第6章 压电传感器.ppt

气象接收及发射天线 振动压力传感器 6000m海底 浮标 深海地沟 压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用 压电式步态分析跑台 压电式纵跳 训练分析装置 压电传感器测量双腿跳的动态力 高分子压电材料的应用 玻璃打碎报警装置 将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到玻璃破碎时会发出的振动，并将电压信号传送给集中报警系统。 粘贴位置 主要内容： 1.压电效应（石英和压电陶瓷） 2.压电元件的等效电路 3.信号调解电路 4.应用 压电传感器 压电传感器是力敏感元件，将被测量力、压力、加速度等转换成压电器件的表面电荷量，以实现非电量的电测目的。它是一种典型的有源传感器（或发电型）。 1.压电效应 1）正压电效应 晶体（电介质）受到一定方向的机械外力作用时，其内部产生极化现象（类似于铁磁体的磁化现象），晶体的两个表面上产生符号相反的电荷。当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。 2)逆压电效应 在晶体（电介质）极化方向上施加外部电场，晶体（电介质）产生伸缩机械形变。当外电场消失，则晶体（电介质）的机械形变也消失。 2.石英晶体压电效应分析 1）石英晶体的压电效应分析 天然形成的石英晶体外形 理想石英晶体的外形 其中： X轴－电轴，经过六面体棱线 Y轴－机械轴，垂直于六面体棱面 Z轴－光轴，垂直于晶体截面且与X，Y轴垂直。 把沿电轴X－X方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”，而把沿机械轴Y－Y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”，沿光轴Z－Z方向受力则不产生压电效应。 Z Y X b l t 2）压电效应过程分析 石英晶体具有压电效应，是由其内部结构决定的。组成石英晶体的硅离子Si4+和氧离子O2-在Z平面投影，如图(a)。为讨论方便，将这些硅、氧离子等效为图(b)中正六边形排列，图中“＋”代表Si4+，“－”代表2O2-。 硅氧离子的排列示意图 X轴方向 a）当外力Fx=0时 三个大小相等，夹角120的正负电荷之间的电偶极距 合电偶极距为零，不呈现极性。 b)当X轴方向上加压力Fx0时（纵向压电效应） 在X轴的正方向出现正电 c)当X轴方向上加拉力Fx0时（纵向压电效应） 在X轴的正方向出现负电 在Y轴方向上加外力Fy时（横向压电效应） 在Z轴方向上加外力Fz时（无压电效应） 由于正负离子位置保持不变， ，所以不产生任何方向上的压电效应。 当Fy0时（拉力），效果如图b，与Fx0时候的情况类似； 当Fy0时（压力），效果如图c，与Fx0时候的情况类似； 3）电荷大小分析 a）在X轴方向上施加外力Fx时 X轴表面产生的电荷量 d11——压电系数，石英晶体 l、b——石英晶片的长度和宽度。 b) 同理在Y轴方向上加外力Fy时 X轴方向上表面产生的电荷 3.压电陶瓷材料的压电效应分析 压电陶瓷是属于铁电体一类物质，是人工制造的多晶体材料。具有类似铁磁体材料磁畴结构的电畴结构－即电畴特性。 1）电畴特性 是指材料分子自发形成分子团。 具有一定的极化方向，从而存在一定的电场，但是分子团的杂乱无章无规则排列，在无外加电场的作用下，呈中性。 2）极化过程 直流电场E 剩余极化强度 剩余伸长 电场作用下的伸长 (a)极化处理前 (b)极化处理中 (c)极化处理后 在电场的作用下，电畴分子团有规则排列（趋于外电场方向），从而使材料得到极化，图b所示。外电场去除后，其内部残存剩余极化强度图c所示。 压电陶瓷经过极化处理之后就具有一定的压电效应。 3）压电效应分析 ①在未受外力作用下 整个压电片如图 － － － － － － － － － － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ 自由电荷 束缚电荷 电极 电极 极化方向 陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图 因为残余极性强度产生正负束缚电荷，并且吸附了外界自由电荷起到屏蔽而抵消片内极化强度对外界的作用。 ②在外加与极化方向平行的压力F时 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ － － － － － － － － － － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ 极化方向 正压电效应示意图 F － ＋ 压电片将产生压缩形变，片内的正、负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。因此，原来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放，而出现放电荷现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状，片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。 ③逆压电效应 ： 电能 机械能 若在压电片上加一个与极化方向相同的电场。由于电场的方向与极化强度的方向相同