传感器与检测技术 第六章 压电传感器PPT讲稿.ppt
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1、传感器与检测技术 第六章 压电传感器第1页,共41页,编辑于2022年,星期四第六章第六章 压电式传感器压电式传感器第一节第一节 压电效应压电效应第二节第二节 石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应第三节第三节 压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应第四节第四节 压电元件常用结构形式压电元件常用结构形式第五节第五节 等效电路与测量电路等效电路与测量电路第六节第六节 压电式传感器的应用举例压电式传感器的应用举例第七节第七节 压电式传感器的误差压电式传感器的误差第2页,共41页,编辑于2022年,星期四第一节第一节 压电传感器的工作原理压电传感器的工作原理 当某些物质沿某一方向施加压力或拉力时,会产生
2、变形,此时当某些物质沿某一方向施加压力或拉力时,会产生变形,此时当某些物质沿某一方向施加压力或拉力时,会产生变形,此时当某些物质沿某一方向施加压力或拉力时,会产生变形,此时这种材料的两个表面将产生符号相反的电荷。当去掉外力后,它又这种材料的两个表面将产生符号相反的电荷。当去掉外力后,它又这种材料的两个表面将产生符号相反的电荷。当去掉外力后,它又这种材料的两个表面将产生符号相反的电荷。当去掉外力后,它又重新回到不带电状态,此现象称为重新回到不带电状态,此现象称为重新回到不带电状态,此现象称为重新回到不带电状态,此现象称为压电效应压电效应压电效应压电效应。这种这种这种这种机械能转变为电能机械能转变
3、为电能机械能转变为电能机械能转变为电能的现象,称为的现象,称为的现象,称为的现象,称为“顺压电效应顺压电效应顺压电效应顺压电效应”。反之,在某些物质的极化方向上施加电场,它会产生机械变反之,在某些物质的极化方向上施加电场,它会产生机械变反之,在某些物质的极化方向上施加电场,它会产生机械变反之,在某些物质的极化方向上施加电场,它会产生机械变形,当去掉外加电场后,该物质的变形随之消失,这种将形,当去掉外加电场后,该物质的变形随之消失,这种将形,当去掉外加电场后,该物质的变形随之消失,这种将形,当去掉外加电场后,该物质的变形随之消失,这种将电能转电能转电能转电能转变为机械能变为机械能变为机械能变为机
4、械能的现象,称为的现象,称为的现象,称为的现象,称为“逆压电效应逆压电效应逆压电效应逆压电效应”。也称为也称为也称为也称为“电致伸缩效应电致伸缩效应电致伸缩效应电致伸缩效应”一、一、压电效应压电效应压电效应压电效应第3页,共41页,编辑于2022年,星期四压电常数和表面电荷密度的计算压电常数和表面电荷密度的计算q q为压电元件表面的电荷密度(极化强度),单位:为压电元件表面的电荷密度(极化强度),单位:为压电元件表面的电荷密度(极化强度),单位:为压电元件表面的电荷密度(极化强度),单位:C/cmC/cm2 2;Q Q为电荷量,为电荷量,为电荷量,为电荷量,S S为受作用力的表面的面积。为受作
5、用力的表面的面积。为受作用力的表面的面积。为受作用力的表面的面积。d d为压电常数,即晶体承受单位作用力时所产生的电荷量,为压电常数,即晶体承受单位作用力时所产生的电荷量,为压电常数,即晶体承受单位作用力时所产生的电荷量,为压电常数,即晶体承受单位作用力时所产生的电荷量,单位:单位:单位:单位:C/NC/N;当受力方向和变形不同时,;当受力方向和变形不同时,;当受力方向和变形不同时,;当受力方向和变形不同时,d d也不同。也不同。也不同。也不同。i i=1=1、2 2、33为电荷平面法线方向,即为电荷平面法线方向,即为电荷平面法线方向,即为电荷平面法线方向,即x x、y y、z z轴向;轴向;
6、轴向;轴向;j j=1=1、2 2、3 3、4 4、5 5、66表示作用力的方向;表示作用力的方向;表示作用力的方向;表示作用力的方向;为作用面上的应力,单位:为作用面上的应力,单位:为作用面上的应力,单位:为作用面上的应力,单位:N/cmN/cmN/cmN/cm2 2 2 2;F F F F为作用力;为作用力;为作用力;为作用力;S S S S为受作用力的表面的面积。为受作用力的表面的面积。为受作用力的表面的面积。为受作用力的表面的面积。第4页,共41页,编辑于2022年,星期四二、压电元件的坐标系表示法二、压电元件的坐标系表示法第5页,共41页,编辑于2022年,星期四各平面的电荷密度:各
7、平面的电荷密度:第6页,共41页,编辑于2022年,星期四压电系数矩阵:压电系数矩阵:石英晶体的压电系数石英晶体的压电系数 矩阵:矩阵:第7页,共41页,编辑于2022年,星期四其它压电常数:其它压电常数:3.机电耦合系数机电耦合系数K1.压电常数压电常数g2.压电常数压电常数h第8页,共41页,编辑于2022年,星期四三、石英晶体的压电效应三、石英晶体的压电效应1.1.石英晶体石英晶体第9页,共41页,编辑于2022年,星期四2.压电效应压电效应(1 1)纵向压电效应)纵向压电效应)纵向压电效应)纵向压电效应 在电轴方向施加作用力时,在与电轴垂直在电轴方向施加作用力时,在与电轴垂直在电轴方向
8、施加作用力时,在与电轴垂直在电轴方向施加作用力时,在与电轴垂直的平面上将产生电荷的平面上将产生电荷的平面上将产生电荷的平面上将产生电荷。电荷密度电荷密度:第10页,共41页,编辑于2022年,星期四(2)横向压电效应横向压电效应在机械(在机械(在机械(在机械(Y Y)轴向力作用下,引起的压电效应。)轴向力作用下,引起的压电效应。)轴向力作用下,引起的压电效应。)轴向力作用下,引起的压电效应。因为电荷密度(极化强度)因为电荷密度(极化强度)因为电荷密度(极化强度)因为电荷密度(极化强度)所以所以所以所以第11页,共41页,编辑于2022年,星期四4 4D DA AB BC C(a a)硅原子带有
9、)硅原子带有4个正电荷,氧原子带有个正电荷,氧原子带有2个负电个负电荷,正负电荷是互相平衡的,所以外部没有带荷,正负电荷是互相平衡的,所以外部没有带电现象。电现象。图图图图6-3 6-3 石英晶体压电效应石英晶体压电效应石英晶体压电效应石英晶体压电效应 3 35 52 26 61 14 41 12 23 35 54 46 61 12 26 63 35 5A AB B第12页,共41页,编辑于2022年,星期四3.特点:特点:石英晶体是一种天然晶体,它的压电系数为石英晶体是一种天然晶体,它的压电系数为d d1111=2.3110=2.3110-12-12 C/N C/N。莫氏硬度为。莫氏硬度为7
10、 7,熔点为,熔点为17501750,膨胀系数仅为钢的,膨胀系数仅为钢的1/1301/130。作为常用的压电传感器具有转换效率和转换作为常用的压电传感器具有转换效率和转换精度高、线性范围宽、重复性好、固有频率高、精度高、线性范围宽、重复性好、固有频率高、动态特性好、工作温度高达动态特性好、工作温度高达550550(压电系数不(压电系数不随温度而该改变)、工作湿度高达随温度而该改变)、工作湿度高达100%100%等优点,等优点,它的稳定性是其他压电材料无法比拟的。它的稳定性是其他压电材料无法比拟的。第13页,共41页,编辑于2022年,星期四四、压电陶瓷的压电效应四、压电陶瓷的压电效应1.压电陶
11、瓷的极化特性压电陶瓷的极化特性第14页,共41页,编辑于2022年,星期四2.压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应第15页,共41页,编辑于2022年,星期四3.压电陶瓷的特点压电陶瓷的特点 压电系数大,灵敏度高,成本低。压电系数大,灵敏度高,成本低。缺点:居里点低,温度稳定性、机械强度缺点:居里点低,温度稳定性、机械强度不如石英晶体。不如石英晶体。第16页,共41页,编辑于2022年,星期四压压压压电电电电系系系系数数数数d d:表表表表示示示示压压压压电电电电材材材材料料料料产产产产生生生生电电电电荷荷荷荷与与与与作作作作用用用用力力力力的的的的关关关关系系系系。一一一一般般般般为为为为单
12、单单单位位位位作作作作用力下产生电荷的多少(单位:用力下产生电荷的多少(单位:用力下产生电荷的多少(单位:用力下产生电荷的多少(单位:C/NC/N)。)。)。)。刚度刚度刚度刚度HH:是压电材料的固有频率的重要参数。是压电材料的固有频率的重要参数。是压电材料的固有频率的重要参数。是压电材料的固有频率的重要参数。介介介介电电电电常常常常数数数数 :是是是是决决决决定定定定压压压压电电电电晶晶晶晶体体体体固固固固有有有有电电电电容容容容的的的的主主主主要要要要参参参参数数数数,固固固固有有有有电电电电容容容容将影响传感器工作频率的下限值。将影响传感器工作频率的下限值。将影响传感器工作频率的下限值。
13、将影响传感器工作频率的下限值。电阻电阻电阻电阻R R:是压电晶体的内阻,其大小决定泄漏电流。是压电晶体的内阻,其大小决定泄漏电流。是压电晶体的内阻,其大小决定泄漏电流。是压电晶体的内阻,其大小决定泄漏电流。居里点:居里点:居里点:居里点:即压电效应消失的温度转变点。即压电效应消失的温度转变点。即压电效应消失的温度转变点。即压电效应消失的温度转变点。五、压电材料的主要特性指标五、压电材料的主要特性指标 第17页,共41页,编辑于2022年,星期四常用压电材料的性能参数:常用压电材料的性能参数:第18页,共41页,编辑于2022年,星期四第二节第二节 等效电路与测量电路等效电路与测量电路 一、等效
14、电路一、等效电路一、等效电路一、等效电路 两极板间的电压为两极板间的电压为 只有在外电路负载只有在外电路负载只有在外电路负载只有在外电路负载R RL L无穷大,内部也无漏电时,受力所产生的电无穷大,内部也无漏电时,受力所产生的电无穷大,内部也无漏电时,受力所产生的电无穷大,内部也无漏电时,受力所产生的电压压压压U U才能长期保存下来,如果负载才能长期保存下来,如果负载才能长期保存下来,如果负载才能长期保存下来,如果负载R RL L不是无穷大,则电路就要以不是无穷大,则电路就要以不是无穷大,则电路就要以不是无穷大,则电路就要以时间常数时间常数时间常数时间常数R RL LCaCa按指数规律放电。按
15、指数规律放电。按指数规律放电。按指数规律放电。第19页,共41页,编辑于2022年,星期四当需要压电元件输出电荷时,可以把压电元件当需要压电元件输出电荷时,可以把压电元件等效为一个电荷源与一个电容相并联的电荷等效等效为一个电荷源与一个电容相并联的电荷等效电路。在开路状态,其输出端电荷为电路。在开路状态,其输出端电荷为:当需要压电元件输出电压时,可以把压电元件当需要压电元件输出电压时,可以把压电元件等效为一个电压源与一个电容相串联的电压等等效为一个电压源与一个电容相串联的电压等效电路。在开路状态,其输出端电压为:效电路。在开路状态,其输出端电压为:第20页,共41页,编辑于2022年,星期四第二
16、节第二节 等效电路与测量电路等效电路与测量电路1、压电传感器等效电路、压电传感器等效电路第21页,共41页,编辑于2022年,星期四2 2、压电式传感器测试系统等效电路、压电式传感器测试系统等效电路、压电式传感器测试系统等效电路、压电式传感器测试系统等效电路压电元件的输出信号非常微弱,一般要把其输出信号通过电压电元件的输出信号非常微弱,一般要把其输出信号通过电压电元件的输出信号非常微弱,一般要把其输出信号通过电压电元件的输出信号非常微弱,一般要把其输出信号通过电缆送入前置放大器放大,这样在等效电路中就必须考虑前置缆送入前置放大器放大,这样在等效电路中就必须考虑前置缆送入前置放大器放大,这样在等
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