解析压电式传感器.pptVIP

第四讲

压电式传感技术主要用于动态作用力、压力和加速度的测量01压电式传感器的工作原理02压电效应03某些晶体在外力的作用下，不仅几何尺寸发生变化，而且晶体内部产生极化现象，晶体表面出现电荷，形成电场。当外力去除后，晶体恢复原状，这种现象称压电效应。04压电材料：具有压电效应的材料逆压电效应：将压电材料置于电场中，其几何尺寸也会发生变化，这种现象称为逆压电效应或电致伸缩效应。（二）石英晶体的压电效应 1.石英晶体材料的特性 石英晶体即二氧化硅无水化合物，SiO2①具有理想的线性，无滞后②刚性好频率响应范围宽，特别适用于动态测量01居里点高，573℃，对温度的敏感性比电阻、电感类要低得多，因此灵敏度变化极小03稳定性好，时间老化率低，无热释电现象02具有较高的绝缘阻抗04、和，其大小为：01石英晶体未受到外力作用时，如图6—2（A）示。石英晶体的晶格是正六边形，正离子Si+和负离子0-正好分布在正六边形的顶角上，形成了三个互成1200夹角的偶极矩02由于是正六边形，正负电荷中心重合。因此电偶极矩矢量和等于0。即故电荷平衡，晶体表面不产生电荷，呈中性。032、石英晶体压电效应产生的原因石英晶体受到沿X轴方向的压力作用，即FX0，如图6—2（B）示。石英晶体将在X轴方向产生压缩变形，正、负离子的相对位置发生变化。正硅离子①被挤入到负离子②和⑥之间，负离子氧④被挤入到正离子③和⑤之间，此时石英晶体不再是正六边形了，因而正、负电荷中心不再重合，电偶极矩矢量和在X、Y、Z三个轴方向的分量，分别为：1结果在沿X轴正向垂直表面上出现负电荷，其相对表面出现正电荷。2石英晶体的压电效应纵向效应x0°切割，沿x轴方向受力，在垂直于x轴的平面上产生电荷Q与作用力Fx成正比，且与晶片几何尺寸无关。横向效应对石英晶体y0°切割，截得压电元件两端面与y轴相垂直，当沿y轴方向受力，在垂直于x轴的平面上产生电何Q与作用力Fy成正比，且与晶片尺寸无关压电材料及压电元件的结构对压电材料的要求具有较大压电常数机械强度高、刚度大，固有频率高高电阻率，大介电常数高居里点（压电性能破坏时的温度转变点）压电特性不随时间蜕变，时间稳定性要好BDFACE常见压电材料简介天然优点：如前述石英晶体人造——利用天然原料高温融合，再按要求切割成形缺点：灵敏度低，介电常数小铌镁酸铅压电陶瓷铌酸盐系压电陶瓷锆钛酸铅系压电陶瓷钛酸钡压电陶瓷BaTiO3烧制方便、耐湿、耐高温、易于成型，应用最普遍。压电陶瓷EDCBAF水溶性压电晶体铌酸锂晶体压电半导体高分子压电材料压电薄膜，柔软、不易破碎，可以大量生产和制成较大面积。压电元件的常用结构形式并联输出电容C′=nC输出电压U′=U输出电荷Q′=nQ时间常数大，适用于测量缓慢信号，并 以电荷量作为输出的场合。01020304串联输出电荷Q′=Q预应力输出电容C′=C/n输出电压U′=nU适用于以电压作为输出量以及测量电路输入阻抗很高的场合。压电元件上应施加预应力，保证压电片始终受力，使输出与作用力之间为线性关系。0506压电式传感器的测量电路压电式传感器的内阻抗很高，输出信号微弱，一般不能直接显示和记录，压电式传感器要求后续测量电路要有足够高的输入阻抗。电压放大器图中Ca——串联型压电元件等效电容ua——串联型压电元件等效电压Cc——电缆等效电容，Ci——输入电容01等效电路C=Cc+Ci02压电传感器受力F=Fmsinωt（d——压电系数）当ωR（Ci+Cc+Ca)1时：上式说明：放大器输入电压有效值与被测频率无关；改变连接传感器与放大器的电缆长度时，Cc改变，导致放大器的输入输出电压发生变化。*