压电传感器修改.pptx
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1、第第6章章压电式式传感器感器传感器与检测技术传感器与检测技术本章内容本章内容压电式式传感器感器测量量电路路压电式式传感器的工作原理感器的工作原理6.16.16.26.2压电式式传感器感器应用用6.36.32传感器与检测技术传感器与检测技术6.1压电式传感器的工作原理压电式传感器的工作原理电势型传感器电势型传感器 以压电效应为基础以压电效应为基础压电效应可逆压电效应可逆 “双向传感器双向传感器”正压电效应正压电效应 某某些些物物质质在在沿沿一一定定方方向向受受到到压压力力或或拉拉力力作作用用而而发发生生改改变变时时,其其表表面面上上会会产产生生电电荷荷;若若将将外外力力去去掉掉时时,它它们们又又
2、重重新新回回到到不不带带电电的的状状态态,这这种种现现象象就就称为正压电效应。称为正压电效应。(加力加力 变形变形 产生电荷产生电荷)3传感器与检测技术传感器与检测技术逆压电效应逆压电效应 在在压压电电材材料料的的两两个个电电极极面面上上,如如果果加加以以交交流流电电压压,那那么么压压电电片片能能产产生生机机械械振振动动,即即压压电电片片在在电电极极方方向向上上有有伸伸缩缩的的现现象象,压压电电材材料料的的这这种种现现象象称称为为“电电致致伸伸缩缩效效应应”,也也叫叫做做“逆逆压压电电效效应应”。(施施加电场加电场 电介质产生变形电介质产生变形 应力应力)常见的压电材料有石英、钛酸钡、锆钛酸铅
3、等。常见的压电材料有石英、钛酸钡、锆钛酸铅等。4传感器与检测技术传感器与检测技术2024/9/18周三周三5 5石英晶体的压电效应演示石英晶体的压电效应演示 当力的方向改变时,电荷的极性随之改变,输出电压当力的方向改变时,电荷的极性随之改变,输出电压的频率与动态力的频率相同;当动态力变为静态力时,电的频率与动态力的频率相同;当动态力变为静态力时,电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。5传感器与检测技术传感器与检测技术6.1.1石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应X X轴:电轴或或1 1轴;Y Y轴:机械:机械轴或或2 2轴;Z Z轴:光:光轴或或3 3轴。6Z
4、Z轴为光轴轴为光轴(中性轴),它是晶体的对称轴,光线沿(中性轴),它是晶体的对称轴,光线沿Z Z轴通过轴通过晶体不产生双折射现象,因而以它作为基准轴;晶体不产生双折射现象,因而以它作为基准轴;X X轴为电轴轴为电轴,该轴压电效应最为显著,它通过六棱柱相对的两,该轴压电效应最为显著,它通过六棱柱相对的两个棱线且垂直于光轴个棱线且垂直于光轴Z Z,显然,显然X X轴共有三个;轴共有三个;Y Y轴为机械轴轴为机械轴(力轴),显然也有三个,它垂直于两个相对的(力轴),显然也有三个,它垂直于两个相对的表面,在此轴上加力产生的变形最大。表面,在此轴上加力产生的变形最大。传感器与检测技术传感器与检测技术石英
5、晶体的压电效应石英晶体的压电效应图6.1.3 石英晶体的石英晶体的压电机机构构示意示意图P P1 1P P2 2P P3 30 0(P1P2P3)X0 0 (P P1 1P P2 2P P3 3)Y Y0 0 (P P1 1P P2 2P P3 3)Z Z0 0(P1P2P3)X0(P P1 1P P2 2P P3 3)Y Y0 0 (P P1 1P P2 2P P3 3)Z Z0 07传感器与检测技术传感器与检测技术晶体切片晶体切片当沿电轴方向加作用力当沿电轴方向加作用力Fx时,则在与电轴垂直的平面时,则在与电轴垂直的平面上产生电荷上产生电荷d d1111压电系系数数(C/NC/N)(6.1
6、.4)8(6.1.3)其极间电压为其极间电压为电极面间电容电极面间电容晶体在晶体在X X轴方向将产生伸缩轴方向将产生伸缩(6.1.5)Ex Ex X X轴方向的电场强度轴方向的电场强度传感器与检测技术传感器与检测技术切片上电荷的符号与受力方向的关系切片上电荷的符号与受力方向的关系图(a a)是在)是在X X轴方向受方向受压力,力,图(b b)是在)是在X X轴方向受拉力,方向受拉力,图(c c)是在)是在Y Y轴方向受方向受压力,力,图(d d)是在)是在Y Y轴方向受拉力。方向受拉力。9传感器与检测技术传感器与检测技术图6.1.5(c)、(d),此,此时电荷的大小荷的大小为 根据石英晶体根据
7、石英晶体轴对称条称条件:件:由上述可知:由上述可知:无无论是正或逆是正或逆压电效效应,其作用力,其作用力(或或应变)与与电荷荷(或或电场强度强度)之之间呈呈线性性关关系;系;晶体在晶体在哪个哪个方向上有正方向上有正压电效效应,则在此方向上在此方向上 定存在逆定存在逆压电效效应;石英晶体不是在任何方向都存在石英晶体不是在任何方向都存在压电效效应的。的。10则其其电极极间电压为根据逆根据逆压电效效应,晶片在,晶片在Y Y轴方向方向将将产生伸生伸缩变形形传感器与检测技术传感器与检测技术石英晶体石英晶体一种天然晶体,压电系数一种天然晶体,压电系数d112.311012C/N;莫莫氏氏硬硬度度为为7、熔
8、熔点点为为1750、膨膨胀胀系系数数仅仅为为钢钢的的1/30。优点:优点:转转换换效效率率和和转转换换精精度度高高、线线性性范范围围宽宽、重重复复性性好好、固固有有频频率率高高、动动态态特特性性好好、工工作作温温度度高高达达550(压压电电系系数数不不随随温温度度而而改改变变)、工工作作湿湿度度高达高达100%、稳定性好。、稳定性好。11传感器与检测技术传感器与检测技术传感感器原器原理理与与应用,用,赵梦梦恋恋/吴吴晓波波12CopyrightZhejiang CopyrightZhejiang Univeristy,2009Univeristy,2009压电方程及压电常数矩阵压电方程及压电常
9、数矩阵石英晶体的压电方程石英晶体的压电方程传感器与检测技术传感器与检测技术传感感器原器原理理与与应用,用,赵梦梦恋恋/吴吴晓波波13CopyrightZhejiang CopyrightZhejiang Univeristy,2009Univeristy,2009式中式中传感器与检测技术传感器与检测技术传感感器原器原理理与与应用,用,赵梦梦恋恋/吴吴晓波波14CopyrightZhejiang CopyrightZhejiang Univeristy,2009Univeristy,2009压电常数矩阵压电常数矩阵ddij全压电效应:全压电效应:传感器与检测技术传感器与检测技术传感感器原器原理理
10、与与应用,用,赵梦梦恋恋/吴吴晓波波15CopyrightZhejiang CopyrightZhejiang Univeristy,2009Univeristy,2009X0X0切型石英晶体的压电常数矩阵切型石英晶体的压电常数矩阵传感器与检测技术传感器与检测技术传感感器原器原理理与与应用,用,赵梦梦恋恋/吴吴晓波波16CopyrightZhejiang CopyrightZhejiang Univeristy,2009Univeristy,2009dt石英晶体的逆压电方程石英晶体的逆压电方程逆压电效应:逆压电效应:逆压电方程的压电常数矩阵是正压逆压电方程的压电常数矩阵是正压电方程压电常数矩阵
11、的转置矩阵。电方程压电常数矩阵的转置矩阵。传感器与检测技术传感器与检测技术传感感器原器原理理与与应用,用,赵梦梦恋恋/吴吴晓波波17CopyrightZhejiang CopyrightZhejiang Univeristy,2009Univeristy,2009综上所述,可得综上所述,可得(1)压电晶体的正压电效应和逆压电效压电晶体的正压电效应和逆压电效应是相应存在的,哪个方向上存在正应是相应存在的,哪个方向上存在正压电效应,则在此方向上必定存在逆压电效应,则在此方向上必定存在逆压电效应,且力压电效应,且力-电间呈线性关系电间呈线性关系(2)石英晶体不是在任何方向上都存在石英晶体不是在任何方
12、向上都存在压电效应压电效应 -压电常数矩阵压电常数矩阵X方向:只有方向:只有d11的纵向压电效应的纵向压电效应(图图a),d12的横向压电效应的横向压电效应(图图b)b)和和d14的剪的剪切压电效应切压电效应(图图c)c);Y方向:只有方向:只有d25和和d26的剪切压电效的剪切压电效应应(图图c c和和d)d);Z方向:无任何压电效应方向:无任何压电效应传感器与检测技术传感器与检测技术传感感器原器原理理与与应用,用,赵梦梦恋恋/吴吴晓波波18CopyrightZhejiang CopyrightZhejiang Univeristy,2009Univeristy,2009二、压电陶瓷二、压电
13、陶瓷经经极化处理极化处理后的人工后的人工多晶铁电体多晶铁电体极化处理极化处理极化处理极化处理在一定温度下施加强直流电场,迫使在一定温度下施加强直流电场,迫使“电畴电畴”去向外电场方向作规则排列;去向外电场方向作规则排列;极化电场去除后,趋向电畴基本保持极化电场去除后,趋向电畴基本保持不变,形成很强得剩余极化,从而呈不变,形成很强得剩余极化,从而呈现出压电性。现出压电性。特点:压电常数大,灵敏度高;特点:压电常数大,灵敏度高;制造工艺成熟,性能可控;制造工艺成熟,性能可控;成型工艺性好,成本低廉。成型工艺性好,成本低廉。传感器与检测技术传感器与检测技术陶瓷片极化陶瓷片极化压电陶瓷片陶瓷片内内束束
14、缚电荷荷与与电极极上吸附的自由上吸附的自由电荷示意荷示意图 自由自由电荷荷与与陶瓷片陶瓷片内内的束的束缚电荷符荷符号号相反而相反而数数值相等,相等,它它起着起着屏屏蔽和抵消陶瓷片蔽和抵消陶瓷片内极内极化强度化强度对外的作用,外的作用,因此陶瓷片因此陶瓷片对外不表外不表现极极性。性。19传感器与检测技术传感器与检测技术压电陶瓷的正压电效应压电陶瓷的正压电效应压压电电陶陶瓷瓷片片上上加加上上一一个个与与极极化化方方向向平平行行的的外外力力,陶陶瓷瓷片片将将产产生生压压缩缩变变形形,原原来来吸吸附附在在极极板板上上的的自自由由电电荷荷,一部分被释放而出现一部分被释放而出现放电现象放电现象。当当压压力
15、力撤撤消消后后,陶陶瓷瓷片片恢恢复复原原状状,片片内内的的正正、负负电电荷荷之之间间的的距距离离变变大大,极极化化强强度度也也变变大大,因因此此电电极极上上又又吸吸附部分自由电荷而出现附部分自由电荷而出现充电现象充电现象。放放电电荷的多少荷的多少与与外力的大小成比例外力的大小成比例关关系系 Q 电荷量;荷量;d33 压电陶瓷的陶瓷的压电系系数数;F 作用力。作用力。20传感器与检测技术传感器与检测技术若在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场,如图若在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场,如图6.1.96.1.9所示,内于电场的方间与极化强度的方向相同,所以电场所示,内于电场的方间与极化强度的方向相
16、同,所以电场的作用使极化强度增大。的作用使极化强度增大。陶瓷片内的正负束缚电荷之间距离也增大,就是陶瓷片内的正负束缚电荷之间距离也增大,就是说,陶瓷片沿极化方向产生伸长形变说,陶瓷片沿极化方向产生伸长形变(图中虚线图中虚线)如果外加电场的方向与极化方向相反,则陶瓷如果外加电场的方向与极化方向相反,则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变。片沿极化方向产生缩短形变。由于电效应而转变为机械由于电效应而转变为机械效应或者由电能转变为机械能效应或者由电能转变为机械能的现象,就是的现象,就是逆压电效应逆压电效应。2121传感器与检测技术传感器与检测技术传感感器原器原理理与与应用,用,赵梦梦恋恋/吴吴晓波波22Co
17、pyrightZhejiang CopyrightZhejiang Univeristy,2009Univeristy,20095.2.2压电陶瓷的压电方程压电陶瓷的压电方程压电常数矩阵:压电常数矩阵:其中其中极化方向定义为极化方向定义为z z轴,垂直于轴,垂直于z z轴的平面内则各轴的平面内则各向同性。与向同性。与z z轴正交的任何方向都可取作轴正交的任何方向都可取作x x轴和轴和y y轴,且压电特性相同。轴,且压电特性相同。钛酸钡钛酸钡传感器与检测技术传感器与检测技术传感感器原器原理理与与应用,用,赵梦梦恋恋/吴吴晓波波23CopyrightZhejiang CopyrightZhejia
18、ng Univeristy,2009Univeristy,2009体积压缩压电常体积压缩压电常数数(1)x和和y方向只有方向只有d15和和d24的厚度剪切压的厚度剪切压电方向电方向(图图c);(2)z方向存在方向存在d33的纵向压电效应的纵向压电效应(图图a),d31和和d32的横向压电效应的横向压电效应(图图b)b);(3)z方向还可得三向应力方向还可得三向应力T1、T2、T3同时同时作用下,产生体积变形压电效应作用下,产生体积变形压电效应(图图d)d);当外加三向应力相等时,由压电方程当外加三向应力相等时,由压电方程式得式得传感器与检测技术传感器与检测技术以钛酸钡为例,在以钛酸钡为例,在y
19、轴受到轴受到1N/m2的切应力。试的切应力。试求出在各方向产生的电荷密度。求出在各方向产生的电荷密度。24传感器与检测技术传感器与检测技术(1)钛酸钡()钛酸钡(BaTiO3)压电陶瓷)压电陶瓷 具有较高的压电系数和介电常数,机械强度不如石英。具有较高的压电系数和介电常数,机械强度不如石英。(2)锆钛酸铅)锆钛酸铅Pb(ZrTi)O3系压电陶瓷(系压电陶瓷(PZT)压电系数较高,各项机电参数随温度等外界条件的变化压电系数较高,各项机电参数随温度等外界条件的变化小,温度稳定性好,在锆钛酸铅的基方中添加一两种微量元素小,温度稳定性好,在锆钛酸铅的基方中添加一两种微量元素(如钨、铌等),可以获得不同
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