传感器_05压电式传感器.ppt

传感器原理及应用 机械与汽车工程学院 主 讲：黄海鸿 电 邮：allenhuanghaihong@163.com 地 址：机械楼417室 第五章 压电式传感器 原理：应用某些材料的压电效应，是一种有源传感器（或称发电式传感器）。 压电效应：某些材料在受力时所产生的电极化现象。 正压电效应：某些电介质在受到某一方向的机械力而变形时，在一定表面上产生电荷，若外力变向，电荷极性随之而变；当撤除外力后，又重新回到不带电状态 逆压电效应：当在电介质的极化方向施加电场，电场力使其在一定方向上产生机械变形或机械应力；当撤除外加电场时，变形或应力随之消失。又称电致伸缩效应 压电材料：具有压电效应的电介质 自然界中有20多种单晶体，如：石英 人造压电陶瓷，如：钛酸钡、锆钛酸铅 压电式传感器 用途 是一种能量转换型传感器（机械能-电能） 是力敏感元件，将被测量（如动态作用力、压力、加速度等）转换成压电器件的表面电荷量，以实现非电量的电测目的 第一节 压电转换元件的工作原理 石英晶体、压电陶瓷 第二节 压电式传感器应用 5.1 压电转换元件的工作原理 压电效应方程 是关于压电体中表面电荷密度（电位移）或电场强度、与应力（或应变）张量之间关系的方程组 简单情况：施加方向一定的作用力F， 产生的表面电荷为： Q = d F 式中，d为压电系数 通常情况：电荷密度q与应力σ之间关系为： q = dσ 式中，d为压电常数矩阵 5.1 压电转换元件的工作原理 5.1 压电转换元件的工作原理 石英晶体 SiO2，俗称水晶，为单晶体，有天然和人工之分。目前传感器中使用的均是以居里点为573℃，晶体的结构为六角晶系的α-石英。外形呈六角棱柱体，由m、R、r、s、x共5组30个晶面组成 5.1 压电转换元件的工作原理 石英晶体 天然结构的石英晶体呈现一个正六面体的形状 在晶体学中可以用三根相互垂直的轴来表示： X轴——电轴，经过六面体棱线； Y轴——机械轴，垂直于六面体棱面； Z轴——光轴，垂直于晶体截面 5.1 压电转换元件的工作原理 石英晶体 离子的排列：Si4+、O2- 将其等效为正六边形排列 5.1 压电转换元件的工作原理 石英晶体与X轴向外力FX间的关系 当外力FX = 0时，正、负离子恰好分布于正六边形的六个顶点上，形成三个大小相等、夹角为120°的正负电荷之间的电偶极矩值为 P1 = P2 = P3 = q×l 式中，q—电荷量， l—正负电荷之间的距离 由于正负电荷中心重合， 电偶极矩的矢量和为零，即 P1 + P2 + P3 = 0 因此不受X轴向外力情况下， 不呈现极性 5.1 压电转换元件的工作原理 石英晶体与X轴向外力FX间的关系 当外力FX 0（压力）时，晶体沿X方向上产生收缩，正负离子相对位置发生变化，正负电荷中心不再重合， 电偶极矩的矢量和在X方向分量大于零，即 (P1 ＋ P2 ＋ P3)X 0 此时在X轴正向出现正电荷， 在X轴反方向出现负电荷。 而在Y、Z轴方向不出现电荷 5.1 压电转换元件的工作原理 石英晶体与X轴向外力FX间的关系 当外力FX 0（拉力）时，晶体沿X方向上产生拉伸，正负离子相对位置发生变化，正负电荷中心不再重合， 电偶极矩的矢量和在X方向分量小于零，即 (P1 ＋ P2 ＋ P3)X 0 此时在X轴正向出现负电荷， 在X轴反方向出现正电荷。 而在Y、Z轴方向不出现电荷 5.1 压电转换元件的工作原理 石英晶体与X、Y轴向外力间的关系 5.1 压电转换元件的工作原理 石英晶体与Z轴向外力FZ间的关系? 晶体沿X方向和沿Y方向所产生的正应变完全相同，所以正负电荷中心保持重合，电偶极矩的矢量和等于零 在Z轴方向，晶体不会产生压电效应 5.1 压电转换元件的工作原理 5.1 压电转换元件的工作原理 石英晶体切片——长方体 当晶片受到沿X轴方向的压缩应力σXX作用时，晶片将产生厚度变形，并发生电极化现象。在晶体线性弹性范围内，极化强度PXX与应力σXX成正比： 式中，FX——X轴方向的压力； 5.1 压电转换元件的工作原理 石英晶体切片——长方体 当晶片受到沿Y轴方向的压力时，因电极化现象产生的电荷仍在X轴平面上出现，电荷为：