第9章压电性.ppt

学习要求 1. 了解压电效应及石英晶体、陶瓷的压电效应； 2. 掌握压电式传感器的等效电路； 3. 熟悉电压放大器原理及使用特点； 4. 熟悉电荷放大器的特点及使用注意事项； 5 .了解压电式传感器的简单应用。 ; 压电式传感器：利用压电材料的压电效应实现能量的转换。当压电材料受到外力作用时，其表面将产生电荷，将机械能转变成电能。利用压电材料可以制成力敏元件。 ;9.1 压电式传感器的工作原理;压电常数 压电材料的性能常用压电常数来表征。 以晶体为例，设有一用晶体制成的压电元件受到力F作用，在其相应表面上产生表面电荷Q，力F与电荷Q之间存在如下关系 ：; 不同的受力方向及不同表面上电荷积累是不同的。用单位面积上的力和电荷来表征压电效应时，得到： ;压电常数dij有两个下脚注 : 第1个下脚注：表示晶体的极化方向，即产生电荷的表面垂直于x轴(y轴或z轴)，记作i=1（或2或3）。 第2个下脚注：j=1或2、3、4、5、6，分别表示在沿x轴、y轴、z轴方向作用的正应力和在垂直于x轴、y轴、z轴的平面内作用的剪切力。; 晶体在任意受力状态下所产生的表面电荷密度可由下列方程组决定： ; 晶体（压电材料）的压电特性可以用它的压电常数矩阵表示如下： ;石英晶体的压电常数矩阵：;（k=1、2、3；、2、3、4、5、6） ;结论： 1）有正压电效应的压电晶体，必有相应的逆压电效应。晶体中，哪个方向上有正压电效应，则此方向上必定存在逆压电效应。 2）逆压电效应的压电常数与正压电效应的压电常数相等，且一一对应。一般有：逆压电效应中压电常数矩阵是正压电效应中压电常数矩阵的转置矩阵。;★压电常数dij的物理意义 在“短路条件”下，单位应力所产生的电荷密度。 “短路条件”是指压电元件的表面电荷从一开始发生就被引开，因而在晶体变形上不存在“二次效应”的理想条件。压电常数d有时也称为压电应变常数。;（1）压电常数g：它表示在不计“二次效应”的条件下，每单位应力在晶体内部产生的电势梯度，因此有时也称为压电电压常数，数值上等于压电常数d除以晶体的绝对介电常数，即： ;9.2 压电材料;石英晶体;x轴：与z轴垂直的平面上，并通过相对两棱的直线(有三个)，又称为电轴。 y轴：与x轴、z轴垂直的是y轴，又称为机械轴； z轴：晶体对称轴，又称为光轴； x切割：截得的压电元件之两个端面与x轴相垂直； y切割：截得的压电元件中的两个端面与y轴相垂直。;压电晶体的三种压电效应 a) 纵向压电效应:沿电轴X-X方向的力作用下产生电荷的压电效应.;压电晶体的三种压电效应;压电晶体的三种压电效应; 石英是具有良好压电效应的一种压电晶体。在20～200℃范围内压电常数的温度变化率约是-0.016%/℃，在温度较低时，压电常数的变化很小。 居里点：573℃ 石英晶体的相对介电常数较小，温度稳定性很好。机械强度很高，性能稳定，没有热释电效应（由于温度变化导致电荷释放），绝缘性能相当好。 ;压电陶瓷 ;2）极化后 极化处理：在一定温度下，对压电陶瓷施加强电场，使电畴的自发极化方向按外加电场的方向取向。 ;机械效应转变为电效应，即由机械能转变为电能的现象，称为压电陶瓷的正压电效应。极化方向定义为z轴。压电陶瓷稳定性较石英晶体差。;压电陶瓷的种类 : ① 钛酸钡压电陶瓷 ② 锆钛酸铅系压电陶瓷，即PZT系压电陶瓷 ③ 铌镁酸铅压电陶瓷（PMN) ④ 铌酸盐系压电陶瓷; 在压电式传感器中，压电元件常用两片或两片以上组合在一起。由于存在极性，因此有两种连接方法。 1）并联法 ;2)串联法;9.3 压电式传感器的等效电路 9.3.1 压电元件的等效电路 压电元件是压电式传感器的敏感元件。 当它受到外力作用时，就会在垂直于电轴或垂直于极化方向的表面上产生电荷，在一个表面上聚集正电荷，在另一个表面上聚集等量的负电荷。 可以把压电式传感器看作一个静电电容器。 ;电容量: ; 电容器上的电压Ua（开路电压）、电荷Q与电容Ca之间存在着以下关系： ;9.3.2 压电传感器的等效电路 ;2）完整的等效电路; ;9.4 测量电路 ;前置放大器作用 ⑴将传感器的输出高阻抗变换成低阻抗输出; ⑵起放大传感器微弱信号的作用。 ;主要区别： 使用电压放大器时，整个测量系统对电缆电容的变化非常敏感，尤其电缆长度变化更为明显; 使用电荷放大器时，电缆长度变化的影响可忽略不计。 ;9.4.1 电压放大器 ; 可见：只有在测量回路开路情况，也就是传感器本身的绝缘电阻Ra无限大的情况，才能使传感器的输出电压