第5章压电式传感器学习教案

1、会计学1第第5章压电式传感器章压电式传感器第一页，共64页。图图5-1 压电效应压电效应(y din xio yng)示意图示意图第1页/共64页第二页，共64页。n某些单晶体或多晶体陶瓷电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部某些单晶体或多晶体陶瓷电介质，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，同时在它的两个对应晶面上便产生符号就产生极化现象，同时在它的两个对应晶面上便产生符号(fho)相反的等量电荷相反的等量电荷，当外力取消后，电荷也消失，又重新恢复不带电状态，这种现象称为压电效应，当外力取消后，电荷也消失，又重新恢复不带电状态，这种现象称为压电效应。当作用力的方向

2、改变时，电荷的极性也随着改变。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随着改变第2页/共64页第三页，共64页。第3页/共64页第四页，共64页。第4页/共64页第五页，共64页。图图5-2 压电元件压电元件(yunjin)的的坐标系表示法坐标系表示法第5页/共64页第六页，共64页。石英11xxqdfxf1211yyyaaqdfdfbb yf5.2 压电材料压电材料(cilio)及其压电及其压电机理机理521 石英石英(shyng)晶体晶体第6页/共64页第七页，共64页。第7页/共64页第八页，共64页。5.2 压电材料压电材料(cilio)及其压及其压电机理电机理第8页/共64页第九页，共64

3、页。如图5-5所示，图中“”代表Si4+ 、“ ”表示O2。形成三互成120夹角的电偶极矩Pl、P2和P3图图5-5 石英晶体石英晶体(jngt)的的压电效应示意图压电效应示意图电偶极矩是电荷系统的极性的一种衡量电偶极矩是电荷系统的极性的一种衡量.连接连接+Q和和Q两个点电荷的两个点电荷的直线称为电偶极子的轴线，从直线称为电偶极子的轴线，从Q指向指向+Q的矢径和电量的乘积的矢径和电量的乘积定义为电偶极子的电矩，也称定义为电偶极子的电矩，也称电偶极矩电偶极矩 第9页/共64页第十页，共64页。第10页/共64页第十一页，共64页。第11页/共64页第十二页，共64页。第12页/共64页第十三页，

4、共64页。 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 11141411112625141211dddddddddddij(5-9) 只有只有2个独立常数个独立常数(chngsh)：d11=2.31pC/N；d14=0.727pC/N。 当作用力的方向相反时，很显然，电荷的极性也随之改变当作用力的方向相反时，很显然，电荷的极性也随之改变。如果对石英晶体的各个方向同时施加相等的力时。如果对石英晶体的各个方向同时施加相等的力时(如液体压如液体压力、应力等力、应力等)，石英晶体始终保持电中性不变。所以，石英晶，石英晶体始终保持电中性不变

5、。所以，石英晶体没有体积形变的压电效应。体没有体积形变的压电效应。第13页/共64页第十四页，共64页。21第14页/共64页第十五页，共64页。FdQ33极化面第15页/共64页第十六页，共64页。FSSdFSSdQyxyx3132第16页/共64页第十七页，共64页。 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 33313115153332312415dddddddddddij第17页/共64页第十八页，共64页。第18页/共64页第十九页，共64页。自由电荷电极自由电荷束缚电荷第19页/共64页第二十页，共64页。33qdF5.

6、2 压电材料压电材料(cilio)及其压电及其压电机理机理第20页/共64页第二十一页，共64页。第21页/共64页第二十二页，共64页。第22页/共64页第二十三页，共64页。第23页/共64页第二十四页，共64页。第24页/共64页第二十五页，共64页。电荷泄漏并获得良好的低频电荷泄漏并获得良好的低频特特性。性。 (4)温度和湿度稳定性良好，温度和湿度稳定性良好，具有较高的居里点具有较高的居里点(在此温度在此温度时，压电材料的压电性能时，压电材料的压电性能(xngnng)被破坏被破坏)，以期得到，以期得到较宽的工作温度较宽的工作温度范围。范围。 (5)时间稳定性：压电特性不时间稳定性：压电

7、特性不随时间蜕变。随时间蜕变。第25页/共64页第二十六页，共64页。5.2 压电材料压电材料(cilio)及其压电机及其压电机理理第26页/共64页第二十七页，共64页。第27页/共64页第二十八页，共64页。 类类 别别 材材 料料 成成 分分 特特 性性 石石英英晶晶体体 单单晶晶体体、水水晶晶 （人人造造、 天天然然） SiO2 d11=2.3110-12C/N， 压压电电系系数数稳稳定定，固固有有频频率率稳稳定定 承承受受压压力力700-1000Kg/cm2 压压电电陶陶瓷瓷 人人造造多多晶晶体体 钛钛酸酸钡钡、锆锆钛钛酸酸钡钡、铌铌酸酸盐盐系系 压压电电系系数数高高d33=1901

8、0-11C/N 品品种种多多、性性能能各各异异 新新型型压压电电材材料料 压压电电半半导导体体 压压电电特特性性 半半导导体体特特性性 集集成成压压电电传传感感器器 有有机机高高分分子子 压压电电材材料料 质质轻轻柔柔软软、抗抗拉拉强强度度高高、 机机电电耦耦合合系系数数高高 第28页/共64页第二十九页，共64页。 图图5-9 压电元件的受力状态压电元件的受力状态(zhungti)和变形方式和变形方式(a)厚度变形；厚度变形；(b)长度变形；长度变形；(c)面剪切变形；面剪切变形；(d)厚度剪切变形；厚度剪切变形；(e)体积变形体积变形第29页/共64页第三十页，共64页。yzxdq14xy

9、ydq25xxdq11xxFdQ11yxdq12yxyxSSFdQ12第30页/共64页第三十一页，共64页。xyydq26zyxzdddq333231Vzdddq)2(3331第31页/共64页第三十二页，共64页。图图5-10 叠式压电片的并联叠式压电片的并联(bnglin)和串联和串联(a)并联并联(bnglin)接法；接法；(b)串联接法串联接法第32页/共64页第三十三页，共64页。 2 2QQUUCC并并并， 2 2/QQUUCC串串串，第33页/共64页第三十四页，共64页。hShSCra0aC/QU 银电极压电材料图图5-12 压电式传感器等效电路压电式传感器等效电路第34页/

10、共64页第三十五页，共64页。第35页/共64页第三十六页，共64页。aquC/KK 第36页/共64页第三十七页，共64页。第37页/共64页第三十八页，共64页。)RR/(RRRiaiaicCCC第38页/共64页第三十九页，共64页。tsinFFmtUtCFdCQUmamaasinsin33)CC(RjRjFdUai133ammC/FdU33第39页/共64页第四十页，共64页。22331)CCC()R(RFdUicamimR)CCC(arctanica222331)CCC()R(RdFUKicamimu第40页/共64页第四十一页，共64页。icamamCCCFdU33 22)()(1

11、)(icaicaamimCCCRCCCRUUKicamamuCCCdFUK33第41页/共64页第四十二页，共64页。)CCC(Rica 2)/(1/nnamimUUK)/arctan(n2图图5-15 电压幅值比和相角电压幅值比和相角与频率与频率(pnl)比的关系曲线比的关系曲线第42页/共64页第四十三页，共64页。压电式传感器的压电式传感器的3dB截止频率下限截止频率下限(xixin)为为(取取 )CCC(RficaL21 21K (5-36) 一般一般情况下fL1Hz，低频响应也不错低频响应也不错。)CC(RjRjFdUai133第43页/共64页第四十四页，共64页。图图5- 16

12、阻抗阻抗(zkng)变换器电路图变换器电路图图图5-17 内置超小型阻抗变换器的内置超小型阻抗变换器的一体化压电式加速度传感器一体化压电式加速度传感器 为了解决电缆电容为了解决电缆电容Cc的的问题，问题，将将前置前置放大器装入传感器之中放大器装入传感器之中，组成一体化传感器，如图，组成一体化传感器，如图5-17所示。所示。第44页/共64页第四十五页，共64页。fcCQuUf/0fCu第45页/共64页第四十六页，共64页。第46页/共64页第四十七页，共64页。ffCAC)1 (ficaC)A(CCCAQU10fCQU/0第47页/共64页第四十八页，共64页。第48页/共64页第四十九页，

13、共64页。ffCjRQjU/102220)/1 (ffCRQUffLCRf21Q0U0U第49页/共64页第五十页，共64页。 为了(wi le)便于分析，用图（b）的电压源代（a）的电荷源，由此可得（用节点电压法）()()aisciaiciciffggjCC(U -U )j C =U+(U -U )(g +j C )isc UU /A()(1)()aascfficaicj C U Agj CAggjCCCU第50页/共64页第五十一页，共64页。)CR/arctan()CR/arctan(ffff11第51页/共64页第五十二页，共64页。例例1：压电式测力：压电式测力(c l)传传感器感器

14、压电式三向力传感器压电式三向力传感器5.5 压电式传感器的应用压电式传感器的应用(yngyng)第52页/共64页第五十三页，共64页。例例2： 压电式压力压电式压力(yl)传感传感器器11qdFFP S电极结构电极结构预紧力预紧力第53页/共64页第五十四页，共64页。例例3：压电引信：压电引信(ynxn)压电陶瓷压电陶瓷(toc)：弹丸起爆装置：弹丸起爆装置破甲弹破甲弹第54页/共64页第五十五页，共64页。例例4：火炮：火炮(hupo)堂内压力测试堂内压力测试发射药在堂内燃烧形成压力完成炮弹的发射。堂内压力的发射药在堂内燃烧形成压力完成炮弹的发射。堂内压力的大小，不仅决定着炮弹的飞行速度

15、，而且与火炮大小，不仅决定着炮弹的飞行速度，而且与火炮(hupo)、弹丸的设计有着密切关系。、弹丸的设计有着密切关系。第55页/共64页第五十六页，共64页。例例5：压电式加速度传感器：压电式加速度传感器Qd Fd maQdmaUCCFma 重块质量重块质量 加速度加速度ma第56页/共64页第五十七页，共64页。例例6：冲击：冲击(chngj)试验台的标定和试验台的标定和检测检测产品过载冲击试验产品过载冲击试验跌落高度跌落高度h被冲击介质：钢、橡胶、塑料、木块被冲击介质：钢、橡胶、塑料、木块加速度加速度第57页/共64页第五十八页，共64页。例例7：汽车：汽车(qch)安全气囊系统安全气囊系统事故性碰撞：点火信号、电点火管、气体发生事故性碰撞：点火信号、电点火管、气体发生(fshng)剂、剂、 气体、充气、弹性体气体、充气、弹性体第58页/共64页第五十九页，共64页。例例8： 气体气体(qt)发生器输出特性发生器输出特性测试测试密封容器压力测试法密封容器压力测试法第59页/共64页第六十页，共64页。例例9：振动：振动(zhndng)测量仪测量仪加速度加速度(sd) 160