内蒙古大学传感器与检测技术讲义第5章压电式传感器
8页1、第五章 压电式传感器压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应,是典型的有源传感器。当某些材料受力作用而变形时,其表面会有电荷产生,从而实现非电量测量。压电式传感器具有体积小、重量轻、工作频带宽、灵敏度高、工作可靠、测量范围广等特点,因此在各种动态力、机械冲击与振动的测量,以及声学、医学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用。近年来,由于电子技术飞跃发展,以及低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现,使压电传感器使用更加方便,集成化、智能化的新型压电传感器也正在被开发出来。5.1 压电效应及压电材料图5-1 压电效应可逆性某些电介质,当沿着一定方向对其施力而使它变形时,其内部就产生极化现象,同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷;当外力去掉后,它又重新恢复到不带电状态,这种现象称为压电效应。当作用力方向改变时,电荷的极性也随之改变。有时人们把这种机械能转为电能的现象,称为“正压电效应”。相反,当在电介质极化方向施加电场,这些电介质也会产生变形,这种现象称为“逆压电效应”(电致伸缩效应)。具有压电效应的材料称为压电材料,压电材料能实现机电能量的相互转换,如图5-1所示。在自然界中
2、大多数晶体具有压电效应,但十分微弱。随着对材料的深入研究,发现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等是性能优良的压电材料。压电材料的主要特性参数有: 压电常数:是衡量材料压电效应强弱的参数,它直接关系到压电输出的灵敏度 弹性常数:压电材料的弹性常数、刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性 介电常数:对于一定形状、尺寸的压电元件,其固有电容与介电常数有关;而固有电容又影响着压电传感器的频率下限 机械耦合系数:在压电效应中,其值等于转换输出能量(如电能)与输入的能量(如机械能)之比的平方根;它是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数 电阻压电材料的绝缘电阻:将减少电荷泄漏,从而改善压电传感器的低频特性 居里点:压电材料开始丧失压电特性的温度称为居里点压电材料可以分为两大类,即压电晶体和压电陶瓷。前者为晶体,后者为极化处理的多晶体。它们都具有较大的压电常数,机械性能良好(强度高,固有振荡频率稳定),时间稳定性好,温度稳定性好等特性,所以是较理想的压电材料。1石英晶体石英晶体化学式为SiO2(二氧化硅),是单晶体结构。它的转换效率和转换精度高,线性范围宽,重复性好,固有频率高,动态特性好,工作温度高
3、达550(压电系数不随温度而改变),工作湿度高达100%,稳定性好。图5-2(a)表示了天然结构的石英晶体外形。它是一个正六面体。石英晶体各个方向的特性是不同的。其中纵向轴z称为光轴,经过六面体棱线并垂直于光轴的x轴称为电轴,与x和z轴同时垂直的轴y称为机械轴。通常把沿电轴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y方向的作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”。而沿光轴z方向受力时不产生压电效应。图5-2 石英晶体若从晶体上沿y方向切下一块如图5-2(c)所示晶片,当在电轴方向施加作用力Fx时,在与电轴x垂直的平面上将产生电荷Qx,其大小为 (5-1)式中,d11为x方向受力的压电系数;Fx为作用力。若在同一切片上,沿机械轴y方向施加作用力Fy,则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷Qy,其大小为 (5-2)式中,d12为y轴方向受力的压电系数,d12=-d11。电荷Qx和Qy的符号由所受力的性质决定。石英晶体的上述特性与其内部分子结构有关。图5-3所示的是一个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子,在垂直于z轴的xy平面上的投影,等效为一个正六边形排列。图中“
4、+”号代表Si4+离子,“-”号代表氧离子O2-。图5-3 石英晶体压电模型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3个互成120夹角的电偶极矩P1、P2、P3。因为P=qL,q为电荷量,L为正负电荷之间距离。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。当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时,晶体沿x轴方向将产生压缩变形,正、负离子的相对位置也随之变动。如图5-3(b)所示,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,即(P1+P2+P3)x 0。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。当晶体受到沿y轴方向的压力作用时,晶体的变形如图5-3(c)所示,与图5-3(b)情况相似,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。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
《内蒙古大学传感器与检测技术讲义第5章压电式传感器》由会员东***分享,可在线阅读,更多相关《内蒙古大学传感器与检测技术讲义第5章压电式传感器》请在金锄头文库上搜索。
幼儿园大班科学活动《智能留言机》课件
幼儿园大班语言绘本阅读《手电筒看见了什么》PPT
幼儿园小班科学《教宝宝认识动物》课件
幼儿园中班语言《灰狼家的小饭桶们》教案
【国家审计报告】审计报告W-06审计处罚决定书
【企业财务管理办法】会计档案管理办法
【员工主动离职-风险防范】劳动争议判决书
【员工被动离职-后续工作】70-070员工违反有关商业秘密的约定可以索赔吗
【员工被动离职-辞退申请】第六节 员工任免通知书
【员工被动离职-后续工作】70-050因员工的原因使服务期无法完成可以索赔吗
企业岗位管理制度12办公室行为规范
企业岗位管理制度30离职人员薪资发放通知单
幼儿园春游活动美丽的公园教案
呼职院电力机车制动机讲义11高速列车和重载列车制动
武理工《运输管理》教案第1章 运输系统
中海大海洋化学讲义02海洋的形成和海水的组成——兼论地球上水的起源、变迁和循环
武理工船舶柴油机习题库及答案04燃油喷射和燃烧
厦大海洋生态学课件07海洋初级生产力
华北理工水声学课件05声波在目标上的反射和散射-1目标强度及常见声纳目标的目标强度的一般特征
武理工船舶结构与设备课件02船体结构与管系-4专用船特殊船体结构特点
2023-11-03 2页
2022-03-25 21页
2022-03-25 18页
2022-03-25 20页
2022-03-25 9页
2022-03-25 4页
2022-03-25 8页
2022-03-25 7页
2022-03-25 4页