压电式传感器ppt课件.ppt
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1、,5.3 压电式传感器,5.3.1 压电式传感器的工作原理 5.3.2 等效电路及信号变换电路 5.3.3 压电式加速度传感器 5.3.4 压电式测力传感器,5.3.1 压电式传感器的工作原理,正压电效应 物质被加力 变形表面产生电荷 逆压电效应 施加电场 电介质产生变形应力 常见的压电材料有石英、钛酸钡、锆钛酸铅等。 压电式传感器利用正压电效应制成了电势型传感器 压电效应可逆 “双向传感器”。,1. 石英晶体的压电效应,X轴: 电轴或1轴,该轴压电效应最为显著;,图5.3.1石英晶体,Z轴: 光轴或3轴,光线沿该轴通过晶体时不产生双折射显现。,Y轴: 机械轴或2轴,该轴加力变形最大;,“纵向
2、压电效应”: 沿电轴(X轴)方向的力作用下产生电荷; “横向压电效应”: 沿机械轴(Y轴)方向的力作用下产生电荷; 在光轴(Z轴)方向的力作用下不产生压电效应。,dij压电系数,第一个下标表示极化方向,i=1、2、3分别代表x、y、z轴;第二个下标表示作用力方向,i=1、2、3、4、5、6分别代表沿x、y、z轴方向单向应力和垂直于x、y、z轴平面(即yz平面、xz平面、xy平面)的剪切力;,晶体切片,当沿电轴方向加作用力Fx时,则在与电轴垂直的平面上产生电荷,d11压电系数(C/N),图5.3.1石英晶体切片示意图,若作用力是沿着机械轴方向,电荷仍在与X轴垂直的平面,a和b晶体切片的长度和厚度
3、; d12为y轴方向受力时的压电系数,晶体轴对称, d12 =-d11。 负号说明沿y轴的压力引起的电荷极性与沿X轴的压力引起的电荷极性相反。,切片上电荷的符号与受力方向的关系,图(a)在x轴方向受压力;图(b)在x轴方向受拉力; 图(c)在y轴方向受压力;图(d)在y轴方向受拉力。,图5.3.3 晶体切片上电荷的符号与受力方向的关系,在z轴方向无论受压力还是受拉力,硅离子和氧离子作对称平移的,故在表明没有电荷呈现,因而没有压电效应。,石英晶体(SiO2)的压电效应,(a)正负电荷是互相平衡的,外部没有带电现象; (b)在X轴方向压缩,A面呈现负电荷、B面呈现正电荷; (c)沿Y轴方向压缩,在
4、A面和B面分别呈现正、负电荷 。,图5.3.4 石英晶体的压电效应,石英晶体,一种天然晶体,压电系数d112.311012C/N; 莫氏硬度为7、熔点为1750、膨胀系数仅为钢的1/30。 优点: 转换精度高、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550(压电系数不随温度变化而改变)、工作湿度高达100%、稳定性好。,2. 压电陶瓷的压电效应,人工制造的多晶体,压电机理与压电晶体不同。,图5.3.5 压电陶瓷的极化,压电陶瓷具有类似铁磁材料磁畴结构的“电畴”结构,是其自发极化而形成的微小极化区域。当外加电场撤销以后,它有一定的极化方向,而存在一定的电场。,陶瓷片极化,图5.
5、3.6 压电陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图,吸附空气中的自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数值相等,它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外的作用,因此陶瓷片对外不表现极性。,压电陶瓷的正压电效应,压电陶瓷片上加上一个与极化方向平行的外力,陶瓷片将产生压缩变形,片内正负束缚电荷之间距离变小,电轴发生偏转,极化强度也变小。原来吸附在极板上的自由电荷,一部分被释放而出现放电现象。,当压力撤消后,陶瓷片恢复原状,片内的正、负电荷之间的距离变大,极化强度也变大,因此电极上又吸附部分自由电荷而出现充电现象。,放电电荷的多少与外力的大小成比例关系,Q电荷量;d33压电陶瓷的压电系数; F作用
6、力,对于压电陶瓷,通常取它的极化方向为z轴,垂直于z轴的平面上,任意选择一正交轴为x和y轴,因此它的x轴和y轴是可以互易的。当压电陶瓷在沿极化方向受力时,则在垂直于z轴的上、下两表面上将会出现电荷,如图5-12(a)所示,其电荷量q与作用力Fz成正比,即,(5-12),d33 压电陶瓷的纵向压电系数; F作用力。,压电陶瓷在受到沿y方向的作用力Fy或沿x方向的作用力Fx时,在垂直于z轴的上、下平面上分别出现正、负电荷,其电荷量q与作用力Fy、Fx也成正比,即,式中以上设 Fx=F y, Ax=A y A z极化面面积,; Ax、A y受力面面积,以上 Ax=A y; d32、d31压电陶瓷的横
7、向压电系数, d32=d31。,当作用力Fz、Fy或Fx反向时,电荷的极性也反向。 压电陶瓷在受到如图5-12(c)所示的作用力Fx、Fy、Fz共同作用时,在垂直于z轴的上、下平面上分别出现正、负电荷。,图5-12 压电陶瓷的变形方式( d31 =d32=-0.41 d33 ),(a)纵向变形,(b)横向变形,(c)体积变形,无论在什么方向施加作用力产生压缩形变时,压电陶瓷的正、逆压变效应只出现在其极化方向。 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。,常见压电陶瓷 :,(1)钛酸钡(BaTiO3)压电陶瓷 具有较高的压电系数和介电常数,机械强度不如
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