压电式传感器分析课件.pptx

压电式传感器;压电式传感器;第一章 概述;们发现了一些晶体在某一特定方向上受压时，在它们的表面上会出现正或负电荷，这些电荷与压力的大小成正比，而当压力排除之后电荷也消失。 1881年，他们发表了关于石英与电气石中压电效应的精确测量。 1882年，他们证实了李普曼(G．Lippmann)关于逆效应的预言：电场引起压电晶体产生微小的收缩。 利用压电现象，他们还设计了一种压电石英静电计——居里计。 这就是压电式传感器的理论基础;第二章 工作原理; 正压电效应是指：当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。 压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。 逆压电效应是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象，又称电致伸缩效应。压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型 5种基本形式。;压电晶体是各向异性的，并非所有晶体都能在这 5种状态下产生压电效应。例如石英晶体就没有体积变形压电效应，但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。 ;以石英晶体为例具体说明压电效应;把沿电轴(X轴)方向的作用力产生的 压电效应称为“纵向压电效应” 把沿机械轴(Y轴)方向的作用力产生 的压电效应称为“横向压电效应” 沿光轴(Z轴)方向的作用力不产生 压电效应 压电式传感器主要是利用纵向压电效应 ;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。 因为P = qL（q为电荷量，L为 正负电荷之间的距离），此时 正负电荷中心重合，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，呈电中性。 ;当晶体受到沿x方向的压力作用时，晶体沿x方向将产生收缩，正、负离子的相对位置随之发生变化。此时正、负电荷中心不再重合，电偶极矩P1减小，P2、P3增大，它们在x 方向上的分量不再等于零: (P1+P2+P3)x>0 在y、z方向上的分量为: (P1+P2+P3)y = 0 (P1+P2+P3)z= 0 ;当晶体受到沿x方向的拉力作用时，电偶极矩P1增大， P2、 P3减小，此时它们在x、y、z三个方向上的分量为 (P1 +P2 +P3) x<0 (P1+ P2+ P3)y =0 (P1 +P2 +P3)z =0 在x轴的正向出现负电荷，在y、z方向依然不出现电荷。 ;当晶体受到沿x(电轴)方向的力Fx 作用时，它在x方向产生正压电效应，而y、z方向则不产生压电效应。 晶体在y（即机械轴）方向的力 Fy作用下，在x方向产生正压电效应，在y、z方向同样不产生压电效应。 晶体在z轴方向受力Fz的作用时，因为晶体沿x方向和沿y方向所产生的正应变完全相同，所以，正、负电荷中心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。这就表明，在沿z(即光轴)方向的力Fz 作用下，晶体不产生压电效应。 ;2.2 压电材料;压电陶瓷 ;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。 ;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。;对于压电陶瓷，通常取它的极化方向为z轴，垂直于z轴的平面上任何直线都可作为x或y轴，这是和石英晶体的不同之处。当压电陶瓷在沿极化方向受力时，则在垂直于z轴的上、下两表面上将会出现电荷，其电荷量q与作用力Fz成正比，即;压电陶瓷在受到沿y方向的作用力Fy或沿x方向的作用力Fx时，在垂直于z轴