最新6压电式传感器 (2)

12.02.2021
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2、压电陶瓷
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。
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。
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y
y
Fx
正负电荷产生移动，出现带电现象。
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石英晶体压电模型
x y
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P1
P2
P3
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 。 如 图 所示。
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石英晶体压电模型
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2、等效电路
压电式传感器从功能上讲，是一个电荷发生器；从性质 上讲，又是一个有源电容器（晶体上聚集正负电荷的两表面 相当于电容的两个极板，极板间物质等效于介质），则其电 容量为：
x y
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P1
P2
P3
当石英晶体受 到沿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。
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石英晶体压电模型
x y
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P1
P2
P3
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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
的压电效应，即当施加力作用在压电材料上，传 感器就有电荷（或电压）输出。
电荷在无泄漏条件下才能保持，即需要测量
回路需要无限大的输入阻抗，但无法实现，所以 压电式传感器不能用于静态测量。只有在交变力 的作用下，电荷才可以得到不断补充，供给测量 回路能量，故适于动态测量（一般必须高于100Hz，但在 。 50kHz以上时，灵敏度下降）
Fz
Fx Fy
c
电轴x
机械y 轴 F x
Fy
a
b
Qx d11Fx
纵向压电效应
Qy d11 ab压F电y 系数横向压电效应
Qz 0
无压电效应
Fz
电荷Qx和Qy的符 号由受拉力还是
受压力决定
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石英晶体压电模型
不受力
晶体在x方向受力
Fx
x
晶体在y方向受力
x
Fy
Fy
正常情况下石 英体中正负电 荷处于平衡， 外部呈中性。
x y
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P1
P2
P3
当晶体受到 沿y轴方向的 压力作用时, 晶体的变形 如图所示
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石英晶体压电模型
+ + +++
P1
P2
P3
x
y
-----
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石英晶体压电模型
++++++++
P1
x y
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P2
P3
---------
P1增大, P2、 P3 减小。 在 x轴上出现电 荷, 它的极性 为x轴正向为 负电荷。 在y 轴方向上不 出现电荷。
q = d33 F 式中: d33—— 压电陶瓷的压电系数;
F——作用力。
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压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多, 所以采用压电 陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。
极化处理后的压电陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温 度有关, 它的参数也随时间变化, 从而使其压电特性减弱。
6压电式传感器 (2)
一、压电效应
正压电效应： ★ 利用电介质受力变形，内部产生的极化现象，产生电荷 ★ 去掉外力后，电荷消失，状态复原 ★ 作用力相反，电荷极性也发生变化
机械量
压电元件
电量
逆压电效应（电致伸缩效应）：
当在电介质的极化方向上施加电场时，这些电介质发 生形变。
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光z轴
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石英晶体压电模型
x y
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- --- - -
P1
P2
P3
在x轴的正方 向出现正电荷, 电偶极矩在y 方向上的分量 仍为零, 不出 现电荷。
+ + + +++
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石英晶体压电模型
------------
P1
P2
P3
x y
++++++++++++
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石英晶体压电模型
目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅, 它是钛酸钡 （BaTiO3)和锆酸铅（PbZrO3）组成，有较高的压电系 数和较高的工作温度。
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3、新型压电材料——压电聚合物PVDF
PVDF是一种有机高分子物性型敏感材料，其名称为聚偏 二氟乙烯。1969年由日本学者Kawai首先发现，具有很强 的压电特性。与微电子技术结合，能够制成多功能传感元 件；与压电陶瓷结合，开拓了复合材料的新领域。
优点：高灵敏度；韧性及加工性能好；声阻抗与人体肌肉 接近；频带宽；机械强度高；化学特性稳定。
应用：电声器件，可进行压力、加速度、温度、水声探测 等应用，在生物医学领域广泛应用。
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高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆
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三、压电式传感器
1、概述 压电式传感器的基本原理是利用压电材料
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石英晶体压电模型
当作用力Fx、Fy的方向相反时，电荷的极性 也随之改变，输出电压的频率与动态力的频 率相同。
当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏 电而很快泄漏、消失。
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。
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压电陶瓷及其换能器外形
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无铅压电陶瓷及其换能器外形
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压电陶瓷—极化处理后的人工多晶铁电体
极化前
极化时
极化后
电畴无序排列
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电畴有序排列 电畴基本有序
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压电陶瓷
•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。
•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, 这时的材料才具有压电特性。
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压电陶瓷的正压电效应：
•当陶瓷材料（剩余极化很强）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。 •电荷量的大小与外力成正比关系: