第6章 压电式传感器 第一节~第三节.ppt

单向测力传感器的结构图 传感器上盖为传力元件，它的外缘壁厚为0.1~0.5mm，当外力作用时，它将产生弹性变形，将力传递到石英晶片上。石英晶片采用xy切型， 利用其纵向压电效应， 通过d11实现力—电转换。石英晶片的尺寸为φ8×1mm。该传感器的测力范围为0~50N，最小分辨率为0.01 N，固有频率为50~60 kHz，整个传感器重10 g。 压电式金属加工切削力测量 图是利用压电陶瓷传感器测量刀具切削力的示意图。 由于压电陶瓷元件的自振频率高，特别适合测量变化剧烈的载荷。图中压电传感器位于车刀前部的下方，当进行切削加工时， 切削力通过刀具传给压电传感器，压电传感器将切削力转换为电信号输出，记录下电信号的变化便可测得切削力的变化。 * 第6章 压电式传感器 第一节 压电效应及压电材料 第二节 压电传感器的等效电路及测量电路 第三节 压电传感器的应用 第六章 压电式传感器 第一节 压电效应及压电材料 一、压电效应 顺压电效应：某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的一定表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态。这种现象称压电效应。 逆压电效应（电致伸缩效应）：当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。 电能 机械能 顺压电效应 逆压电效应 压电材料可以分为两大类：压电晶体和压电陶瓷。  压电材料的主要特性参数有：  ① 压电常数  ② 弹性常数 ③ 介电常数 二、压电材料 压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数，它直接关系到压电输出灵敏度。 压电材料的弹性常数、刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。 对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容与介电常数有关；而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。 ④ 机械耦合系数 转换输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根，这是衡量压电材料机—电能量转换效率的一个重要参数。 ⑤ 电阻 压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏，从而改善压电传感器的低频特性。 ⑥ 居里点温度 它是指压电材料开始丧失压电特性的温度。 （一）? 石英晶体（SiO2） 在20℃～200℃范围内，温度每升高1℃，压电系数仅减少0.016％。但是当到573℃时，它完全失去了压电特性，这就是它的居里点。 石英在高温下相对介电常数 的温度特性 石英的d11系数相对于20℃的d11温度变化特性 1.00 0.99 0.98 0.97 0.96 0.95 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 dt / d20 斜率： －0.016％/℃ t℃ 6 5 4 3 2 1 0 100 200 300 400 500 600 t/℃ 相对介电常数ε 居里点 （二）压电陶瓷 1、钛酸钡压电陶瓷 介电常数、压电系数大（约为石英晶体的50倍）； 居里温度低（120℃），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。 2、锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT） 比钛酸钡压电系数更大，居里温度在300℃以上，各项机电参数受温度影响小，时间稳定性好。 此外，在锆钛酸中添加一种或两种其它微量元素（如铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的PZT材料。因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式传感器中应用最广泛的压电材料。 =BaCO3+TiO2 = PbTiO3+PbZrO3 三、石英晶体（SiO2）的压电效应 Z X Y Z Y X 纵向轴Z－Z称为光轴 经过正六面体棱线，并垂直于光轴的X－X轴称为电轴 与X－X轴和Z－Z轴同时垂直的Y－Y轴（垂直于正六面体的棱面）称为机械轴 1、石英晶体产生压电效应原因 Y X X Y + + - - - + 当作用力F =0时，正、负离子（即Si4+和2O2-）正好分布在正六边形顶角上，形成三个互成120o夹角的电偶极矩P1、P2、P3，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 Y + + + - - - X P1 P2 P3 当晶体受到沿X方向的压力（FX0）作用时，晶体沿X方向将产生收缩，正、负离子相对位置随之发生变化，此时正、负电荷中心不再重合，电偶极矩在X方向的分量为： (P1+P2+P3)X0 （P1+P2+P3）Y=0 （P1+P2+P3）Z=0 + + + + － － － － X Y + + + - - - P1 P2 P3 FX FX 在X轴的正向出现正电荷，在Y、Z轴方向则不出现电荷。