第6章 压电式传感器与动态检测（课件）- 《传感器与检测技术》同步教学（西安电子科大·2021）

【教学目标】 了解压电式传感器工作原理 熟悉压电式传感器测量电路 掌握压电式传感器测试应用 【教学重点】 压电式传感器测量电路 压电式传感器测试应用 【教学难点】 压电式传感器测量电路 第六章 压电式传感器与动态检测 【教学内容】 压电效应 正压电效应和逆压电效应 石英晶体的压电效应 压电陶瓷的压电效应 第六章 压电式传感器与动态检测 【教学内容】 压电材料及其特性 石英晶体 压电陶瓷 新型压电材料 第六章 压电式传感器与动态检测 【教学内容】 压电传感器测量电路 压电传感器等效电路 压电元件的串联和并联 基本测量电路 第六章 压电式传感器与动态检测 【教学内容】 压电传感器的应用 压电式动态力传感器 压电式加速度传感器 压电式压力传感器 压电式传感器的其他应用 第六章 压电式传感器与动态检测 6 6.1 压电效应 正压电效应和逆压电效应 石英晶体的压电效应 压电陶瓷的压电效应 1 正压电效应和逆压电效应 某些物质沿某一方向受到外力作用时，会产生变形，同时其内部产生极化现象，此时在这种材料的两个表面产生符号相反的电荷，当外力去掉后，它又重新恢复到不带电的状态，这种现象被称为压电效应。当作用力方向改变时，电荷极性也随之改变。这种机械能转化为电能的现象称为“正压电效应”或“顺压电效应”。反之，当在某些物质的极化方向上施加电场，这些材料在某一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。这种电能转化为机械能的现象称为“逆压电效应”或“电致伸缩效应”。 逆压电效应示意图 正压电效应示意图 2 石英晶体的压电效应 具有压电效应的物质很多，如石英晶体、压电陶瓷、压电半导体等。他们都具有较大的压电常数，机械性能良好，时间稳定性好，温度稳定性好等特性，所以是较理想的压电材料。由晶体学可知，无对称中心的晶体，通常具有压电性。具有压电性的单晶体统称为压电晶体。石英晶体是最典型而常用的压电晶体。 石英晶体外形图 石英晶体结构示意图 石英晶体压电效应示意图 石英晶体切片 若在同一切片上，沿机械轴y方向施加压力Fy，则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qy，其大小为 d12为y轴方向受力的压电系数，根据石英晶体轴对称条件：d11 = -d12，则： 石英晶体受力方向与电荷极性示意图 石英晶体的压电效应的特点： ① 当晶片受到x方向的压力作用时，q11只与作用力Fx成正比，而与晶片的几何尺寸无关； ② 沿机械轴y方向向晶片施加压力时，产生的电荷是与几何尺寸有关的； ③ 石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的； ④ 晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆压电效应； ⑤ 无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）与电荷（或电场强度）之间都呈线性关系。 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，电畴是分子自发形成的极化方向相同的小区域，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，它们各自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。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，在极化电场去除后，电畴基本上保持不变，留下了很强的剩余极化，如图6-9所示。 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，如图6-10所示，其电荷量 q与作用力Fz 成正比，即 式中： d33—— 压电陶瓷的压电系数； Fz——作用力。 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轴的上、下平面上分别出现正、负电荷，如图6-10所示，其电荷量q与作用力Fy、Fx也成正比，即 式中 ： A z——极化面面积； Ax、A y——受力面面积；d32、d31——压电陶瓷的横向压电系数。 22 6.2 压电材料及其特性 石英晶体 压电陶瓷 新型压电材料 压电材料的主要特性参数有： （1）压电常数。是衡量材料压电效应强弱的参数，它直接关系到压电输出灵敏度。 （2）弹性常数。压电材料的弹性常数（刚度）决定着压电器件的固有频率和动态特性。 （3）介电常数。对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容与介电常数有关，而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。 （4）机电耦合系数。它定义为：在压电效应中，转换输出的能量（如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根。它是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。 （5）电阻。压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏，从而改善压电传感器的低频特性