PDF《4.6 压电式传感器》

广东工业大学机电工程学院 4.

6.1 4.6.1 压电效应 压电效应 正压电效应:对某些材料沿一定方向施力而使其变形, 内部产生极化现象,在其两表面将产生极性相反的电荷,当 外力去掉后,表面又回到不带电状态. 压电效应是可逆的,当在电介质的极化方向上施加电 场,这些电介质也会变形,这称为逆压电效应或电致伸缩效 应. dF q ? d是材料的压电常数.

第四章 常用传感器和敏感元件 4.6 压电式传感器 压电式传感器是利用压电材料的压电效应把受力的变 化转换成电压或电流的变化信号. 广东工业大学机电工程学院 (1)天然物质:石英晶体 ?压电效应弱,2.31*10-12C/N,可承 受700~1000kg/cm2 ,但稳定,可用作 标准的加速度计. ?天然结晶形状是六角晶柱,它是一 个正六面体,用直角坐标三个轴来表 示.1. 压电材料 ?压电材料主要有压电晶体、 压电陶瓷和新型压电材料. ? 压电晶体一般为单晶体,常用的有石英晶体、铌酸锂、 钽酸锂等.自然界中大部分晶体的压电效应比较弱. ? 压电陶瓷是人造多晶体,常用的有钛酸钡、锆钛酸铅等. ? 新型压电材料主要有压电半导体和有机高分子压电薄膜.

第四章 常用传感器和敏感元件 广东工业大学机电工程学院 ? 石英晶体的压电效应 ? 纵向压电效应: 沿电轴x 方向施力,在?x轴表面产生电荷 . ? 横向压电效应:沿力轴y 方向施力,在?x轴表面产生电荷. ? 切向压电效应:沿相对平行面加力,在?x轴表面产生电荷. ? 沿光轴z 方向施力,表面不产生电荷;

? 若改变受力方向,表面极性也相应改变.

第四章 常用传感器和敏感元件 光轴??纵轴线z 电轴??穿过棱线且?z轴的x轴 力轴(机械轴)?? ?棱面的y轴 广东工业大学机电工程学院 (2)压电陶瓷――人造

第四章 常用传感器和敏感元件 ? 原始的压电陶瓷材料是没有压电性的,只有经过极化后 才具有压电性. ? 人工制造:压电陶瓷―压电效应强, 1.9*10-9C/N,但稳 定性差,用作工作时的加速度计 . 广东工业大学机电工程学院 沿x轴方向加力Fx,在垂直于x轴的压电晶体表面上积 聚的电荷量为

11 ― d 压电常数,与材质和切片方向有关 ? 若压电体受到多方向的力,各表面都会积聚电荷 ? 每个表面上的电荷量不仅与作用于该面上的垂直力有 关,还与压电体其他面上所受的力有关. 2.力与电荷的关系

第四章 常用传感器和敏感元件 广东工业大学机电工程学院 3. 压电式传感器及其等效电路 (1)压电式传感器是在压电晶片两个工作面上镀上金属 膜,实质上是一个的电荷源. (2)也可以当成电容. ?? 晶片相对介电常数 石英为4.5F/m,钛酸 钡为1200F/m. ?0 ? 真空介电常数 A ? 工作面面积 ? ? 晶片厚度

第四章 常用传感器和敏感元件

0 A C ? ? ? ? 广东工业大学机电工程学院 (3)双晶片连接形式 通常双晶片连接,总电荷、总电压如下: ? 并联:用于电荷作为输出量场合,有利于准静态测量. U'=U Q ' =2Q 则C ' =2C ? 串联:用于电压作为输出量场合. U '=2U Q '=Q 则C '=(1/2)C 并联输出电荷大,本身电容大(时间常 数大一些),允许被测对象变化频率稍低 . 串联输出电压大,本身电容小,要求后 续电路有较大的输入阻抗.

第四章 常用传感器和敏感元件 广东工业大学机电工程学院 (4)两种等效电路: ? 电荷等效电路:一个电荷源 Q和一个电容器C并联 ? 电压等效电路:一个电压源 U=q/C和一个电容器C串联 .