最新压电式传感器44454精品课件.ppt

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1、主要内容n7.1 压电效应及压电材料 n7.2 压电式传感器测量电路n7.3 压电式传感器的应用 7.1.2 压电陶瓷（多晶体） 压电机理：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，它们各自的极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。 在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场方向的排列，从而使材料得到极化。外电场愈强， 就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度，即所有电畴极化方向都整齐地

2、与外电场方向一致时，当外电场去掉后，电畴的极化方向基本变化，即剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性。 极化处理后陶瓷材料内部存在有很强的剩余极化，当陶瓷材料受到外力作用时，电畴的界限发生移动，电畴发生偏转， 从而引起剩余极化强度的变化， 因而在垂直于极化方向的平面上将出现极化电荷的变化。这种因受力而产生的由机械效应转变为电效应，将机械能转变为电能的现象，就是压电陶瓷的正压电效应。电荷量的大小与外力成如下的正比关系： Fdq33式中： d33 压电陶瓷的压电系数； F作用力。 压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多，所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。极化处理后的压电陶瓷材料的剩

3、余极化强度和特性与温度有关，它的参数也随时间变化， 从而使其压电特性减弱。 最早使用的压电陶瓷材料是钛酸钡（BaTiO3）。它的压电系数约为石英的50倍， 但居里点温度只有115，使用温度不超过70，温度稳定性和机械强度都不如石英。 目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅（PZT）系列， 它是钛酸铅（PbTiO2）和锆酸铅（PbZrO3）组成的（Pb（ZrTi）O3）。居里点在300以上，性能稳定，有较高的介电常数和压电系数7.1.3 压电高分子材料n高分子材料属于有机分子半结晶或结晶聚合物，其压电效应较复杂，不仅要考虑晶格中均匀的内应变对压电效应的贡献，还要考虑高分子材料中作非均匀内应变所产生

4、的各种高次效应以及同整个体系平均变形无关的电荷位移而表现出来的压电特性。n目前已发现的压电系数最高、且已进行应用开发的压电高分子材料是聚偏氟乙烯，其压电效应可采用类似铁电体的机理来解释。这种聚合物中碳原子的个数为奇数，经过机械滚压和拉伸制作成薄膜之后，带负电的氟离子和带正电的氢离子分别排列在薄膜的对应上下两边上，形成微晶偶极矩结构，经过一定时间的外电场和温度联合作用后，晶体内部的偶极矩进一步旋转定向，形成垂直于薄膜平面的碳氟偶极矩固定结构。正是由于这种固定取向后的极化和外力作用时的剩余极化的变化，引起了压电效应。7.1.4 压电材料的选取n选用合适的压电材料是设计、制作高性能传感器的关键。一般

5、应考虑：n转换性能n机械性能n电性能n温度、湿度稳定性好n时间稳定性7.2压电式传感器的等效电路7.3 压电式传感器的测量电路7.3.1电荷放大器(1)ffCK C iacifoiQUCCCCUK U (1)oacifK QUCCCK C0fCfQUUC7.3.2 电压放大器aiaiR RRRRicCCCsinmQd fd Fwtsinsinmmaad FQUwtUwtCC11Z1RCaaRZjwCjwCjwRCmRCiUZZU )(11icamamiCCCjwRjwRFdCCjwRjwRFdU2221()mimacid F wRUw R CCCarctan2aciwR CCC1211imim

6、Uw wUw w1arctan2ww7.4压电元件的连接与变形n7.4.1 压电元件的连接 单片压电元件产生的电荷量甚微，为了提高压电传感器的输出灵敏度， 在实际应用中常采用两片（或两片以上）同型号的压电元件粘结在一起。 从作用力看，元件是串接的，因而每片受到的作用力相同，产生的变形和电荷数量大小都与单片时相同。 图a）从电路上看，这是并联接法， 类似两个电容的并联。所以，外力作用下正负电极上的电荷量增加了1倍，电容量也增加了1倍，输出电压与单片时相同。图b）从电路上看是串联的，两压电片中间粘接处正负电荷中和，上、 下极板的电荷量与单片时相同，总电容量为单片的一半，输出电压增大了1倍。 7.4.2 压电元件的变形7.5 压电式传感器的应用n7.5.1 压电式力传感器7.5.2 压电式加速度传感器