第六章 压电式传感器 - 温州大学 - 物理与电子信息工程学院.pptVIP

第六章 压电磁敏传感技术 压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料(石英晶体和压电陶瓷）的压电效应。 是双向传感器。实现力与电荷的双向转换。 第一部分 压电传感器 一、 压电效应 某些电介质, 当沿着一定方向对其施力而使它变形时, 其内部就产生极化现象（内部正负电荷中心相对位移）, 同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷, 当外力去掉后, 其又重新恢复到不带电状态， 这种现象称压电效应。当作用力方向改变时, 电荷的极性也随之改变。 这种机械能转为电能的现象, 称为“正压电效应” 。 明显呈现压电效应的敏感功能材料叫压电材料 二 压电元件的常用结构形式 压电元件的基本变形 三 等效电路与测量电路 压电式传感器的等效电路 四 压电式传感器的应用 压电式加速度传感器 1、结构 压电片用高压电系数的压电陶瓷制成。两个压电片并联。 质量块用高比重的金属块，对压电元件施加预载荷 * 可测与力相关的物理量，如各种动态力、 机械冲击与振动。 在声学、 医学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用。 当在电介质极化方向施加电场, 这些电介质也会产生变形, 这种现象称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。可将电能转换为机械能。具有压电效应的材料称为压电材料, 压电材料能实现机—电能量的相互转换。 _ y 逆压电效应 压电效应 + ? 在自然界中大多数晶体具有压电效应, 但压电效应十分微弱。随着对材料的深入研究, 发现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。 压电材料可以分为两大类: 压电晶体和压电陶瓷 。  压电材料的主要特性参数有:  （1） 压电常数:压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数, 它直接关系到压电输出的灵敏度。  （2） 弹性常数:压电材料的弹性常数、 刚度决定着压电器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, 其值等于转换输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根; 它是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。 （5） 电阻压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏, 从而改善压电传感器的低频特性。 （6） 居里点：压电材料开始丧失压电特性的温度称为居里点。 力与电荷的关系 若从晶体上沿 y 方向切下一块如图 所示晶片, 当在电轴方向施加作用力时, 在与电轴 x 垂直的平面上将产生电荷, 其大小为  qx = d11 fx  式中: d11——x方向受力的压电系数;  fx——作用力 产生的电荷与几何尺寸无关。纵向压电效应。 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qx ,其大小为 式中: d12——y轴方向受力的压电系数, d12=－d11; l、 h——晶体切片长度和厚度。 产生的电荷与几何尺寸有关。 压电效应为横向压电效应。 压电效应的物理解释  石英晶体sio2，3个硅离子Si4+离子, 6个氧离子O2-。两两成对。微观分子结构为一个正六边形。垂直于X轴端面有无数个此分子结构。  （1）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P1、 P2、P3。 如图 a所示。  P1+ P2+P3=0。正负电荷中心重合，晶体垂直X轴表面不产生电荷。呈中性。 （2）受x轴方向的压力作用时, 晶体沿x方向将产生压缩变形, 正负离子的相对位置也随之变动。如图 （b）所示, 此时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） 0 。 在x轴的正方向出现负电荷, 电偶极矩在y方向上的分量仍为零, 不出现电荷。 （3）受到沿y轴方向的压力作用时, 晶体的变形如图（c）所示， P1增大, P2、P3 减小。 在垂直于x轴正方向出现正电荷, 在y轴方向上不出现电荷。 多晶体的压电特性 （1）压电陶瓷的极化 ①未加电场 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, 电畴在晶体中杂乱分布, 它们的极化效应被相互抵消, 压电陶瓷内极化强度为零。因此原始