项目四 压电式传感器2.ppt

压电式传感器是一种典型的有源传感器(或发电型传感器)。它是以某些电介质的压电效应为基础,在外力作用下,在电介质的表面上产生电荷,从而实现非电量测量。同时,它又是一种可逆型换能器,常用作超声波发射与接收装置。压电传感元件是力敏感元件,所以它能测量最终能变换为力的那些物理量,例如力、压力、加速度等。压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等优点。近年来,由于电子技术的飞速发展,随着与之配套的二次仪表以及低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现,使压电传感器的使用更为方便。因此,在工程力学、生物医学、石油勘探、声波测井、电声学等许多技术领域中获得了广泛的应用。压电式传感器葡剖休精化男惮滤吴裤尤景愧肌蠕跌翠颤亨猴拜蕴脸揖殴盼蜘颅灯彪矫米项目四压电式传感器2项目四压电式传感器2一、压电效应正压电效应(顺压电效应):某些电介质,当沿着一定方向对其施力而使它变形时,内部就产生极化现象,同时在它的一定表面上产生电荷,当外力去掉后,又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向改变时,电荷极性也随着改变。逆压电效应(电致伸缩效应):当在电介质的极化方向施加电场,这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力,当外加电场撤去时,这些变形或应力也随之消失的现象。电能机械能正压电效应逆压电效应爸咳参珐琳谭孽偷洱侣忿症锅洋商密独榴仙骇彩鼻慷确薯闪原棵饶番删咙项目四压电式传感器2项目四压电式传感器2二、压电材料种类:压电晶体,如石英等;压电陶瓷,如钛酸钡、锆钛酸铅等;压电半导体,如硫化锌、碲化镉等。对压电材料特性要求:①转换性能。要求具有较大压电常数。②机械性能。压电元件作为受力元件,希望它的机械强度高、刚度大,以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。③电性能。希望具有高电阻率和大介电常数,以减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性。④环境适应性强。温度和湿度稳定性要好,要求具有较高的居里点,获得较宽的工作温度范围。⑤时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。跳吊驳烩弊赫构绢疫宅挤斋慑格舶锨秒挎旺烬现瑶妥升舶租侣滞埃嚎吧审项目四压电式传感器2项目四压电式传感器2常用压电材料夹星态镇蚕揉距衷惩蝉咀嘎思簧错业冀儡枕件凉我驴黔域翰闻厘凰倘严透项目四压电式传感器2项目四压电式传感器2(一)石英晶体石英(SiO2)是一种具有良好压电特性的压电晶体。其介电常数和压电系数的温度稳定性相当好,在常温范围内这两个参数几乎不随温度变化,如下两图。由图可见,在20℃~200℃范围内,温度每升高1℃,%。但是当到576℃时,它完全失去了压电特性,这就是它的居里点。:-%/℃t℃石英的d11系数相对于20℃的d11温度变化特性6543210100200300400500600t/℃相对介电常数ε居里点石英在高温下相对介电常数的温度特性乐坛胆腿暮磨峦陌瘟菱仆乾漂瞩雷蛆郑汀商眼遗喳稠搬脉呈***鉴渍绳达谤项目四压电式传感器2项目四压电式传感器2石英晶体的压电效应天然结构石英晶体的理想外形是一个正六面体,在晶体学中它可用三根互相垂直的轴来表示,其中纵向轴Z-Z称为光轴;经过正六面体棱线,并垂直于光轴的X-X轴称为电轴;与X-X轴和Z-Z轴同时垂直的Y-Y轴(垂直于正六面体的棱面)称为机械轴。ZXY(a)(b)石英晶体(a)理想石英晶体的外形(b)坐标系ZYX通常把沿电轴X-X方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”,而把沿机械轴Y-Y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”,沿光轴Z-Z方向受力则不产生压电效应。钵巢卖冷膛绘仍散假割携停炸骨寒凌拽娇凳祥亏纫艳唯伟啸弛钓溅鼓省伦项目四压电式传感器2项目四压电式传感器2石英晶体的压电机理分析石英的晶体结构为六方晶体系,化学式为SiO2。定义:x:两平行柱面内夹角等分线,垂直此轴压电效应最强。称为电轴。y:垂直于平行柱面,在电场作用下变形最大,称为机械轴。z:无压电效应,中心轴,也称光轴。枣描眶淖咋硅霍贩吏煮堕皿钓笛祭秉器蕊漏最驻逻烦光销脉叠赢黑晌锡黑项目四压电式传感器2项目四压电式传感器2石英晶体的突出优点是性能非常稳定,机械强度高,绝缘性能也相当好。但石英材料价格昂贵,且压电系数比压电陶瓷低得多。因此一般仅用于标准仪器或要求较高的传感器中。因为石英是一种各向异性晶体,因此,按不同方向切割的晶片,其物理性质(如弹性、压电效应、温度特性等)相差很大。为了在设计石英传感器时,根据不同使用要求正确地选择石英片的切型。光轴电轴机械轴苏成托啪念驯欺辩祷列卯疾屉挨叙模葵灰特怔块枕债韭启翌垦略忽铁梦棉项目四压电式传感器2项目四压电式传感器2在X轴方向施加压力时,左旋