传感器第十课实用教案

1、应用(yngyng)压电式步态分析跑台压电式纵跳训练分析装置 压电传感器是力敏感元件，所以(suy)它能测量最终变为力的各种物理量，例如力、压力、加速度等。第1页/共23页第一页，共24页。压电陶瓷位移器压电秤重浮游计压电警号第2页/共23页第二页，共24页。6.1 压电效应及压电材料 6.2 压电式传感器测量(cling)电路6.3 压电式传感器的应用 第3页/共23页第三页，共24页。一、压电效应(y din xio yng) 某些电介质（晶体），当沿着一定方向对其施力而使它变形时，在它的两个表面上便产生符号相反(xingfn)的电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态，这种现象称压电效应

2、。 6.1 压电效应(y din xio yng)及压电材料第4页/共23页第四页，共24页。压电效应具有(jyu)可逆性，利用这一特性可以实现机械能和电能 的相互转换。 压电效应(y din xio yng)-特性压电元件机械能电能逆压电效应正压电效应第5页/共23页第五页，共24页。压电晶体：晶体形变时，正负电荷的中心(zhngxn)分离。非压电晶体：具有中心对称(zhn xn du chn)的结构，晶体正负电荷中心总是重合在一起。压电效应(y din xio yng)有方向性第6页/共23页第六页，共24页。压电晶体：如石英等；压电晶体：如石英等；压电陶瓷：如钛酸钡、锆钛酸铅等；压电陶瓷

3、：如钛酸钡、锆钛酸铅等；新型新型(xnxng)压电材料：压电半导体压电材料：压电半导体(如硫化如硫化锌、碲化镉等锌、碲化镉等自然界中大多数晶体(jngt)都具有压电效应, 但压电效应十分微弱二、压电材料(cilio)分类具有压电效应的材料称为压电材料。第7页/共23页第七页，共24页。石英(shyng)晶体化学式：SiO2 单晶体结构 又称水晶体（或单晶体）1.石英(shyng)晶体人工合成水晶天然结构(jigu)石英晶体的理想外形是一个正六面体且晶体各个方向的特性不同理想石英晶体外形第8页/共23页第八页，共24页。 石英晶体各个方向特性不同，按不同方向切割的晶片其物理性质相差很大。在设计石

4、英传感器时应根据不同使用(shyng)要求正确选择石英片的切型按特定方向切片压电晶片第9页/共23页第九页，共24页。z轴：光轴，它与晶体的纵轴线方向一致，又叫中性轴：光轴，它与晶体的纵轴线方向一致，又叫中性轴轴 因为沿着因为沿着z轴方向受力时不产生轴方向受力时不产生(chnshng)压电效应。压电效应。x轴：电轴，经过正六面体棱线并垂直于光轴轴：电轴，经过正六面体棱线并垂直于光轴z，在，在垂直垂直 于此轴面上的压电效应最强。于此轴面上的压电效应最强。y轴：机械轴，垂直于两个相对的晶柱棱面。轴：机械轴，垂直于两个相对的晶柱棱面。晶体学中，常用三根互相垂直(chuzh)的轴表示晶体的各向(b)石

5、英晶体坐标系切割方向zyx （1）外形(wi xn)结构第10页/共23页第十页，共24页。（2）石英(shyng)晶体压电效应zyxca(c) 石英晶体切片b假设(jish)从石英晶体上切下一片平行六面体晶体切片第11页/共23页第十一页，共24页。纵向压电效应 沿电轴x方向的力作用下 产生电荷的压电效应；横向(hn xin)压电效应 沿机械轴y方向的力作用下 产生电荷的压电效应；沿光轴z方向的力作用时，不产生压电效应。第12页/共23页第十二页，共24页。石英晶体(jngt)薄片双面镀银(d yn)并封装第13页/共23页第十三页，共24页。石英(shyng)晶体振荡器（晶振） 石英晶体在

6、震荡电路中工作时，压电效应与逆压电效应交替作用，从而产生稳定的振荡(zhndng)输出频率。第14页/共23页第十四页，共24页。石英晶体具有压电效应石英晶体具有压电效应(y din xio yng)，是由其，是由其内部分子结构决定的内部分子结构决定的(a) 硅氧离子在Z平面上的投影XY(b) 等效为正六边形排列的投影+-YX+（3）石英晶体压电效应(y din xio yng)机理第15页/共23页第十五页，共24页。 P1 + P2+ P3 = 0 晶体表面不产生(chnshng)电荷，呈电中性 P = ql （q为电荷(dinh)量，l为正负电荷(dinh)之间距离）石英(shyng)晶

7、体沿x方向受力第16页/共23页第十六页，共24页。 ( P1 + P2+ P3 )x 0沿y轴方向(fngxing)的拉力作用时，与上述一致。第17页/共23页第十七页，共24页。 ( P1 + P2+ P3 )x 0在y轴方向(fngxing)受到压力亦如此。第18页/共23页第十八页，共24页。（a）当沿电轴x方向施加(shji)作用力Fx时在与电轴x垂直的平面上将产生符号电荷，大小为: 产生的电荷与几何尺寸无关(wgun)压电效应为纵向压电效应xxFdq11x方向受力的压电系数纵向(zn xin)压电效应（4）作用力与电荷的关系第19页/共23页第十九页，共24页。 （b）若在同一切片

8、(qi pin)上，沿机械轴y方向施加作用力Fy，则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qy，其大小为 d12 y轴方向受力的压电系数 根据石英(shyng)晶体的对称性, d12= -d11a、b晶体切片的长度和厚度产生的电荷与几何尺寸有关产生横向(hn xin)压电效应yyFbadQ12横向压电效应第20页/共23页第二十页，共24页。晶体(jngt)切片上电荷极性与受力方向的关系图 横向压电效应(y din xio yng)产生的电荷与纵向压电效应(y din xio yng)产生的电荷极性相反。第21页/共23页第二十一页，共24页。 当晶片受到x方向的压力作用时，qx只与作用力Fx 成正比，而与晶片的尺寸(ch cun)无关； 沿机械轴y方向向晶片施加压力时，产生的电荷与 几何尺寸(ch cun)有关； 石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的；结 论：第22页/共23页第二十二页，共24页。谢谢您的观看(gunkn)！第23页/共23页第二十三页，共24页。NoImage内容(nirng)总结应用。变为力的各种物理量，例如力、压力、加速度等。非压电晶体：具有中心(zhngxn)对称的结构，晶体正负电荷中心(zhngxn)总是重合在一起。新型压电材料：压电半导体(如硫化锌、碲化镉