第五章压电式传感器.pptVIP

5.1 压电效应 某些物质沿某一方向受到外力作用时，会产生变形，同时其内部产生极化现象，此时在这种材料的两个表面产生符号相反的电荷，当外力去掉后，它又重新恢复到不带电的状态，这种现象被称为压电效应。当作用力方向改变时，电荷极性也随之改变。这种机械能转化为电能的现象称为“正压电效应”或“顺压电效应”。 （2）石英晶体的压电方程 各向异性的石英晶片，单一压电效应： 式中：i—电效应（场强，极化）方向的下标，i=1，2，3； j—力方向（应力，应变）方向的坐标，j=1，2，···6； Tj—j方向的外施力分量（Pa）； —j方向的应力在i方向的极化强度（或i表面上的电荷密度）（C/ )； —j方向的应力引起i表面产生电荷时的压电常数 推广： （i=1，2，3） 5.3 压电式传感器测量电路 5.4 压电式传感器的应用 第5章 压电式传感器 本章主要内容 5.1 压电效应 5.2 压电材料 5.2.1 石英晶体 5.2.2 压电陶瓷 5.3 压电传感器测量电路 5.3.1 等效电路 5.3.2 电压放大器 5.3.3 电荷放大器 5.3压电式传感器的应用 目录 掌握正、逆压电效应 了解常用的压电材料 了解压电效应的产生机理 掌握压电式传感器的测量电路——电压放大器和电荷放大器 了解压电式传感器的应用 本章主要内容 石英晶体的压电效应 石英晶体的压电效应演示 5.2.1 石英晶体 天然形成的石英晶体外形 5.2 压电材料 石英晶体切片及封装 石英晶体薄片 双面镀银并封装 （1） 石英晶体工作原理 石英晶体化学式为SiO2, 是单晶体结构。图6- 2（a）表示了天然结构的石英晶体外形。它是一个正六面体。 石英晶体各个方向的特性是不同的。其中纵向轴 z 称为光轴, 经过六面体棱线并垂直于光轴的 x 轴称为电轴, 与 x 和 z 轴同时垂直的轴 y 称为机械轴。通常把沿电轴x 方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”, 而把沿机械轴y 方向的作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”。 而沿光轴z 方向受力时不产生压电效应。  X轴：电轴或1轴； Y轴：机械轴或2轴； Z轴：光轴或3轴。 （3） 石英晶体产生压电效应的机理 初始状态：因为P=qL, q为电荷量, L为正负电荷之间距离。 此时正负电荷重心重合, 电偶极矩的矢量和等于零, 即P1+P2+P3 = 0, 所以晶体表面不产生电荷, 即呈中性。 当受到沿x轴方向的压力作用时, 晶体沿x方向将产生压缩变形,正负电荷重心不再重合, 电偶极矩在x方向上的分量由于P1的减小和P2、P3的增加而不等于零, 即（P1+P2+P3）x 0 。 在x轴正方向出现正电荷, 电偶极矩在y方向上的分量仍为零。 当晶体受到沿y轴方向的压力作用时, P1增大, P2、P3 减小。 在x轴上出现电荷, 它的极性为x轴正向为负电荷。 在y轴方向上不出现电荷。  如果沿z轴方向施加作用力, 因为晶体在x方向和y方向所产生的形变完全相同, 所以正负电荷重心保持重合, 电偶极矩矢量和等于零。沿z轴方向施加作用力, 晶体不会产生压电效应。  当作用力fx、fy的方向相反时, 电荷的极性也随之改变。 优点： 转换效率和转换精度高、线性范围宽、重复性好、固有频率高、动态特性好、工作温度高达550℃（压电系数不随温度而改变）、工作湿度高达100%、稳定性好。 压电陶瓷外形 5.2.2 压电陶瓷 无铅压电陶瓷及其换能器外形 （1） 压电陶瓷压电原理 压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。 材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴, 它有一定的极化方向, 从而存在电场。 在无外电场作用时, 压电陶瓷呈中性, 不具有压电性质；施加外电场时, 电畴的极化方向发生转动, 趋向于按外电场方向的排列, 使材料得到极化。 压电陶瓷电荷量的大小与外力成正比关系:  q = d33 F 式中: d33—— 压电陶瓷的压电系数;  F——作用力。 特点： 压电系数比石英晶体的大得多, 所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。 如钛酸钡（BaTiO3）的压电系数约为石英的50倍,。 目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅（PZT系列）, 它是钛酸钡（BaTiO3)和锆酸铅（PbZrO3）组成