第四章压电传感器精选PPT.ppt
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1、第四章 压电传感器第1页,此课件共36页哦4.4 4.4 压电式传感器压电式传感器4.4.1 4.4.1 压电传感器的工作原理压电传感器的工作原理4.4.2 4.4.2 等效电路与测量电路等效电路与测量电路4.4.3 4.4.3 压电式传感器的应用举例压电式传感器的应用举例第2页,此课件共36页哦4.4.1 4.4.1 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
2、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,它会产生机械反之,在某
3、些物质的极化方向上施加电场,它会产生机械反之,在某些物质的极化方向上施加电场,它会产生机械反之,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,这种将变形,当去掉外加电场后,该物质的变形随之消失,这种将变形,当去掉外加电场后,该物质的变形随之消失,这种将变形,当去掉外加电场后,该物质的变形随之消失,这种将电电电电能转变为机械能能转变为机械能能转变为机械能能转变为机械能的现象,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
4、电效应压电效应压电效应第3页,此课件共36页哦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
5、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;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
6、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,此课件共36页哦二、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,此课件共36页哦各平面的电荷密度:各平面的电荷密度:第6页,此课件共36页哦压电系数矩阵: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,此课件共36页哦其它压电常数: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
7、8页,此课件共36页哦三、石英晶体的压电效应三、石英晶体的压电效应1.1.石英晶体石英晶体在晶体学中,可以把将其用三根互相垂直的轴表示,其中,在晶体学中,可以把将其用三根互相垂直的轴表示,其中,纵轴纵轴Z Z称为光轴,称为光轴,通过六棱线而垂直于光铀的通过六棱线而垂直于光铀的X X铀称为电轴,与铀称为电轴,与X-XX-X轴和轴和Z-ZZ-Z轴垂直的轴垂直的Y-YY-Y轴轴 (垂垂直于六棱柱体的棱面直于六棱柱体的棱面)称为机械轴。称为机械轴。第9页,此课件共36页哦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,在与电轴垂直的平面在电
8、轴方向施加作用力时,在与电轴垂直的平面在电轴方向施加作用力时,在与电轴垂直的平面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上将产生电荷上将产生电荷上将产生电荷。电荷密度电荷密度:压电压电式式传传感器主要是利用感器主要是利用纵纵向向压电压电效效应应。第10页,此课件共36页哦(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
9、页,此课件共36页哦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 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
10、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12页,此课件共36页哦四、压电陶瓷的压电效应四、压电陶瓷的压电效应1.压电陶瓷的极化特性压电陶瓷的极化特性第13页,此课件共36页哦2.压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应第14页,此课件共36页哦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15页,此课件共36页哦4.4.2 4.4.2 等效电路与测量电路等效电路与测量电路 一、等
11、效电路一、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,则电路就要以时不是无穷大,则电路就要以时不是无穷大,则电路就要以时不是无穷大,则电路就要以时间常数间常数间常数间常数R RL LCaCa按指数规律放电。
12、按指数规律放电。按指数规律放电。按指数规律放电。第16页,此课件共36页哦当需要压电元件输出电荷时,可以把压电元件等效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电路。在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17页,此课件共36页哦4.4.2 4.4.2 等效电路与测量
13、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18页,此课件共36页哦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元件的输出信号非常微弱,一般要把其输出信号通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放大器的输入电阻、输入电容、电缆电容以及考虑前置放大器的输入电阻、输入电容、电缆电容以及传感器的泄漏电阻(绝缘电阻)。传感器的泄漏电阻(绝缘电阻)。第19页,此课件共36页哦二、压电元件的联结方式二、压电元件的联结方式 在压电传感器中,压电材料一般

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