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