壓電式力學(xué)量傳感器(已修改)
2025-05-11 08:53 本頁(yè)面
【正文】 電子科技大學(xué) 傳感技術(shù)課程組 制作 1 目錄 壓電式傳感器的工作原理 壓電材料 壓電式傳感器的等效電路 壓電式傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)電路 壓電式加速度傳感器 壓電式測(cè)力傳感器 電子科技大學(xué) 傳感技術(shù)課程組 制作 2 ?概念：當(dāng)某些材料在 沿一定方向 受到壓力或拉力作用而發(fā)生變形時(shí) ， 其表面上會(huì)產(chǎn)生電荷；若將外力去掉時(shí) ， 它們又重新回到不帶電的狀態(tài) ， 這種現(xiàn)象就稱為 壓電效應(yīng) 。 而具有這種壓電效應(yīng)的物體稱為 壓電材料或壓電元件 。 常見的壓電材料有石英 、 鈦酸鋇 、 鋯鈦酸鉛等 壓電式傳感器的工作原理 壓電式傳感器的工作原理是以某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)的 。 電子科技大學(xué) 傳感技術(shù)課程組 制作 3 ?特點(diǎn)： ?Ⅰ 當(dāng)某些材料在沿一定方向受到壓力或拉力作用而發(fā)生變形時(shí) ， 其表面上會(huì)產(chǎn)生電荷； ?Ⅱ 若將外力去掉時(shí) ， 它們又重新回到不帶電的狀態(tài)； ?Ⅲ 晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比； ?Ⅳ 如對(duì)晶體施加一交流電壓 ， 晶體本身將產(chǎn)生機(jī)械變形 ， 這種現(xiàn)象稱為 逆壓電效應(yīng) （ 電致伸縮效應(yīng) ） 電子科技大學(xué) 傳感技術(shù)課程組 制作 4 ?天然結(jié)構(gòu)的 石英晶體 （ SiO2） ， 它是個(gè)六角形晶柱 。 ?在直角坐標(biāo)系中 ． ? z軸表示其縱向軸 ， 稱為光軸； ? x軸平行于正六面體的棱線 ， 稱為電軸； ? y軸垂直于正六面體棱面 ， 稱為機(jī)械軸 。 ? 通常把沿電軸 (x袖 )方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為 “ 縱向壓電效應(yīng) ” ； ? 而把沿機(jī)械軸 (y軸 )方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為 “ 橫向壓電效應(yīng) ” ； ?在光軸 (z軸 )方向受力時(shí)則不產(chǎn)生壓電效應(yīng) 晶體切片上電荷符號(hào)與受力方向的關(guān)系 電子科技大學(xué) 傳感技術(shù)課程組 制作 5 產(chǎn)生壓電效應(yīng)的原因： (1) x軸上受力 如果在 x軸方向壓縮 ， 如圖 （ b） 所示 ， 則硅離子 1就擠入氧離子 2和 6之間 ， 而氧離子 4就擠入硅離子 3和 5之間 。 結(jié)果在表面 A上呈現(xiàn)負(fù)電荷 、 而在表面 B呈現(xiàn)正電荷 。 如果所受的力為拉伸 ， 則硅離子 1和氧離子 4向外移 ， 在表面 A和 B上的電荷符號(hào)就與前者正好相反 。 電子科技大學(xué) 傳感技術(shù)課程組 制作 6 產(chǎn)生壓電效應(yīng)的原因： (2) y軸上受力 如果沿 y軸方向上壓縮 ， 如圖 （ c） 所示 ， 硅離子 3和氧離子 2以及硅離子 5和氧離子 6都向內(nèi)移動(dòng)同一數(shù)值 ， 故在電極 C和 D上仍不呈現(xiàn)電荷 ， 而由于相對(duì)把硅離子 l和氧離子 4向外擠 ， 則在 A和 B表面上分別呈現(xiàn)正電荷與負(fù)電荷 。 若受拉力 ， 則在表面 A和 B上電荷符號(hào)與前者相反 。 電子科技大學(xué) 傳感技術(shù)課程組 制作 7 產(chǎn)生壓電效應(yīng)的原因： （ 3） 在 z軸方向受力時(shí) 在 z軸方向受力時(shí) ， 由于硅離子和氧離子是對(duì)稱平移 ， 故在表面上沒有電荷呈現(xiàn) ， 因而沒有壓電效應(yīng) 。 電子科技大學(xué) 傳感技術(shù)課程組 制作 8 壓電元件在受到力作用時(shí)，就在相應(yīng)的表面上產(chǎn)生表面電荷。其計(jì)算公式如下 ① 其中第一個(gè)角注 i表示晶體的極化方向。當(dāng)產(chǎn)生電荷的表面垂直于 x軸 (y軸或 z鈾 )時(shí)，記作 i＝ 1(或 2或 3)。 ② 第二個(gè)下角注 j＝ 1或 2， 3和 4， 5， 6，分別表示在沿 x軸、 y軸、 z軸方向作用的單向應(yīng)力和在垂直于 x軸、 y軸、 z軸的平面內(nèi) (即 yz平面、 xz平面、 xy平面 )作用的剪切力。 ③ 單向應(yīng)力的符號(hào)規(guī)定拉應(yīng)力為正而壓應(yīng)力為負(fù)；剪切力的正號(hào)規(guī)定為自旋轉(zhuǎn)軸的正向看去使其 I、 II象限的對(duì)角線伸長(zhǎng)。 壓電常數(shù)和表面電荷的計(jì)算 電子科技大學(xué) 傳感技術(shù)課程組 制作 9 在垂直于 x軸的表面上產(chǎn)生的電荷密度 沿 x軸方向作用的拉或壓應(yīng)力 在 yz平面內(nèi)作用的剪切力 沿 z軸方向受力作用時(shí)不存在壓電效應(yīng) 壓電常數(shù)矩陣 電子科技大學(xué) 傳感技術(shù)課程組 制作 10 由壓電常數(shù)矩陣還可以看出 ， 對(duì)能量轉(zhuǎn)換有意義的石英晶體變形方式有： ① 厚度變形 （ 簡(jiǎn)稱為 TE方式 )， 如圖 (a)所示 。 —— 縱向壓電效應(yīng) ② 長(zhǎng)度變形 (簡(jiǎn)稱 LE方式 ） 。 如圖 (b)所示 。 —— 橫向壓電效應(yīng) ③ 面剪切變形 (簡(jiǎn)稱 FS方式 )。 如圖 (d)所示 。 ④ 厚度的切變形 (簡(jiǎn)稱 TS方式 )。 如圖 (c)所示 。 ⑤ 彎曲變形 (簡(jiǎn)稱 BS方式 )。 —— 拉 、 壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力共同作用 ⑥ 體積變形 (簡(jiǎn)稱 VE方式 )。 —— 針對(duì)壓電陶瓷 電子科技大學(xué) 傳感技術(shù)課程組 制作 11 ? 選用壓電材料應(yīng)考慮以下幾方面： ① 轉(zhuǎn)換性能： 具有較大的壓電常數(shù) ； ② 機(jī)械性能：壓電元件作為受力元件 ， 希望它的強(qiáng)度高 、 剛度大 、 寬的線性范圍和 高的固有振動(dòng)頻率 ； ③ 電性能；希望具有 高的電阻率和大的介電常數(shù) ， 以期減弱外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性； ④ 溫度和濕度穩(wěn)定性要好 ， 具有較高的 居里點(diǎn) ， 以期得到較寬的工作溫度范圍； ⑤ 時(shí)間穩(wěn)定性：壓電特性不隨時(shí)間蛻變 。 壓電材料 ?概念： 壓電材料
教學(xué)課件相關(guān)推薦
鄂ICP備17016276號(hào)-1