课次5 压电式传感器.pptVIP

* 压电器件 受力、表面形变 电荷 §6-1 压电效应和压电材料 一、压电效应 某些晶体，在一定方向受到外力作用时，内部将产生极化现象，相应地在晶体的两个表面产生符号相反的电荷；当外力作用除去时，又恢复到不带电状态。当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变，这种现象称为压电效应。晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。 具有压电效应的物质很多，如石英晶体、压电陶瓷、压电半导体等。 1、正（顺）压电效应 2、逆压电效应（电致伸缩） 压电介质 正压电效应 Q(E) 电能 T(S) 机械能 逆压电效应 二、压电材料简介 压电常数 弹性常数（刚度） 介电常数 机电耦合系数 电阻 居里点 压电效应强弱：灵敏度 固有频率、动态特性 固有电容、频率下限 机电转换效率 泄漏电荷、改善低频特性 丧失压电性的温度 常用压电材料 三、石英晶体的压电特性 居里点573℃，六角晶系结构 光轴 电轴 机械轴 从晶体上沿XYZ轴线切下一片平行六面体的薄片称为晶体切片。当沿着X轴对压电晶片施加力时，将在垂直于X轴的表面上产生电荷，这种现象称为纵向压电效应。沿着y轴施加力的作用时，电荷仍出现在与X轴垂直的表面上，这称之为横向压电效应。当沿着Z轴方向受力时不产生压电效应。 纵向压电效应产生的电荷为 qx＝d11fx 横向压电效应产生的电荷为 由上式可以看出，沿机械轴方向向晶片施加压力时，产生的电荷是与几何尺寸有关的，式中的负号表示沿Y轴的压力产生的电荷与沿X轴施加压力所产生的电荷极性是相反的。 x轴方向受力：压力 x轴方向受力：拉力 y轴方向受力：压力 y轴方向受力：拉力 石英晶体的每一个晶体单元中，有三个硅离子和六个氧离子，正负离子分布在正六边形的顶角上，如下图所示。当作用力为零时，正负电荷相互平衡，所以外部没有带电现象,而受力后破坏了平衡,就带电了。 四、压电陶瓷的压电现象 人造多晶体：经极化处理后的人工多晶铁电体 电畴 未极化前：不具压电性 撤销外电场 加外电场 E 对外不呈极性 加力F：放电现象 取消F：充电现象 机械能 电能 正压电效应： §6-2 等效电路和测量电路 一、压电晶片的连接方式 （1）并联： （2）串联： 二、压电传感器的等效电路 只适宜动态测量 压电晶片： 压电传感器： 压电传感器在实际测量系统中的等效电路 三、压电传感器的测量电路 前置放大器的作用： （1）放大 （2）阻抗转换 电压放大器 电荷放大器 1、电压放大器 前置放大器输入端电压： 前置放大器输入端电压幅值： 输入电压与作用力间的相位差： 测量电路时间常数 输入电压与作用力间的相位差： 讨论： 适合测量高频交变力 2、电荷放大器 灵敏度 与电缆电容无关 §6-3 压电传感器的应用 例1： 压电式测力传感器 压电式三向力传感器