壓電傳感器ppt課件(已修改)
2025-05-15 18:11 本頁面
【正文】 第六章第六章 壓電傳感器壓電傳感器 壓電式傳感器是以某些物質的 壓電效應 制作的一種傳感器。當材料受力作用變形時，其表面會有電荷產生，從而實現非電量測量。 壓電式傳感器是一種典型的有源傳感器（發(fā)電型傳感器）。 壓電傳感元件是 力敏感元件 ，它可以測量最終能變換為力的那些非電物理量，例如動態(tài)力、動態(tài)壓力、振動加速度等，但不能用于 靜態(tài)參數的 測量。 壓電式傳感器具有體積小、質量輕、頻響高、信噪比大等特點。由于它沒有運動部件，因此結構堅固、可靠性、穩(wěn)定性高。 第一節(jié) 壓電式傳感器的工作原理一、壓電效應 二、壓電材料三、壓電機理 一、壓電效應演示 當力的方向改變時，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動態(tài)力的頻率相同；當動態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時，電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失。壓電效應 某些電介質在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，內部會產生極化現象，同時在其表面上產生電荷，當外力去掉后，又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種現象稱為 “壓電效應 ”。 在電介質的極化方向上施加 交變電場或電壓 ，它會產生機械變形，當去掉外加電場時，電介質變形也隨之消失，這種現象稱為 “逆壓電效應 ”（電致伸縮效應） 。 壓電材料 Q(E) 電能正壓電效應（ 傳感器 ）T(S) 機械能逆壓電效應（ 執(zhí)行器 ）二、壓電材料 具有壓電效應的 電介物質 稱為壓電材料。 在自然界中，大多數晶體都具有壓電效應，然而大多數晶體的壓電效應都十分微弱。 石英晶體及鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等人造壓電陶瓷是性能優(yōu)良的壓電材料。 l 壓電晶體（單晶 ） ：它包括壓電 石英 晶體和其它壓電單晶；l 壓電陶瓷（多晶體）：也稱多晶半導瓷，為極化處理的多晶體；l 新型壓電材料：有壓電 半導體 和 有機高分子 壓電材料兩種。 目前普遍應用的是壓電單晶中的 石英晶體 和 壓電陶瓷 中的鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛、鈮酸鹽系壓電陶瓷。 ⑴ 壓電晶體 ⑵ 壓電陶瓷 ⑶ 新型壓電材料 壓電材料可以分為三大類⑴ 壓電晶體① 石英晶體： 俗稱水晶，化學成分為 SiO2，有天然和人工之分。 目前傳感器中使用的均是以 居里點為 573℃ 、晶體結構為 六角晶系 的 α－ 石英。 石英晶體的外形（ a） 天然石英晶體；（ b） 人工石英晶體；（ c） 右旋石英晶體的理想外形m－ 柱面 R－ 大棱面 r－ 小棱面 s－ 棱界面 x－ 棱角面石英晶體振蕩器（晶振） 石英晶體在振蕩電路中工作時，壓電效應與逆壓電效應交替作用，從而產生穩(wěn)定的振蕩輸出頻率。晶振ⅰ . 壓電常數小（壓電系數 d11＝ 1012C／ N）， 其 時間和溫度穩(wěn)定性極好 ，常溫下幾乎不變，在 20~200℃ 內其溫度變化率約為 －?10?6 /℃ ；ⅱ . 機械強度和品質因數高，固有頻率高且十分穩(wěn)定，動態(tài)特性好；ⅲ . 居里點 573℃ ， 無熱釋電性 ，且絕緣性、重復性均好。 所以石英是制備壓電傳感器的理想壓電材料。 天然石英的上述性能尤佳，因此它們常用于精度和穩(wěn)定性要求高的場合和制作標準傳感器。 ② 除了天然和人造石英壓電材料外，還有水溶性壓電晶體，屬于單斜晶系。例如酒石酸鉀鈉 （ NaKC4H4O6 4H2O） 、 酒石酸乙烯二銨（ C6H4N2O6） 等，還有正方晶系如磷酸二氫鉀 （ KH 2PO4） 、 磷酸二氫氨 （ NH 4H2PO4） 等等 。 石英晶體的主要性能特點：⑵ 壓電陶瓷 壓電陶瓷屬于 鐵電體物質 ，是人工制造的多晶壓電材料，它由無數細微的電疇組成。 常用的壓電陶瓷有鈦酸鋇（ BaTiO3）、鋯鈦酸鉛（ PbTiO3－PbZrO3）（ PZT）、鈮酸鹽系壓電陶瓷。它們的 壓電常數比石英晶體高 ，如鈦酸鋇壓電系數 d33＝ 1901012 C／ N， 但 介電常數、機械性能不如石英好 。 壓電陶瓷具有明顯的熱釋電效應。 216。 熱釋電效應 ： 某些晶體除了由于機械應力的作用而引起的電極化（壓電效應）之外，還可由于溫度變化而產生電極化。 用熱釋電系數來表示該效應的強弱，它是指溫度每變化 1℃ 時，在單位質量晶體表面上產生的電荷密度大小，單位為 ?C/（ m2g℃）。常用的壓電陶瓷材料主要有以下幾種：1）鈦酸鋇（ BaTiO3）具有較高的壓電常數（ d=1901012C/N)和相對介電常數（ 1000~5000）。但它的 居里點 較低（約 120℃ ），機械強度也較低，現已不常用。2）鋯鈦酸鋇系列壓電陶瓷（ PZT）由鈦酸鉛和鋯酸鉛組成的固體熔體。它有較高的壓電常數 [d=（ 200~500） 1012C/N]和居里點（500 ℃ 左右），是 目前經常采用的一種壓電材料 。3）鈮鎂酸鉛壓電陶瓷（ PMN），具有較高的壓電常數 [d=（ 800~900） 1012C/N]和居里點（ 260 ℃ ）它能在壓力大致 70MPa時正常工作，因此可以作為 高壓下 的力傳感器。目前還有一些鈮酸鹽具有很高的居里點，可以作為高溫壓電傳感器。壓電陶瓷外形 無鉛壓電陶瓷及其換能器 外形 （ 上海硅酸鹽研究所研制） ⑶ 新型壓電材料 ① 壓電半導體 1963年以來出現了多種壓電半導體，如硫化鋅（ ZnS）、碲化鎘（ CdTe）、 氧化鋅（ ZnO）、 硫化鎘（ CdS）、 碲化鋅（ ZnTe） 和砷化鎵（ GaAs） 等。v 這些材料的顯著特點是 即有壓電特性，又具有半導體特性 。 因此，即可用其壓電性研制傳感器，又可用其半導體性制作電子器件；也可以二者結合，集元件與線路于一體，研制成新型壓電集成傳感器測試系統(tǒng)。② 高分子壓電材料 典型的高分子壓電材料有聚偏二氟乙烯（ PVF2或 PVDF）、 聚氟乙烯（ PVF）、 改性
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