最新传感器原理及应用压电式传感器资料教学讲义PPT课件.ppt

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1、传感器原理及应用压电式传感器资料传感器原理及应用第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.压电传感器的应用传感器原理及应用第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传感器原理及应用第6章压电式传感器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。石英晶体外形结构石英晶体特征天然、人工两种都属于单晶体化学式为——S

2、iO2外形无论再小都呈六面体沿各个方向的特征不同沿X（电轴）作用产生电荷称纵向压电效应沿Y（机械轴）……………..横向压电效应沿Z（光轴）不产生压电效应传感器原理及应用第6章压电式传感器6.2压电材料6.2.1石英晶体——单晶体（水晶）压电晶片按特定方向切片人工合成水晶传感器原理及应用第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为压电系数为常数在X轴方向施力时,压电系数d11产生电荷大小为:σ1为X方向应力在Y轴方向施力时,根据晶体的对称性压电系数d12=-d11产生电荷大

3、小为:σ2为Y方向应力a、b是晶体切片几何尺寸(长、厚)压电特性的各向异性可用矩阵表示传感器原理及应用第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；晶体受沿Z轴方向的应力时X、Y方向形变相同不产生压电效应；应力方向为拉力时，电荷极性与上述相反。传感器原理及应用第

4、6章压电式传感器6.2压电材料6.2.1石英晶体石英晶体压电模型传感器原理及应用第6章压电式传感器6.2压电材料6.2.1石英晶体动画演示石英晶体压电模型动画演示传感器原理及应用第6章压电式传感器6.2压电材料6.2.1石英晶体石英晶体的主要性能参数：压电常数；弹性常数（动态特性）；介电常数；机械耦合系数；电阻（密度）；居里点温度。传感器原理及应用第6章压电式传感器6.2压电材料6.2.2压电陶瓷（多晶体）压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料，材料的内部晶粒有许多自发极化的电畴，它有一定的极化方向。无电场作用时，电畴在晶体中

5、分布杂乱分布，极化相互抵消，呈中性。传感器原理及应用第6章压电式传感器6.2压电材料6.2.2压电陶瓷（人工多晶体）施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向外电场方向排列。外电场强度达到饱和程度时，所有的电畴与外电场一致。外电场去掉后，电畴极化方向基本不变，剩余极化强度很大。所以，压电陶瓷极化后才具有压电特性，未极化时是非压电体。传感器原理及应用第6章压电式传感器6.2压电材料6.2.2压电陶瓷（多晶体）传感器原理及应用第6章压电式传感器6.2压电材料6.2.2压电陶瓷（多晶体）晶体极化后，沿极化方向（垂直极化平面）作用

6、力时，引起剩余极化强度变化，在极化面上产生电荷，电荷量的大小与外力成正比关系，电荷密度：d33——压电陶瓷的纵向压电常数，d33比d11、d12大的多所以压电陶瓷制作传感器灵敏度比压电晶体高，但极化后的压电陶瓷受温度影响又使压电特性减弱。随时间延长（2年后）d33会下降，作为传感器使用时要经常校准修正。传感器原理及应用第6章压电式传感器6.2压电材料6.2.3聚偏氟乙烯压电材料聚偏氟乙烯压电效应石英和压电陶瓷是性能较好的压电材料，但有共同的缺点，密度大、硬、易碎，不耐冲击，难以加工。而PVF2、PVDF材料能很好的克服这一

7、缺陷，可以作成轻小柔软的压电元件。这些材料分子链中C—F键具有极性，有一定的偶极矩，通常晶胞内的极矩相互抵消整体不显极性，没有压电效应。必须经过特殊处理才会具有良好的压电效应。经过拉伸、极化过程。传感器原理及应用第6章压电式传感器6.3压电元件结构形式在实际应用中为提高灵敏度使表面有足够的电荷，常常把两片、四片压电元件组成在一起使用。由于压电材料有极性，因此存在连接方法，双片连接时：U’+__+++++++++++___________++++++++++____________按+--+连接时电路串联电压增加一倍适用于电

8、压放大器+_+_U’按+-+-连接时电路并联电荷增加一倍适用于电荷放大器+++++++++++_______________________+++++++++++传感器原理及应用第6章压电式传感器6.4等效电路与测量电路6.4.1压电传感器等效电路压电元件电荷Q的开路电压U可等效为电压源U与电容Ca串联