自动检测技术第5章-压电传感器课件.ppt

1、 二、二、石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应 石英：二氧化硅单晶，石英：二氧化硅单晶，六角棱柱体，六角棱柱体，X、Y、Z三个晶轴。三个晶轴。x光轴光轴电轴电轴机械轴机械轴坐标轴坐标轴晶体切块晶体切块1 1、X X向应力向应力-纵向压电效应纵向压电效应xxxxxFdq电荷计算：电荷计算：2 2、Y Y向应力向应力横向压电效应横向压电效应光轴光轴电轴电轴机械轴机械轴晶体切块晶体切块压力压力拉力拉力xxqyxyxyFbadqxyq压力压力拉力拉力xxd分别为两个方向的压电系数。分别为两个方向的压电系数。xydxxxydd且：且：关于压电效应的关于压电效应的解释：解释：硅离子硅离子硅离子硅离子硅离子

2、硅离子氧离子氧离子氧离子氧离子氧离子氧离子石英晶体石英晶体在在X-Y平面平面离子分布离子分布X方向受力方向受力Y方向受力方向受力Z Z方向受力方向受力将不产生压电效应！将不产生压电效应！三、三、压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应 压电陶瓷压电陶瓷：多晶铁电体，具有电畴（分子自发形成的电：多晶铁电体，具有电畴（分子自发形成的电场区域）结构的压电材料。正常状态下对外不呈现电荷。场区域）结构的压电材料。正常状态下对外不呈现电荷。在一定温度下，对压电陶瓷加强电场进行在一定温度下，对压电陶瓷加强电场进行极化处理极化处理，内，内部电畴的排列被人为地规则化，当强电场撤消后，压电陶瓷部电畴的排列被人为地规则

3、化，当强电场撤消后，压电陶瓷就具有了就具有了压电特性压电特性。多晶铁电体多晶铁电体在强电场中极化在强电场中极化电畴排列规则化电畴排列规则化Fdqzz电荷计算：电荷计算：zzd为纵向压电系数。为纵向压电系数。取压电材料的极化方向为取压电材料的极化方向为Z轴轴Z受压受压xxqY受压受压YXZYAAFdq电荷计算：电荷计算：XA极化面面积极化面面积yA受力面面积受力面面积)(Zxzydd且：且：第二节第二节 压电材料及压电元件压电材料及压电元件一、压电材料一、压电材料要求：要求：1 1）压电常数大；）压电常数大；2 2）机械强度高；）机械强度高；3 3）电阻率大，介电常数大；）电阻率大，介电常数大；

4、4 4）引起压电效应破坏的温度点（居里点）高；）引起压电效应破坏的温度点（居里点）高；5 5）时间稳定性好。）时间稳定性好。（一）石英晶体（一）石英晶体（二）水溶性压电晶体（二）水溶性压电晶体（三）铌酸锂晶体（三）铌酸锂晶体（四）压电陶瓷（钛酸钡、锆钛酸铅、铌酸盐、铌镁酸铅）（四）压电陶瓷（钛酸钡、锆钛酸铅、铌酸盐、铌镁酸铅）（五）压电半导体（五）压电半导体（六）高分子压电材料（六）高分子压电材料二、压电元件二、压电元件+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-并联并联Q=nQ U=U Q=nQ U=U C=nCC=nC 串联串联Q=Q U=nU Q=Q U=nU C=C/nC=C/n第三节

5、第三节 压电传感器的测量电路压电传感器的测量电路一、压电式传感器的等效电路一、压电式传感器的等效电路 压电式传感器可以等效为压电式传感器可以等效为电荷源电荷源和和压电元件电容器的压电元件电容器的并联并联电路；也可以等效为电路；也可以等效为电压源和电容器电压源和电容器的串联电路。的串联电路。其中电容器为：其中电容器为：hACa0压电元件极板面积压电元件极板面积 元件厚度元件厚度相对介电常数相对介电常数 当压电式传感器连接测量仪表时的等效电路：当压电式传感器连接测量仪表时的等效电路：传感器的泄露电阻传感器的泄露电阻电缆电容电缆电容放大器输入电阻电容放大器输入电阻电容电缆电容电缆电容传感器的泄露电阻

6、传感器的泄露电阻放大器输入电阻电容放大器输入电阻电容二、压电式传感器的测量电路二、压电式传感器的测量电路)(tfdQatFtfmsin)(amaAaCtFdCQusin由：由：得：得：iuiu化化简简aCiaaaiCCCtfdtfdCCRjRjCjRCjCjRuu)()()(1)/()/1()/1/(电缆长度会影响灵敏度！电缆长度会影响灵敏度！（一）电压放大器（一）电压放大器（二）电荷放大器（二）电荷放大器忽略三个电阻的影响，忽略三个电阻的影响，输入到运放的电荷：输入到运放的电荷：fiQQQ又又)(0UUCQiffiQfQiu0u+)(00UAUCfiaCiiUCCCQ)(及及（1 1）将将 、代入（代入（1 1）式，得：）式，得：iQfQffaCiCQCACCCAQU)1()(0灵敏度：灵敏度：fCQUk10第四节第四节 压电式传感器的应用压电式传感器的应用（一）压电式力传感器（一）压电式力传感器底座底座插座插座盖板盖板晶片晶片绝缘套绝缘套（二）压电式压力传感器（二）压电式压力传感器晶片晶片膜片膜片引线引线壳体壳体绝缘子绝缘子预压圆筒预压圆筒壳体壳体绝缘体绝缘体引线引线电极电极压电压电堆片堆片膜片膜片弹簧弹簧