5.3 压电式传感器演示教学.ppt

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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

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