壓電傳感器ppt課件(2)-在線瀏覽
2025-03-03 10:42本頁面
【正文】 ) x y (b) + y + + 19 當石英晶體未受外力作用時 ， 正 、 負離子正好分布在正六邊形的頂角上 ， 形成三個互成 120176。 如圖所示 。 20 21 當晶體受到沿 x方向的壓力（ F x 0）作用時，晶體沿x方向將產生收縮，正、負離子的相對位置隨之發(fā)生變化，如圖（ b）所示。 當晶體受到沿 x方向的拉力（ Fx ＞ 0）作用時，其變化情況如圖所示。 晶體在 y軸方向受力 Fy作用下的情況與 Fx 相似。 26 晶體在 z軸方向受力 Fz的作用時，因為晶體沿 x方向和沿 y方向所產生的正應變完全相同，所以，正、負電荷中心保持重合，電偶極矩矢量和等于零。 27 3. 作用力與電荷的關系 （ a） y x z O 若從晶體上 沿 y方向 切下一塊如圖 （ a） 所示的晶片 ，當沿電軸 x方向施加應力 σx時 ，晶片將產生厚度變形 ， 并發(fā)生極化現(xiàn)象 。 x b z y a c （ b ） 28 acFddP xx 111111 ?? ?即： d11—— 壓電系數(shù)。 而 P11在數(shù)值上等于晶面上的電荷密度 acqP x?11將以上兩式聯(lián)立，得 xx Fdq 11?29 反之，若沿 x方向對晶片施加電場，電場強度大小為 Ex 。 34 壓電陶瓷的壓電特性 壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料 。 在無外電場作用時 ， 電疇在晶體中雜亂分布 ， 它們各自的極化效應被相互抵消 ， 壓電陶瓷內極化強度為零 。 35 在陶瓷上施加外電場時 ， 電疇的極化方向發(fā)生轉動 ， 趨向于按外電場方向的排列 ， 從而使材料得到極化 。 讓外電場強度大到使材料的極化達到飽和的程度 ， 即所有電疇極化方向都整齊地與外電場方向一致時 ， 當外電場去掉后 ， 電疇的極化方向基本變化 ， 即剩余極化強度很大 ， 這時的材料才具有壓電特性 。由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的電極面上吸附了一層來自外界的自由電荷。 陶瓷片內束縛電荷與電極上吸附的自由電荷示意圖 極化方向 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ 自由電荷 束縛電荷 電極 電極 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ 38 正壓電效應示意圖 如果在陶瓷片上加一個與極化方向平行的壓力 F，陶瓷片將產生壓縮形變。釋放部分吸附在電極上的自由電荷，而出現(xiàn)放電現(xiàn)象。 —— 正壓電效應。 這種因受力而產生的由機械效應轉變?yōu)殡娦?，將機械能轉變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，就是壓電陶瓷的正壓電效應。陶瓷片內的正、負束縛電荷之間距離也增大，即陶瓷片沿極化方向產生伸長形變。這種 由于電效應而轉變?yōu)闄C 械效應，或者由電能轉 變?yōu)闄C械能的現(xiàn)象，就 是壓電陶瓷的 逆壓電效應 。 極化處理后的壓電陶瓷材料的剩余極化強度和特性與溫度有關 ， 它的參數(shù)也隨時間變化 ,從而使其壓電特性減弱 。 它是由碳酸鋇和二氧化鈦按 1∶ 1摩爾分子比例混合后燒結而成的 。 44 5. 2 等效電路及測量電路 1. 壓電元件的連接方式 2. 壓電元件的等效電路 3. 壓電式傳感器的測量電路 45 壓電晶片的連接方式 在實際應用中，由于單片的輸出電荷很小，因此，組成壓電式傳感器的晶片不止一片，常常將兩片或兩片以上的晶片粘結在一起。 46 串聯(lián)方法正電荷集中于上極板，負電荷集中于下極板，傳感器本身的電容量小、響應快、輸出電壓大，故這種傳感器適用于測量以電壓作輸出的信號和頻率較高的信號。 CCUUqq 22 ?????? ；； (b)并聯(lián) + + － － － + 48 并聯(lián)接法輸出電荷大 ， 本身電容大 ， 時間常數(shù)大 ， 適宜用在測量慢變信號并且以電荷作為輸出量的場合 。 49 壓電式傳感器的等效電路 壓電傳感器在受外力作用時，在兩個電極表面將要聚集電荷，且電荷量相等，極性相反。 為壓電材料的相對 介電常數(shù)； h為壓電元件的厚度； S為壓電元件極 板面積。 a)電荷源 壓電傳感器與測量儀表聯(lián)接時，還必須考慮電纜電容 C， 放大器的輸入電阻 Ri和輸入電容 Ci以及傳感器的泄漏電 阻 Ra。當考慮了壓電元件的 絕緣電阻 Ra以后，壓電傳感器完整的等效電路可表示成圖所示的電壓等效電路（ a）和電荷等效電路（ b）。 52 Q Ca Ra Cc Ri Ci 177。 53 壓電傳感器能否適宜靜態(tài)測量？ Why？ 等效電路及輸出都是在壓電元件本身為理想絕緣體，外電路負載無窮大，內部無泄漏時，受力產生的電壓才能長期不變。 54 壓電式傳感器的測量電路 由于壓電式傳感器的輸出電信號很微弱，通常先把傳感器輸出信號先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經過阻抗交換以后，方可用一般的放大檢波電路再將信號輸入到指示儀表或記錄器中。 55 前置放大器的作用：一是將傳感器的 高阻抗輸出變換為 低阻抗輸出 ；二是 放大 傳感器輸出的微弱電信號 。 由于電荷放大器電路的電纜長度變化的影響不大，幾乎 可以忽略不計，故而電荷放大器應用日益廣泛。 （ b） 等效電路 57 aiaiRRRRR?? ciC C C?? aaqUC?若壓電元件受正弦力 f=Fmsinωt 的作用，則其電壓為 1111 s
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