第5章压电式传感器 (2)PPT讲稿.ppt
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1、第第5章压电式传感器章压电式传感器(2)第1页,共33页,编辑于2022年,星期一压电式传感器是一种电量型传感器。它以某些压电式传感器是一种电量型传感器。它以某些电介质的压电效应为基础,在外力的作用下,电介电介质的压电效应为基础,在外力的作用下,电介质的表面会产生电荷,从而实现力质的表面会产生电荷,从而实现力电荷的转换。电荷的转换。常用来测量压力、应力、加速度等。常用来测量压力、应力、加速度等。第2页,共33页,编辑于2022年,星期一压电式压力传感器是基于某些电介质的压电效应原理制成的。某些压电式压力传感器是基于某些电介质的压电效应原理制成的。某些电介质物质,在沿着一定方向上受到外力的作用而
2、变形时,内部会产生极电介质物质,在沿着一定方向上受到外力的作用而变形时,内部会产生极化现象,同时在它的两个表面上产生极性相反的电荷;当外力去掉后,又化现象,同时在它的两个表面上产生极性相反的电荷;当外力去掉后,又重新回到不带电的状态,这种将机械能转化为电能的现象称为正压电效应。重新回到不带电的状态,这种将机械能转化为电能的现象称为正压电效应。相反地,在电介质物质的极化方向上施加电场,它会产生机械相反地,在电介质物质的极化方向上施加电场,它会产生机械变形,当去掉外加电场时,电介质的变形也随之消失,这种将电能变形,当去掉外加电场时,电介质的变形也随之消失,这种将电能转化为机械能的现象称为逆压电效应
3、。转化为机械能的现象称为逆压电效应。1.1 压电效应压电效应第3页,共33页,编辑于2022年,星期一 正压电效应和逆压电效正压电效应和逆压电效应统称为压电效应,压应统称为压电效应,压电效应是可逆的。电效应是可逆的。第4页,共33页,编辑于2022年,星期一 石英晶体石英晶体是最常用的压电晶体。它有三个互相垂直的晶轴:石英晶体是最常用的压电晶体。它有三个互相垂直的晶轴:z轴为光轴,没有压电效应;轴为光轴,没有压电效应;x轴为电轴;轴为电轴;y轴为机械轴。轴为机械轴。石英晶体的压电效应第5页,共33页,编辑于2022年,星期一为了使压电陶瓷具有压电效应,必须进行极化处理。为了使压电陶瓷具有压电效
4、应,必须进行极化处理。极化处理:在一定温度下对压电陶瓷施加强电场,电畴的极化极化处理:在一定温度下对压电陶瓷施加强电场,电畴的极化方向发生转动,趋向于外电场的方向,这个方向就是压电陶瓷的极方向发生转动,趋向于外电场的方向,这个方向就是压电陶瓷的极化方向。(化方向。(100170,2030KV/cm直流电场)直流电场)压电陶瓷的极化过程和铁磁物质的磁化过程非常相似。经过极压电陶瓷的极化过程和铁磁物质的磁化过程非常相似。经过极化处理后的压电陶瓷在外界电场去除后,其内部仍会存在着很强的化处理后的压电陶瓷在外界电场去除后,其内部仍会存在着很强的剩余极化强度。当压电陶瓷受到外力作用时,电畴的界限发生移动
5、,剩余极化强度。当压电陶瓷受到外力作用时,电畴的界限发生移动,因此,剩余极化强度将发生变化,压电陶瓷将出现压电效应。因此,剩余极化强度将发生变化,压电陶瓷将出现压电效应。第6页,共33页,编辑于2022年,星期一当石英晶体切片受到沿当石英晶体切片受到沿x轴方向的压缩应力轴方向的压缩应力x x作用时,晶片将产生厚作用时,晶片将产生厚度变形,并产生极化现象。在晶体的线性弹性范围内,垂直于度变形,并产生极化现象。在晶体的线性弹性范围内,垂直于x x轴表面上产轴表面上产生的极化强度生的极化强度P Px x与应力与应力x x成正比,即:成正比,即:1.2 石英晶体的压电常数和表面电荷的计算石英晶体的压电
6、常数和表面电荷的计算图5.3 石英晶体切片极化强度极化强度P Px x等于晶片表面的电荷密度:等于晶片表面的电荷密度:所以,所以,可见,当晶片受到可见,当晶片受到x x轴方向压力时,轴方向压力时,q qx x与作用力与作用力F Fx x成正比,而成正比,而与晶片的几何尺寸无关。电荷极性如图与晶片的几何尺寸无关。电荷极性如图5.45.4所示。所示。第7页,共33页,编辑于2022年,星期一图5.4 石英晶片上电荷极性与受力方向的关系当同一晶片受到沿当同一晶片受到沿y y轴轴(机械轴机械轴)的作用力的作用力F Fy y时,电荷仍出现在垂时,电荷仍出现在垂直于直于x x轴的表面上,电荷大小为:轴的表
7、面上,电荷大小为:由于由于,所以:,所以:在在x x轴方向施加压力时,石英晶体的轴方向施加压力时,石英晶体的x x轴方向带正电。如果晶片在轴方向带正电。如果晶片在晶轴晶轴x x方向受到拉力的作用,则仍在垂直于方向受到拉力的作用,则仍在垂直于x x轴表面上出现电荷,但轴表面上出现电荷,但极性相反。极性相反。第8页,共33页,编辑于2022年,星期一负号表示沿负号表示沿y y轴方向施加的压缩力产生的电荷与沿轴方向施加的压缩力产生的电荷与沿x x轴方向施轴方向施加的压缩力所产生的电荷极性相反。沿机械轴方向对晶片施加作用力时,加的压缩力所产生的电荷极性相反。沿机械轴方向对晶片施加作用力时,产生的电荷量
8、与晶片的几何尺寸有关。通过适当选择晶片的长度和厚度,产生的电荷量与晶片的几何尺寸有关。通过适当选择晶片的长度和厚度,可以增加产生的电荷量。可以增加产生的电荷量。当石英晶体受到当石英晶体受到z z轴轴(光轴光轴)方向应力时,无论是压缩应力,还是方向应力时,无论是压缩应力,还是拉伸应力,都不会产生电荷。拉伸应力,都不会产生电荷。此外,压电晶体除了有纵向和横向压电效应外,在切向应力此外,压电晶体除了有纵向和横向压电效应外,在切向应力作用下也会产生电荷。作用下也会产生电荷。第9页,共33页,编辑于2022年,星期一压电陶瓷是一种常见的压电材料,在被极化后才具有压电效应,压电陶瓷是一种常见的压电材料,在
9、被极化后才具有压电效应,并具有非常高的压电常数。并具有非常高的压电常数。压电陶瓷的极化方向通常取压电陶瓷的极化方向通常取z z轴方向,当压电陶瓷受到轴方向,当压电陶瓷受到z z轴方向的轴方向的力作用时,其极化面上出现正负电荷,其电荷量力作用时,其极化面上出现正负电荷,其电荷量q q与力与力F F成正比,且满足:成正比,且满足:1.3 压电陶瓷的压电常数和表面电荷的计算压电陶瓷的压电常数和表面电荷的计算压电陶瓷的压电系数压电陶瓷的压电系数d的意义与石英晶体相同,但其的意义与石英晶体相同,但其x轴和轴和y轴是任意选取的,对于轴是任意选取的,对于x轴和轴和y轴的压电效应是等效的,下标轴的压电效应是等
10、效的,下标1和和2是可以互易的。是可以互易的。压电陶瓷一般除了厚度变形、长度变形和剪切变形外,还可以利压电陶瓷一般除了厚度变形、长度变形和剪切变形外,还可以利用体积变形来获得压电效应。用体积变形来获得压电效应。第10页,共33页,编辑于2022年,星期一2.压电材料压电材料压电材料可以分为压电晶体和压电陶瓷两大类。压电晶体为单晶压电材料可以分为压电晶体和压电陶瓷两大类。压电晶体为单晶体,压电陶瓷属于多晶体。压电材料的选取一般应从以下特性进行选择:体,压电陶瓷属于多晶体。压电材料的选取一般应从以下特性进行选择:具有较大的压电常数。具有较大的压电常数。压电元件的机械强度高、刚度大,有较高的固有振动
11、频率。压电元件的机械强度高、刚度大,有较高的固有振动频率。具有高的电阻率和较大的介电常数,以期减少电荷的泄漏以及具有高的电阻率和较大的介电常数,以期减少电荷的泄漏以及外部分布电容的影响。外部分布电容的影响。具有较高的居里点。所谓居里点是指压电性能破坏时的温度转具有较高的居里点。所谓居里点是指压电性能破坏时的温度转变点。居里点高可以得到较宽的工作温度范围。变点。居里点高可以得到较宽的工作温度范围。压电材料的压电特性不随时间蜕变,具有较好的时间稳定性。压电材料的压电特性不随时间蜕变,具有较好的时间稳定性。第11页,共33页,编辑于2022年,星期一2.1 压电晶体压电晶体压电晶体的种类很多,常用的
12、有以下几种:压电晶体的种类很多,常用的有以下几种:(1)石英晶体)石英晶体石英晶体有天然和人工培养两种类型。人工培养的石英晶体的物石英晶体有天然和人工培养两种类型。人工培养的石英晶体的物理和化学性质几乎与天然石英晶体无多大区别,因此目前广泛应用成理和化学性质几乎与天然石英晶体无多大区别,因此目前广泛应用成本较低的人造石英晶体。它在几百摄氏度的温度范围内,压电系数和本较低的人造石英晶体。它在几百摄氏度的温度范围内,压电系数和介电常数不随温度而变化。石英晶体的居里点为介电常数不随温度而变化。石英晶体的居里点为573,即到,即到573时时将完全丧失压电性质。它有很大的机械强度和稳定的机械性能,但灵将
13、完全丧失压电性质。它有很大的机械强度和稳定的机械性能,但灵敏度很低,压电系数很小,因此逐渐被其他压电材料所代替。敏度很低,压电系数很小,因此逐渐被其他压电材料所代替。第12页,共33页,编辑于2022年,星期一(2)水溶性压电晶体)水溶性压电晶体(3)铌酸锂晶体)铌酸锂晶体水溶性压电晶体有酒石酸钾钠水溶性压电晶体有酒石酸钾钠(NaKC4H4O6.4H2O)、硫酸锂、硫酸锂(Li2SO4.H2O)、磷酸二氢钾、磷酸二氢钾(KH2PO4)等。具有较高的压电灵敏度和介等。具有较高的压电灵敏度和介电常数,但由于易于受潮,机械强度低,电阻率低等缺点,只适用于室电常数,但由于易于受潮,机械强度低,电阻率低
14、等缺点,只适用于室温和湿度低的环境下。温和湿度低的环境下。铌酸锂是一种透明单晶体,熔点为铌酸锂是一种透明单晶体,熔点为1250,居里点为,居里点为1200。它具有良好的压电性能和时间稳定性,在耐高温传感。它具有良好的压电性能和时间稳定性,在耐高温传感器上有广泛的前途。器上有广泛的前途。第13页,共33页,编辑于2022年,星期一(1)钛酸钡压电陶瓷)钛酸钡压电陶瓷2.2 压电陶瓷压电陶瓷(2)锆钛酸铅压电陶瓷)锆钛酸铅压电陶瓷(3)铌酸盐压电陶瓷)铌酸盐压电陶瓷钛酸钡钛酸钡(BaTiO3)是由是由BaCO3和和TiO2二者在高温下合成的。具有二者在高温下合成的。具有较高的压电系数和介电常数。但
15、它的居里点较低,为较高的压电系数和介电常数。但它的居里点较低,为120,机械强,机械强度不如石英。度不如石英。锆钛酸铅是锆钛酸铅是PbTiO3和和PbZrO3组成的固溶体组成的固溶体Pb(ZrTi)O2。它具。它具有较高的压电系数和居里点有较高的压电系数和居里点(300以上以上)。铌酸铅具有很高的居里点和较低的介电常数。铌酸钾的居铌酸铅具有很高的居里点和较低的介电常数。铌酸钾的居里点为里点为480,常用于水声传感器中。,常用于水声传感器中。第14页,共33页,编辑于2022年,星期一2.3 压电半导体压电半导体 有些晶体既具有半导体特性又同时具有压电性能,如有些晶体既具有半导体特性又同时具有压
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