压电式传感器分析课件.pptVIP

压电式传感器研14张立伟

压电式传感器第一章概述f第二章工作原理（压电效应，压电材料）f第三章一般应用f第四章具体汽车上的应用f第五章精讲爆震传感器，从信号采集到显示，执行f第六章压电式传感器的优缺点f第七章应用前景f

第一章概述基于压电效应的传感器，将被测量变化转换成由于材料受机械力产生的静电电荷或电压变化的传感器。是一种自发电式和机电转换式传感器。它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量。

n们发现了一些晶体在某一特定方向上受压时，在它们的表面上会出现正或负电荷，这些电荷与压力的大小成正比，而当压力排除之后电荷也消失。1881年，他们发表了关于石英与电气石中压电效应的精确测量。f1882年，他们证实了李普曼(G．Lippmann)关于逆效应的预言：电场引起压电晶体产生微小的收缩。f利用压电现象，他们还设计了一种压电石英静电计——居里计。fn这就是压电式传感器的理论基础

第二章工作原理某些物质沿某一方向受到外力作用时，会产生变形，同时其内部产生极化现象，此时在这种材料的两个表面产生符号相反的电荷，当外力去掉后，它又重新恢复到不带电的状态，这种现象被称为压电效应。当作用力方向改变时，电荷极性也随之改变。这种机械能转化为电能的现象称为“正压电效应”或“顺压电效应”。

正压电效应是指：当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。逆压电效应是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象，又称电致伸缩效应。压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型5种基本形式。

压电晶体是各向异性的，并非所有晶体都能在这5种状态下产生压电效应。例如石英晶体就没有体积变形压电效应，但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。f(a)天然石英晶体；(b)人工石英晶体；(c)右旋石英晶体理想外形

以石英晶体为例具体说明压电效应纵轴Z称为光轴，通过六棱线而垂直于光铀的X铀称为电轴，f与X-X轴和Z-Z轴垂直的Y-Y轴(垂直于六棱柱体的棱面)称为机械轴。

zf把沿电轴(X轴)方向的作用力产生的压电效应称为“纵向压电效应”f把沿机械轴(Y轴)方向的作用力产生的压电效应称为“横向压电效应”f沿光轴(Z轴)方向的作用力不产生压电效应f压电式传感器主要是利用纵向压电效应

当石英晶体未受外力作用时，正、负离子正好分布在正六边形的顶角上，形成三个互成120°夹角f的电偶极矩P、P、P。123因为P=qL（q为电荷量，L为正负电荷之间的距离），此时正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即fffff所以晶体表面不产生电荷，呈电中性。f

当晶体受到沿x方向的压力作用时，晶体沿x方向将产生收缩，正、负离子的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P减小，P、P增大，它们在xf123方向上的分量不再等于零:fffff12在y、z方向上的分量为:223y3z

当晶体受到沿x方向的拉力作用时，电偶极矩P增大，P、2f1P3减小，此时它们在x、y、z三个方向上的分量为fffx(P+P+P)=0123y在x轴的正向出现负电荷，在y、z方向依然不出现电荷。f

当晶体受到沿x(电轴)方向的力F作用时，它在x方向产生ffx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F作用下，在x方向产生正y压电效应，在y、z方向同样不产生压电效应。晶体在z轴方向受力F的作用时，因为晶体沿x方向和沿y方zf向所产生的正应变完全相同，所以，正、负电荷中心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。这就表明，在沿z(即光轴)方向的力F作用下，晶体不产生压电效应。z

2.2压电材料压电材料可分为三大类：f一是压电晶体(单晶)，它包括压电石英晶体和其他压电单晶；二是压电陶瓷(多晶半导瓷)；三是新型压电材料，又可分为压电半导体和有机高分子压电材料两种。在传感器技术中，目前国内外普遍应用的是压电单晶中的石英晶体和压电多晶中的钛酸钡与锆钛酸铅系列压电陶瓷。f

压电陶瓷压电陶瓷是一种经极化处理后的人工多晶铁电体。所谓f“多晶”，它是由无数细微的单晶组成；所谓“铁电体”，它具有类似铁磁材料磁畴的“电畴”结构。每个单晶形成一单个电畴，无数单晶电畴的无规则排列，致使原始的压电陶瓷呈现各向同性而不具有压电性

陶瓷片内的极化强度