1.3压电式传感器.ppt

传感器检测 二 任务目标 二 任务目标 二 任务目标 三 相关知识 压电式传感器是一种典型的有源传感器，它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，材料受力变形时，其表面会有电荷产生，从而实现非电量检测的目的。 压电传感元件是一种力敏感元件，凡是能够变换为力的物理量，如应力、压力、振动、加速度等，均可进行测量，但不能用于静态力测量。由于压电效应的可逆性，压电元件又常用作超声波的发射与接收装置。 压电传感器具有体积小、重量轻、工作频带宽、灵敏度及测量精度高等特点，又由于没有运动部件，因此结构坚固、可靠性和稳定性高。在各种动态力、机械冲击与振动测量，以及声学、医学、力学、宇航等领域得到越来越广泛的应用。 压电传感器 工作原理 压电效应--某些晶体受一定方向外力作用而发生机械变形时，相应地在一定的晶体表面产生符号相反的电荷，外力去掉后，电荷消失。力的方向改变时，电荷的符号也随之改变，这种现象称为压电效应(压电正向效应)。 压电材料还具有与此效应相反的效应，即在电介质的极化方向施加交变电场，它会产生机械变形。当去掉外加电场，电介质变形随之消失。这种现象称为压电逆向效应（电致伸缩效应）。 压电材料的分类 高分子压电材料——近年来发展的新型材料。 石英晶体振荡器（晶振） 石英晶体在振荡电路中工作时，压电效应与逆压电效应交替作用，从而产生稳定的振荡输出频率。 1 . 石英晶体的压电效应 石英晶体是一种应用广泛的压电晶体。它是二氧化硅单晶，属于规则的正六角棱柱体 。图2-21是天然石英晶体的外形图。石英晶体有三个相互垂直的晶轴： Z轴--光轴，它与晶体的纵轴线方向一致； X轴--电轴，它通过六面体相对的两个棱线并垂直于光轴； y轴--机械轴，它垂直于两个相对的晶柱棱面。 石英晶体压电效应演示 石英晶体压电效应产生的过程 在正常情况下，石英晶体的每一个晶体单元中，有三个硅离子和六个氧离子，正负离子分布在正六边形的顶角上，当无外力作用时，正、负电荷中心重合，对外不显电性。 石英晶体的纵、横向压电效应 从晶体上沿XYZ轴线切下一片平行六面体的薄片称为晶体切片。当沿着X轴对压电晶片施加力时，将在垂直于X轴的表面上产生电荷，这种现象称为纵向压电效应。 沿着y轴施加力的作用时，电荷仍出现在与X轴垂直的表面上，这称之为横向压电效应。当沿着Z轴方向受力时不产生压电效应。 纵向压电效应 纵向压电效应产生的电荷为 QXX＝dXXFX (2-14) 式中， QXX 为垂直于X轴平面上的电荷，dXX为纵向压电系数， 下标的意义为产生电荷的面的轴向及施加作用力的轴向；FX 为沿晶轴X方向施加的压力。 由上式看出，当晶片受到X向的压力作用时， QXX 与作用力Fx成正比，而与晶片的几何尺寸无关。如果作用力Fx改为拉力时，则在垂直于X轴的平面上仍出现等量电荷，但极性相反。 横向压电效应 如果沿Y轴方向作用压力Fy时，电荷仍出现在与X轴相垂直的平面上，横向压电效应产生的荷量为 式中，QXY为在垂直于X轴平面上的电荷 , dXY为在垂直于X轴平面上产生电荷时的压电系数（横向压电系数 ）；FY为沿晶轴Y方向施加的压力。 根据石英晶体的对称条件dXY= -dXX，所以 石英晶体的电气性能 石英晶体的介电常数和压电系数的温度稳定性相当好，其机械强度很高，绝缘性能也相当好，一般都作为标准传感器或高精度传感器中的压电元件，比压电陶瓷昂贵。 2. 压电陶瓷 为了使压电陶瓷具有压电效应，就必须进行极化理。所谓极化处理就是在一定的温度条件下，对压电陶瓷施加强电场，使极性轴转动到接近电场方向，规则排列.这个方向就是压电陶瓷的极化方向，这时压电陶瓷就具有了压电性，在极化电场去除后，留下了很强的剩余极化强度。当压电陶瓷受到力的作用时，极化强度就发生变化，在垂直于极化方向上的平面上就会出现电荷。 对于压电陶瓷，通常取它的极化方向为Z轴。 2. 压电陶瓷的压电效应 当压电陶瓷在沿极化方向受力时，则在垂直于Z轴的表面上将会出现电荷，电荷量与作用力成正比，即 为压电陶瓷的纵向压电系数。 当沿X轴方向施加作用力时，产生的电荷同样出现在垂直于Z 轴的表面上，其大小为 同理，当沿Y轴方向施加作用力时，在垂直于Z轴的表面上产生的电荷量为