第四章压电式传感器.ppt

* 例8：压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用 压电式步态分析跑台 压电式纵跳训练分析装置 压电传感器测量双腿跳的动态力 4.压电传感器应用举例 * 压电传感器只能应用于动态测量 由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，因此压电式传感器不能用于静态测量。压电元件在交变力的作用下，电荷可以不断补充，可以供给测量回路以一定的电流，故只适用于动态测量（一般必须高于100Hz，但在50kHz以上时，灵敏度下降）。 4.压电传感器应用举例 * 休息一下 续:三人又走在沙漠中，走着走着又遇到个神灯，搓一搓神仙又出来了，这下那个美国人和日本人长了个心眼，和那个中国人说：“这把你先许愿吧!” 只看那人想了想，说：“给我来瓶二锅头!”喝完又说：“在给我来更多的二锅头!”说完便喝了起来，神仙问他：“你还有第三个愿望，说出来吧！中国人不耐烦的说：“好了,这么多我们喝都足够了，你滚吧! ” * 2.了解压电材料的压电特性 二氧化硅分子结构 * 图 硅氧离子的排列示意图 x (a) y y 2.了解压电材料的压电特性 (b) x + + + - - - y * y (a) Fx=0 x + P1 P2 P3 - - + + - 当石英晶体未受外力作用时，正、负离子正好分布在正六边形的顶角上，形成三个互成120°夹角的电偶极矩P1、P2、P3。如图所示。因为P =qL（q为电荷量，L为正负电荷之间的距离），此时正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即P1+P2+P3＝0所以晶体表面不产生电荷，呈电中性。 2.了解压电材料的压电特性 * (b) Fx0 x Fx y Fx - P1 P2 P3 - - - - + + + + + + + - - 当晶体受到沿x方向的压力（Fx 0）作用时，晶体沿x方向将产生收缩，正、负离子的相对位置随之发生变化，如图所示。此时正、负电荷中心不再重合，电偶极矩P1减小，P2、P3增大，它们在x 方向上的分量不再等于零： (P1+P2+P3)x0 在y、z方向上的分量为: (P1+P2+P3)y=0 (P1+P2+P3)z=0 2.了解压电材料的压电特性 * 当晶体受到沿x方向的拉力（Fx 0）作用时，其变化情况如图所示。电偶极矩P1增大， P2、 P3减小，此时它们在x、y、z三个方向上的分量为： (P1 +P2 +P3) x0 (P1+ P2+ P3)y =0 (P1 +P2 +P3)z =0 在x轴的正向出现负电荷，在y、z方向依然不出现电荷。 (c) Fx0 y x Fx Fx P2 P3 P1 _ _ _ _ + + - - + + + + + 2.了解压电材料的压电特性 * 可见，当晶体受到沿x(电轴)方向的力Fx作用时，它在x方向产生正压电效应，而y、z方向则不产生压电效应。 晶体在y轴方向受力Fy作用下的情况与Fx相似。当Fy＞0时，晶体的形变与图（c）相似；当Fy ＜0时，则与图（b）相似（x方向的压力相当于y方向的拉力，反之亦然）。 由此可见，晶体在y（即机械轴）方向的力Fy作用下，在x方向产生正压电效应，在y、z方向同样不产生压电效应。 2.了解压电材料的压电特性 * （a） y x z O z y x a b c （b） 二、作用力与电荷的关系 若从晶体上沿y方向切下一块如图（a）所示的晶片，当沿电轴x方向施加应力σx时，晶片将产生厚度变形，并发生极化现象。在晶体线性弹性范围内，极化强度P11与应力σx 成正比。 2.了解压电材料的压电特性 * 即： d11——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； b、c——石英晶片的长度和宽度。 而P11在数值上等于晶面上的电荷密度 将以上两式联立，得 2.了解压电材料的压电特性 z y x a b c （b） * 反之，若沿x方向对晶片施加电场，电场强度大小为Ex 。根据逆压电效应，晶体在x轴方向将产生伸缩，即： Δa=d11U x 也可用相对应变表示为： 注：E=U/d 2.了解压电材料的压电特性 * 若在同一切片上，沿机械轴y方向施加应力σy，则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qy，其大小为： 根据石英晶体轴对称条件：d11 = -d12，则： 晶片厚度 2.了解压电材料的压电特性 z y x a b c （b） * 反之，若沿y方向对晶片施加电场，根据逆压电效应，晶片