六章压电传感器.ppt

第六章 压电式传感器 §6-1 压电式传感器工作原理 §6-2 压电材料和它的主要特性 * * 一，压电效应 顺压电效应 ： 某些电介质：施力→变形→内部极化两表面产生电荷； 去力→恢复→两表面不带电。 逆压电效应（电致伸缩效应） ： 而且，晶体受力后产生的电荷量与外力的大小成正比。 施加电场→变形 具有压电效应的材料 ，称为压电材料。 （一）石英晶体（SiO2） 天然石英晶体结构外形→正六面体 图6-1a) 水晶 光轴 电轴 机械轴（力轴） 是晶体的对称轴，光线沿Z轴通过晶体不产生双折射现象，因而其贡献是作为基准线。 Z轴——光轴（中性轴） X轴——电轴 该轴压电效应最显著。它通过两相对棱线且垂直于Z轴。X轴有三个。 Y轴——机械轴（力轴） 在此轴上加力产生的变形最大。其垂直于两相对的棱面。Y轴有三个。 x x x y l h 沿轴线切片 y y 一般用数字的下标表示压电晶体的平面或受力方向。即： 1，2，3分别表示x,，y，,z 4，5，6分别表示x,，y，,z三个轴向切向作用。 引入压电系数，dij i___在i方向上得到电荷； j___在j方向受力。 平行x向受力(Fx)，则在电轴所在的表面上产生电荷量为： 纵向压电效应： 结论 当晶片受到x向压力时，qxx与作用力Fx成正比，而且与晶片的几何尺寸无关。 压电系数： x Fx Fx ＋＋＋＋＋ －－－－－－ 当作用力沿机械轴y-y方向时,其电荷量仍在与xx轴垂直的平面出现，将这种压电效应称为：“横向压电效应”： 晶片长宽比 沿光轴z-z：FZ不产生压电效应。 横向压电效应与尺寸 有关，比值越大，灵敏度越高。 x －－－－－－ Fy ＋＋＋＋＋ Fy 根据石英晶体的对称条件： 当晶片受到y向压力时，qxy与作用力Fy成正比，而且与晶片的几何尺寸有关。 结论 （二）压电陶瓷——人工制造的多晶压电材料 极化处理：在一定温度下，对压电陶瓷施加强电场，使极性轴转到接近电场的方向，这个方向就是极化方向（Z轴）。图6-6b) 压电陶瓷 是人工制造的多晶体压电材料。 人工：压电陶瓷本身并非压电体，通过人工“极化”处理后成为压电体。 特点：压电陶瓷的压电系数是石英晶体的几百倍。 未极化前 极化后 1），当受陶瓷沿极化方向（Z轴）作用力时： ──压电陶瓷纵向压电常数。可以为石英晶体的几百倍。 2），当受垂直于极化方向（X轴或Y轴）作用力时，由于垂直面各向同性，下标（1，2）可以互换。即： Ax－极化面面积 Ay－受力面的面积 x y z F F +++++++++ －－－－－－ x y z F F +++++++++ －－－－－－ 比较： 石英晶体：在稳定性方面至今无与伦比，常作标准 传感器或者精度要求很高的传感器。 压电陶瓷：压电系数可为石英晶体的几十──几百 倍，价格便宜。目前使用最普遍。 压电材料的主要特性包括： （1）压电常数d：产生电荷与作用力之间的关系； （2）刚度：刚度是指物体在外力作用下，抵抗变形的能力。刚度越高，物体表现的越“硬”。 压电材料的刚度影响压电材料的固有频率； （3）介电常数：决定压电常数的固有电容。电容增加，频率降低； （4）电阻：压电材料通常具有较高的内阻，有利于减少电荷泄漏，改善低频响应； （5）居里点：居里温度是指材料可以在铁磁体和顺磁体之间改变的温度。低于居里温度时该物质成为铁磁体，此时和材料有关的磁场很难改变。当温度高于居里温度时,该物质成为顺磁体，磁体的磁场很容易随周围磁场的改变而改变。 在居里点温度时，压电材料的压电性能破坏。 §6-3 压电元件常用的结构形式 在压电传感器中，常采用两片或两片以上的压电材料组合在一起使用。 连接方式：并联和串连 并联： 串联： 输出电荷量大，本身电容量也大，所以时间常数较大。 输出电压高，自身电容小，适用于以电压作为输出量，以及测量电路输入阻抗很高的场合。 特点 特点 一、压电式传感器的等效电路 §6-4 测量电路 压电式传感器在测量时要与测量电路相连接，于是就 得考虑电缆电容Cc，放大器的输入电阻Ri，输入电容Ci， 以及压电式传感器的泄漏电阻Ra。考虑这些因素，等效 电路就如图6-11 a,b)所示。 二、测量电路 压电式传感器： 前置放大器： 高输入阻抗，低输出阻抗，放大阻抗 变换—压电传感器对测量电路的要求。 电压或电荷放大 电压信号 产生的电荷量小、内阻高(高阻抗）、信号弱。 设有一恒定的力作用在压