传感器全套 PPT

6.3 压电传感器的结构和应用 进入
6.4 振动测量及频谱分析
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第一节 压电传感器的工作原理
压电式传感器的特点： 是一种自发电式传感器。它以某些电介质的 压电效应为基础，在外力作用下，在电介质表 面产生电荷，从而实现电量电测的目的。 压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最 终能变换为力的那些非电物理量，例如动态力、 动态压力、振动加速度等，但不体的化学式为SiO2，它的每个晶胞中有 3个硅离子和6个氧离子，一个硅离子和两个氧 离子交替排列（氧离子是成对出现的）。沿光 轴看去，可以认为是正六边形排列结构。在无 外力作用时，硅离子所带正电荷的等效中心与 氧离子所带负电荷的等效中心是重合的，整个 晶胞不呈现带电现象。
天然石英晶体外形
天然石英晶体外形（续）
天然石英晶体的结构及剖面
天然石英晶体的三个轴
在晶体学中，可用三根相互垂直的轴来表示。其中纵 向轴称为光轴，也称z轴，有折光效应，没有压电效应。
经过正六面体棱
线，并垂直于光轴
的轴线称为电轴，
也称x轴；经过正六
面体的棱面且垂直
于光轴的轴线称为
机械轴，也称y轴。
2020/6/10
受交变力时，产生交变电信号。
1－正电荷等效中心 2－负电荷等效中心
沿 y面受压力时,石英晶体的正负电荷中心也产生 分离, x面的上表面带负电,下表面带正电
Q
d11
l
Fy
y面受压力时的带电情况等效于沿x轴方向施拉力的 情况。但产生的电荷量可能比沿x轴方向施拉力时的 电荷量大几倍，视晶片的长度与宽度之比 l/δ的倍数 而不同。
石英的d11系数相对于20℃ 的d11温度变化特性
石英在高温下相对介电常数的 温度特性
石英晶体的切片
石英晶体片及封装
石英晶体薄片
双面镀银并封装
天然石英晶体的x、y轴向受力产生电荷比较
1.在晶体的弹性限度内，在x轴方向上施加压力
Fx时，在x面上产生的电荷为：Q=d11Fx 式中 的 d11称为压电常数。 2.在y轴方向施加压力Fy时，仍然在x面上产生 电荷：
1－正电荷等效中心 2－负电荷等效中心
晶体沿x面受压力时的带电情况分析
石英晶体的正负电荷中心分离，宏观上看， x面的上表面带正电，下表面带负电 Q=d11Fx
1－正电荷等效中心 2－负电荷等效中心
晶片沿x面受拉力时，或是所受压力消失后， 弹性体反弹时，也能导致石英晶体的正负电荷 中心分离, x面的上表面带负电,下表面带正电。
交变外力作用在压电元件上，可以产生交变的电荷Q，
在上下镀银的表面上产生交变电压。
产生的交变电荷的变化频率与交变力的频率相同， 等效于交变电荷源。
压电元件的等效电路
交变电荷源两端并联一个极间电容Ca和漏电电阻Ra 。 极间电容Ca约为1000pF数量级，与压电片的面积成
正比；漏电电阻Ra应大于1MΩ。
外力作用在压电元件上，虽然可以产生电荷Q，但在 上下镀银电极之间总是存在泄漏电阻Ra，电荷的保存 时间通常小于几秒,而且要求放大器的输入电阻Ri无 限大,因此压电式传感器不能用于静态力的测量。
逆压电效应
如果在压电材料的两个电极面上施加交流电 压，那么压电片能产生机械振动。即：压电片 在电极方向上有伸缩的现象，称为“电致伸缩 效应”，也叫做“逆压电效应”。
Q
d11
l
Fy
式中的 l、δ为石英 晶片的长度和厚度。
石英晶体 的压电效 应演示
当力的方向改变时，电荷的极性随之改变， 输出电压的频率与动态力的频率相同；当施加 静态力时，在初始瞬间，产生与力成正比的电 荷，但由于表面漏电，所产生的电荷很快泄漏， 并消失。
压电效应的微观分析
未受力时石英晶体的正负电荷中心重叠， 从宏观上看，整体不带电
l、δ、b分别为
石英晶片的长度、 厚度和高度。电 荷只产生在与x轴 垂直的x面的前后 两侧。
石英晶体的特性
石英（SiO2）是一种具有良好压电特性的压电晶体。 其介电常数和压电系数的温度稳定性相当好,在常温范 围内这两个参数几乎不随温度变化,如下两图。 在20～200℃范围内，温度每升高1℃，压电系数仅减 少0.016％。但是当到573℃时，它突然完全失去了压 电特性，这就是它的居里点。
机电类 《自动检测技术及应用》
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（共13章，第六章）
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第六章 压电传感器
本章介绍压电效应、逆压电效应及应用、 压电元件、等效电路、电荷放大器、压电 传感器的结构及应用，振动的基本概念、 振动传感器及振动频谱分析等。
第六章 压电传感器 目录
6.1 压电传感器的工作原理
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6.2 压电传感器的测量转换电路 进入
一、压电效应
天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，用金刚 石刀具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片受 到压力时，晶格产生变形，表面产生电荷，电 荷Q与所施加的力F成正比 ，这种现象称为压 电效应 。还有一些人造材料也具有压电效应。
若在电介质的极化方向上施加交变电压，它 就会产生机械变形。当去掉外加电场时，电介 质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应 （电致伸缩效应）。
沿 y面受拉力时,石英晶体的正负电荷中心也产生 分离, x面的上表面带正电,下表面带负电， 带电的方向与x面受压力时的情况相同
无论是沿x轴方向施加力，还是沿y轴方向施加力， 电荷只产生在x面上。光轴（z轴）方向受力时，由于 晶格的变形不会引起正负电荷中心的分离，所以不会 产生压电效应。
对压电元件施加交变力，产生交变电荷
逆压电效应示意图
实线代表未施加激励电压的形变前的状态 虚线代表在激励源的正半周，压电材料拉长形变后 的状态。 在激励源的负半周，压电材料压缩变形(未画出)。
鸣沙丘
清代诗人苏履吉赞颂鸣沙 “雷送余音声袅袅，风生细响语喁喁”
——鸣沙山上的逆压电效应
煤气灶上的点煤火气器灶压电点火器
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天然石英晶体的三个面
从石英晶体上切割出一块平行六面体的切片， 再进一步从该正六面体上切割出正方形薄片，就 是工业中常用的石英晶片。正方形薄片的6个面 分别垂直于光轴（z轴）、电轴（x轴）和机械轴 （y轴）。
石英晶体切片的三个面（续）
在x面的两个表面施加压力，在x面的上下表面 产生电荷； 在x面的两个表面施加压力，仍然只在x面产生 电荷。