《壓電傳感器》ppt課件-文庫吧
2025-04-18 18:11 本頁面
【正文】 聚氯乙烯（ PVC） 等。 其中以 PVF2和 PVDF的壓電常數(shù)最高。有的材料可比壓電陶瓷高幾十倍。其輸出脈沖電壓高到可以直接驅(qū)動 CMOS集成門電路。 高分子壓電材料是一種 柔軟 的壓電材料，可根據(jù)需要制成薄膜或電纜套管等形狀。經(jīng)過 極化處理 后就顯現(xiàn)出壓電特性。它不易破碎，具有防水性，可以大量連續(xù)拉制，制成較大面積或較長的尺度，價(jià)格便宜；頻率響應(yīng)范圍較寬，可以從 109Hz，測量動態(tài)范圍可達(dá) 80dB。 因此在一些不要求測量精度的場合，例如 水聲測量、防盜、振動測量 等領(lǐng)域中獲得應(yīng)用。它的聲阻抗約為 ，與空氣的聲阻抗有較好的匹配，因而是很有希望的電聲材料。例如在它的兩側(cè)面施加高電壓音頻信號時(shí)，可以制成特大口徑的壁掛式低音喇叭。 高分子壓電材料的工作溫度一般低于 100℃ 。溫度升高 時(shí)，靈敏度將 降低 。它的機(jī)械強(qiáng)度不夠高，耐紫外線能力較差，不宜暴曬，以免老化。高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜壓電式腳踏報(bào)警器 高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭（逆壓電效應(yīng) ）壓電材料的壓電特性常用壓電方程來描述： qi= dij ?j 或 Q = dij F dij — 壓電常數(shù)（ C／ N），（ i = 1， 2， 3， j = 1， 2， 3， 4， 5， 6）；q — 電荷的表面密度（ C／ cm2），? — 單位面積上的作用力，即應(yīng)力（ N／ cm2）；Q — 總電荷量（ C）， F — 作用力 （ N） 。i — 晶體的 極化方向 。當(dāng)產(chǎn)生電荷的表面垂于x 軸（ y 軸或 z 軸）時(shí)，記為 i = 1（ 2 或 3）。j = 1， 2， 3， 4， 5， 6分別表示沿 x 軸、 y 軸、 z 軸方向的 單向應(yīng)力 和在垂直于 x 軸、 y 軸、 z 軸的平面 （即 yz 平面、 zx 平面、 xy 平面）內(nèi)作用的 剪切力 。三、壓電機(jī)理 單向應(yīng)力的符號規(guī)定拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)；剪切力的符號用右螺旋定則確定。圖中表示了它們的方向。另外，還需要對因逆壓電效應(yīng)在晶體內(nèi)產(chǎn)生的電場方向也作一規(guī)定，以確定 dij 的符號。當(dāng)電場方向指向晶軸的正向時(shí)為正，反之為負(fù)。 壓電材料的壓電特性可用它的壓電常數(shù)矩陣表示： 石英晶體是單晶體結(jié)構(gòu)，屬六角晶系，其形狀為六角形晶柱，兩端呈六棱錐形狀。共有 30個(gè)晶面，其中六個(gè) m 面（或稱柱面），六個(gè) R 面（或稱大棱面），六個(gè) r 面（或稱小棱面），還有六個(gè) s 面（棱界面）和六個(gè) x 面（棱角面）。 天然和人造石英的外形雖有不同，但是兩個(gè)晶面之間的夾角是相同的。 石英晶體各個(gè)方向的特性是不同的 。圖 61表示了天然結(jié)構(gòu)的石英晶體外形，它是六角形晶柱，在晶體學(xué)中可以用三根相互垂直的軸來表示。石英晶體各個(gè)方向的特性是不同的，其中縱向軸 z稱為 光軸 ，經(jīng)過六面體棱線并垂直于光軸的 x稱為 電軸 ，與 x和 z軸同時(shí)垂直的軸 y稱為 機(jī)械軸 。 圖 61 石英晶體(a) 晶體外形； (b) 切割方向； (c) 晶片 可以用 金剛石刀具 沿與 z軸垂直的方向，從圖 61a所示的石英晶體上切割出一塊正平行六面體的切片，如圖 61b所示，在進(jìn)一步從該六面體上切割出正方形薄片，如圖 61c所示，這就是工業(yè)中常用的石英晶片。通常把垂直于 x軸的表面稱為 x面 ，把垂直于 y軸的表面稱為 y面 。圖 61 石英晶體(a) 晶體外形； (b) 切割方向； (c) 晶片 當(dāng)晶體沿電軸（ x軸）方向受到 壓力 時(shí)，晶格產(chǎn)生變形，硅離子的正電荷中心上移，氧原子的負(fù)電荷中心下移，正負(fù)電荷中心分離，在晶體的 x面的后表面產(chǎn)生正電荷 ，前表面出現(xiàn)負(fù)電荷而形成電場。反之如果沿 x軸方向受到拉力作用時(shí)，情況恰好相反， x面的后表面將產(chǎn)生負(fù)電荷 ，前表面產(chǎn)生正電荷。如果受到的是交變力，則在 x面的前后表面將產(chǎn)生交變電場。如果在 x面得前后表面上鍍上銀電極，就能測出所產(chǎn)生電荷的大小。 ? 同樣，當(dāng)晶體的機(jī)械軸（ y軸）方向受到壓力時(shí)，也產(chǎn)生晶格變形，硅離子的正電荷中心下移，氧原子的負(fù)電荷中心上移，在 x面的后表面 產(chǎn)生負(fù)電荷，前表面產(chǎn)生正電荷，這個(gè)過程恰好與 x軸方向受壓力時(shí)所產(chǎn)生的電場方向相反。 圖 63晶體切片上電荷極性與受力方向的關(guān)系 ?(a) X軸方向受壓力；（ b） X軸方向受拉力；(c) Y軸方向受壓力； (d) Y軸方向受拉力 從上述分析可知，無論沿 x軸方向還是 y軸方向施力， 電荷只產(chǎn)生在 x面上 。 光軸（ z軸） 方向受力時(shí)，由于晶格變化不會引起正負(fù)電荷中心的分離，所以 不會產(chǎn)生壓電效應(yīng) 。 沿 x軸施加力，而在垂直于 x軸晶面上產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象，稱為 “縱向壓電效應(yīng) ” 沿 y軸施加力，而在垂直于 x軸的晶面上產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象，稱為 “橫向壓電效應(yīng) ”。 在晶體彈性限度內(nèi)，在電軸（ x軸）方向施加 壓力 Fx時(shí)，在與電軸 x垂直的平面上將產(chǎn)生電荷， 其大小為 () 式中 , d11為 x方向受力的壓電系數(shù)。 ? 若在同一切片上，沿機(jī)械軸 y方向施加 壓力 Fy， 則仍在與 x軸垂直的 平面上產(chǎn)生電荷 qy， 其大小為 () 式中： d12—— y軸方向受力的壓電系數(shù)，根據(jù)石英晶體的對稱性， 有 d12=d11； a、 b—— 晶體切片的長度和厚度。 由式 ，沿機(jī)械軸方向向晶片施加壓力時(shí)，產(chǎn)生的電荷與幾何尺寸有關(guān)。 電荷 qx和 qy的符號由受壓力還是受拉力決定。 壓電陶瓷是人工多晶體（無數(shù)微細(xì)的單晶組成）， 它的壓電機(jī)理與石英晶體不同 。壓電陶瓷材料內(nèi)的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇。極化處理以前，各電疇任意方向無序排列，自發(fā)極化的作用相互抵消，陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零。此時(shí)壓電陶瓷呈電中性，不具有壓電性質(zhì)。 未極化 正在極化
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