第6章压电式课件.pptVIP

* 第6章 压电式传感器 主要内容 6.1 压电效应 6.2 压电材料 6.3压电元件结构 6.4等效电路与测量电路 6.5压电传感器的应用 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 压电加速度计 压电警号 第6章 压电式传感器 概述 压电式传感器以电介质的压电效应为基础， 外力作用下在电介质表面产生电荷，从而实 现非电量测量,是一种典型的发电型传感器. 压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击 和振动进行测量，在声学、医学、力学、导 航方面都得到广泛的应用。 第6章 压电式传感器 6.1 压电效应 某些电介质（晶体）当沿着一定方向施加力变形时，内部产生极化现象，同时在它表面会产生符号相反的电荷； 当外力去掉后，又重新恢复不带电状态； 当作用力方向改变后，电荷的极性也随之改变; 这种现象称压电效应。 压电现象是晶体缺乏中心对称引起的,自然界32种晶体点阵中，有中心对称和非对称两大类，非中心对称的21种中有 20种有压电效应。 第6章 压电式传感器 6.1 压电效应 ???压电效应是可逆的 在介质极化的方向施加电场时，电介质会产生形变， 将电能转化成机械能，这种现象称“逆压电效应”。 压电元件可以将机械能 电能 也可以将电能 机械能????? 压电元件 机械能 电能 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——SiO2 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 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 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 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。 第6章 压电式传感器 6.2 压电材料6.2.1 石英晶体 石英晶体压电模型 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。 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，电畴在晶体中分布杂乱分布，极化相互抵消，呈中性。 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