第8章 压电式传感器（课件）- 《传感器与检测技术(第二版)》同步教学（重庆大学版）

1.掌握传感器工作原理——压电效应　　　 2.掌握压电传感器两种测量电路的特点 3.了解压电式传感器的应用 第八章 压电式传感器 传感器与检测技术 返回课程索引 压电式传感器的工作原理是利用某些物质(例如石英晶体）的压电效应, 既可以将机械能转变为电能，又能将电能转变成机械能，是可逆型换能器。 第八章 压电式传感器 压电传感器可以把力、压力、加速度等非电量转换成电量，它的优点是：频带宽、灵敏度高、工作可靠、测量范围广等。 常见的压电材料分为三类： 1)单晶压电晶体(如石英、酒石酸钾钠等) 2)多晶压电陶瓷(如钛酸钡、锆钛酸铅、铌镁酸铅等 ) 3)高分子材料(聚偏二氟乙烯(PVDF) )。 选用合适的压电材料是设计高性能传感器的关键。一般应考虑以下几个方面： 转换性能：具有较高的耦合系数或具有较大的压电常数； 机械性能：机械强度高、机械刚度大。以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率； 电性能：具有高的电阻率和大的介电常数，以期望减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性； 温度和湿度稳定性要好：较高的居里点、以期望得到宽的工作温度范围； 时间稳定性：压电特性不随时间蜕变。 第八章 压电式传感器 石英晶体 聚偏二氟乙烯 钛酸钡 8.1 压电材料与压电效应 压电材料(例如石英晶体），在受到外力作用的时候，不仅几何尺寸会发生变化， 而且内部会被极化，在晶体表面产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态；当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变；这种现象称为压电效应。 8.1 压电效应 与压电效应相反，如果将具有压电效应的物质置于电场中，其几何尺寸也发生变化，外电场撤离，变形也随着消失，这种由于外电场作用导致物体机械变形现象称为逆压电效应。 早在1680年人们就发现了石英晶体的压电效应，并于1948年制作出第一个石英传感器。 8.1 压电材料与压电效应 石英晶体的压电效应 石英晶体没有体积变形压电效应，但它具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。 石英压电晶片 石英晶体结构 理想的石英晶体为六棱柱，两端为对称的棱锥，共30个晶面。 纵轴z-z称作光轴，通过六棱柱棱线而垂直于光轴的轴线 x-x称作电轴，垂直于棱面的轴线y-y称作机械轴 7.1 压电材料与压电效应 光轴：无压电效应 电轴：最强压电效应 机械轴：最明显变形 通常从晶体上沿三轴线切下一个平行六面体切片，即其晶面分别平行z-z、y-y、x-x轴线 。切片在受到沿不同方向的作用力时，会产生不同的极化作用，主要的压电效应有纵向效应、横向效应和切向效应三种。 81 压电材料与压电效应 在每个石英晶体单元中，硅离子和氧离子构成如图所示六边形的形状。 石英晶体产生压电效应的物理过程 8.1 压电材料与压电效应 石英晶体 8.1 压电材料与压电效应 简化的石英晶体单元结构如图所示，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，此时电偶极矩的矢量和=0；当受X或Y轴方向外力时，沿受力轴方向发生形变，此时电偶极矩矢量和在受力轴方向上不为零，呈压电效应。 a)无受力情况 b)x轴受压 c)y轴受压 纵向压电效应：沿电轴(x轴)施加作用力，电荷出现在与x轴相垂直的表面上。产生的电荷量为： 其中，d11：纵向压电常数；Fx：作用力。 表面感生电荷的极性与力施加的方向有关 8.1 压电材料与压电效应 横向压电效应：沿机械轴( y 轴)施加作用力，电荷仍出现在与 x 轴相垂直的表面上。产生的电荷量为： 其中，d12：横向压电常数； Fy：作用力； sx、sy ：分别为与x 轴、y 轴相垂直的表面面积； a ：x轴方向厚度； b ：y轴方向长度。 感生电荷的极性与施力方向有关，电荷量与晶体尺寸有关。 8.1 压电材料与压电效应 根据石英晶体轴对称的条件，d12=d11，从而： 即横向压电效应产生的电荷与纵向压电效应产生的电荷极性相反，电荷量与晶体表面尺寸有关。 8.1 压电材料与压电效应 由多种材料经烧结合成，制作方便，成本低。原始压电陶瓷须经强电场极化处理后才具有压电性。压电陶瓷的压电常数一般比石英高数百倍。现代压电元件，大多采用压电陶瓷。 钛酸钡（BaTiO3） 碳酸钡BaCO3和二氧化钛TiO2 按1 ：1混合烧结 而成。压电常数约为石英的50倍，介电常数高(1200)，居里点约120