第5章压电式传感器.ppt

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1、第第5章章 压电式传感器压电式传感器第第5章章 压电式传感器压电式传感器力力F 电荷电荷Q5.1压电式传感器的工作原理压电式传感器的工作原理 5.2压电材料及其压电机理压电材料及其压电机理 5.3压电元件常用的结构形式压电元件常用的结构形式 5.4压电式传感器的信号调理电路压电式传感器的信号调理电路 5.5压电式传感器的应用压电式传感器的应用第第5章章 压电式传感器压电式传感器 压电式传感器压电式传感器转换原理转换原理：压电效应；：压电效应；压电材料压电材料：石英晶体：石英晶体(SiO2)和压电陶瓷多晶体；和压电陶瓷多晶体；压电敏感元件是压电敏感元件是力敏元件，力敏元件，典型的典型的双向传感器

2、；双向传感器；压电式传感器特别适合于压电式传感器特别适合于动态测量；动态测量；主要主要缺点：缺点：无静态输出，输出阻抗高，需前置放大级。无静态输出，输出阻抗高，需前置放大级。图图5-1 压电效应示意图压电效应示意图5.1 压电式传感器的工作原理压电式传感器的工作原理 1压电效应压电效应 n某些单晶体或多晶体陶瓷电介质，当沿着一定方向对其施力而使它某些单晶体或多晶体陶瓷电介质，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，同时在它的两个对应晶面上便产生变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个对应晶面上便产生符号相反的等量电荷，当外力取消后，电荷也消失，又重新恢复不符号相反的等量电荷，

3、当外力取消后，电荷也消失，又重新恢复不带电状态，这种现象称为带电状态，这种现象称为压电效应压电效应。当作用力的方向改变时，电荷。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随着改变的极性也随着改变5.1 压电式传感器的工作原理压电式传感器的工作原理n2、逆压电效应（电致伸缩）、逆压电效应（电致伸缩）n当在电介质的极化方向上施加电场当在电介质的极化方向上施加电场(加电压加电压)作用时，这作用时，这些电介质晶体会在一定的晶轴方向产生机械变形，外些电介质晶体会在一定的晶轴方向产生机械变形，外加电场消失，变形也随之消失，这种现象称为加电场消失，变形也随之消失，这种现象称为逆压电逆压电效应效应(电致伸缩电致伸缩)

4、。n具有这种压电效应的物质称为具有这种压电效应的物质称为压电材料压电材料或压电元件。或压电元件。5.1 压电式传感器的工作原理压电式传感器的工作原理 2压电方程压电方程 压电材料的压电特性常用压电材料的压电特性常用压电方程压电方程来描述：来描述：qi=dij j 或或 Q=dijF (5-1)式中，式中，q电荷的表面密度电荷的表面密度(Ccm2)；Q总电荷量（总电荷量（C）；）；单位面积上的作用力，即应力单位面积上的作用力，即应力(Ncm2)，F作用力（作用力（N）；）；dij 压电常数压电常数(CN)，(i=1，2，3，j=1，2，3，4，5，6)。5.1 压电式传感器的工作原理压电式传感器

5、的工作原理 压电方程中压电方程中下角标下角标i表示晶体的表示晶体的极化方向极化方向。当产生电荷的表面垂于当产生电荷的表面垂于x轴轴(y轴或轴或z轴轴)时，时，记为记为i=1(或或2或或3)。下角标下角标j=1，2，3，4，5，6，分别表示，分别表示沿沿x轴、轴、y轴、轴、z轴方向的轴方向的单向应力单向应力和在和在垂直于垂直于x轴、轴、y轴、轴、z轴的平面轴的平面(即即yz平面、平面、zx平面、平面、xy平面平面)内作用的内作用的剪切力剪切力。单向应力的符号规定拉应力为正，压应单向应力的符号规定拉应力为正，压应力为负；剪切力的符号用右螺旋定则确力为负；剪切力的符号用右螺旋定则确定。定。图图5-2

6、表示了它们的方向。当电场方向指表示了它们的方向。当电场方向指向晶轴的正向时为正，反之为负。向晶轴的正向时为正，反之为负。图图5-2 压电元件的坐标系压电元件的坐标系表示法表示法石英11xxqdfxf1211yyyaaqdfdfbb yf5.2 压电材料及其压电机理压电材料及其压电机理521 石英晶体石英晶体5.2 压电材料及其压电机理压电材料及其压电机理 石英晶体的正交晶系：石英晶体的正交晶系：Z-Z轴轴光轴光轴，该轴方向无压电效应和无双折射现象；，该轴方向无压电效应和无双折射现象；X-X轴轴电轴电轴，垂直于此轴的棱面上压电效应最强；，垂直于此轴的棱面上压电效应最强；Y-Y轴轴机械轴机械轴，在

7、电场作用下，沿该轴方向的机械变，在电场作用下，沿该轴方向的机械变形最明显。机械轴形最明显。机械轴Y-Y方向具有方向具有“横向压电效应横向压电效应”，而沿光，而沿光轴轴Z-Z方向受力时不产生压电效应。方向受力时不产生压电效应。通常把沿电轴通常把沿电轴X-X方向的力作用下产生电荷的压电效应称方向的力作用下产生电荷的压电效应称为为“纵向电压效应纵向电压效应”，而把沿机械轴，而把沿机械轴Y-Y方向的力作用下产方向的力作用下产生电荷的压电效应称为生电荷的压电效应称为“横向压电效应横向压电效应”。5.2 压电材料及其压电机理压电材料及其压电机理5.2 压电材料及其压电机理压电材料及其压电机理 2压电机理压

8、电机理 压电晶体的压电效应的产生是由于晶格结构在机械力的作用下发压电晶体的压电效应的产生是由于晶格结构在机械力的作用下发生变形所引起的。生变形所引起的。石英晶体的化学分子式为石英晶体的化学分子式为SiO2，在一个晶体结构单元，在一个晶体结构单元(晶胞晶胞)中，有中，有三个硅离子三个硅离子Si4+和六个氧离子和六个氧离子O2，石英晶体的内部结构等效为硅、，石英晶体的内部结构等效为硅、氧离子的正六边形排列，如图氧离子的正六边形排列，如图5-5所示，图中所示，图中“”代表代表Si4+、“”表示表示O2 。形成三。形成三互成互成120夹角的电夹角的电偶极矩偶极矩Pl、P2和和P3图图5-5 石英晶体的

9、石英晶体的压电效应示意图压电效应示意图电偶极矩是电荷系统的极性的一种衡量电偶极矩是电荷系统的极性的一种衡量.连接连接+Q和和Q两个点两个点电荷的直线称为电偶极子的轴线，从电荷的直线称为电偶极子的轴线，从Q指向指向+Q的矢径和电的矢径和电量的乘积定义为电偶极子的电矩，也称量的乘积定义为电偶极子的电矩，也称电偶极矩电偶极矩 5.2 压电材料及其压电机理压电材料及其压电机理 当晶体当晶体没有外力作用没有外力作用时，时，P1+P2+P3=0，所以晶体表面，所以晶体表面没有带电现象；没有带电现象；当晶体受到外力作用时，当晶体受到外力作用时，P1、P2、P3在在X（或（或Y）方向净）方向净余电偶极矩不为零

10、，则相应晶面产生极化电荷而带电，其余电偶极矩不为零，则相应晶面产生极化电荷而带电，其电荷面密度电荷面密度q与应变（应力）与应变（应力）成正比，成正比，q=d 当晶体受到沿当晶体受到沿X轴方向的压力轴方向的压力(1)作用时，作用时，(P1+P2+P3)x0，即，即Px 0，在，在X轴的正向出现正电荷；轴的正向出现正电荷；(P1+P2+P3)y=0，在，在Y轴方向不出现正负电荷；轴方向不出现正负电荷；由于由于 P1、P2和和P3在在Z轴方向上的分量为零，不受外力作用轴方向上的分量为零，不受外力作用的影响，所以在的影响，所以在Z轴方向上也不出现电荷。从而使石英晶体轴方向上也不出现电荷。从而使石英晶体

11、的压电常数为的压电常数为d11 0，d21=d31=05.2 压电材料及其压电机理压电材料及其压电机理 当晶体受到沿当晶体受到沿Y轴方向的压力轴方向的压力(2)作用时，晶体沿作用时，晶体沿Y方向方向将产生压缩，其离子排列结构如图将产生压缩，其离子排列结构如图5-5(c)所示。与图所示。与图5-5(b)情况相似，此时情况相似，此时P1增大，增大，P2、P3减小，在减小，在X轴方向出现电轴方向出现电荷，其极性与图荷，其极性与图5-5(b)的相反，而在的相反，而在Y轴和轴和Z轴方向上则不出轴方向上则不出现电荷。因此，压电常数为现电荷。因此，压电常数为d12=d11 0，d22=d32=0 当沿当沿Z

12、轴力向轴力向(即与纸面垂直方向即与纸面垂直方向)上施加上施加作用力作用力(3)时，时，因为晶体在因为晶体在X方向和方向和Y方向产生的变形完全相同，所以其方向产生的变形完全相同，所以其正、负电荷中心保持重合，电偶极矩矢量和为零，晶体表正、负电荷中心保持重合，电偶极矩矢量和为零，晶体表面无电荷呈现。这表明沿面无电荷呈现。这表明沿Z轴方向施加作用力轴方向施加作用力(3)，晶体不，晶体不会产生压电效应，其相应的压电常数为会产生压电效应，其相应的压电常数为d13=d23=d33=05.2 压电材料及其压电机理压电材料及其压电机理 当当切应力切应力 4(或或 yz)作用于晶体时产生切应变，同时在作用于晶体

13、时产生切应变，同时在X方向上有伸缩应变，故在方向上有伸缩应变，故在X方向上有电荷出现而产生压电方向上有电荷出现而产生压电效应，其相应的压电常数为效应，其相应的压电常数为 d14 0，d24=d34=0 当当切应力切应力 5和和 6(或或 zx和和 xy)作用时都产生切应变，这种作用时都产生切应变，这种应变改变了应变改变了Y方向上方向上P=0的状态。所以的状态。所以Y方向上有电荷出方向上有电荷出现，存在现，存在Y方向上的压电效应，其相应的压电常数为方向上的压电效应，其相应的压电常数为d15=0 d25 0 d35=0d16=0 d26 0 d36=0而且有而且有d25=d14,，d26=2d11

14、。5.2 压电材料及其压电机理压电材料及其压电机理 石英晶体的石英晶体的压电常数矩阵压电常数矩阵为为 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 11141411112625141211dddddddddddij(5-9)只有只有2个独立常数：个独立常数：d11=2.31pC/N；d14=0.727pC/N。当作用力的方向相反时，很显然，电荷的极性也随之改变。当作用力的方向相反时，很显然，电荷的极性也随之改变。如果对石英晶体的各个方向同时施加相等的力时如果对石英晶体的各个方向同时施加相等的力时(如液体压力、如液体压力、应力等应力等

15、)，石英晶体始终保持电中性不变。所以，石英晶体，石英晶体始终保持电中性不变。所以，石英晶体没没有体积形变的压电效应有体积形变的压电效应。5.2 压电材料及其压电机理压电材料及其压电机理 3主要压电晶体主要压电晶体 (1)石英石英。石英晶体有天然的和人工培养的两种，它的压。石英晶体有天然的和人工培养的两种，它的压电系数电系数d11的温度变化率很小，在的温度变化率很小，在20200范围内约为范围内约为 2.15 10 6/。石英晶体由于灵敏度低，介电常数小，在。石英晶体由于灵敏度低，介电常数小，在一般场合已逐渐为其他压电材料所代替，但是它的高安全一般场合已逐渐为其他压电材料所代替，但是它的高安全应

16、力和安全温度，以及性能稳定，没有热释电效应等，在应力和安全温度，以及性能稳定，没有热释电效应等，在高性能和高稳定性场合还是被选用。高性能和高稳定性场合还是被选用。(2)水溶性压电晶体水溶性压电晶体。属于单斜晶系的有酒石酸钾钠。属于单斜晶系的有酒石酸钾钠(NaKC4H4O64H2O)，酒石酸乙烯二铵，酒石酸乙烯二铵(C4H4N2O6，简称，简称EDT)，酒石酸二钾，酒石酸二钾(K2C2H4O6 H2O，简称，简称DKT)，硫酸锂，硫酸锂(Li2SO4H2O)。属于正方晶系的有磷酸二氢钾。属于正方晶系的有磷酸二氢钾(KH2PO4，简称简称KDP)，磷酸二氢氨，磷酸二氢氨(NH4H2PO4，简称，简称ADP)，砷酸二氢，砷酸二氢钾钾(KH2AsO4，简称，简称KDA)，砷酸二氢氨，砷酸二氢氨(NH4H2AsO4，简称，简称ADA)。215.2 压电材料及其压电机理压电材料及其压电机理 522 压电陶瓷压电陶瓷 1压电效应压电效应 压电陶瓷是人工多晶体压电材料。压电陶瓷在没有极化之压电陶瓷是人工多晶体压电材料。压电陶瓷在没有极化之前不具有压电效应，是非压电体；压电陶瓷经过极化处理前不具有压电效