- 1、本文档共53页,可阅读全部内容。
- 2、有哪些信誉好的足球投注网站(book118)网站文档一经付费(服务费),不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
- 3、本站所有内容均由合作方或网友上传,本站不对文档的完整性、权威性及其观点立场正确性做任何保证或承诺!文档内容仅供研究参考,付费前请自行鉴别。如您付费,意味着您自己接受本站规则且自行承担风险,本站不退款、不进行额外附加服务;查看《如何避免下载的几个坑》。如果您已付费下载过本站文档,您可以点击 这里二次下载。
- 4、如文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“版权申诉”(推荐),也可以打举报电话:400-050-0827(电话支持时间:9:00-18:30)。
查看更多
5.3 压电式传感器演示教学.ppt
5.3 压电式传感器; 压电式传感器是一种可逆型换能器,既可以将机械能转变为电能,又能将电能转变成机械能。其工作原理是利用某些物质的压电效应。
8.1 压电效应及压电材料
某些物质,如石英,受到外力作用时,不仅几何尺寸会发生变化,而且内部会被极化,表面产生电荷;当外力去掉时,又重新回到原来的状态,这种现象称为压电效应。; 与压电效应相反,如果将具有压电效应的物质置于变化的电场中,其几何尺寸也发生变化,这种由于外电场作用导致物体机械变形现象称为逆压电效应。
常见的压电材料分为三类:
1)单晶压电晶体(如石英、酒石酸钾钠等)
2)多晶压电陶瓷(如钛酸钡、锆钛酸铅、铌镁酸铅等)
3)高分子材料(聚偏二氟乙烯(PVDF))。;石英晶体的压电效应
理想形状:六棱柱,两端为对称的棱锥,共30个晶面。
纵轴 z-z称作光轴 ,
通过六棱柱棱线而
垂直于光轴的轴线
x-x称作电轴 ,垂直
于棱面的轴线 y-y称
作机械轴 --右螺旋法则。;
通常从晶体上沿三轴线切下一个平行六面体切片,即
其晶面分别平行 z-z、y-y、x-x轴线。切片在受到沿
不同方向的作用力时,会产生不同的极化作用,主要
的压电效应有纵向效应、横向效应和切向效应三种。; 纵向压电效应:沿电轴(x轴)施加作用力,电荷出现在与x轴相垂直的表面上。产生的电荷量为:
qx=d11?Fx
其中,d11:纵向压电常数;Fx:作用力。
横向压电效应:沿机械轴(y 轴)施加作用力,电荷仍出现在与x 轴相垂直的表面上。产生的电荷量为:;即横向压电效应产生的电荷与纵向压电效应产生的电荷极性相反。; 切向压电效应:沿相对两棱加力(x 轴或y 轴施加剪切力),晶体表面产生电荷的现象。
沿xx轴的剪切力产生的电荷出现在与yy轴垂直的表面上(电荷量与剪切力成正比,与晶片尺寸无关);
沿yy轴的剪切力产生的电荷出现在与xx轴垂直的表面上(电荷量与剪切力成正比,与晶片尺寸无关)。
压电式传感器主要是利用纵向压电效应。;石英晶体产生压电效应的物理过程
每个晶体单元中,具有3个硅离子和6个氧离子,氧离子是成对的,构成六边的形状。在没有外力的作用时,电荷互相平衡,外部没有带电现象。;压电材料
1)压电单晶
石英(SiO2)
天然或人工合成。具有良好的机械强度和压电效应。压电系数较小, 但压电系数的时间和温度稳定性好。在20~200℃内,温度每升高1℃,压电系数仅减小0.016%,升高到,200℃ 时,仅减小5% ,达到573℃ 时,失去压电特性,此温度称为石英的居里点。介电常数为4.5。; 铌酸锂(LiNbO3)
居里点1210℃,具有良好的压电性,适用于 高温环境,但比石英脆,抗冲击性差。
钽酸锂(LiTaO3)
居里点666℃,压电常数为石英的3倍。
酒石酸钾钠(NaKC4H4O6?4H2O)
压电系数较大 ,但机械强度低,机械强度、电阻率、居里点均较低,易受潮,性能不稳定。;2)多晶压电陶瓷
压电陶瓷的压电常数一般比石英高数百倍。现代压电元件,大多采用压电陶瓷。
钛酸钡(BaTiO3)
碳酸钡BaCO3和二氧化钛TiO2按1:1混合 烧结而成。压电常数约为石英的50倍,介电 常数高(1200),居里点约120℃。
锆钛酸铅(PZT)
系列压电陶瓷居里点300℃左右,压电常数 70~800×10-12C/N,性能和稳定性均超过钛 酸钡。其中有些产品可耐高温、高压。;压电陶瓷产生压电效应的原理
极化前,存在许多自发极化的电畴(分子团)(见图a)
极化中,电畴自发极化方向转到与外加电场方向一致(见图b)
极化后,有剩余极化强度(见图c);由于剩余极化强度的存在,压电陶瓷片的两端就出现了束缚电荷,一端为正电荷,另一端为负电荷,进一步很快吸附了一层来自外界的自由电荷,且与束缚电荷符号相反,数值相等。; 如果在压电陶瓷片上加一个与极化方向平行的外力,陶瓷片将产生压缩变形,片内的正、负束缚电荷之间距离变小,束缚电荷之间距离变小,电畴发生偏转,极化强度也变小,因此,原来吸附在极板上的自由电荷,有一部分被释放而出现放电现象。 ;
放电电荷的多少与外力的大小成比例关系:
Q=d33●F
刚刚极化后的压电陶瓷的性能不稳定,经过两三个月后,压电常数才稳定。两年后又会变。
;
3)高分子有机压电材料
聚二氟乙烯(PVF2)聚氟乙烯(PVF)聚氯乙烯(PVC)、聚偏二氟
文档评论(0)