课件 6压电式传感器.pdf
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1、第6章压电式传感器1880年居里兄弟压电式传感器的工作原理 卯7R九某种介质材料受力作用变形时,其表面产生电 荷(压电效应),从而实现非电量测量。它是一种 有源传感器。特点:体积小、质量轻、频响高、信噪比大应用范围:压电式传感器可用于动态力、压力、速度、机械冲 击与振动等许多非电量的测量,广泛应用于声学、医学、土木、机械、军工、宇航等等领域。X但不适用于静态参数的测量派一、压电效应正压电效应:利用电介质受力变形,内部产生的极化现象,产生电荷去掉外力后,电荷消失,状态复原作用力相反,电荷极性也发生变化机械量O-压电元件-O电量O逆压电效应(电致伸缩效应):当在电介质的极化方向上施加电场时,这些电
2、介质发 生形变。工一42二、压电材料压电晶体石英晶体(SiO2)钛酸钢(BaTiO3)压电陶瓷错钛酸铅(PZT)高分子材料 T 聚偏二氟乙烯(PVDF)复合压电材料-工工 一4 3压电材料主要特性参数压电常数:压电效应强弱的参数,关系到压电输出的灵敏度 弹性系数:材料弹性常数,决定器件的固有频率的动态特性 介电常数:固有电容与介电常数有关,影响传感器下限频率 机械耦合系数:衡量压电材料机一电能量转换效率的重要参 数,等于转换输出能量与输入能量之比的平方根。电阻:绝缘电阻,可减少电荷泄漏,改善低频特性居里点:材料开始丧失压电特性的温度,如石英573。-12O1ST1-4 41、石英晶体天然形成的
3、石英晶体外形.-工Ek,.,2O1ST1-4天然形成的后央晶体外形2O1ST1-4(O石英晶体切片及封装石英晶体薄片片双面镀银并封2。工工一4石英晶体化学式为 SiO2,是单晶体结 构。右图表示了天 然结构的石英晶体 外形。它是一个正 六面体。特点:1)晶体各个方向的特性不相同2)Z轴(光轴)方向没有压电效应3)X轴(电轴)面压电效应最强4)Y轴(机械轴)方向机械变形最大235 T工一 48光轴Qx=dnF 纵向压电效应)=-心7携向压电效应 5电系数二)Qz二针二22压电效应电荷Qx和Qy的符 号由受拉力还是 受压力决定2O1ST1-4q石英晶体压电模型不受力正常情况下石 英体中正负电 荷处
4、于平衡,外部呈中性。晶体在y方向受力晶体在x方向受力正负电荷产生移动,出现带电现象。2015-工工一 48石英晶体压电模型连接+Q和-Q两个点电荷的直线称为电偶极 子的轴线,从-Q指向+Q的矢径1和电量Q的 乘积定义为电偶极子的电矩称为电偶极矩P2 P3当石英晶体未受 外力作用时,正、负离子正好分布 在正六边形的顶Y上,形成三个、感120。夹角的电偶极矩Pi、P2 P3o如图所示。2O1ST1-411石英晶体压电模型X Ay-2。15-工1一4当石英晶体受 到沿X轴方向的 压力作用时,晶 体沿X方向将产 生压缩变形,正 负离子的相对 位置也随之变 动。12石英晶体压电模型和P2、P3的增加而不
5、等于零此时正负电荷 重心不再重合,电偶极矩在X 方向上的分量 由于P1的减小X Ay P3减小。在 X轴上出现电-荷,它的极性 为X轴正向为 正电荷。在y 轴方向上不 出现电荷。2O1S11-418石英晶体压电模型 当作用力Fx、Fy的方向相反时,电荷的极性 也随之改变,输出电压的频率与动态力的频 率相同。当动态力变为静态力时,电荷将由于表面漏 电而很快泄漏、消失。如果沿z轴方向施加作用力,因为晶体在x方 向和y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z轴方向施加作用力,晶体不会产生 压电效应。2、压电陶瓷压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。材料内部
6、的 晶粒有许多自发极化的电畴,它有一定的极化方向,从而 存在电场。在无外电场作用时,电畴在晶体中杂乱分布,它们的 极化效应被相互抵消,压电陶瓷内极化强度为零。因此原 始的压电陶瓷呈中性,不具有压电性质。25Tl-42。压电陶瓷及其换能器外形2O1ST1-421无铅压电陶瓷及其换能器外形2O1ST1-422压电陶瓷一极化处理后的人工多晶铁电体电畴无序排列电畴有序排列电畴基本有序23压电陶瓷在陶瓷上施加外电场时,电畴的极化方向发生转动,趋向 于按外电场方向的排列,从而使材料得到极化。外电场愈强,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,即所有 电畴极化方向都
7、整齐地与外电场方向一致。外电场去掉后,电畴的极化方向基本不变,即剩余极化强 度很大,这时的材料才具有压电特性。24压电陶瓷的正压电效应:当陶瓷材料(剩余极化很强)受到外力作用时,电畴的界限 发生移动,电畴发生偏转,从而引起剩余极化强度的变化,因而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:q=d33 F式中:d33压电陶瓷的压电系数F一作用力25Tl-425压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多,所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。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,它的参数也随时间变化,从而使其压电特性减弱。目前使用较多的压电陶
8、瓷材料是错钛酸铅,它是钛酸领(BaTiO3)和错酸铅(PbZrO3)组成,有较高的压电系 数和较高的工作温度。2。工 5Tl-42&3、新型压电材料一压电聚合物PVDFPVDF是一种有机高分子物性型敏感材料,其名称为聚偏 二氟乙烯。1969年由日本学者Kawai首先发现,具有很强 的压电特性。与微电子技术结合,能够制成多功能传感元 件;与压电陶瓷结合,开拓了复合材料的新领域。优点:高灵敏度;韧性及加工性能好;声阻抗与人体肌肉 接近;频带宽;机械强度高;化学特性稳定。应用:电声器件,可进行压力、加速度、温度、水声探测 等应用,在生物医学领域广泛应用。27高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆2O1S
9、T1-42g三、压电式传感器1、概述压电式传感器的基本原理是利用压电材料 的压电效应,即当施加力作用在压电材料上,传 感器就有电荷(或电压)输出。电荷在无泄漏条件下才能保持,即需要测量 回路需要无限大的输入阻抗,但无法实现,所以 压电式传感器不能用于静态测量。只有在交变力 的作用下,电荷才可以得到不断补充,供给测量 回路能量,故适于动态测量(一般必须高于100Hz,但在 50kHz以上时,灵敏度下降)。2Q2、等效电路压电式传感器从功能上讲,是一个电荷发生器;从性质 上讲,又是一个有源电容器(晶体上聚集正负电荷的两表面 相当于电容的两个极板,极板间物质等效于介质),则其电 容量为:e压电陶瓷或
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