第6章压电传感器.pptVIP

机械工业出版社中等职业教育电气类规划教材 《自动检测与转换技术》第六章压电传感器2014－10－17 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那些非电物理量，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。 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” Q=dF 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 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”。——鸣沙山上的逆压电效应 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转化成电能 也可以将电能转化成机械能 压电材料的主要特性参数有 压电常数：压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数，直接关系到压电输出灵敏度 弹性常数：压电材料的弹性常数、刚度决定压电器件的固有频率和动态特性 介电常数：压电元件的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 机械耦合系数：转换输出能量与输入能量之比的平方根，是衡量压电材料机电能量转换效率的重要参数 电阻：压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄露，从而改善压电传感器的低频特性 居里点温度：压电材料开始丧失压电特性的温度 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。 石英晶体大多只在标准传感器，高准确度传感器或使用温度较高的传感器中使用，而在一般要求的测量中，基本上采用压电陶瓷。 （二）压电陶瓷 压电陶瓷利用其材料在机械应力作用下，引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化，导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷即压电效应而制作 压电陶瓷主要用于制造超声换能器、水声换能器、电声换能器、陶瓷滤波器、陶瓷变压器、陶瓷鉴频器、高压发生器、红外探测器、声表面波器件、电光器件、引燃引爆装置和压电陀螺等 ，除了用于高科技领域，它更多的是在日常生活中为人们服务，为人们创造更美好的生活而努力 压电陶瓷的压电机理与压电晶体不同 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，他有一定的极化方向 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 压电陶瓷的压电效应 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特性，未极化时是非压电体 压电陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图 自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数值相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外的作用，因此陶瓷片对外不表现极性 晶体极化后，沿极化方向（垂直极化平面）作用力时，引起剩余极化强度变化，在极化面上产生电荷，电荷量的大小与外力成正比关系 电荷密度： d33——压电陶瓷的纵向压电常数，d33 比d11、 d12大的多， 压电陶瓷制作传感器灵敏度比压电晶体高 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） 高分子压电薄膜及拉制 （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。它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。它不易破碎，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