6压电传感器复习课程.ppt

主要内容： 1.压电效应（石英和压电陶瓷） 2.压电元件的等效电路 3.应用;§6.1 压电效应与压电元件;石英晶体的压电效应演示;二、压电材料; 石英（SiO2）是一种具有良好压电特性的压电晶体。其介电常数和压电系数的温度稳定性相当好，在常温范围内这两个参数几乎不随温度变化，如下两图。 由图可见，在20℃～200℃范围内，温度每升高1℃，压电系数仅减少0.016％。但是当到573℃时，它完全失去了压电特性，这就是它的居里点。 ; 石英晶体的突出优点是性能非常稳定，机械强度高，绝缘性能也相当好。但石英材料价格昂贵，且压电系数比压电陶瓷低得多。因此一般仅用于标准仪器或要求较高的传感器中。 因为石英是一种各向异性晶体，因此，按不同方向切割的晶片，其物理性质（如弹性、压电效应、温度特性等）相差很大。在设计石英传感器时，根据不同使用要求正确地选择石英片的切型。 ; Z 轴为光轴（中性轴），它是晶体的对称轴，光线沿Z轴通过晶体不产生双折射现象，因而它的贡献是作为基准轴。 X 轴为电轴（垂直于光轴），该轴压电效应最显著，它通过正六棱柱相对的两个棱线且垂直于光轴Z，显然X轴共有三个。 Y 轴为机械轴（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。; 当石英晶体未受力作用时，正、负离子（即Si4+和2O2?）正好分布在正六边形的顶角上，形成三个大小相等，互成120°夹角的电偶极矩 p1、 p2 和 p3（p=ql，q为电荷量，l为正、负电荷之间的距离） 。 电偶极矩的矢量和等于零，即 ，这时晶体表面不产生电荷，石英晶体从整体上呈电中性。;Y;Y; 当晶体受到沿Z轴方向的力（无论是压缩力或拉伸力）作用时，因为石英晶体在X轴方向和Y方向的变形相同，正、负电荷中心始终保持重合，电偶极矩在X、Y方向的分量等于零。 所以沿光轴方向施加作用力，石英晶体不会产生压电效应。 当作用力Fx或Fy的方向相反时，电荷的极性随之改变。如果石英晶体的各个方向同时受到均等的作用力（如液体压力），石英晶体将保持电中性。 所以石英晶体没有体积变形的压电效应。; 假设从石英晶体上切下一片平行六面体——晶体切片，使它的晶面分别平行于X、Y、Z轴，如图。并在垂直X轴方向两面用真空镀膜或沉银法得到电极面。 当晶片受到沿X轴方向的压缩应力σXX作用时，晶片将产生厚度变形，并发生极化现象。;式中 QX —— 垂直于X轴平面上的电荷 FX —— 沿X轴方向施加的力； d11—— 压电系数，当受力方向和变形不同时，压电系数也不同，石英晶体d11=2.3×10-12CN-1；;各向异性的石英晶片，单一压电效应： ; 在X轴方向施加压力时，左旋石英晶体的X轴正向带正电；如果作用力FX改为拉力，则在垂直于X轴的平面上仍出现等量电荷，但极性相反，见图(a)、(b)。 ;根据石英晶体轴对称条件：d11=－d12，则上式为; 通过实验可以证明，只有在沿x、y方向作用单向应力和晶片的x面上作用剪切应力时，才能在垂直于x轴的晶片表面上产生电荷，即; 由此可得到石英晶体在所有应力作用下的顺压电效应矩阵表达式 ：;因， d12=?d11 ，d25=?d14， d26= ? 2d11 ;石英晶体切片及封装;2、压电陶瓷（多晶体）;2）极化过程;3）压电效应分析 ①在未受外力作用下;②在外加与极化方向平行的压力F时; ③逆压电效应 ： 电能 机械能 若在压电片上加一个与极化方向相同的电场。由于电场的方向与极化强度的方向相同，所以电场的作用使极化强度增大。这时，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。同理，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。;3） 压电陶瓷的压电常数和表面电荷的计算 ;三、压电元件常用结构形式;2.长度变形（LE）;3.面剪切变形（FS）;4.厚度剪切变形（TS）;5.弯曲变形（BS）;§6-2 等效电路与测量电路;2、等效电路;原因： ①传感器内部不可能没有泄漏， ②外电路负载也不可能无穷大， 必然导致电路将以某时间常数按指数规律放电；这对于静态和低频准静态测量极为不利，将带来误差。;;4、 测量电路 压电式传感器的前置放大器有两个作用： 阻抗转换； 放大； 前置放大器形式： 电压放大器，其输出电压与传感器输出电压成正比； 电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。