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第五章 压电式传感器第十五章 自动化仪表 第五章 压电式传感器 第一节 压电式传感器的工作原理第二节 压 电 材 料第三节 压电元件的常用结构形式第四节 压电式传感器的等效电路第五节 压电式传感器的测量电路第六节 压电式传感器的应用 第一节 压电式传感器的工作原理 一、压电效应二、压电常数和表面电荷的计算 一、压电效应 (一)石英晶体的压电效应(二)压电陶瓷的压电效应 一、压电效应 图5-1 石英晶体a)左旋石英晶体的理想外形b)石英晶体的直角坐标系 (一)石英晶体的压电效应 图5-2 石英晶体的压电效应 (一)石英晶体的压电效应 图5-3 钛酸钡压电陶瓷的电畴结构示意图a)未极化情况 b)极化后情况 (二)压电陶瓷的压电效应 压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料。它是由无数细微的电畴组成。这些电畴实际上是分子自发形成并有一定极化方向的小区域,因而存在一定的电场。自发极化的方向完全是任意排列的,如图5-3a所示。在无外电场作用时,从整体上看,这些电畴的极化作用会被相互抵消,因此,原始的压电陶瓷呈电中性,不具有压电效应。 二、压电常数和表面电荷的计算 (一)石英晶体的压电常数和表面电荷的计算(二)压电陶瓷的压电常数和表面电荷的计算 (一)石英晶体的压电常数和表面电荷的计算 图5-4 石英晶体切片 (一)石英晶体的压电常数和表面电荷的计算 图5-5 石英晶片上电荷极性与受力方向的关系 (二)压电陶瓷的压电常数和表面电荷的计算 第二节 压 电 材 料 一、压电晶体二、压电陶瓷 一、压电晶体 1.石英晶体2.水溶性压电晶体3.铌酸锂晶体 1.石英晶体 石英晶体是压电式传感器中常用的一种性能优良的压电材料。石英即二氧化硅(SiO2),压电效应最早就是在这种晶体中发现的,它是一种天然晶体,不需要人工极化处理,也没有热释电效应。其压电系数和介电常数具有良好的温度稳定性,在常温范围内,这两个参数几乎不随温度变化。 2.水溶性压电晶体 最早发现的是酒石酸钾钠(NaKC4H4O6·4H2O),它具有很高的压电灵敏度,压电系数d11=2.3×10-9CN-1。但由于酒石酸钾钠具有易于受潮、机械强度低、电阻率低等缺点,使用受到很大限制,一般仅限于在室温(45°C)和温度低的环境。 3.铌酸锂晶体 铌酸锂(LiNbO2)晶体是一种无色或浅黄色的单晶体,但内部却是多畴结构,为了使其具备压电效应,需要进行极化处理。其压电系数达8×10-11CN-1,比石英晶体的压电系数大35倍左右,介电常数(ε=85)也比石英晶体高得多。由于是单晶体,其时间稳定性很好。它还是一种压电性能良好的电声换能材料,居里温度比石英晶体和压电陶瓷要高得多,可达1200°C,所以应用于耐高温的传感器时会有广泛的前景。铌酸锂晶体在机械性能方面具有明显的同向异性,晶体较脆弱,并且热冲击性能较差,故在加工装配和使用中要特别注意,尽量避免用力过猛和急冷急热。 二、压电陶瓷 1.钛酸钡压电陶瓷2.锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)3.铌酸盐压电陶瓷 1.钛酸钡压电陶瓷 钛酸钡(BaTiO3)是由BaCO3和TiO2在高温下合成的,具有较高的压电系数(1.07×10-10CN-1)和介电常数(1000~5000),但它的居里温度点较低,仅为120°C左右,此外机械强度也比石英要低。但是由于它的压电系数高(约为石英压电系数d11的50倍),故在传感器中被广泛应用。 2.锆钛酸铅压电陶瓷(PZT) 锆钛酸铅压电陶瓷是由钛酸铅和锆酸铅组成的固熔体,它具有较高的压电系数(2~5×10-10CN-1)和居里温度点(300°C以上),各项机电参数随温度和时间等外界因素的变化较小。它在压电性能和温度稳定性等方面都远远优于钛酸钡压电陶瓷,是目前最普遍使用的一种压电材料。此外,在锆钛酸铅的基方中添加一、两种其他元素,如镧、铌、锡、锰、钨,可以获得不同性能的PZT材料。 3.铌酸盐压电陶瓷 表5-1 常见压电材料主要参数 第三节 压电元件的常用结构形式 图5-6 压电元件的连接方式a)并联 b)串联 第四节 压电式传感器的等效电路 图5-7 压电式传感器的等效电路图 第四节 压电式传感器的等效电路 图5-8 压电式传感器完整的等效电路 第五节 压电式传感器的测量电路 一、电压放大器二、电荷放大器 一、电压放大器 图5-9 压电式传感器与电压放大器连接的等效电路 二、电荷放大器 图5-10 压电式传感器与电荷放大器连接的等效电路 第六节 压电式传感器的应用 一、压电加速度传感器二、压电应力传感器 一、压电加速度传感器 图5-11 压缩型压电加速度传感器结构原理图1—壳体 2—弹簧 3—质量块4—压电片 5—基座 二、压电应力传感器 图5-12 剪切型压电加速度传感器结构原理图1—
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