第9章压电测量技术概要课件.ppt

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1、第9章 压电测量技术 压电式传感器：利用压电材料的压电效应实现能量的转换。当压电材料受到外力作用时，其表面将产生电荷，将机械能转变成电能。利用压电材料可以制成力敏元件，用来测量力和能转变成力的各种物理量。由于压电效应是可逆的，在压电材料的一定方向施加电场，它就会产生变形，因此压电传感器是双向传感器。第9章 压电测量技术 9.1 压电式传感器的工作原理正压电效应：有些材料，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去除后，又重新恢复为不带电的状态。当作用力的方向改变时，电荷的极性随之改变。逆压电效应：在这些材料的极化方向施加电场，它们就

2、会产生变形，这种现象称为“逆压电效应”，或称为“电致伸缩效应”。压电材料：具有压电效应的材料称为压电材料。第9章 压电测量技术 压电常数 压电材料的性能常用压电常数来表征。以晶体为例，设有一用晶体制成的压电元件受到力F作用，在其相应表面上产生表面电荷Q，力F与电荷Q之间存在如下关系：d 压电常数第9章 压电测量技术 不同的受力方向及不同表面上电荷积累是不同的。用单位面积上的力和电荷来表征压电效应时，得到：j方向受力时在i方向上电荷积累的表面密度(即沿i方向的极化强度)；沿方向j施加外力时，单位面积上感受的应力；压电常数(j方向受应力，在i方向产生电荷时的压电常数)。第9章 压电测量技术 压电常

3、数dij有两个下脚注:第1个下脚注：表示晶体的极化方向，即产生电荷的表面垂直于x轴(y轴或z轴)，记作i=1（或2或3）。第2个下脚注：j=1或2、3、4、5、6，分别表示在沿x轴、y轴、z轴方向作用的正应力和在垂直于x轴、y轴、z轴的平面内作用的剪切力。第9章 压电测量技术 晶体在任意受力状态下所产生的表面电荷密度可由下列方程组决定：P1、P2、P3：分别为在垂直于x轴、y轴和z轴的表面上产生的总的电荷密度；1、2、3：表示晶体分别沿x轴、y轴、z轴方向所受的外力分量产生的拉或压应力；4、5、6：为剪切应力分量。第9章 压电测量技术 晶体（压电材料）的压电特性可以用它的压电常数矩阵表示如下：

4、第9章 压电测量技术 得到石英晶体的正压电效应张量表达式：则石英晶体的压电常数矩阵：第9章 压电测量技术（k=1、2、3；h=1、2、3、4、5、6）沿h方向的应变。沿k方向施加的电场。石英晶体的逆压电效应可用下列形式表示：第9章 压电测量技术 结论：1）有正压电效应的压电晶体，必有相应的逆压电效应。晶体中，哪个方向上有正压电效应，则此方向上必定存在逆压电效应。2）逆压电效应的压电常数与正压电效应的压电常数相等，且一一对应。一般有：逆压电效应中压电常数矩阵是正压电效应中压电常数矩阵的转置矩阵。第9章 压电测量技术 压电常数dij的物理意义 在“短路条件”下，单位应力所产生的电荷密度。“短路条件

5、”是指压电元件的表面电荷从一开始发生就被引开，因而在晶体变形上不存在“二次效应”的理想条件。压电常数d有时也称为压电应变常数。第9章 压电测量技术（1）压电常数g：它表示在不计“二次效应”的条件下，每单位应力在晶体内部产生的电势梯度，因此有时也称为压电电压常数，数值上等于压电常数d除以晶体的绝对介电常数，即：（2）压电常数h：它表示在不计“二次效应”条件下，每单位机械应变在晶体内部产生的电势梯度。因而h常数应关系到压电晶体材料的机械性能参数，数值上等于压电常数g和晶体的杨氏模量E的乘积：第9章 压电测量技术 9.2 压电材料选择压电材料的要求：转换性能：具有较高的耦合系数或具有较大的压电常数；

6、机械性能：压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高，机械刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率；电性能：希望具有高的电阻率和大的介电常数，以期减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性；温度和湿度稳定性要好，具有较高的居里点，以期得到较宽的工作温度范围；时间稳定性:压电特性不随时间蜕变。压电晶体分类：单晶体：石英晶体等多晶体：压电陶瓷等第9章 压电测量技术 石英晶体石英晶体有天然的石英和人工石英单晶体两种。结构：石英晶体属六方晶体，有右旋石英晶体和左旋石英晶体之分，其理想外形共包括三十个晶面，分成五组。以 m、R、r、s和x表示。六个m面也称柱面，六个R面也称大棱面，六个面r也称为小棱

7、面，还有六个s面和六个x面。第9章 压电测量技术 x轴：与z轴垂直的平面上，并通过相对两棱的直线(有三个)，又称为电轴。y轴：与x轴、z轴垂直的是y轴，又称为机械轴；z轴：晶体对称轴，又称为光轴；x切割：截得的压电元件之两个端面与x轴相垂直；y切割：截得的压电元件中的两个端面与y轴相垂直。第9章 压电测量技术 压电晶体的三种压电效应a)纵向压电效应第9章 压电测量技术 压电晶体的三种压电效应 b)横向压电效应第9章 压电测量技术 压电晶体的三种压电效应c)切向压电效应第9章 压电测量技术 石英是具有良好压电效应的一种压电晶体。在20200范围内压电常数的温度变化率约是-0.016%/，在温度较

8、低时，压电常数的变化很小。居里点：573 石英晶体的相对介电常数较小，温度稳定性很好。机械强度很高，性能稳定，没有热释电效应（由于温度变化导致电荷释放），绝缘性能相当好。第9章 压电测量技术 压电陶瓷 压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它由无数细微的单晶组成。1）极化前 它具有类似铁畴材料磁畴结构的“电畴”结构。特点：“电畴”是分子自发的极化区域，各单晶的自发极化方向完全是任意排列的，虽然每个单晶具有强压电性质，但是组成多晶后，各单晶的压电效应却互相抵消了。原始的压电陶瓷是一个非压电体，它不具有压电性质。第9章 压电测量技术 2）极化后极化处理：在一定 温度下，对压电陶瓷施加强电场，使极性转动

9、到接近电场的方向。压电陶瓷 第9章 压电测量技术 这个方向就是压电陶瓷的极化方向，在极化方向下，各向同性受到破坏，但在垂直的平面上，仍保持各向同性。当电场丢掉后，压电陶瓷仍存在着很强的剩余极化，类似于铁磁物质在磁场中被磁化的现象，它们被极化的过程和铁磁材料被磁化的过程极其相似。当这种经极化后的铁电体在受到外力作用时，其剩余极化强度将随之变化，所以也表现出压电特性。显然这种材料的压电特性在极化方向上是最显著的。极化方向定义为z轴。压电陶瓷稳定性较石英晶体差。第9章 压电测量技术 压电陶瓷的种类:钛酸钡压电陶瓷 锆钛酸铅系压电陶瓷，即PZT 系压电陶瓷 铌镁酸铅压电陶瓷（PMN)铌酸盐系压电陶瓷需

10、要指出:通常压电陶瓷如钛酸钡和锆钛酸铅都有明显的热释电效应。第9章 压电测量技术（1）厚度变形（简称为TE 方式）利用石英晶体的纵向压电效应，产生的表面电荷密度或表面电荷可用下式计算：或压电元件的结构形式 压电元件是用压电材料制成的力电转换元件。压电元件有五种基本变形形式:第9章 压电测量技术（2）长度变形（简称为LE 方 式）利用石英的横向压电效应，计算公式为 在压电式传感器中，不少是利用纵向压电效应的，这时所用压电元件大都为圆形薄片。为增大输出，常采用多片结构，最多可达8 片。或 利用横向压电效应时，常采用双片弯曲式结构。在图（a）中，当自由端受力时，它就产生形变，放大后的形变如图（b）所示。第9章 压电测量技术（3）厚度剪切变形 利用剪切压电效应的压电元件除采用片状结构形式外，还可采用管状压电陶瓷，这种结构的极化方向有平行于轴线的和径向的两种。