自动控制sj自控2013压电式传感器.pptxVIP

20131008;一种典型的有源传感器（或称发电型传感器） 基于某些介质材料的压电效应，当材料受力作用 变形时，其表面会有电荷产生，实现非电量测量。;压电传感器是力敏感元件，所以它能测量最终能变换为 力的各种物理量，例如力、压力、加速度等。;优点：体积小、重量轻、工作频带宽、灵敏度高、 信噪比大等。 缺点：无静态输出，要求有很高的电输出阻抗； 需用低电容的低噪声电缆。;压电陶瓷超声换能器;压电陶瓷位移器;6.1 压电效应及压电材料 6.2 压电式传感器测量电路 6.3 压电式传感器的应用 ;压电效应--定义;压电效应--分类;压电效应具有可逆性， 利用这一特性可以实现机械能和电能 的相互转换。???? ;压电晶体：如石英等； 压电陶瓷：如钛酸钡、锆钛酸铅等； 新型压电材料：压电半导体(如硫化锌、碲化镉等) 高分子压电材料。;① 压电常数 衡量材料压电效应强弱的参数,直接关系到压电输出灵敏度. ② 弹性常数 与刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。 ③ 介电常数 一定形状、尺寸的压电元件,其固有电容与介电常数有关 而且还影响压电传感器的频率下限。 ;④ 机械耦合系数 衡量压电材料机-电能量转换效率的重要参数  即转换输出能量与输入的能量之比的平方根。 ⑤ 电阻 减少电荷泄漏，改善压电传感器的低频特性。 ⑥ 居里点温度 压电材料开始丧失压电特性的温度。;选取合适的压电材料是压电传感器的关键，从以下几个主要特性进行选择：;压电效应及压电材料;石英晶体;石英晶体化学式：SiO2 单晶体结构 又称水晶体（或单晶体）;石英晶体各个方向特性不同（即各向异性） 按不同方向切割的晶片其物理性质(如弹性、压电效应 温度特性等)相差很大。在设计石英传感器时 应根据不同使用要求正确选择石英片的切型;z轴：光轴，它与晶体的纵轴线方向一致，又叫中性轴 因为沿着z轴方向受力时不产生压电效应。 x轴：电轴，经过正六面体棱线并垂直于光轴z，在垂直 于此轴面上的压电效应最强。 y轴：机械轴，垂直于两个相对的晶柱棱面。;（2）石英晶体压电效应;（2）石英晶体压电效应;（3）作用力与电荷的关系;（a）当沿电轴x方向施加作用力Fx时在与电轴x垂直的 平面上将产生符号电荷，大小为: ;（a）当晶片受到沿x轴方向的压缩应力σx作用时，晶片 将产生厚度变形，并发生极化现象。在晶体线性弹 性范围内，极化强度P11与应力σx成正比，即;（b）若在同一切片上，沿机械轴y方向施加作用力Fy， 则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qy，其大小为 ;a、b—晶体切片的长度和厚度;一种典型的有源传感器（或称发电型传感器） 基于某些介质材料的压电效应，当材料受力作用 变形时，其表面会有电荷产生，实现非电量测量。; 石英晶体压电效应;（3）作用力与电荷的关系;石英晶体具有压电效应，是由其内部分子结构决定的 组成石英晶体的硅离子Si4+和氧离子O2-在垂直于z轴的 xy平面上的投影，等效为图(b)一个正六边形排列。; （I）石英晶体沿x方向受力 （II）石英晶体沿y方向受力 （III）石英晶体沿z方向受力; P1 + P2+ P3 = 0;（b）当晶体受沿x方向的压力（ Fx 0）作用时, 晶体沿x 方向将产生收缩, 正、负离子相对位置随之发生变化 此时正、负电荷中心不再重合，电偶极矩P1减小、 P2、P3增大, 它们在x方向上的分量不再等于零, 即;（c）当晶体受到沿x方向的拉力（Fx＞0）作用时,电偶 极矩P1增大、P2、P3减小, 此时电极矩三个分量为; 当晶体受到沿x(即电轴)方向的力Fx作用时 在x方向产生正压电效应 而y、z方向则不产生压电效应; 晶体在y（即机械轴）方向的力Fy作用下 在x方向产生正压电效应，在y、z方向则不产生压电效应; 晶体在z轴方向力Fz时的作用下（无电压效应）;结论： ① 当晶片受到x方向的压力作用时，qx只与作用力Fx 成正比，而与晶片的尺寸无关； ② 沿机械轴y方向向晶片施加压力时，产生的电荷与 几何尺寸有关； ③ 石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的； ④ 晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上 一定存在逆压电效