压电原理及材料.pptVIP

第一节 压电传感器的工作原理 压电式传感器是一种自发电式传感器。它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。 压电式传感器主要用途：压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最终能变换为力的非电物理量，例如动态力、动态压力、振动加速度等，但不能用于静态参数（例如重量）的测量。 压电式传感器是一种典型的有源传感器 ； 压电效应具有可逆性，也是一种典型的“双向传感器”； 压电式传感器的特点: 工作频带宽，灵敏度高，结构简单，体积小，重量轻，工作可靠。 压电效应最贴近生活的应用： 燃气灶与打火机 一、压电效应 天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，用金刚石刀具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片受到压力时，晶格产生变形，表面产生正电荷，电荷Q与所施加的力F成正比 ，这种现象称为：“压电效应” 。 还有一些人造的材料也具有压电效应。 若在电介质的极化方向上施加交变电压，它就会产生机械变形。当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）。 清代诗人苏履吉赞颂鸣沙的“雷送余音声袅袅，风生细响语喁喁”。 石英晶体的压电效应演示 当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。 二、压电材料的分类及特性 压电传感器中的压电元件材料一般有三类： 一类是压电晶体（如上述的石英晶体）； 另一类是经过极化处理的压电陶瓷；第三类是高分子压电材料。 （一）石英晶体 天然形成的石英晶体外形（续） 石英晶体切片及封装 石英晶体薄片 石英晶体振荡器（晶振） 石英晶体在振荡电路中工作时，压电效应与逆压电效应交替作用，从而产生稳定的振荡输出频率。 石英晶体的特性与其内部分子结构有关。下图是一个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子，在垂直于z轴的xy平面上的投影，等效为一个正六边形排列。 定性分析： 当石英晶体未受外力作用时，正、负离子正好分布在正六边形的顶角上，形成三个互成120°夹角的电偶极矩，且三个电偶极矩的矢量和为0。 由上述公式我们看到： 电荷qx的符号表示受压力还是受拉力 切片上产生的电荷多少与切片的尺寸无关，即qx与Fx成正比 晶片电荷极性与受力关系 极间电压 若在同一切片上,沿机械轴y方向施加作用力Fy,则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qy,其大小为 qy=d12(L/a)Fy 式中， d12---y轴方向受力的压电系数，根据石英晶体的对称性,有d12=-d11； qy---垂直于x轴平面上的电荷 Fy---沿y轴方向施加的作用力 L、a-晶体切片的长度、厚度 由上述公式我们看到： 沿机械轴y方向作用力在晶体表面产生的电荷与晶体切片的尺寸有关； 沿y轴作用力所产生的电荷极性与沿x轴作用力所产生的电荷极性是相反的。 当石英晶体沿z轴方向作用力时，由于晶体沿x轴方向和y轴方向产生同样的变形，因此沿z轴方向施加作用力时，石英晶体不会产生压电效应，即d13=0 （二）压电陶瓷 压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成本却较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷 。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及非铅系压电陶瓷 （如BaTiO3等）。 压电陶瓷外形 无铅压电陶瓷及其换能器外形 （上海硅酸盐研究所研制） （三）高分子压电材料 典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。 高分子压电材料是一种柔软的压电材料，可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。 不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面积或较长的尺度； 价格便宜，频率响应范围较宽，测量动态范围可达80dB。 高分子压电薄膜及拉制 高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆 可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板 压电式脚踏报警器 高分子压电薄膜制作的压电喇叭（逆压电效应） 压电材料的特性： （1）压电系数：是衡量材料压电效应强弱的参数，与压电输出灵敏度有关。 （2）弹性常数：压电材料的弹性常数、刚度决定着压电元件的固有频率和动态特性。 （3）介电常数：对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容与介电常数有关；而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。 （4）机械耦合系数：在压电效应中，转换输出能量