壓電傳感器ppt課件(2)(已修改)
2025-01-26 10:42 本頁(yè)面
【正文】 第 5章 壓電式傳感器 壓電效應(yīng)及壓電材料 壓電式傳感器等效電路及測(cè)量電路 壓電式傳感器的應(yīng)用 2 某些物質(zhì)沿 某一方向 受到外力作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生 變形 ，同時(shí)其內(nèi)部產(chǎn)生 極化 現(xiàn)象，此時(shí)在這種 材料的兩個(gè)表面產(chǎn)生符號(hào)相反的 電荷 ，當(dāng)外力 去掉后，它又重新恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種 現(xiàn)象被稱為 壓電效應(yīng) 。當(dāng)作用力方向改變時(shí)， 電荷極性也隨之改變。這種 機(jī)械能 轉(zhuǎn)化為 電能 的 現(xiàn)象稱為“正壓電效應(yīng)”或“順壓電效應(yīng)”。 壓電效應(yīng)及壓電材料 壓電效應(yīng) 3 反之，當(dāng)在某些物質(zhì)的極化方向上 施加電場(chǎng) ，這些材料在某一方向上產(chǎn)生 機(jī)械變形 或 機(jī)械壓力 ；當(dāng)外加電場(chǎng)撤去時(shí)，這些變形或應(yīng)力也隨之消失。這種 電能 轉(zhuǎn)化為 機(jī)械能 的現(xiàn)象稱為“ 逆壓電效應(yīng) ” 。 壓電效應(yīng)的可逆性 逆壓電效應(yīng) 電能 機(jī)械能 正壓電效應(yīng) 4 電致收縮效應(yīng) 電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下，會(huì)由于極化而引起與電場(chǎng)方向無關(guān)的的變形現(xiàn)象， 與逆壓電效應(yīng)都是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的效應(yīng) 。 兩者區(qū)別 在于：電致收縮效應(yīng)與電場(chǎng)方向無關(guān)，其形變與電場(chǎng)強(qiáng)度平方成正比；而逆壓電效應(yīng)與電場(chǎng)方向有關(guān)，其形變與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比，當(dāng)外加電場(chǎng)反向時(shí)，產(chǎn)生形變也反向。 5 壓電材料的分類 壓電材料 壓電半導(dǎo)體 有機(jī)高分子壓電材料 壓電晶體 壓電材料 壓電陶瓷 新型壓電材料 6 ① 壓電常數(shù) : 壓電常數(shù)是衡量材料壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù) ， 它直接關(guān)系到壓電輸出靈敏度 。 壓電材料的主要特性參數(shù) ③ 介電常數(shù) : 對(duì)于一定形狀、尺寸的壓電元件，其固有 電容與介電常數(shù)有關(guān) ② 彈性常數(shù) : 壓電材料的彈性常數(shù)、剛度決定著壓電器 件的固有頻率和動(dòng)態(tài)特性。 7 ④ 機(jī)械耦合系數(shù) ：轉(zhuǎn)換輸出能量（如電能）與輸入 的能量（如機(jī)械能）之比的平方根。 ⑤ 電阻 : 壓電材料的絕緣電阻將減少電荷泄漏，從而 改善壓電傳感器的低頻特性。 ⑥ 居里點(diǎn)溫度 : 它是指壓電材料開始喪失壓電特性 的溫度。 8 壓電晶體 優(yōu)點(diǎn)： 轉(zhuǎn)換效率和轉(zhuǎn)換精度高 、 線性范圍寬 、 重復(fù)性好 、 固有頻率高 、 動(dòng)態(tài)特性好 、 工作溫度高達(dá)550℃ （ 壓電系數(shù)不隨溫度而改變 ） 、 工作濕度高達(dá) 100%、 穩(wěn)定性好 。 石英晶體化學(xué)式為 SiO2，是單晶體結(jié)構(gòu) 壓電系數(shù) d11＝ 1012 C/N； 機(jī)械強(qiáng)度與品質(zhì)因素高； 居里點(diǎn)為 573℃ . 9 石 英 晶 體 按特定方向切片 人工合成水晶 10 這一類包括單晶體包括酒石酸鉀鈉、磷酸二氫鉀、磷酸二氫銨、砷酸二氫鉀、砷酸二氫銨、鈮酸鋰。 優(yōu)點(diǎn)： 壓電靈敏度較高，高溫強(qiáng)輻射條件下工作性能穩(wěn)定 缺點(diǎn)： 易于受潮，質(zhì)地脆，機(jī)械強(qiáng)度低，電阻也較低 水溶性壓電晶體 11 常見壓電陶瓷 ： （ 1） 鈦酸鋇 （ BaTiO3） 壓電陶瓷 具有較高的壓電系數(shù)和介電常數(shù) ， 機(jī)械強(qiáng)度不如石英 。 （ 2） 鋯鈦酸鉛 Pb（ ZrTi） O3系壓電陶瓷 （ PZT） 壓電系數(shù)較高 ， 各項(xiàng)機(jī)電參數(shù)隨溫度 、 時(shí)間等外界條件的 變化小 ， 在鋯鈦酸鉛的基方中添加一兩種微量元素 ， 可以獲得不 同性能的 PZT材料 。 （ 3） 鈮鎂酸鉛 Pb(MgNb)O3PbTiO3PbZrO3壓電陶瓷 （ PMN） 具有較高的壓電系數(shù) ， 在壓力大至 700kg/cm2仍能繼續(xù)工 作 ， 可作為高溫下的力傳感器 。 12 新型壓電材料 ? 壓電半導(dǎo)體 包括硫化鋅、碲化鎘、氧化鋅、硫化鎘 既具有壓電特性，又具有半導(dǎo)體特性。 ? 有機(jī)高分子壓電材料 一類是高分子聚合物 聚偏氟乙烯 (PVF2)、聚氯乙烯 (PVC)、聚氟乙烯 優(yōu)點(diǎn)：質(zhì)地柔軟，抗拉強(qiáng)度高，耐沖擊 另一類是高分子化合物中摻雜鈦酸鋇 (BaTiO3) 13 1. 石英晶體的結(jié)構(gòu) X軸： 電軸 或 1軸； Y軸： 機(jī)械軸 或 2軸； Z軸：光軸或 3軸。 縱向壓電效應(yīng) ：沿電軸（ X軸）方向的力作用下產(chǎn)生電荷 橫向壓電效應(yīng) ：沿機(jī)械軸（ Y軸）方向的力作用下產(chǎn)生電荷 在光軸（ Z軸）方向時(shí)則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 石英晶體的壓電特性 14 如果從石英晶體中切下一個(gè)平行六面體并使其晶面分別平行于 ZZ、 YY、 XX軸線。晶片在正常情況下呈現(xiàn)電性。通常把沿電軸 (X軸 )方向的作用力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為 縱向壓電效應(yīng) ，把沿機(jī)械軸 (Y軸 )方向的作用力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為 橫向壓電效應(yīng) ，沿光軸 (Z軸 )方向的作用力不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。沿相對(duì)兩棱加力時(shí)，則產(chǎn)生 切向效應(yīng) 。壓電式傳感器主要是利用 縱向壓電效應(yīng) 。 15 16 11xxq d F??d11—— 壓電系數(shù)（ C/N） 1 2 1 1y y yaaq d F d Fbb? ? ?作用力是沿著機(jī)械軸方向 電荷仍在與 X軸垂直的平面 1112 dd ??此時(shí)， 晶體切片 當(dāng)沿電軸方向加作用力 Fx時(shí)，則在與電軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷 17 石英晶體具有壓電效應(yīng) ， 是由其內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)決定的 。 下圖是一個(gè)單元組體中構(gòu)成石英晶體的硅離子和氧離子 ， 在垂直于 z軸的 xy平面上的投影 ， 等效為一個(gè)正六邊形排列 。 圖中 “ ＋
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