传感器第五章学习课程

1、第四章 压电式传感器一、一、压电效应和压电材料压电效应和压电材料二、二、等效电路和测量电路等效电路和测量电路三、三、压电传感器的应用压电传感器的应用五、五、第三次作业第三次作业四、四、小结小结第1页/共43页第一页，编辑于星期日：九点 二十八分。第2页/共43页第二页，编辑于星期日：九点 二十八分。第3页/共43页第三页，编辑于星期日：九点 二十八分。 类类 别别 材材 料料 成成 分分 特特 性性 石石英英晶晶体体 单单晶晶体体、水水晶晶 （人人造造、 天天然然） SiO2 d11=2.3110-12C/N， 压压电电系系数数稳稳定定，固固有有频频率率稳稳定定 承承受受压压力力700-100

2、0Kg/cm2 压压电电陶陶瓷瓷 人人造造多多晶晶体体 钛钛酸酸钡钡、锆锆钛钛酸酸钡钡、铌铌酸酸盐盐系系 压压电电系系数数高高d33=19010-11C/N 品品种种多多、性性能能各各异异 新新型型压压电电材材料料 压压电电半半导导体体 压压电电特特性性 半半导导体体特特性性 集集成成压压电电传传感感器器 有有机机高高分分子子 压压电电材材料料 质质轻轻柔柔软软、抗抗拉拉强强度度高高、 机机电电耦耦合合系系数数高高 第4页/共43页第四页，编辑于星期日：九点 二十八分。石英xxfdq11xfyyyfbadfbadq1112yf第5页/共43页第五页，编辑于星期日：九点 二十八分。xyxyxyx

3、y图 5-3 5-3 晶片上电荷极性与受力方向的关系( (a a ) )( (b b ) )( (c c ) )( (d d ) )1P2P3Pxy1P2P3Pxy xFxF1P2P3Pxy yFyF不受力图 5-2 5-2 石英晶体压电模型第6页/共43页第六页，编辑于星期日：九点 二十八分。第7页/共43页第七页，编辑于星期日：九点 二十八分。Fdq33返回第8页/共43页第八页，编辑于星期日：九点 二十八分。UUqqCC,2,2UUqqCC2,21第9页/共43页第九页，编辑于星期日：九点 二十八分。dSCeeCQU 第10页/共43页第十页，编辑于星期日：九点 二十八分。Cc -连接电

4、缆的等效电容Ri -放大器的输入电阻 Ci -放大器的输入电容 Ra-压电传感器的泄漏电阻第11页/共43页第十一页，编辑于星期日：九点 二十八分。icCCCididRRRRR tsinFFmtsinCFdCFdCqUemee第12页/共43页第十二页，编辑于星期日：九点 二十八分。)(1CCRjRjFdeRCjRCjRCjRCjCjCFdUeei111111222)(1icemiCCCRRFdU)(2iceCCCRarctg第13页/共43页第十三页，编辑于星期日：九点 二十八分。时，1)(222iceCCCRicemiCCCFdU理想211)(11)(11iceCCCR)(iceCCCR2

5、22)(1)(iceiceiiCCCRCCCRUU理想222)(1icemiCCCRRFdU第14页/共43页第十四页，编辑于星期日：九点 二十八分。12arctg)(2iceCCCRarctg211)(1|理想iiUU1)(11iceCCCR)(iceCCCR第15页/共43页第十五页，编辑于星期日：九点 二十八分。01）（时）（31 , 31211,331理想时）（iiUU0第16页/共43页第十六页，编辑于星期日：九点 二十八分。ffCqUU0ficeCACCCAqU)1 (0fCqfCqUK10)(21cecHCCRfffLCRf21第17页/共43页第十七页，编辑于星期日：九点 二十

6、八分。第18页/共43页第十八页，编辑于星期日：九点 二十八分。Fdq11SPF第19页/共43页第十九页，编辑于星期日：九点 二十八分。第20页/共43页第二十页，编辑于星期日：九点 二十八分。第21页/共43页第二十一页，编辑于星期日：九点 二十八分。madFdqCdmaCqUmaF ma第22页/共43页第二十二页，编辑于星期日：九点 二十八分。第23页/共43页第二十三页，编辑于星期日：九点 二十八分。第24页/共43页第二十四页，编辑于星期日：九点 二十八分。第25页/共43页第二十五页，编辑于星期日：九点 二十八分。mMPa/01. 0第26页/共43页第二十六页，编辑于星期日：九

7、点 二十八分。vLlvf2第27页/共43页第二十七页，编辑于星期日：九点 二十八分。执行机构比较带通滤波放大传感器玻璃第28页/共43页第二十八页，编辑于星期日：九点 二十八分。返回1 1、了解石英及压电陶瓷材料的压电效应及特点；、了解石英及压电陶瓷材料的压电效应及特点；2、掌握压电式传感器电路的特点，分析电压前置放大器与电荷前置放大器的区别及特点；掌握压电式传感器电路的特点，分析电压前置放大器与电荷前置放大器的区别及特点；3 3、了解压电式传感器的应用；、了解压电式传感器的应用；第29页/共43页第二十九页，编辑于星期日：九点 二十八分。返回何谓压电效应?正压电效应传感器能否测静态信号?为

8、什么?石英晶体的压电效应有何特点?画图说明什么叫纵向压电效应?什么叫横向压电效应? 压电式传感器的前置放大器作用是什么?比较电压式和电荷式前置放大器各有何特点? 有一压电晶体，其面积S=3cm2，厚度t=0.3mm，在零度，x切型纵向石英晶体压电系数d11=2.3110-12CN。求受到压力p=10MPa作用时产生的电荷q及输出电压U0?第30页/共43页第三十页，编辑于星期日：九点 二十八分。晶体的压电效应 晶体压电效应的说明 当某些晶体沿一定方向伸长或压缩时,在其表面上会产生电荷(束缚电荷),这种效应称为压电效应。晶体的这一性质称为压电性。具有压电效应的晶体称为压电晶体。压电效应是可逆的,

9、即晶体在外电场的作用下要发生形变,这种效应称为反向压电效应。第31页/共43页第三十一页，编辑于星期日：九点 二十八分。 晶体的压电效应可用图来加以说明。图是说明晶体具有压电效应的示意图。一些晶体当不受外力作用时,晶体的正负电荷中心相重合,单位体积中的电矩(即极化强度)等于零,晶体对外不呈现极性,而在外力作用下晶体形变时,正负电荷的中心发生分离,这时单位体积的电矩不再等于零,晶体表现出极性。图6.1(b)中,另外一些晶体由于具有中心对称的结构,无论外力如何作用,晶体正负电荷的中心总是重合在一起,因此这些晶体不会出现压电效应。第32页/共43页第三十二页，编辑于星期日：九点 二十八分。 图 晶体

10、的压电效应(a)具有压电效应的晶体;(b)不具有压电效应的晶体 第33页/共43页第三十三页，编辑于星期日：九点 二十八分。 压电方程 晶体的压电效应是一种机电耦合效应。它是由力学量应力T和应变S与电学量电场强度E和电位移D之间互相耦合产生的。对于具有压电效应的晶体,不仅电学量E和D以及力学量T和S存在着直接的关系,同时还存在力学量和电学量之间的耦合效应。压电方程就是描写力学量间、电学量间以及力学量和电学量相互之间互相联系的关系式。实际上力学量和电学量之间的关系式还和热学量(温度和熵)有关。但对于较快的变化,例如声频或更高的频率,可认为是等熵(绝热)过程。下面的压电方程假定均适合绝热情况。对于

11、等温情况需另加说明。第34页/共43页第三十四页，编辑于星期日：九点 二十八分。 在电场强度、电位移和应力、应变这四组变量中,可以任选一组力学量和一组电学量作自变量,这就有四种情况,有四组压电方程。 (1)选取应变分量Sk和电位移分量Dj为独立变量,得到h型压电方程2,1,2,3,1,2,3,6DAhkkjhjiikkijjTc Sh Di jEh SDh k 第35页/共43页第三十五页，编辑于星期日：九点 二十八分。 式中,cDhk是电位移不变(恒电位移)时的弹性常数或开路弹性常数;Sij是应变不变(恒应变)时的介质隔离率(也称倒介电常数)或受夹介质隔离率;hjh、hik称为压电刚度常数,

12、简称压电常数。 (2)选取电场强度分量Ej和应力分量Tk为独立变量,得到d型压电方程 ,1,2,3,1,2,6EhhkkjhjTiikkijjSs Td Ei jDd TEh k第36页/共43页第三十六页，编辑于星期日：九点 二十八分。 式中,sEhk是恒电场下的柔性常数,也称短路柔性常数;Tij是恒应力下的介电常数,也称自由介电常数;djh、dik称为压电应变常数,简称压电常数。 (3)选取应力分量Tk与电位移Dj为独立变量,得到g型压电方程,1,2,3,1,2,6DhhkkjhjTiikkijjSs Tg Ei jEg TDh k 式中,sDhk是恒电位移下的柔性常数,或称开路柔性常数;

13、Tij是恒应力下介电隔离率,也称自由介电隔离率;gjh、gik称为压电电压常数,简称压电常数。第37页/共43页第三十七页，编辑于星期日：九点 二十八分。 (4)选取应变分量Sk与电场强度分量Ej为独立变量,得到e型压电方程,1,2,3,1,2,6EhhkkjhjSiikkijjTc Se Ei jDe Se Eh k 式中,cEhk是恒电场下的弹性常数,或称短路弹性常数;Sij是应变不变时的介电常数或称受夹介电常数;ejh、eik称为压电应力常数,简称压电常数。 第38页/共43页第三十八页，编辑于星期日：九点 二十八分。 在压电方程中,弹性常数、柔性常数各有36个,压电常数有18个,介电常

14、数、介电隔离率各有9个。由于晶体的对称性,独立的常数将有不同程度的减少。例如常用的压电材料,石英晶体和压电陶瓷的压电方程如下: 石英晶体属32点群(三角晶系),由其常数矩阵可写出其d型压电方程,即第39页/共43页第三十九页，编辑于星期日：九点 二十八分。111 1122133144111212 111 2133144111313 1132333414 11424441415445146142614511126112111 111 214422()2EEEEEEEEEEEEEEEEEEEESs Ts Ts Ts Td ESs Ts Ts Ts Td ESs Ts Ts TSs Ts Ts Ts ESs Ts Td ESs TssTd EDd Td Td T111214511 611233332TTTEDd Td TEDE (纵向振动) (横向振动) (轮廓切变) (轮廓切变) (厚度切变) 第40页/共43页第四十页，编辑于星期日：九点 二十八分。111 1122133144313212 111 2133313313 11323333334444152544515161112611551112154112331 131 23333332()EEEEEEEEEEEEEETTTSs Ts Ts Ts Td ESs Ts Ts Td ESs