第6章 压电传感器教学课件PPT.ppt
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1、完整版教学课件完整版教学课件第6章 压电传感器 2022-7-113一、教学目标一、教学目标1 1、知识目标、知识目标(1 1)了解不同压电材料的结构和特点。了解不同压电材料的结构和特点。 (2 2)掌握压电式传感器的工作原理及测量转换电)掌握压电式传感器的工作原理及测量转换电路。路。(3 3)熟悉压电式传感器在工程上的应用。)熟悉压电式传感器在工程上的应用。二、教学重点和难点二、教学重点和难点1 1、重点:、重点:压电式传感器的工作原理和应用。压电式传感器的工作原理和应用。2 2、难点:、难点:压电式传感器的测量电路。压电式传感器的测量电路。三、教学学时三、教学学时 4 4学时学时2022-
2、7-114 压电式传感器是一种自发电式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,从而实现非电量质表面产生电荷,从而实现非电量电测的目的。电测的目的。 压电传感元件是力敏感元件,它可以测量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,但不动态力、动态压力、振动加速度等,但不能用于静态参数的测量。能用于静态参数的测量。 压电式传感器具有体积小、质量轻、频响压电式传感器具有体积小、质量轻、
3、频响高、信噪比大等特点。由于它没有运动部高、信噪比大等特点。由于它没有运动部件,因此结构坚固、可靠性、稳定性高。件,因此结构坚固、可靠性、稳定性高。 2022-7-116正压电效应正压电效应 是指某些电介质,当沿着一定方向对其施加是指某些电介质,当沿着一定方向对其施加压力而使其变形时,它的内部就会产生极压力而使其变形时,它的内部就会产生极化的现象,同时在它的两个表面上会产生化的现象,同时在它的两个表面上会产生极性相反的电荷,当施加的压力去掉后,极性相反的电荷,当施加的压力去掉后,它又重新恢复不带电的状态;当压力的作它又重新恢复不带电的状态;当压力的作用方向改变时,它内部的极性也随着改变。用方向
4、改变时,它内部的极性也随着改变。(顺压电效应)(顺压电效应) 打火机打火机压电效应具有可逆性,它分为正压电效应和压电效应具有可逆性,它分为正压电效应和逆压电效应。逆压电效应。逆压电效应逆压电效应 是指当在电介质的极化方向是指当在电介质的极化方向施加电场,这些电介质就会在施加电场,这些电介质就会在一定方向上产生机械变形或机一定方向上产生机械变形或机械压力,当施加的电场撤去时,械压力,当施加的电场撤去时,这些机械变形或机械压力也随这些机械变形或机械压力也随之消失的现象。(电致伸缩效之消失的现象。(电致伸缩效应)。应)。 音乐贺卡音乐贺卡 由于外力的作用,在压电元件上产生的电荷只由于外力的作用,在压
5、电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能完好地保存,即需要有在无泄漏的情况下才能完好地保存,即需要测量转换电路具有无穷大的输入阻抗,这实际测量转换电路具有无穷大的输入阻抗,这实际上是不可能的,所以压电式传感器不能用于静上是不可能的,所以压电式传感器不能用于静态力的测量。态力的测量。压电元件在交变力的作用下,电荷可以不断补压电元件在交变力的作用下,电荷可以不断补充,可以供给测量转换电路一定的电流,因此,充,可以供给测量转换电路一定的电流,因此,压电式传感器只适用于压电式传感器只适用于动态测量动态测量。在晶体的弹性限度内,在在晶体的弹性限度内,在x轴方向上施加压力轴方向上施加压力F x时,在时,
6、在x面上产生的电荷为面上产生的电荷为 Q=d11 Fx (5-1) 式中,式中,d11为为x轴方向受力的压电系数(轴方向受力的压电系数(C/N););F x为为x轴方向的作用力(轴方向的作用力(N)。)。2022-7-1110 压电传感器中的压电元件材料一般有三类: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);一类是压电晶体(如上述的石英晶体); 另一另一类是类是 经过极化处理的经过极化处理的 压电陶瓷;第三类是高分压电陶瓷;第三类是高分子压电材料。子压电材料。压电材料压电材料压电晶体压电晶体压电陶瓷压电陶瓷高分子压电材料高分子压电材料2022-7-1111天然形
7、成的石英晶体外形天然形成的石英晶体外形2022-7-1112石英的晶体结构为六方晶体系,化学式为石英的晶体结构为六方晶体系,化学式为SiOSiO2 2。 (a a)晶体外形)晶体外形 (b b)晶块)晶块图图6-2 6-2 石英晶体石英晶体定义:定义: x x:两平行柱面内夹角等分:两平行柱面内夹角等分线,垂直此轴压电效应最线,垂直此轴压电效应最强。称为电轴。强。称为电轴。 y y :垂直于平行柱面,在:垂直于平行柱面,在电场作用下变形最大,称电场作用下变形最大,称为机械轴。为机械轴。 z z :无压电效应,中心轴,:无压电效应,中心轴,也称光轴。也称光轴。当石英晶体不受外力作用时,硅离子和氧
8、离子当石英晶体不受外力作用时,硅离子和氧离子刚好在正六边形的六个顶角上,也就是说正负刚好在正六边形的六个顶角上,也就是说正负电荷是互相平衡的,所以外部没有带电现象,电荷是互相平衡的,所以外部没有带电现象,见图见图6-3(a);当石英晶体在);当石英晶体在x轴方向受力时,轴方向受力时,晶体的极面晶体的极面A上呈现负电荷,晶体的极面上呈现负电荷,晶体的极面B上呈上呈现正电荷,见图现正电荷,见图6-3(b);当石英晶体在;当石英晶体在y轴方向轴方向受力时,晶体的极面受力时,晶体的极面A上呈现正电荷,晶体的极上呈现正电荷,晶体的极面面B上呈现负电荷,见图上呈现负电荷,见图6-3(c)。)。石英晶体在石
9、英晶体在2020200 200 内压电系数内压电系数的变化率小,因而其性能非常稳定,的变化率小,因而其性能非常稳定,不足之处在于压电系数较小不足之处在于压电系数较小(d d=2.31=2.3110101212 C/N C/N)。)。因此,石英晶体一般只在标准传感因此,石英晶体一般只在标准传感器、高精度传感器或使用温度较高器、高精度传感器或使用温度较高的传感器中使用。的传感器中使用。2022-7-1118石英晶体薄片双面双面镀银镀银并封装并封装2022-7-1119 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。晶振晶振2022-7-1120 压电陶瓷是人
10、工制造的多晶压电材料,是一种能压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料,是一种能够将机械能转换为电能的陶瓷材料。它比石英晶体的够将机械能转换为电能的陶瓷材料。它比石英晶体的压电灵敏度高得多,而制造成本却较低,因此目前国压电灵敏度高得多,而制造成本却较低,因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷 。 常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷(PZTPZT)及非铅系压电陶瓷)及非铅系压电陶瓷 (如(如BaTiOBaTiO3 3等)。等)。 压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料,压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料,由无数
11、细微的单晶组成。每个单晶粒形成一由无数细微的单晶组成。每个单晶粒形成一个自发极化方向一致的小区域即电畴。刚烧个自发极化方向一致的小区域即电畴。刚烧结好的压电陶瓷内的电畴是无规则排列,极结好的压电陶瓷内的电畴是无规则排列,极化方向杂乱无章,其总极化强度为化方向杂乱无章,其总极化强度为0 0,此时,此时受力则无压电效应受力则无压电效应。若让原始的压电陶瓷材料具压电特性,需在一定温度若让原始的压电陶瓷材料具压电特性,需在一定温度下对它进行极化处理。将这些材料置于外电场作用下,下对它进行极化处理。将这些材料置于外电场作用下,使其中的电畴发生转动,趋向于其本身自发的极化方使其中的电畴发生转动,趋向于其本
12、身自发的极化方向与外电场方向一致。极化处理过的压电陶瓷具有良向与外电场方向一致。极化处理过的压电陶瓷具有良好的压电特性。好的压电特性。(a a)未极化的陶瓷)未极化的陶瓷 (b)(b)正在极化的陶瓷正在极化的陶瓷 (c c)极化后的)极化后的陶瓷陶瓷图图6-4 6-4 压电陶瓷的极化过程压电陶瓷的极化过程压电晶体与压电陶瓷的比较:压电晶体与压电陶瓷的比较:相同点:都是具有压电效应的压电材料。相同点:都是具有压电效应的压电材料。不同点:不同点:石英的优点是它的介电和压电常数的温石英的优点是它的介电和压电常数的温度稳定性好,适合做工作温度范围很宽的传度稳定性好,适合做工作温度范围很宽的传感器。感器
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