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时间：2022-01-07
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1、第六章压电式传感器6.1压电式传感器工作原理6.2测量电路6.3压电式传感器的应用6.1.1压电效应压电式传感器是一种利用压电效应工作的传感器。压电效应又有正压电效应和逆压电效应之分。正压电效应是指压电材料受力变形，在表面产生电荷；逆压电效应是指压电材料通电压后，压电材料发生变形。天然的压电材料有石英；人工压电材料有压电陶瓷、压电高分子材料等。压电式传感器是一种典型的有源传感器，由于压电效应具有可逆性，所以压电式传感器也是一种典型的“双向传感器”。压电式传感器一般具有体积小、固有频率高的特点。如图6-1所示为一压电材料的受压情况。设受压力作用后，压电材料表面产生
2、电荷，则有（6-1）式中，为压电常数，单位为。假设图6-1的受力方向为方向，那么压电材料在方向有压电效应。一般情况下，除了方向的压电效应外，在方向以及三个剪切方向也有可能产生压电效应，如图6-2所示。6.1压电式传感器的工作原理图6-1压电材料的受压情况图6-2压电材料微单元及其受压分析设在三个方向产生的电荷分别为、和，其中，表示垂直于方向的两个端面产生的电荷，表示垂直于y方向的两个端面产生的电荷，表示垂直于方向的两个端面产生的电荷。微单元上的作用力分别是正应力、、和剪切力、、，统一用应力表示，，则微单元受力后产生的单位面积电荷可表示为（6-2）其中：表示压电晶
3、体极化方向，指的是与产生电荷的平面垂直的方向；分别表示受力方向；表示在方向受力，在方向产生电荷的压电系数，这里正应力和剪切力统一用表示。例如，表示法向矢量为方向的两个面产生的电荷；表示方向应力在方向产生压电效应的压电系数；表示方向的剪切力，等等。将式(6-2)写成矩阵的形式，有（6-3）式中，为压电系数矩阵；，，。6.1压电式传感器的工作原理实际应用时，往往没有那么复杂，比如压电材料仅仅在方向受到力的作用，压电材料的电荷输出面是z方向，则受方向(拉、压)力作用后在方向产生电荷为。又如，受方向力作用后在方向产生电荷为。表征压电材料压电性能的参数还有如下几种形式：(
4、1)压电电压常数g：式中，为压电材料的介电常数。(2)压电应变常数：式中，为压电材料的弹性模量。(3)机电耦合系数：它表述了电能与应变能之比，反映了机电转换效率。压电材料除压电常数外，还有其他几个比较重要的性能指标，如压电材料的机械性能、压电系数的温度和时间稳定性、绝缘阻抗等。温度稳定性指的是温度变化时压电常数的变化情况，一般情况下，对于某种压电材料，当温度超过某一值时，压电性能会急剧下降，这个温度点又称居里点，居里点越高越好。时间稳定性表示压电特性随时间的衰减情况，这种衰减越小
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