壓電式傳感器43822課件

第6章壓電式傳感器★

利用電介質(zhì)受力變形，內(nèi)部產(chǎn)生的極化現(xiàn)象★去掉外力后，電荷消失后狀態(tài)復(fù)原★

作用力相反，電荷極性也發(fā)生變化逆壓電效應(yīng)： 當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場時，這些電介質(zhì)發(fā)生形變。（電致伸縮效應(yīng)）正壓電效應(yīng)：1/16/202312、壓電效應(yīng)方程應(yīng)力

T1、T2、T3

軸向正應(yīng)力（拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)）T4、T5、T6繞軸切應(yīng)力(逆時針方向為正)

σ1、σ2、σ3在垂直于xyz軸表面上的電荷密度1/16/20232單一應(yīng)力作用下的壓電效應(yīng)dij為j方向應(yīng)力引起i面產(chǎn)生的電荷時的壓電常數(shù)單位：庫侖/牛頓Tj－單位為帕σi－庫侖/米2

單一作用力下的壓電效應(yīng)有以下四種類型1/16/20233在多應(yīng)力下的壓電效應(yīng)電荷產(chǎn)生面i上的總電荷密度dij的可能值1/16/202353、力——電荷轉(zhuǎn)換公式電荷產(chǎn)生面積Si電荷量Qi在j方向受力面積Sj在j方向受外力Fj

1/16/20236對于縱向壓電效應(yīng)對于橫向壓電效應(yīng)i≠j1/16/20237石英晶體

石英晶體化學(xué)式為SiO2,是單晶體結(jié)構(gòu)。圖表示了天然結(jié)構(gòu)的石英晶體外形。它是一個正六面體。1/16/20239Z軸為中軸（光軸）：光線沿該軸通過石英晶體無折射。x軸為電軸：壓電效應(yīng)最強。y軸為機(jī)械軸：在電場的作用下沿該軸產(chǎn)生機(jī)械變形最明顯。1/16/202310Oyzxmmm壓電常數(shù)矩陣d11=2.31×10-12(C/N)d14=0.74×10-12(C/N)石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應(yīng)1/16/202311P1P2P3當(dāng)石英晶體未受外力作用時,正、負(fù)離子正好分布在正六邊形的頂角上,形成三個互成120°夾角的電偶極矩P1、P2、P3。如圖所示。xy石英晶體壓電模型1/16/202313P1P2P3

當(dāng)石英晶體受到沿x軸方向的壓力作用時,晶體沿x方向?qū)a(chǎn)生壓縮變形,正負(fù)離子的相對位置也隨之變動。xy石英晶體壓電模型1/16/202314P1P2P3

此時正負(fù)電荷重心不再重合,電偶極矩在x方向上的分量由于P1的減小和P2、P3的增加而不等于零xy石英晶體壓電模型1/16/202315P1P2P3++++++++++++

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電偶極矩在x方向上的分量由于P1的減小和P2、P3的增加而不等于零,在x軸的正方向出現(xiàn)正電荷,電偶極矩在y方向上的分量仍為零,不出現(xiàn)電荷。xy石英晶體壓電模型1/16/202317P1P2P3xy當(dāng)晶體受到沿y軸方向的壓力作用時,晶體的變形如圖所示石英晶體壓電模型1/16/202318P1P2P3xy石英晶體壓電模型1/16/202319如果沿z軸方向施加作用力，因為晶體在x方向和y方向所產(chǎn)生的形變完全相同，所以正負(fù)電荷重心保持重合，電偶極矩矢量和等于零。這表明沿z軸方向施加作用力，晶體不會產(chǎn)生壓電效應(yīng)。石英晶體壓電模型1/16/202321

2、壓電陶瓷

壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。材料內(nèi)部的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇,它有一定的極化方向,從而存在電場。在無外電場作用時,電疇在晶體中雜亂分布,它們的極化效應(yīng)被相互抵消,壓電陶瓷內(nèi)極化強度為零。因此原始的壓電陶瓷呈中性,不具有壓電性質(zhì)。1/16/202322壓電陶瓷—極化處理后的人工多晶鐵電體伸長剩余伸長極化前極化時極化后電疇無序排列電疇有序排列電疇基本有序1/16/202323當(dāng)陶瓷材料（剩余極化很強）受到外力作用時,電疇的界限發(fā)生移動,電疇發(fā)生偏轉(zhuǎn),從而引起剩余極化強度的變化,因而在垂直于極化方向的平面上將出現(xiàn)極化電荷的變化。電荷量的大小與外力成正比關(guān)系:q=d33F式中:d33——壓電陶瓷的壓電系數(shù);F——作用力。壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)：1/16/202325壓電陶瓷的壓電系數(shù)比石英晶體的大得多（約為石英的50倍）,所以采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器的靈敏度較高。極化處理后的壓電陶瓷材料的剩余極化強度和特性與溫度有關(guān),它的參數(shù)也隨時間變化,從而使其壓電特性減弱。溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強度都不如石英。目前使用較多的壓電陶瓷材料是鋯鈦酸鉛,它是鈦酸鋇（BaTiO3)和鋯酸鉛（PbZrO3）組成，有較高的壓電系數(shù)和較高的工作溫度。1/16/202326演示1/16/202327三、壓電元件1、等效電路壓電元件的兩電極間形成一個電容e—壓電陶瓷或石英晶體的介電常數(shù)s—極板面積h—壓電元件厚度當(dāng)受外力作用時，產(chǎn)生電荷Q電荷等效：Q＝CaUa電壓等效：1/16/202329↑QCaQ=CaUa↑Ua電荷等效電路電壓等效電路當(dāng)不受外力時Q＝0，Ua＝02、壓電元件的串并聯(lián)多片壓電元件的組合1/16/202330＋＋＋＋－－－－＋＋＋＋－－－－＋＋＋＋－－－－1）串聯(lián)

串聯(lián)使壓電傳感器時間常數(shù)減小，電壓靈敏度增大，適合于電壓輸出、高頻信號測量場合。2）并聯(lián)

并聯(lián)使壓電傳感器時間常數(shù)增大，電荷靈敏度增大，適合于電荷輸出、低頻信號測量場合。＋＋＋＋－－－－－－－－

＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－1/16/202331四、測量電路1、壓電傳感的等效電路 測量電路需接一個高輸入阻抗的前置放大電路。該放大器有電壓放大器和電荷放大器。實際等效電路壓電元件的Ca,Ra,電纜的Cc前置放大器的Ri,Ci1/16/202332可簡化為定義電流2、電壓放大器1/16/202333Z1＝R∥C＝電壓放大增益輸出電壓1/16/202334：電荷靈敏度d因為所以轉(zhuǎn)換靈敏度具有一階高通濾波特性1/16/2023353、電荷放大器Z2＝RF∥CF＝減小零漂理想運放條件下，R和C兩端電壓均為0，I全部流過Z21/16/2023