压电式传感器43822课件

第6章压电式传感器★

利用电介质受力变形，内部产生的极化现象★去掉外力后，电荷消失后状态复原★

作用力相反，电荷极性也发生变化逆压电效应： 当在电介质的极化方向上施加电场时，这些电介质发生形变。（电致伸缩效应）正压电效应：1/16/202312、压电效应方程应力

T1、T2、T3

轴向正应力（拉应力为正，压应力为负）T4、T5、T6绕轴切应力(逆时针方向为正)

σ1、σ2、σ3在垂直于xyz轴表面上的电荷密度1/16/20232单一应力作用下的压电效应dij为j方向应力引起i面产生的电荷时的压电常数单位：库仑/牛顿Tj－单位为帕σi－库仑/米2

单一作用力下的压电效应有以下四种类型1/16/20233在多应力下的压电效应电荷产生面i上的总电荷密度dij的可能值1/16/202353、力——电荷转换公式电荷产生面积Si电荷量Qi在j方向受力面积Sj在j方向受外力Fj

1/16/20236对于纵向压电效应对于横向压电效应i≠j1/16/20237石英晶体

石英晶体化学式为SiO2,是单晶体结构。图表示了天然结构的石英晶体外形。它是一个正六面体。1/16/20239Z轴为中轴（光轴）：光线沿该轴通过石英晶体无折射。x轴为电轴：压电效应最强。y轴为机械轴：在电场的作用下沿该轴产生机械变形最明显。1/16/202310Oyzxmmm压电常数矩阵d11=2.31×10-12(C/N)d14=0.74×10-12(C/N)石英晶体不是在任何方向都存在压电效应1/16/202311P1P2P3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°夹角的电偶极矩P1、P2、P3。如图所示。xy石英晶体压电模型1/16/202313P1P2P3

当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时,晶体沿x方向将产生压缩变形,正负离子的相对位置也随之变动。xy石英晶体压电模型1/16/202314P1P2P3

此时正负电荷重心不再重合,电偶极矩在x方向上的分量由于P1的减小和P2、P3的增加而不等于零xy石英晶体压电模型1/16/202315P1P2P3++++++++++++

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电偶极矩在x方向上的分量由于P1的减小和P2、P3的增加而不等于零,在x轴的正方向出现正电荷,电偶极矩在y方向上的分量仍为零,不出现电荷。xy石英晶体压电模型1/16/202317P1P2P3xy当晶体受到沿y轴方向的压力作用时,晶体的变形如图所示石英晶体压电模型1/16/202318P1P2P3xy石英晶体压电模型1/16/202319如果沿z轴方向施加作用力，因为晶体在x方向和y方向所产生的形变完全相同，所以正负电荷重心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。这表明沿z轴方向施加作用力，晶体不会产生压电效应。石英晶体压电模型1/16/202321

2、压电陶瓷

压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴,它有一定的极化方向,从而存在电场。在无外电场作用时,电畴在晶体中杂乱分布,它们的极化效应被相互抵消,压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性,不具有压电性质。1/16/202322压电陶瓷—极化处理后的人工多晶铁电体伸长剩余伸长极化前极化时极化后电畴无序排列电畴有序排列电畴基本有序1/16/202323当陶瓷材料（剩余极化很强）受到外力作用时,电畴的界限发生移动,电畴发生偏转,从而引起剩余极化强度的变化,因而在垂直于极化方向的平面上将出现极化电荷的变化。电荷量的大小与外力成正比关系:q=d33F式中:d33——压电陶瓷的压电系数;F——作用力。压电陶瓷的正压电效应：1/16/202325压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多（约为石英的50倍）,所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。极化处理后的压电陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温度有关,它的参数也随时间变化,从而使其压电特性减弱。温度稳定性和机械强度都不如石英。目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅,它是钛酸钡（BaTiO3)和锆酸铅（PbZrO3）组成，有较高的压电系数和较高的工作温度。1/16/202326演示1/16/202327三、压电元件1、等效电路压电元件的两电极间形成一个电容e—压电陶瓷或石英晶体的介电常数s—极板面积h—压电元件厚度当受外力作用时，产生电荷Q电荷等效：Q＝CaUa电压等效：1/16/202329↑QCaQ=CaUa↑Ua电荷等效电路电压等效电路当不受外力时Q＝0，Ua＝02、压电元件的串并联多片压电元件的组合1/16/202330＋＋＋＋－－－－＋＋＋＋－－－－＋＋＋＋－－－－1）串联

串联使压电传感器时间常数减小，电压灵敏度增大，适合于电压输出、高频信号测量场合。2）并联

并联使压电传感器时间常数增大，电荷灵敏度增大，适合于电荷输出、低频信号测量场合。＋＋＋＋－－－－－－－－

＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－1/16/202331四、测量电路1、压电传感的等效电路 测量电路需接一个高输入阻抗的前置放大电路。该放大器有电压放大器和电荷放大器。实际等效电路压电元件的Ca,Ra,电缆的Cc前置放大器的Ri,Ci1/16/202332可简化为定义电流2、电压放大器1/16/202333Z1＝R∥C＝电压放大增益输出电压1/16/202334：电荷灵敏度d因为所以转换灵敏度具有一阶高通滤波特性1/16/2023353、电荷放大器Z2＝RF∥CF＝减小零漂理想运放条件下，R和C两端电压均为0，I全部流过Z21/16/2023