压电磁敏传感技术PPT课件

X切晶片 Y切晶片
厚度剪切变形(TS方式)
q2 d266 Y切晶片
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（四）弯曲变形(BS方式)
它不是基本变形方式， 而是拉、压、切应力 共问作用的结果。根 据具体俏况选择合适 的压电常数。
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三 等效电路与测量电路
压电式传感器的等效电路
压电元件两电极间的压电陶瓷或石英晶体为绝缘
体，因此可以构成一个电容器，晶体wenku.baidu.com聚集正负 电荷的两表面相当于电容的两个极板, 极板间物 质等效于一种介质, 则其电容量为：
即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时,
外电场去掉后, 电畴的极化方向基本不变, 即剩余极
化强度很大, 这时的材料具有压电特性。
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（ 2）压电陶瓷力与电荷的关系 当陶瓷材料受到外力作用时, 电畴的界限发生移 动, 电畴发生偏转, 从而引起剩余极化强度的变化, 因 而在垂直于极化方向的平面上将出现极化电荷的变化。 这种因受力而产生的由机械效应转变为电效应, 将机 械能转变为电能的现象, 就是压电陶瓷的正压电效应。
l
l
qx d12hFy d11hFy
式中: d12——y轴方向受力的压电系数, d12=－d11;
l、 h——晶体切片长度和厚度。 产生的电荷与几何尺寸有关。 压电效应为横向压电效应。
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压电效应的物理解释 石英晶体sio2，3个硅离子Si4+离子, 6个氧离子 O2-。两两成对。微观分子结构为一个正六边形。 垂直于X轴端面有无数个此分子结构。
第六章 压电磁敏传感技术
压电式传感器的工作原理是基于某些介 质材料(石英晶体和压电陶瓷）的压电效应。 是双向传感器。实现力与电荷的双向转换。
可测与力相关的物理量，如各种动态力、 机械冲击与振动。 在声学、 医学、力学、 宇航等方面都得到了非常广泛的应用。
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第一部分 压电传感器
一、 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, 其内部就产生极化现象（内部正负电荷中心相 对位移）, 同时在它的两个表面上便产生符号相反 的电荷, 当外力去掉后, 其又重新恢复到不带电状态， 这种现象称压电效应。当作用力方向改变时, 电荷 的极性也随之改变。 这种机械能转为电能的现象, 称为“正压电效应” 。
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当在电介质极化方向施加电场, 这些电介质也会产 生变形, 这种现象称为“逆压电效应”（电致伸缩效 应）。可将电能转换为机械能。具有压电效应的材料 称为压电材料, 压电材料能实现机—电能量的相互转 换。
+•
y
压电效应
_ 逆压电效应
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在自然界中大多数晶体具有压电效应, 但压电效应 十分微弱。随着对材料的深入研究, 发现石英晶体、 钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。
Ca
r0S
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压电元件受外力时，两表面产生等量的正 负电荷，压电元件的开路电压为：
Q U
Ca
压电传感器也可以 等效为一个电荷源 与一个电容并联。
(a)电荷源
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压电传感器也可以等效为一个与电容相串联的电压源。
电压源
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电压灵敏度与电荷灵敏度之间的关系为：
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力与电荷的关系
y 方向切下一块 如图 所示晶片, 当在电轴方向施加 作用力时, 在与电轴 x 垂直的平面上 将产生电荷, 其大小为
qx = d11 fx
式中: d11 ——x方向受力的压电系数;
fx——作用力
产生的电荷与几何尺寸无关。纵向
压电效应。
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沿机械轴y方向施加作用力fy, 则仍在与x轴垂直的平 面上产生电荷qx ,
在无外电场作用时, 电畴在晶体中杂乱分布, 它们的
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,
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②加电场
电畴方向发生转动, 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,
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明显呈现压电效应的敏感功能材料叫压电材料
压电材料可以分为两大类: 压电晶体和压电陶瓷 。 压电材料的主要特性参数有:
（1） 压电常数: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的灵敏度。
（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。
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（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。
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二 压电元件的常用结构形式
压电元件的基本变形
(一)厚度变形(TE方式) 石英晶体的纵向压电效 应，产生的表面电荷密 度为
q1 d111
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(二)长度变形(LE方式) 利用石英品体的横向压 电效应，表面电荷的计 算式为
q1 d122
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(三)面剪切变形(FS方式)
q1 d14 4 q 2 d 25 5
（4） 机械耦合系数：在压电效应中, 其值等于 转换输出能量（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。
（6） 居里点：压电材料开始丧失压电特性的温度 称为居里点。
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（1）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。 如图 a 所示。
P1+ P2+P3=0。正负电荷 中心重合，晶体垂直X轴
表面不产生电荷。呈中
性。
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（2）受x轴方向的压力作 用时, 晶体沿x方向将产生 压缩变形, 正负离子的相对 位置也随之变动。如图 （b） 所示, 此时正负电荷重心不 再重合, 电偶极矩在x方向 上的分量由于P1的减小和P2、 P3 的 增 加 而 不 等 于 零 , 即 （P1+P2+P3）< 0 。 在x轴 的正方向出现负电荷, 电偶 极矩在y方向上的分量仍为 零, 不出现电荷。
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（3）受到沿y轴方 向的压力作用时, 晶体的变形如图 （c）所示， P1增 大, P2、P3 减小。 在垂直于x轴正方 向出现正电荷, 在y 轴方向上不出现电 荷。
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多晶体的压电特性
（1）压电陶瓷的极化
①未加电场
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, 它有一定的极化 方向, 从而存在电场。