转变成电能。利用压电材料可以制成

3、力敏元件。压电器件受力、表面形变电荷特点：频带宽（0.1hz~20khz）范围广（a10-2~105m/s2）灵敏度高（10-3N）简单可靠质量轻应用广泛（一）压电效应正压电效应：有些材料，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，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去除后，又重新恢复为不带电的状态。当作用力的方向改变时，电荷的极性随之改变。逆压电效应：在这些材料的极化方向施加电场，它们就会产生变形，这种现象称为“逆压电效应”，或称为“电致伸缩效应”。压电材料：具有压电效应的材料称为压电材料。压电介质正压电效应Q(E)电能T(S)机械能逆压电效应压电常数以晶体为例，设有

4、一用晶体制成的压电元件受到力F作用，在其相应表面上产生表面电荷Q，力F与电荷Q之间存在如下关系：d—压电常数F+q=DF不同的受力方向及不同表面上电荷积累是不同的。用单位面积上的力和电荷来表征压电效应时，得到：j方向受力时在i方向上电荷积累的表面密度(即沿i方向的极化强度)；沿方向j施加外力时，单位面积上感受的应力；压电常数(j方向受应力，在i方向产生电荷时的压电常数)。晶体承受单位力作用时产生的电荷量压电常数dij有两个下脚注:第1个下脚注：表示晶体的极化方向，即产生电荷的表面垂直于x轴(y轴或z轴)，记作i=1（或2或3）。第2个下脚注：j=1或2、3、4、5、6，分别表示在沿x轴、y轴、

5、z轴方向作用的正应力和在垂直于x轴、y轴、z轴的平面内作用的剪切力。晶体在任意受力状态下所产生的表面电荷密度可由下列方程组决定：P1、P2、P3：分别为在垂直于x轴、y轴和z轴的表面上产生的总的电荷密度；σ1、σ2、σ3：表示晶体分别沿x轴、y轴、z轴方向所受的外力分量产生的拉或压应力；σ4、σ5、σ6：为剪切应力分量。晶体（压电材料）的压电特性可以用它的压电常数矩阵表示如下：结论：1）有正压电效应的压电晶体，必有相应的逆压电效应。晶体中，哪个方向上有正压电效应，则此方向上必定存在逆压电效应。2）逆压电效应的压电常数与正压电效应的压电常数相等，且一一对应。一般有：逆压电效应中压电常数矩阵是正压

6、电效应中压电常数矩阵的转置矩阵。压电介质正压电效应Q(E)电能T(S)机械能逆压电效应（二）压电材料选择压电材料的要求：①转换性能：具有较高的耦合系数或具有较大的压电常数；②机械性能：压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高，机械刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率；③电性能：希望具有高的电阻率和大的介电常数，以期减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性；④温度和湿度稳定性要好，具有较高的居里点，以期得到较宽的工作温度范围；⑤时间稳定性:压电特性不随时间变化。压电晶体分类：单晶体：石英晶体等多晶体：压电陶瓷等石英晶体石英晶体有天然的石英和人工石英单晶体两种。结构：石英晶体属六方晶体

7、，有右旋石英晶体和左旋石英晶体之分，其理想外形共包括三十个晶面，分成五组。以m、R、r、s和x表示。六个m面也称柱面，六个R面也称大棱面，六个面r也称为小棱面，还有六个s面和六个x面。x轴：与z轴垂直的平面上，并通过相对两棱的直线(有三个)，又称为电轴。y轴：与x轴、z轴垂直的是y轴，又称为机械轴；z轴：晶体对称轴，又称为光轴；压电晶体的三种压电效应a)纵向压电效应:沿电轴X-X方向的力作用下产生