最新压电式传感器43822ppt课件.ppt

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1、8/10/202222、压电效应方程、压电效应方程T(3) ( )3Z(3)T6T4T11x(1)(2)2T2yT5应力应力T T1 1、T T2 2、T T3 3 轴向轴向正正应力应力（拉应力为正，压应力为负）（拉应力为正，压应力为负） T4 T4、T5T5、T6T6 绕轴绕轴切切应力应力 (逆时针方向为正逆时针方向为正) 11、 2 2、 3 3 在垂在垂直于直于x y zx y z轴表面上的电荷轴表面上的电荷密度密度8/10/20229石英晶体石英晶体 石英晶体化石英晶体化学式为学式为SiO2, 是是单晶体结构。图单晶体结构。图表示了天然结构表示了天然结构的石英晶体外形。的石英晶体外形。

2、它是一个正六面它是一个正六面体。体。8/10/202210Z轴为中轴（光轴）：光线沿该轴通过石英晶体无折射。轴为中轴（光轴）：光线沿该轴通过石英晶体无折射。x轴为电轴：压电效应最强。轴为电轴：压电效应最强。y轴为机械轴：在电场的作用下沿该轴产生机械变形最明显。轴为机械轴：在电场的作用下沿该轴产生机械变形最明显。8/10/202211O Oy yz zx xm mm mm m111114ij1411dd0d00d 0000d2d000000压电常数矩阵压电常数矩阵d11=2.3110-12 (C/N) d14=0.7410-12 (C/N)石英晶体不是在任何方向都存在压电效应石英晶体不是在任何方

3、向都存在压电效应8/10/202212正常情况下石正常情况下石英体中正负电英体中正负电荷处于平衡，荷处于平衡，外部呈中性。外部呈中性。不受力不受力yxyx晶体在晶体在x方向受力方向受力晶体在晶体在y方向受力方向受力正负电荷产生移动，出现带电现象。正负电荷产生移动，出现带电现象。FyFyFxFx石英晶体压电模型石英晶体压电模型8/10/202213P1P2P3 当石英晶体当石英晶体未受外力作用时未受外力作用时, 正、负离子正好正、负离子正好分布在正六边形分布在正六边形的顶角上的顶角上, 形成形成三个互成三个互成120夹角的电偶极矩夹角的电偶极矩P1、P2、P3。 如如图图 所示。所示。xy石英晶

4、体压电模型石英晶体压电模型8/10/202214P1P2P3 当石英晶体当石英晶体受到沿受到沿x轴方向轴方向的压力作用时的压力作用时, 晶体沿晶体沿x方向将方向将产生压缩变形产生压缩变形, 正负离子的相正负离子的相对位置也随之对位置也随之变动。变动。xy石英晶体压电模型石英晶体压电模型8/10/202215P1P2P3 此时正此时正负电荷重心负电荷重心不 再 重 合不 再 重 合 , 电偶极矩在电偶极矩在x 方 向 上 的方 向 上 的分量由于分量由于P1的减小和的减小和P2、P3的增加而的增加而不等于零不等于零xy石英晶体压电模型石英晶体压电模型8/10/202216P1P2P3+ + +

5、+ + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - xy石英晶体压电模型石英晶体压电模型8/10/202217P1P2P3+ + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - 电偶极矩电偶极矩在在x方向上的方向上的分量由于分量由于P1的的减小和减小和P2、P3的增加而不等的增加而不等于零于零,在在x轴的轴的正方向出现正正方向出现正电荷电荷, 电偶极电偶极矩在矩在y方向上方向上的分量仍为零的分量仍为零, 不出现电荷。不出现电荷。xy石英晶体压电模型石英晶体压电模型8/10/202218P1P2P3xy当晶体受到沿当晶体受到

6、沿y轴方向的压轴方向的压力作用时力作用时, 晶晶体的变形如图体的变形如图所示所示石英晶体压电模型石英晶体压电模型8/10/202219P1P2P3xy石英晶体压电模型石英晶体压电模型8/10/202220P1P2P3- - - - - - - - -+ + + + + + + +xy P1增大增大, P2、P3 减小。减小。 在在x轴上出现电轴上出现电荷荷, 它的极性它的极性为为x轴正向为轴正向为负电荷。负电荷。 在在y轴 方 向 上 不轴 方 向 上 不出 现 电 荷 。出 现 电 荷 。 石英晶体压电模型石英晶体压电模型8/10/202221n如果沿如果沿z轴方向施加作用力，因为晶体在轴方

7、向施加作用力，因为晶体在x方向和方向和y方向所产生的形变完全相同，所以正负电荷重心方向所产生的形变完全相同，所以正负电荷重心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。这表明沿保持重合，电偶极矩矢量和等于零。这表明沿z轴轴方向施加作用力，晶体不会产生压电效应。方向施加作用力，晶体不会产生压电效应。石英晶体压电模型石英晶体压电模型8/10/202222 2、压电陶瓷压电陶瓷 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。 材料内部材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴的晶粒有许多自发极化的电畴, 它有一定的极化方向它有一定的极化方向, 从而从而存在电场。存在电场。 在无外电场作用时在无

8、外电场作用时, 电畴在晶体中杂乱分布电畴在晶体中杂乱分布, 它们的极化效应被相互抵消它们的极化效应被相互抵消, 压电陶瓷内极化强度为零。压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性因此原始的压电陶瓷呈中性, 不具有压电性质。不具有压电性质。8/10/202223压电陶瓷压电陶瓷极化处理后的人工多晶铁电体极化处理后的人工多晶铁电体伸长伸长剩余伸长剩余伸长极化前极化前极化时极化时极化后极化后电畴无序排列电畴无序排列电畴有序排列电畴有序排列电畴基本有序电畴基本有序8/10/202224在陶瓷上施加外电场时在陶瓷上施加外电场时, 电畴的极化方向发生转动电畴的极化方向发生转动, 趋向于趋向于按外电场

9、方向的排列按外电场方向的排列, 从而使材料得到极化。从而使材料得到极化。外电场愈强外电场愈强, 就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。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, 即所有电即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时, 外电场去掉后外电场去掉后, 电畴的极化方向基本不变电畴的极化方向基本不变, 即剩余极化强度即剩余极化强度很大很大, 这时的材料才具有压电特性。这时的材料才具有压电特性。 压电陶瓷压电陶瓷8/10/202225当陶瓷材料（当陶瓷材料（剩余极化很强剩

10、余极化很强）受到外力作用时）受到外力作用时, 电畴的界限电畴的界限发生移动发生移动, 电畴发生偏转电畴发生偏转, 从而引起剩余极化强度的变化从而引起剩余极化强度的变化, 因而因而在垂直于极化方向的平面上将出现极化电荷的变化。在垂直于极化方向的平面上将出现极化电荷的变化。电荷量的大小与外力成正比关系电荷量的大小与外力成正比关系: q = d33 F 式中式中: d33 压电陶瓷的压电系数压电陶瓷的压电系数; F作用力。作用力。压电陶瓷的正压电效应：压电陶瓷的正压电效应：8/10/202226n压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多（约为石英的压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多（约为石英的50倍）

11、倍）, 所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。较高。n极化处理后的压电陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温极化处理后的压电陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温度有关度有关, 它的参数也随时间变化它的参数也随时间变化, 从而使其压电特性减弱。从而使其压电特性减弱。温度稳定性和机械强度都不如石英。温度稳定性和机械强度都不如石英。 n目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅, 它是钛酸钡它是钛酸钡（BaTiO3)和锆酸铅（和锆酸铅（PbZrO3）组成，有较高的压电系）组成，有较高的压电系数和较高的工作温度。数和较高的工作温度

12、。8/10/202227演示演示8/10/202228压电常数：压电常数：压电效应强弱的参数，关系到压电输出压电效应强弱的参数，关系到压电输出 的灵敏度的灵敏度弹性系数：弹性系数：材料的弹性常数，决定着器件的固有频材料的弹性常数，决定着器件的固有频率的动态特性率的动态特性介电常数：介电常数：固有电容与介电常数有关固有电容与介电常数有关电阻：电阻：绝缘电阻，可减少电荷泄漏，改善低频特性绝缘电阻，可减少电荷泄漏，改善低频特性居里点：居里点：材料开始丧失压电特性的温度材料开始丧失压电特性的温度, 石英石英5733、压电材料的主要特性：、压电材料的主要特性：8/10/202229hsCa三、压电元件三

13、、压电元件1、等效电路、等效电路压电元件的两电极间形成一个电容压电元件的两电极间形成一个电容e压电陶瓷或石英晶体的介电常数压电陶瓷或石英晶体的介电常数s极板面积极板面积h压电元件厚度压电元件厚度当受外力作用时，产生电荷当受外力作用时，产生电荷Q电荷等效：电荷等效：Q QC Ca aU Ua a电压等效：电压等效：aaCQu8/10/202230QCaQ=CaUaUaaaCQU 电荷等效电路电荷等效电路电压等效电路电压等效电路当不受外力时当不受外力时Q Q0 0，UaUa0 02、压电元件的串并联压电元件的串并联多片压电元件的组合多片压电元件的组合8/10/202231 1）串联）串联QQnUU

14、nCCeee 串联使压电传感器串联使压电传感器时间常数时间常数减小，减小，电压电压灵敏度增大，适合于电压输出、高灵敏度增大，适合于电压输出、高频信号测量场合。频信号测量场合。2）并联）并联nQQUUnCCeee 并联使压电传感器时间常数增大，并联使压电传感器时间常数增大，电荷灵敏度增大，适合于电荷输出、低电荷灵敏度增大，适合于电荷输出、低频信号测量场合。频信号测量场合。 8/10/202232四、测量电路四、测量电路1、压电传感的等效电路压电传感的等效电路测量电路需接一个高输入阻抗的前置放大电路。测量电路需接一个高输入阻抗的前置放大电路。该放大器有电压放大器和电荷放大器。该放大器有电压放大器和

15、电荷放大器。实际等效电路实际等效电路压电元件的压电元件的Ca,Ra,电缆的电缆的Cc前置放大器的前置放大器的Ri,Ci8/10/202233CRUiaiiaicaRRRRRCCCC可简化为可简化为QjIdtdqi定义电流定义电流2、电压放大器电压放大器IiUoUCRR1R28/10/202234cjR11Z1R CjRiCQcjQjZIU01111电压放大增益电压放大增益121RRK输出电压输出电压iUKU0RC/ 10 8/10/202235：电荷灵敏度：电荷灵敏度d jCKdFU0110FdQ因为因为所以转换灵敏度所以转换灵敏度具有一阶高具有一阶高通滤波特性通滤波特性 CKdFU08/10

16、/202236IoUCRCFRF3、电荷放大器、电荷放大器Z2RF CFFRcjF11减小零漂减小零漂理想运放条件下，理想运放条件下，R R和和C C两端电压均为两端电压均为0 0，I I 全部流过全部流过Z Z2 2ff2C/RZ 8/10/202237FFjFFRCRCdFUcjQjZIUF111001200输出电压输出电压固有频率固有频率 FCdFU0也具有一阶高通也具有一阶高通滤滤波特性波特性灵敏度只与灵敏度只与CF有关有关8/10/202238本节小结：本节小结：n用压电式传感器能够测量静态和变化缓慢的信号吗？用压电式传感器能够测量静态和变化缓慢的信号吗？n为什么压电式传感器多采用电荷放大器？为什么压电式传感器多采用电荷放大器？n压电元件的串联与并联分别适用于什么测量场合？压电元件的串联与并联分别适用于什么测量场合？8/10/202239结束