第三章 压电式传感器_改.doc

第3章 压电式传感器 .1 压电效应及材料 .1.1 压电效应.1.2 压电材料 .1.2.1 压电晶体 .1.2.2 压电陶瓷.1.2.3 新型压电材料 .1.3 压电振子 §3.2 压电传感器等效电路和测量电路 .2.1 等效电路 .2.2 测量电路 .2.2.1 电压放大器 .2.2.2 电荷放大器 .2.2.3 谐振电路 §3.3 压电式传感器及其应用.3.1 压电式加速度传感器 .3.1.1 结构类型 .3.1.2压电加速度传感器动态特性 .3.2 压电式力传感器 .3.3压电角速度陀螺.4 声波传感.4.1 SAW 传感器 §3.4.1.l SAW传感器特点 §3.4.1.2 SAW传感器的结构与工作原理 §3.4.1.3 SAW振荡器 §3.4.2 超声检测 §3.4.2.1 超声检测的物理基础 §3.4.2.2 超声波探头 §3.4.2.3 超声波检测技术的应用 思考题 第3章 压电式传感器 压电式传感器是压电式传感器以具有压电效应的压电器件为核心组成的传感器.1 压电效应及材料 .1.1 压电效应 压电效应（piezoelectric effect）是指某些介质在施加外力造成本体变形而产生带电状态或施加电场而产生变形的双向物理现象，是正压电效应和逆压电效应的总称，一般习惯上压电效应指正压电效应。当某些电介质沿一定方向受外力作用而变形时，在其一定的两个表面上产生异号电荷，当外力去除后，又恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应（positive piezodielectric effect）。其中电荷大小与外力大小成正比，极性取决于变形是压缩还是伸长，比例系数为压电常数，它与形变方向有关，在材料的确定方向上为常量。它属于将机械能转化为电能的一种效应。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。reverse piezodielectric effect），又称电致伸缩效应用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。 （a）正压电效应； （b）压电效应的可逆性 图3-1压电效应 由物理学知，一些离子型晶体的电介质（如石英、酒石酸钾钠、钛酸钡等）不仅在电场力作用下，而且在机械力作用下，都会产生极化现象。 或 （3. 1） 式3.1中 D、σ—电位移矢量、电荷密度，单位面积的电荷量，C/m2； T—应力，单位面积作用的应力，N/m2； d—正压电系数，C/N。 逆压电效应中，外电场作用下的材料应变与电场强度成正比。即： （3. 2） 式3.2中 S—应变，应变，微应变； E—外加电场强度，V/m； —逆压电系数，C/N。 当对于多维压电效应，为d的转置矩阵，见（3.5）、（3.6）。 压电材料是绝缘材料。把压电材料置于两金属极板之间，构成一种带介质的平行板电容器，金属极板收集正压电效应产生的电荷。由物理学知， （3. 3） 式中 —压电材料的相对介电常数； —真空介电常数=8.85pF/m。 那么可以计算出平行板电容器模型中正压电效应产生的电压 （3. 4） 式3.4中h—平行板电容器极板间距。 人们常用 表示压电电压系数。 例如，压电材料钛酸铅 d=44pC/N，=600。取T=1000N，h=1cm，则V=828V。当在该平行板电容器模型加1kV电压时，S=4.4。 具有压电性的电介质（称压电材料），能实现机－电能量的相互转换压电材料在三维直角坐标系内的力一电作用状况如图-2 所示。图中：T1、T2、T3分别为沿x、y、z向的正应力分量（压应力为负）；T4、T5、T6分别为绕x、y、z轴的切应力分量（顺时钟方向为负）；σ1、σ2、σ3分别为在x、y、z面上的电荷密度（或电位移D）。压电方程是全压电效应的数学描述。它反映了压电介质的力学行为与电学行为之间相互作用（即机－电转换）的规律。 图3-2压电材料中方向坐标含义 （3. 5） （3. 6） 压电方程组也表明存在极化方向（电位差方向）与外力方向不平行的情况。正压电效应中，如果所生成的电位差方向与压力或拉力方向一致，即为纵向压电效应（longitudinal piezoelectric effect）。正压电效应中，如所生成的电位差方向与压力或拉力方向垂直时，即为横向压电效应（transverse piezoelectric effect）。在正压电效应中，如果在一定的方向上施加的是切应力，而在某方向上会生成电位差，则