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第五章压电式传感器 压电式传感器 当外力作用于某些晶体时 发生压电效应 在晶体表面产生电荷 通过检测发电电荷量的大小测出作用力的大小 可制成力 压力 加速度等传感器 体积小 轻便 频带宽 灵敏度高 第一节压电式传感器原理 压电效应 某些晶体在一定方向上受到外力作用时 内部产生极化现象 相应在晶体的两个表面上产生符号相反的电荷 当外力除去时 电荷消失 当外力反向时 电荷极性也反向 被称为压电效应 一 压电效应 二 石英晶体的压电效应 石英 二氧化硅单晶 六角棱柱体 X Y Z三个晶轴 晶体切块 1 X向应力 纵向压电效应 电荷计算 2 Y向应力 横向压电效应 压力 拉力 压力 拉力 分别为两个方向的压电系数 且 关于压电效应的解释 硅离子 硅离子 硅离子 氧离子 氧离子 氧离子 石英晶体在X Y平面离子分布 X方向受力 Y方向受力 Z方向受力将不产生压电效应 三 压电陶瓷的压电效应 压电陶瓷 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 在一定温度下 对压电陶瓷加强电场进行极化处理 内部电畴的排列被人为地规则化 当强电场撤消后 压电陶瓷就具有了压电特性 多晶铁电体 在强电场中极化 电畴排列规则化 电荷计算 为纵向压电系数 取压电材料的极化方向为Z轴 Z受压 Y受压 电荷计算 极化面面积 受力面面积 且 第二节压电材料及压电元件 一 压电材料 要求 1 压电常数大 2 机械强度高 3 电阻率大 介电常数大 4 引起压电效应破坏的温度点 居里点 高 5 时间稳定性好 一 石英晶体 二 水溶性压电晶体 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 五 压电半导体 六 高分子压电材料 二 压电元件 并联Q nQU UC nC 串联Q QU nUC C n 第三节压电传感器的测量电路 一 压电式传感器的等效电路 压电式传感器可以等效为电荷源和压电元件电容器的并联电路 也可以等效为电压源和电容器的串联电路 其中电容器为 压电元件极板面积 元件厚度 相对介电常数 二 压电式传感器的测量电路 由 得 电缆长度会影响灵敏度 一 电压放大器 二 电荷放大器 忽略三个电阻的影响 输入到运放的电荷 又 及 1 将 代入 1 式 得 灵敏度 第四节压电式传感器的应用 一 压
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