第5章-压电式传感器课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第5章 电动势式传感器,将被测非电量转换为电动势的传感器称为电动势式传感器。,压电式传感器,磁电式传感器,霍尔传感器,第5章 电动势式传感器 将被测非电量转换为电动,1,压电效应的微观机理,1.2,5.1 压电式传感器,压电效应及可逆性,5.1.1,5.1.2,5.1.3,压电式传感器应用,作用力与电荷的关系,5.1.4,压电效应的微观机理1.25.1 压电式传感器压电效应及可逆性,2,某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，在它的两个表面上便产生极性相反但电量相等的电荷，当外力去掉后，它又重新恢复到不带电的状态，这种现象称为,压电效应,。当作用力改变方向时，电荷极性随之而变。这种机械能转化为电能的现象称为,正压电效应,或,顺压电效应。,5.1.1 压电效应（Piezoelectric Effect）,某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时,3,逆压电效应,（Inverse Piezoelectric Effect）,当在某些物质的极化方向上施加电场时，这些物质在某一方向上也会产生机械变形；当外加电场撤去时，这些变形也随之消失。这种电能转化为机械能的现象称为,逆压电效应,或,电致伸缩效应。,压电效应具有,可逆性,正压电效应,逆压电效应,机械能,电能,逆压电效应（Inverse Piezoelectric E,4,在自然界中大多数晶体都具有压电效应，但大多数晶体的压电效应都十分微弱。随着对材料的深入研究，发现石英晶体和人造压电陶瓷是性能优良的压电材料。,具有压电效应的物质称为压电材料或压电元件,在自然界中大多数晶体都具有压电效应，但大多数晶体的压,5,5.1.2 作用力与电荷的关系,石英晶体化学式为SiO,2,，是单晶体结构。图（,a,）所示为天然石英晶体的结构外形。,（1）坐标轴的选取：,z,轴：以光轴为基准，上下晶锥顶点的,连线方向为光轴方向,x,轴：经过相对的两个棱线并垂直于光轴,y轴：垂直于两个相对的晶面。,（a）,（b）,5.1.2 作用力与电荷的关系 （a）（b）,6,从晶体上沿轴线切下的平行六面体称为晶体切片，如图（c）所示。,（2）,作用力与电荷关系,当沿,x,轴方向施加作用力,F,x,时，在与,x,轴垂直的平面上将产生电荷，其大小为,式中,q,x,垂直于x轴平面上的电荷，,F,x,沿x轴方向施加的力,d,11,压电系数，石英晶体的d,11,=2.3110,12,C/N,从晶体上沿轴线切下的平行六面体称为晶体切片，,7,压电系数d,ij,有两个下标i和j，分别可取1，2，3，对应x，y，z轴，第一个下标表示在垂直于i轴的平面上产生电荷，第二个下标表示沿j轴方向施加作用力。,举例：d,11,，d,12,，d,13,，d,21,，d,22,，d,23,，d,31,，d,32,，d,33,产生的电荷与作用力成正比，而与晶体尺寸无关。电荷的极性由受压力还是受拉力决定。,压电系数dij有两个下标i和,8,若在同一切片上，沿y轴方向施加作用力,F,y,，则仍在与,x,轴垂直的平面上产生电荷,q,x,，其大小为,式中：d,12,压电系数，,a、b晶体切片的长度和厚度。,沿y轴方向的力产生的电荷与作用力与晶体尺寸有关。电荷的极性由受压力还是受拉力决定。,若在同一切片上，沿y轴方向施加作用力Fy，则仍,9,晶片上电荷的极性与受力方向的关系,晶片上电荷的极性与受力方向的关系,10,石英晶体的上述特性与其内部分子结构分不开的。为了讨论方便，将硅、氧离子在xoy平面上的排列，等效为一个正六边形排列。图中 代表硅离子Si,4+,，代表氧离子2O,2-,。,当石英晶体未受外力作用时，正、负离子正好分布在正六边形的顶角上，形成三个互成120夹角的电偶极矩P,1,、P,2,、P,3,。如图所示。,因为P=ql,q为电荷量，l为正负电荷之间距离。此时正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即P,1,+P,2,+P,3,=0，所以晶体表面不产生电荷，即呈中性。,5.1.3 压电效应的微观机理,石英晶体的上述特性与其内部分子结构分不开的。,11,当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时，晶体沿,x,方向将产生压缩变形，正负离子的相对位置也随之变动。如图所示，此时正负电荷中心不再重合，电偶极矩在,x,方向上的分量由于,P,1,的减小和,P,2,、,P,3,的增加而不等于零。在,x,轴的正方向出现负电荷，电偶极矩在y方向上的分量仍为零，不出现电荷。,P,1x,+P,2x,+P,3x,0,P,1y,+P,2y,+P,3y,=0,当晶体受到沿y轴方向的压力作用时，晶体的变形如图所示,13,图 石英晶体压电模型,(a)不受力时；(b)x轴方向受力；(c)y轴方向受力,图 石英晶体压电模型,14,如果沿z轴方向施加作用力,因为晶体在x方向和y方向所产生的形变完全相同,所以正负电荷中心保持重合,电偶极矩矢量和等于零。这表明沿z轴方向施加作用力,晶体不会产生压电效应。,压电式传感器的,基本原理：,就是利用压电材料的压电效应这个特性，即当有力作用在压电材料上时，传感器就有电荷（或电压）输出。,压电式传感器是将被测量的变化转化为压电元件上电荷量的大小。,如果沿z轴方向施加作用力,因为晶体,15,5.1.4 压电式传感器的应用,（1）压电式力传感器,图是压电式测力传感器的结构图，主要由石英晶片、绝缘套、电极、上盖及基座等组成。,测力传感器结构图,传感器上盖为传力元件，当外力作用时，它将产生弹性变形，将力传递到石英晶片上。石英晶片上出现电荷，测出石英晶片的电荷量，便可得到力的大小。,5.1.4 压电式传感器的应用（1）压电式力传感器测,16,（2）压电式加速度传感器,图是一种压电式加速度传感器的结构图。它主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。整个部件装在外壳内，并由螺栓加以固定。,压电式加速度传感器结构图,（2）压电式加速度传感器压电式加速度传感器结构图,17,当传感器和被测物一起受到冲击振动时，质量块就有一正比于加速度的力作用在压电元件上，,由于压电元件具有压电效应，因而在它的两个表面上就产生电荷q，传感器的输出电荷与作用力成正比，即传感器的输出电荷与试件的加速度成正比。,因此，测得传感器输出的电荷便可知加速度的大小。,当传感器和被测物一起受到冲击振动时，质量块就,18,思考题：,1.什么是压电效应？逆压电效应？,压电系数d,23,的两个下标表示什么意思？,3.分析石英晶体压电效应的微观机理。,复习：,半导体材料在沿某一轴向受外力作用时，其电阻率发生很大变化的现象称为_。,思考题：复习：,19,计算题,如图所示电路是电阻应变计中所用的不平衡电桥的简化电路，图中R,2,=R,3,=R,1,=R,4,=R是固定电阻，R,1,与R,4,是电阻应变片，工作时R,1,受拉，R,4,受压，R表示应变片发生应变后电阻值的变化量。当应变片不受力，无应变时R=0，桥路处于平衡状态，当应变片受力发生应变时，桥路失去平衡，输出电压U,0,。试证明：,R,2,R,1,R,3,R,4,E,a,b,d,c,U,0,计算题R2R1 R3 R4 E a b d cU0,20,