压电式传感器本章主要内容压电式传感器的工作原理是基于某.doc

第五章 压电式传感器 本章主要内容： 压电式传感器的工作原理是基于某些电介质材料的压电材料，它是典型的有源传感器。本章介绍压电式传感器的工作原理、着重是压电晶体和压电陶瓷两类压电材料；讨论压电式传感器的等效电路和测量电路。要求初步掌握压电式传感器的原理及应用。 第一讲 压电效应与压电材料 教学目的要求：1.掌握压电效应的概念及压电效应的产生机理； 2.熟练掌握常用的压电材料及相应的压电效应。 教学重点：压电效应的概念及压电效应的产生机理 教学难点：压电效应的产生机理 教学学时：共2学时 教学内容： 一、压电效应 正压电效应：某些电介质物质在沿一定方向上受到外力的作用产生变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面产生电荷。当外力去掉后，又重新回到不带电状态，这种现象称为压电效应。 逆压电效应：反之，在电介质的极化方向上施加交变电场，它会产生机械变形，当去掉外加电场，电介质变形随之消失，这种现象称为逆压电效应或叫做电致伸缩效应。 二、压电材料 压电元件材料常见的有三类：一类是压电晶体，另一类是经过极化处理的压电陶瓷，第三类是高分子压电材料。 1.压电晶体 1）压电效应产生的机理 如图5-1（a），和轴： 轴—电轴，通常把沿电轴x方向的力作用下，在垂直于x轴表面上产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”； 若石英晶体的切片长度、宽度、厚度分别为l、b、δ，则当沿电轴方向施加压力Fx时，它在垂直于电轴的平面上产生的电荷量为 轴——机械轴，而把沿机械轴y方向的力作用下，在垂直于x轴表面上产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”； 当晶片受到机械轴方向的压力Fy作用时，在垂直于x轴平面上的电荷量为 z——为光轴，该方向受力时不产生压电效应。 说明：（1）纵向压电效应产生的电荷量Q11正比于作用力Fx，与晶体切面尺寸无关， （2）横向压电效应产生的电荷量与晶体切面尺寸有关，式中的负号说明机械轴的压力引起的电荷极性与沿电轴的压力引起的电荷极性恰好相反。 2）石英压电材料的特点 优点：温度稳定性好，在几百度的温度变化范围内，压电常数几乎不随温度而改变。居里点高（576℃） 缺点：压电常数较小（d11=2.31×10-12C/N） 图5-1 石英晶体的压电效应机理 2.压电陶瓷 1）压电机理 压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料，它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。图5-2（a）示出了钛酸钡压电陶瓷未极化时的电畴分布情况。为了使压电陶瓷具有压电效应，需做极化处理: 即在100℃～170℃温度下，对两个镀银电极的极化面加上高压电场（1~4）kV/mm，此时电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场方向排列，从而使材料得到极化，如图5-2（b）所示。极化处理后，陶瓷材料内部仍存在有很强的剩余极化强度，当压电陶瓷受外力作用时，电畴的界限发生移动，因此剩余极化强度将发生变化，压电陶瓷就呈现出压电效应。 在压电陶瓷中，通常把它的极化方向定为z轴。当压电陶瓷在极化面上受到垂直于它的均匀分布的作用力时（即作用力沿极化方向），则在这两镀银极化面上分别出现正、负电荷，如图5-3所示。 在极化面上电荷量Q与FZ成正比，即： 2）压电陶瓷的种类和特点 特点：压电陶瓷经过极化处理后具有非常高的压电常数，为石英晶体的几百倍。 种类：常用的压电陶瓷材料主要有以下几种： （1）钛酸钡（BaTiO3）：钛酸钡具有较高的压电常数（d33＝190×10－12C/N）和相对介电常数（1000~5000）。但是它的居里点较低（约120℃），机械强度低于石英晶体。 （2）锆钛酸铅压电陶瓷（PZT）：锆钛酸铅压电陶瓷是由钛酸铅和铅酸铅组成的固熔体，它有较高的压电常数[（200~500）×10-12C/N]，是目前经常采用的一种压电材料。在上述材料中加入微量的镧、铌或锑等，可以得到不同性能的PZT材料。 （3）铌镁酸铅压电陶瓷（PMN）：铌镁酸铅压电陶瓷具有较高的压电常数[（800~900）×10-12C/N]和居里点（260℃），它能承受7×107Pa的压力，因此可作为高压下的力传感器。 3.高分子压电材料 高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（PVF2）、聚氟乙烯（PVF）、聚氯乙烯（PVC）等，其中以PVF2压电常数最高。高分子压电材料是一种柔软的压电材料，不易破碎，可以大量生产和制成较大面积的成品，这些优点是其他压电材料所不具备的，因此，在一些特殊用途的传感器中获得广泛应用。它与空气的声阻抗匹配具有独特的优越性，所以它是很有发展潜力的新型电声材料。 本讲小结 本讲主要介绍了压电效应的基本概念、压电材料的种类 1、当电介质沿一定方向受到外力的作用产生变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面产生电荷