传感器原理8压电式传感器.ppt

电偶极矩在y方向上的分量仍为零, 不出现电荷。
(ppp) 0 1 2 3z
✓当作用力方向相反时, 电荷的极性也随之改变。
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受到Y方向的力—横向压电效应
(p 1p 2p 3)x 0 (p 1p 2p 3)y0 Y (p 1p 2p 3)z 0
✓当晶体受到沿y轴方向的压力作用时, P3 增大, P1、P2 减小。 ✓在垂直x轴表面上出现电荷, 它的极性为： x轴正向为负。 在y轴方向上不出现电荷。 ✓当作用力方向相反时, 电荷的极性也随之 改变。
•j(j=1,2,3,4,5,6):1，2，3表示沿x,y,z方向作用的单 向正应力；4，5，6表示在yz,zx,xy平面上承受的剪 切应力
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压电特性的矩阵表示
1
1 d11
2
d21
3 d31
d12 d22 d32
d13 d23 d33
d14 d24 d34
d15 d25 d35
➢逆压电效应：当在电介质极化方向施加电场时，电介
质在一定方向上产生机械变形，内部出现机械应力，这种 将电能转换成机械能的现象称“逆压电效应”,又称为电致 伸缩效应--驱动器。
极化面 F Q
F
机械能｛
压电效应及可逆性
逆压电效应 压电介质 正压电效应
｝电能
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压电传感器的特点
➢ 力敏感传感器，可测力、压力、加速度等 ➢ 双向有源传感器 ➢ 体积小、重量轻 ➢ 结构简单、工作可靠 ➢ 频带宽
X
+ P P+
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-P 3+
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受到Z方向的力—没有压电效应产生
X
-
Y
+ P2 P1 +
- P3
-
+
如果沿z轴方向施加作用力, 因为晶体在x方向和y方向所产生的形变完 全相同, 所以正负电荷重心保持重合, 电偶极矩矢量和等于零。这表明 沿z轴方向施加作用力, 晶体不会产生压电效应。
d16 d26 d36
5432
与磁电式传感器的比较：
1）磁电式速度传感器响应频率范围窄； 2）磁电式机械运动部件容易损坏； 3）磁电式传感器质量大，造成系统附加质量大。
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压力变送器部件
压电传感器的外形
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压力变送器
各种小巧的压力传感器
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一、石英晶体（SiO2)的压电效应
z
特点：
➢ 石英晶体是各向异性晶体
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压电陶瓷极化处理
E
✓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, 外电场去掉后, 电畴的极化方向变化 不大, 即剩余极化强度很大, 这时的材料才具有压电特性。
✓极化方向即外加电场方向，取为Z轴方向。
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压电效应演示
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三、压电常数和表面电荷计算
1、压电效应的表达式：
ij dij j
σj: j方向的应力
dij:j方向的力使得i面产生电荷的压电常数
ij:j方向的力在i面产生的电荷密度
q 电荷量： ij ijAi
✓压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。如 BaTiO3、PbTiO3、PbZrO3 。
✓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。
✓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, 不具有压电性质。
y
➢ 晶体分右（左）旋 x
➢ 外形规则
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石英晶体的三个晶轴
➢ 光学轴（基准轴，Z轴）：光沿该方向通过没有双 折射现象，该方向没有压电效应，光学方法确定。
➢ 电轴（X轴）：经过晶体棱线，垂直于该轴的表面 上压电效应最强。
➢ 机械轴（Y轴）：垂直于XZ面，在电场作用下， 该轴方向的机械变形最明显。
第八章 压电式传感器
研究内容：
➢压电效应 ➢压电材料 ➢压电传感器的等效电路与测量线路 ➢压电式传感器：
✓加速度传感器 ✓力传感器 ✓压力传感器
➢压电式传感器的误差分析
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§8.1 压电效应
➢顺压电效应：某些电介质，在受到一定方向的外力作
用而变形时，内部产生极化现象，而在其表面产生电荷， 当去掉外力后，又重新回到不带电状态，这种将机械能转 换成电能的现象，称为顺压电效应，又称为压电效应。
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ຫໍສະໝຸດ Baidu面积
z(3)
y(2)
z
(3)
(3 ) 3 5
6
i j = d i j j
i =1、2、3 j =1、2、3、4、5、6
4 (2) (2) y
2
x(1)
( 1)
x
(1)
1
X0°切型石英晶体切片的力 —— 电分布
•i(i=1,2,3):表示晶体的极化方向，即在i面上产生电 荷。1、2、3分别表示垂直于x、y、z轴的晶片表面
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石英晶体压电效应机理
L 2O2-
Si4+
电偶极矩P=qL, q为电荷量, L为正负电荷之间距离。
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X
-
Y
+ P2 P1 +
- P3
-
+
p1p2p30
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。此时正负电荷重心重合, 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, 即呈中性。
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受到X方向的力—纵向压电效应
X
-
Y
+ P2 P1 +
- P3
-
+
(p p p ) 0 1 2 3x
✓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。 此时正负电荷重心不再重合。
(p p p )0 1 2 3y
✓电偶极矩在x方向上的分量由于P3的减小和P1、 P2的增加而不等于零, 在x轴的正方向出现正电荷,
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受到三向等压力—没有压电效应产生
X
-
Y
+ P2 P1 +
- P3
-
+
如果沿x、y、z轴方向施加相同的作用力, 只有体积变化，没有形变， 正负电荷重心保持重合, 电偶极矩矢量和等于零， 晶体不会产生压电效 应，即没有体积变形的压电效应。
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二、压电陶瓷的压电效应