《压电式传感器》课件

§6.1

压电效应

§6.2压电传感器的等效电路与测量电路

§6.3压电传感器的应用

第六章压电式传感器

2§6.1.1压电效应顺压电效应：一些电介质，在受到一定方向的外力作用而变形时，内部产生极化现象，而在其表面产生电荷。当去掉外力后，又重新回到不带电状态，这种将机械能转换成电能的现象，称为顺压电效应，又称为压电效应。逆压电效应：当在电介质极化方向施加电场时，电介质在一定方向上产生机械变形，内部出现机械应力，这种将电能转换成机械能的现象称“逆压电效应”,又称为电致伸缩效应。FF极化面Q压电介质机械能｛电能｝正压电效应逆压电效应压电效应及可逆性

36.1.2石英晶体的压电效应石英晶体是各向异性晶体外形规则xyz

4石英晶体的三个晶轴光学轴（基准轴，Z轴）：该方向没有压电效应。机械轴（Y轴）：垂直XZ面，在电场作用下，该轴方向的机械变形最明显。电轴（X轴）：经过晶体棱线，垂直于该轴的表面上压电效应最强。

5石英晶体的几何切型：在晶体坐标中取某一方位的切割

6几何切型的表示方法：切型代号：表示原始方位晶片旋转角：从正端看，逆时针为+，顺时针为-旋转轴：例如：（xytl)+50/(-500)

7石英晶体的基本切型X切族：厚度方向在x轴，长度方向平行于y轴Y切族：厚度方向在y轴，长度方向平行于x轴xyzzyx

8例1：（yxl)+35015’(AT切型）xyzy’z’

9例2（xytl)+50/(-500)(NT切型）：xyzy’z’x’’z’’

10石英晶体压电效应机理电偶极矩P=qL,q为电荷量,L为正负电荷之间距离。

11+++---XYP1P2P3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。此时正负电荷重心重合,电偶极矩的矢量和等于零,即P1+P2+P3=0,所以晶体表面不产生电荷,即呈中性。

12受到X方向的力—纵向压电效应+++---XYP1P2P3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。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P3的减小和P1、P2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。当作用力方向相反时,电荷的极性也随之改变。

13受到Y方向的力—横向压电效应+++---XYP1P2P3当晶体受到沿y轴方向的压力作用时,P3增大,P1、P2

减小。在垂直x轴表面上出现电荷,它的极性为x轴正向为负电荷。在y轴方向上不出现电荷。当作用力方向相反时,电荷的极性也随之改变。

14受到Z方向的力—没有压电效应产生+++---XYP1P2P3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。

16压电常数和表面电荷计算1、压电效应的表达式：Tj:j方向的应力dij:j方向的力使得i面产生电荷的压电常数σij:j方向的力在i面产生的电荷密度x(1)y(2)z(3)i(i=1,2,3):表示晶体的极化方向，即在i面上产生电荷。1、2、3分别表示垂直于x、y、z轴的晶片表面j(j=1,2,3,4,5,6):1，2，3表示沿x,y,z方向作用的单向应力；4，5，6表示在yz,zx,xy平面上承受的剪切应力X0°切型石英晶体切片的力——

电分布xzF3(σ1)F2F1F4F6F5(σ3)(σ2)(1)(3)(2)σij=dijFj

i=1、2、3j=1、2、3、4、5、6y

18压电特性的矩阵表示

19压电特性矩阵的说明：表示压电元件的能量转换方式dij的大小表示压电效应的强弱若矩阵中某一dij=0,则表示该方向上没有压电效应是选择转换元件、确定压电效应产生方向、转换效率的重要依据

202、石英晶体的压电常数和表面电荷计算

21㈠在x面上产生电荷：⑴在T1作用下，产生厚度变形（纵向压电效应）

22⑵在T2作用下，产生长度变形（横向压电效应）

23⑶在T3作用下，没有压电效应

24⑷在剪切应力T4、T5、T6作用下：

25在x面上产生电荷：

26㈡在y面上产生电荷

27㈢在Z面上产生电荷

28石英晶体的压电方程

306.1.3压电陶瓷的压电效应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。

31压电陶瓷极化处理在陶瓷上施加外电场时,电畴的极化方向发生转动,趋向于按外电场方向的排列,从而使材料得到极化。外电场愈强,就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度,即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时,外电场去掉后,电畴的极化方向基本不变,即剩余极化强度很大,这时的材料才具有压电特性。极化方向即外加电场方向，取为Z轴方向。E陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩的形式表现出来，即在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚电荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数量相等，它屏蔽和抵消了陶瓷片内极化强度对外界的作用。

陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图极化方向-----＋＋＋＋＋自由电荷束缚电荷电极电极-----＋＋＋＋＋正压电效应示意图F－＋-----＋＋＋＋＋-----＋＋＋＋＋极化方向如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F，陶瓷片将产生压缩形变。片内的正、负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。释放部分吸附在电极上的自由电荷，而出现放电现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状，极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。——正压电效应。若在片上加一个与极化方向相同的电场，电场的作用使极化强度增大。陶瓷片内的正、负束缚电荷之间距离也增大，即陶瓷片沿极化方向产生伸长形变。同理，如果外加电场的方向与极化方向相反，则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变。这种由于电效应而转变为机械效应，或者由电能转变为机械能的现象，就是压电陶瓷的逆压电效应。逆压电效应示意图Ｅ电场方向极化方向-----＋＋＋＋＋-----＋＋＋＋＋

35压电陶瓷压电方程

37§6.1.4压电材料压电晶体压电陶瓷高分子压电材料有天然也有人工的

382、石英晶体的主要性能具有实用价值的压电材料不需要人工极化没有热释电效应介电常数、压电常数的温度稳定性好居里点温度达：5730c压电材料开始丧失压电性能的温度性能稳定、机械强度高

39二、压电陶瓷钛酸钡（BaTiO3）：最早使用的压电陶瓷材料。它是由碳酸钡和二氧化钛按一定比例混合后烧结而成的。它的压电系数约为石英的50倍,但使用温度较低,最高只有70℃,温度稳定性和机械强度都不如石英。锆钛酸铅（PZT）：目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅（PZT系列）,它是钛酸钡（BaTiO3)和锆酸铅（PbZrO3）组成。它有较高的压电系数和较高的工作温度。性能远优于钛酸钡。铌酸锂单晶：

40三、聚偏二氟乙烯（PVF2)压电常数比PZT大十几倍柔性和加工性能好声阻抗与水、人体肌肉接近热稳定性好

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42§6.2.1压电传感器的等效电路由压电元件的工作原理可知,压电式传感器可以看作一个电荷发生器。同时,它也是一个电容器,晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板,极板间物质等效于一种介质,则其电容量为

A——压电片的面积;d——压电片的厚度;εr——压电材料的相对介电常数。

43电荷等效电路电压等效电路

44压电传感器的实际等效电路－压电传感器在实际使用时总要与测量仪器或测量电路相连接,因此还须考虑连接电缆的等效电容Cc,放大器的输入电Ri,输入电容Ci以及压电传感器的泄漏电阻Ra,

45§6.2.2测量电路

压电传感器本身的内阻抗很高,而输出能量较小,因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器，其作用为:一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗;二是放大传感器输出的微弱信号。

压电传感器的输出可以是电压信号,也可以是电荷信号,因此前置放大器也有两种形式:电压放大器和电荷放大器。一、电压放大器Ra:压电元件漏电阻Ce连接电缆电容Ri、Ci放大器输入阻抗、电容KUaCaRaCeCiRi

46KUaCaRC

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50理想情况下放大器输入电压幅值为：

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52φωτ00901.0UsrmUam0.51234

53讨论：ω=0（静态量）时，Usrm/Uam=0（输入电压为零）原因：由于等效电阻不可能无穷大，存在电荷泄漏，所以不能测量静态量ωτ>>3（高频情况），Usrm/Uam≈1，实际接近理想输入电压与作用力频率无关τ一定，ω越高，高频响应越好