压电式传感器ppt.

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TiO2二者在高温下合成的。具有较高的压电系数和介电 常数。但它的居里点较低,为120℃,此外机械强度不 如石英。 2 ) 锆 钛 酸 铅 系 压 电 陶 瓷 ( PZT) 高的压电系数和居里点(300℃以上)。 锆钛酸铅是
PbTiO3 和 PbZrO3 组成的固溶体 Pb(Zr· Ti)O2。它具有较
5. 压电半导体
有些晶体既具有半导体特性又同时具有压电性能,如
ZnS、CaS、GaAs等。因此既可利用它的压电特性研制传 感器,又可利用半导体特性以微电子技术制成电子器件。
6.2.1.6 高分子压电材料
某些合成高分子聚合物薄膜经延展拉伸和电场极化后, 有一定的压电性能,这就是高分子压电薄膜。目前出现的 压电薄膜有聚二氟乙烯PVF2、聚氟乙烯PVF、聚氯乙烯 PVC、聚γ甲基-L谷氨酸脂PMG等。这是一种柔软的压电 材料,不易破碎,可以大量生产和制成较大的面积。
石英晶片受压力或拉力时,电荷的极性如下图所示。
石英晶体的每一个晶体单元中,有三个硅离子和六 个氧离子,正负离子分布在正六边形的顶角上,如下 图所示。当作用力为零时,正负电荷相互平衡,所以 外部没有带电现象,而受力后破坏了平衡,就带电了。
6.1.3 压电陶瓷的压电效应 压电陶瓷在一定的温度条件下,对压电陶瓷进行极 化处理,即以强电场使电畴规则排列,这时压电陶瓷就 具有了压电性,在极化电场去除后,电畴基本上保持不 变,留下了很强的剩余极化,如下图所示。
直流电桥 剩 余 极 化
剩余伸长
伸长
对于压电陶瓷,通常取它的极化方向为Z轴。当压电
陶瓷在沿极化方向受力时,则在垂直于Z轴的表面上
将会出现电荷,下左图,其电荷量q与作用力F成正 比,即:q= dzzF ,下右图为:
AX AX q d ZY F d ZX F AY AY
+ + + - - -
到573℃时,它将完全丧失压电性质。它有很大的机 械强度和稳定的机械性能,没有热释电效应,但灵
敏度很低,介电常数小,因此逐渐被其他压电材料
所代替。
2.水溶性压电晶体 这类压电晶体有酒石酸钾钠 (NaKC4H4O64H20)、
硫酸锂 (Li2SO4H2O)、磷酸二氢钾 (KH2PO4) 等。水溶
性压电晶体具有较高的压电灵敏度和介电常数,但 易于受潮,机械强度也较低,只适用于室温和湿度
6.2.2 压电元件的结构型式 在压电式传感器中,常用两片或多片组合在一起使 用。由于压电材料是有极性的,因此接法也有两种,如 下图所示。图a为并联 接法,其输出电容C' 为单片的n倍,即 C'=nC, U'=U,Q'=nQ。 图中b为串联接法, 这时有Q'=Q, U'= nU,C'=C/n。 a) b)
作温度范围。
5) 压电特性不随时间蜕变,有较好的时间稳定性。
1.石英晶体 石英晶体有天然和人工培养两种类型。人工培
养的石英晶体的物理+化学性质几乎与天然石英晶体
无多大区别,因此目前广泛应用成本较低的人造石 英晶体。它在几百摄氏度的温度范围内,压电、系
数不随温度而变化。石英晶体的居里点为573℃,即
低的环境下。
3.铌酸锂晶体 铌酸锂是一种透明单晶,熔点为 1250 ℃,居里 点为 1210 ℃。它具有良好的压电性能和时间稳定性, 在耐高温传感器上有广泛的前途。
4.压电陶瓷
这是一种应用最普遍的压电材料,压电陶瓷具有
烧制方便、耐湿、耐高温、易于成形等特点。
1) 钛酸钡压电陶瓷 钛酸钡(BaTiO3)是由BaCO3和
3) 铌酸盐系压电陶瓷 于水声传感器中。
钽铌酸铅具有很高的居里
点和较低的介电常数。铌酸钾的居里点为435C,常用
4 ) 铌 镁 酸 铅 压 电 陶 瓷 ( PMN) 具有较高的压
这是一种由
Pb(MgNb)O3、PbTiO3、PbZrO3 组成的三元系陶瓷。它 电系数和居里点,能够在较高的压 力下工作,适合作为高温下的力传感器。
qxx=dxxFx
横向压电效应产生的电荷为
q XY d XY
a FY b
根据石英晶体的对称条件dXY=dXX,所以
q XY d XX
a FY b
由上式可以看出,沿机械轴方向向晶片施加压力时, 产生的电荷是与几何尺寸有关的,式中的负号表示沿
Y轴的压力产生的电荷与沿X轴施加压力所产生的电
荷极性是相反的。
压力、加速度等。 压电式传感器具有体积小、重量轻、频带宽、 灵敏度高等优点。近年来压电测试技术发展迅速, 特别是电子技术的迅速发展,使压电式传感器的 应用越来越广泛。
6.1 基本原理分析
6.1.1 压电效应
某些晶体,在一定方向受到外力作用时,内部
将产生极化现象,相应地在晶体的两个表面产生符
号相反的电荷;当外力作用除去时,又恢复到不带 电状态。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。具有压电效应的物
质很多,如石英晶体、压电陶瓷、压电半导体等。
6.1.2 石英晶体的压电效应 石英晶体是一种应用广泛的压电晶体。它是二氧
化硅单晶,属于六角晶系。图6.1.1是天然石英晶体的
外形图,它为规则的六角棱柱体。石英晶体有三个晶 轴:Z轴又称光轴,它与晶体的纵轴线方向一致;X轴
又称电轴,它通过六面体相对的两个棱线并垂直于光
轴;y轴又称机械轴,它垂直于两个相对的晶柱棱面。
从晶体上沿 XYZ 轴线切下一片平行六面体的薄片称
为晶体切片。当沿着 X 轴对压电晶片施加力时,将在垂 直于 X轴的表面上产生电荷,这种现象称为纵向压电效 应。沿着y轴施加力的作用时,电荷仍出现在与X轴垂直 的表面上,这称之为横向压电效应。当沿着 Z轴方向受 力时不产生压电效应。 纵向压电效应产生的电荷为
第6章 压电式传感器
本章的主要内容有 1.压电式传感器的结构原理; 2.压电式传感器的测量电路; 3.压电式传感器的典型应用;
通过学习应掌握压电式传感器的性能特点 及其基本应用方法。
压电式传感器是以某些晶体受力后在其表面 产生电荷的压电效应为转换原理的传感器。它可
以测量最终能变换为力的各种物理量,例如力、
+ + + - - -
- - + + +
6.2 压电材料及压电元件的结构 6.2.1 压压电常数。 2) 压电元件的机械强度高、刚度大并具有较高的固 有振动频率。 3) 具有高的电阻率和较大的介电常数。 4) 具有较高的居里点。居里点高可以得到较宽的工
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