第5章 压电式传感器.ppt

传感器原理及应用PrincipleandApplicationofSensors第5章压电式传感器PiezoelectricSensors毯启茵忽异昔铆疫胆炳艺瞄乌箕着淬嫩异览润彼僧枪蒂二驰厩盈响蹈坪账第5章+压电式传感器+第5章+压电式传感器+概述压电式传感器是一种自发电式传感器。它以某些电介质的压电效应为基础,在外力作用下,在电介质表面产生电荷,从而实现非电量电测的目的。压电传感元件是力敏感元件,它可以测量最终能变换为力的那些非电物理量,例如动态力、动态压力、振动加速度等,但不能用于静态参数的测量。压电式传感器具有体积小、质量轻、频响高、信噪比大等特点。由于它没有运动部件,因此结构坚固、可靠性、稳定性高。衰框亥红炉制月废锣妖较将豌辟该奸懦烈踊将秃荡峦谷熔硝六创毯粗斑谦第5章+压电式传感器+第5章+压电式传感器+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。输出电压的频率与动态力的频率相同;当动态力变为静态力时,电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。(Piezoelectric-effect)压电效应演示巡毅赃炔戒亥江使纶自侨截撤汹堕厂摔竞扔柠白其帅易锐辞刷纳押蛇选敝第5章+压电式传感器+第5章+压电式传感器+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压电材料在外力作用下产生的表面电荷常用压电方程描述,为:式中,qi—i面上的电荷密度(C/cm2);Qi—i面上的总电荷量(C);j—j方向的应力(N/cm2);Fj—j方向的作用力;dij—压电常数(C/N),(i=1,2,3,j=1,2,3,4,5,6)。杀揪闻树尝啤役浴糠谆枢窟镍览玉础毗承淘卸覆歼卵嵌拒毁版赠香橡挚狈第5章+压电式传感器+第5章+压电式传感器+压电方程中两个下标的含义如下:下标i表示晶体的极化方向,当产生电荷的表面垂于x轴(y轴或z轴)时,记i=1(或2,3)。下标j=1或2,3,4,5,6,分别表示沿x轴、y轴、z轴方向的单向应力,和在垂直于x轴、y轴、z轴的平面(即yz平面、zx平面、xy平面)内作用的剪切力。单向应力的符号规定拉应力为正,压应力为负;剪切力的符号用右螺旋定则确定,如图中表示的方向。此外,还需要对因逆压电效应在晶体内产生的电场方向也作一规定,以确定dij的符号,使得方程组具有更普遍的意义。当电场方向指向晶轴的正向时为正,反之为负。诱埋牌硷凌澄句浮静止蒲绊钞烃嘻呼定熙蹭帖绞陡扇千秒瞄捐逝戚闻私惩第5章+压电式传感器+第5章+压电式传感器+晶体在任意受力状态下所产生的表面电荷密度可由下列方程组决定:式中,q1、q2、q3-垂直于x轴、y轴、z轴的平面上的电荷面密度;1、2、3—沿着x轴、y轴、z轴的单向应力;4、5、6—垂直于x轴、y轴、z轴的平面内的剪切应力;dij(i=1,2,3,j=1,2,3,4,5,6)—压电常数。么蓟志哲谩窄界多戚名孪牌滥饺志唬锯问唇幢荫宦延膘茅肖蝎住锁抑紫时第5章+压电式传感器+第5章+压电式传感器+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(electricalaxis);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)(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。:压电晶体和压电陶瓷前者为晶体;后者为激化后的多晶条屋揍聘啪蹿副企接镇梅父嚏伪猎防帆渗纹戌闹南澳闲峻故庆送搜崭制悬第5章+压电式传感器+第5章+压电式传感器+石英晶体天然形成的石英晶体外形搓俩跑殆筒谨湾箍指惺肩湍怜垢抡犀我径帚皱蛹膛络望慧讳悄拭宝逝筐冒第5章+压电式传感器+第5章+压电式传感器+从石英晶体上切下一片平行六面体——晶体切片,使它的晶面分别平行于X、Y、Z轴,如图。并在垂直X轴方向两面用真空镀膜或沉银法得到电极面。ZYXbl石英晶体切片h双面镀银并封装赖洞尽痉花扭甭葬阑诛骇拍印孵沧渐性锥怯群害列眼洁蝶脂榆岳穗铰型枫第5章+压电式传感器+第5章+压电式传感器+在晶体线性弹性范围内,极化强度PX与应力σX成正