传感器原理及应用-第6章.ppt

1、传感器原理和应用principlesandapplicationsofsensors，发表：王殿生教授，第六章，作业，第二版教材113页：练习题：6- 1，6-4，6测量压电式传感器的动态力、机械冲击和振动，声学、医学、力学、力学根据工作原理，压电传感器的种类为正逆压电效应型和反逆压电效应型。 第6章压电式传感器，6.1逆压电效应6.2压电材料6.3压电式传感器等效电路6.4压电式传感器测量电路6.5压电式传感器应用，第6章压电式传感器，1，逆压电效应的基本概念，6.1逆压电效应，1，正逆压电效应某物质在某方向受到外力时变形，当云同步内部着劲儿方向改变时，随之将这种机械能转换成电能的现象称为正

2、逆压电效应或正逆压电效应。 另一方面，逆压电效应的基本概念，6.1逆压电效应，2，反向逆压电效应在某物质的极化方向施加电场的话，这些个的材料在某方向产生机械变形或者机械压力的施加电场被去除的话，随之产生的这些个的变形和应力也消失。 这种电能转换为机械能的现象称为反逆压电效应或电致伸缩效应。 3、逆压电效应特征(1)逆压电效应具有可逆性，1、逆压电效应基本概念，6.1逆压电效应，3、逆压电效应特征(2)当输入方向改变时，电荷极性改变，输出电压频率变为与动态输入频率相同。 (3)具有不稳定性的动力成为静力时，由于表面泄漏，电荷迅速泄漏，消失。 二、逆压电效应基本原理，6.1逆压电效应，压电单晶：灰

3、水晶(含天然灰水晶和人工灰水晶)，水溶性压电晶体(含酒石酸钾纳金属钍、酒石酸乙二铵、酒石酸二钾元素、硫酸锤等)。 常见的压电材料可分为压电单晶和多晶压电陶瓷两种。 多晶压电蜂窝混合双打：钛酸钡压电蜂窝混合双打、钛酸锆英石酸金属铅系压电蜂窝混合双打、铌酸盐系压电蜂窝混合双打及铌酸镁酸金属铅压电蜂窝混合双打等。 天然水晶、压电陶瓷混合双打、二、逆压电效应的基本原理、6.1逆压电效应、天然水晶结晶、结构形状为六角形的结晶柱，两端均为对称的角锥. 在结晶学中，使用相互正交的3根轴制作记述结晶构造形状的坐标系。 纵轴z称为光轴，穿过六棱线并垂直于光铀的x铀称为电气轴，垂直于xx轴和zzz轴的yy轴(垂直

4、于六角柱状体的棱面)称为机械轴。 1 .水晶晶体的逆压电效应，从水晶晶体切取长方体，使其晶面分别与Z-Z、Y-Y、X-X轴平行。 晶片在正常状态下显示出电性质。 二、逆压电效应的基本原理、6.1逆压电效应、1、水晶逆压电效应、纵逆压电效应：在电轴(x轴)方向的作用力下的逆压电效应。 横逆压电效应：由机械轴(y轴)方向的作用力产生的逆压电效应钽二烯烃逆压电效应：沿相对两棱施加力时产生的逆压电效应。 沿光轴(z轴)方向的作用力不产生逆压电效应。 压电传感器主要利用纵向逆压电效应。 二、逆压电效应的基本原理，6.1逆压电效应，水晶结晶有逆压电效应，由内部分子结构决定。 在一个单针织面料面包车中，构成

5、水晶结晶的硅络离子和氧络离子被心理投射在与z轴垂直的xy平面上，与正六角形排列等效。 是硅络离子Si4，是氧络离子O2-。 2、水晶结晶的逆压电效应微反应历程，水晶结晶不受外力时，正、负络离子正好分布在正六角形的顶角，相互构成120夹角的3个偶极矩为P1、P2、P3 .另一方面，逆压电效应的基本原理、6.1逆压电效应由于P=qL(q是电荷量，l是正负电荷间的距离)，因此此时正负电荷的中心重叠，偶极矩的向量和等于0，即，在P1 P2 P30结晶表面不产生电荷，呈现电中性。 2、水晶结晶的逆压电效应的微观反应历程，结晶受到沿着x方向的压力(fx0，2 )，逆压电效应的基本原理，6.1逆压电效应后，

6、x方向的成分为零(P1 P2 P3)x0的y，z方向的成分不再与(P1 P2 P3)x0相等，2、逆压电效应的基本原理，6.1逆压电效应，2、水晶结晶逆压电效应的晶体受到沿着x方向的拉伸力(Fx0)时，偶极矩P1变大，P2、P3变小，x、y、z三个方向的成分为(p1p2p3)y0(p1p2p3)y=0(p1p2p3)的晶体由于y (即机械轴)方向的力Fy 2 .水晶结晶的逆压电效应的微观反应历程，当结晶受到沿着x (电气轴)方向的力Fx时，在x方向上产生正逆压电效应，在y、z方向上不产生逆压电效应。 当晶体在z轴方向上受到力Fz时，由于晶体在x方向和y方向上产生的正应变完全相同，所以正、负电荷

7、的中心重合，偶极矩矢量和等于零。 由于沿z (即光轴)方向的力Fz，结晶不产生逆压电效应。 二、逆压电效应的基本原理、6.1逆压电效应、d11压电系数。 下标的意思是产生电荷的面的轴向及施加作用力的轴向即a、b、c石英晶体片的长度、厚度和宽度。 3、水晶结晶的逆压电效应作用力和电荷的关系是，从结晶在y方向切取一片晶片，在电轴x方向施加应力，晶片产生厚度变形，发生极化现象。 在晶体的线性弹性范围内，极化强度与应力成正比。 在垂直于x轴的结晶面上产生的电荷量为二、逆压电效应的基本原理、6.1逆压电效应、d11=-d12、水晶结晶轴对称条件。 另外，当在机械轴的y方向上对同一切片施加应力时，在与x轴

8、垂直的平面上产生电荷是由产生电荷q11和q12的符号，是受到压力还是拉伸来决定。 3、水晶结晶的逆压电效应作用力和电荷的关系，二、逆压电效应的基本原理，6.1逆压电效应，晶片受到x方向的压力作用时，qx只是与作用力Fx成比例，与晶片的几何尺寸无关，沿着机械轴的y方向对晶片施加压力的话， 产生的电荷与几何尺寸有关的水晶结晶在哪个方向都没有逆压电效应，结晶在哪个方向有正逆压电效应，无论在这个方向一定有反逆压电效应的正或反逆压电效应，其作用力(或变形)和电荷(或电场强度)之间都有线性关系。 4、水晶结晶的逆压电效应特征，压电陶瓷混合双打是人造的制造的多晶压电材料。 材料内部的晶粒有很多自发极化的结构

9、域，有一定的极化方向，存在电场。 二、逆压电效应的基本原理、6.1逆压电效应、5、压电陶瓷混合双打的逆压电效应、极化处理前、极化处理后，当没有外部电场作用时，结构域在晶体中杂乱分布，各个极化效果相互抵消，压电陶瓷混合双打内极化强度为零。 因此，原始的压电陶瓷混合双打呈中性，不具有压电性质。 如果对陶瓷施加外部电场，则结构域的极化方向旋转，有向外部电场方向排列的倾向，材料被极化。 外部电场强度大到材料极化达到饱和的程度，即所有的结构域极化方向与外部电场方向一致时，外部电场被去除后，结构域极化方向几乎没有变化，即残留极化强度大，此时材料具有压电特性。二、逆压电效应的基本原理、6.1逆压电效应、5、

10、压电陶瓷混合双打的逆压电效应、极化处理前、极化处理后、极化处理后的压电陶瓷混合双打具有压电特性。 陶瓷薄板内的极化强度通常以偶极矩的形式表现，在陶瓷的一端出现正的束缚电荷，在另一端出现负的束缚电荷。 二、根据逆压电效应的基本原理、6.1逆压电效应、5、压电陶瓷混合双打的逆压电效应、束缚电荷的作用，在陶瓷混合双打片的电极面上吸附了来自外部的自由电荷。 这些个的自由电荷与蜂窝混合双打片内的束缚电荷符号相反数量相等，遮蔽并抵消蜂窝混合双打片内的极化强度对外界的作用。 因此，当没有外力或外场作用时，极化处理后的压电陶瓷混合双打也不能显示对外界的电场或应力。 (1)如果对正逆压电效应陶瓷薄板施加与极化方

11、向平行的压力f，则在陶瓷薄板中产生压缩变形。 芯片内正负束缚电荷间的距离变小，极化强度也变小。 吸附在电极上的自由电荷的一部分被放出，引起放电现象。 二、逆压电效应的基本原理、6.1逆压电效应、5、压电陶瓷的逆压电效应，当压力消除时，陶瓷片恢复原状，极化强度也增大。 因此，电极上又吸附一部分自由电荷，发生充电现象。 在这些个过程中产生的电现象是正逆压电效应。 (2)当对逆逆压电效应压电陶瓷薄板施加与极化方向相同的电场时，极化强度因电场的作用而增大。 陶瓷薄板内正负束缚电荷间的距离也变大，即陶瓷薄板在极化方向上产生伸长变形。 二、逆压电效应的基本原理、6.1逆压电效应、5、压电陶瓷混合双打的逆压

12、电效应，同样，如果外加电场的方向与极化方向相反，则陶瓷混合双打片在极化方向上产生缩短变形。 通过这种电气效果转换为机械效果，或者从电能转换为机械能的现象是压电蜂窝混合双打的逆逆压电效应和电致伸缩效果。 (3)电荷量和作用力的关系与水晶结晶不同，通常压电陶瓷混合双打的极化方向为z轴，与z轴垂直的平面上的任何直线都可以为x轴或y轴。 二、逆压电效应的基本原理、6.1逆压电效应、5、压电陶瓷混合双打的逆压电效应、d33是压电陶瓷混合双打的压电系数。 因此，当在z轴方向受力时，与压电陶瓷的几何尺寸无关，电荷在极化方向出现。 如果压电陶瓷混合双打在极化方向上受到力，则在垂直于z轴的上下两面出现电荷，电荷

13、量q与力Fz成比例，即，(3)电荷量和力的关系压电陶瓷混合双打，如果在y方向上受到力Fy或在x方向上受到力Fx，则在垂直于z轴的上下平面分别出现正电荷、负电荷，Ax、Ay受力面面积d32、 (3)如果将电荷量和作用力的关系作为力Fz、Fy或Fx反转，则电荷的极性也反转。 压电陶瓷混合双打在作用力Fx、Fy、Fz协同作用时，在与z轴垂直的上下平面分别出现正、负电荷。 二、由于逆压电效应的基本原理、6.1逆压电效应、5、压电陶瓷混合双打的逆压电效应，无论向哪个方向施加力都发生压缩变形，压电陶瓷混合双打的正、反逆压电效应只能出现在其极化方向。 但是，如果因扭矩而产生剪切变形，则在其他方向也出现逆压电

14、效应。 6.1逆压电效应6.2压电材料6.3压电传感器等效电路6.4压电传感器测量电路6.5压电传感器应用，第6章压电传感器，(1)转换性能：要求较大的压电常数。 (2)机械性能：机械强度高，刚性大。 (3)电性能：高电阻率和大介电常数。 (4)环境适应性：温度和大气湿度稳定性好，要求高居里点，工作温度范围广。 (5)时间稳定性：要求压电性能不随时间变化。一、压电材料必须具备主要特性。 6.2压电材料、二、水晶结晶、水晶结晶在数百个温度范围内，介电常数和压电系数几乎不随温度变化。 当温度超过573居里点时，水晶结晶完全失去压电特性。 石英晶体的突出优点：性能非常稳定，具有较大的机械强度和稳定的

15、机械性能。 但是，灰水晶材料价格昂贵，压电系数远远低于压电陶瓷混合双打。 因此，仅用于标准设备和要求高的传感器。 两种类型的石英晶体是天然和人工培养。 人工培养的石英晶体物理化学性质与天然石英晶体基本相同，目前低成本人工石英晶体已得到广泛应用。 二、水晶结晶、6.2压电材料、天然、人工、晶圆、水晶为各向异性现象结晶：沿不同方向切割的晶圆，其物理性质(如弹性、逆压电效应、温度特性等)有很大差异。 修订水晶传感器时，请根据使用要求正确选择水晶片的切割类型。 压电陶瓷混合双打主要有钛酸钡压电陶瓷混合双打、钛酸锆英石酸金属铅类压电陶瓷混合双打等。 (1)钛酸钡压电陶瓷混合双打钛酸钡(BaTiO3 )是

16、由碳酸钡(BaCO3 )和二氧化钛(TiO2)在高温下合成的压电陶瓷混合双打。 优点：介电常数和压电系数大(约为水晶结晶的50倍)。 缺点：居里点温度低(120 )，温度稳定性和机械强度低于石英晶体。 三、压电陶瓷混合双打、6.2压电材料、(2)钛酸锆英石酸金属铅系压电陶瓷混合双打的钛酸锆英石酸金属铅(PZT )是由PbTiO3和PbZrO3组成的固态溶液Pb(Zr，Ti)O3。 与钛酸钡相比，压电系数大，居里点温度在300以上，各机电残奥表温度影响小，时间稳定性好。 即使在钛酸锆英石酸中添加铌、锑、锡、锰、钨等其他微量元素体1种或2种，也能够得到不同性能的PZT材料。 钛酸锆英石酸金属铅系压

17、电陶瓷混合双打是目前压电式传感器中使用最广泛的压电材料。 压电半导体材料有ZnO、CdS、CdTe等，该压敏老虎钳具有灵敏度高、系统响应时间短等优点。 使用ZnO作为声表面波震荡器的压电材料，能检测出力和温度等残奥计。 四、新型压电材料、6.2压电材料、1、压电半导体材料、某些合成高分子聚合物薄膜经过拉伸和电场极化，具有一定的压电性能，这类薄膜被称为高分子压电薄膜，有聚偏氟二乙烯PVF2、聚偏氟二乙烯PVF、聚氯乙烯PVC等。 2、高分子压电材料、高分子压电材料是柔软的压电材料，不易破裂，能大量生产和扩大面积。 高分子压电薄膜的提拉、四、新型压电材料、6.2压电材料、高分子压电材料的特征：柔软极限拉伸强度高、电阻大、破坏强度高、稳定性好。 高分子化合物参与压电陶瓷粉末，两者优点一体化。 高分子压电材料的应用：大面积阵列传感器，人造皮肤。 2、高分子压电材料、高分子压电薄膜制作的压电电喇叭(逆逆压电效应)、高分子压电薄膜压电式原地踏步开关、高分子压电薄膜和电缆、6.1逆压电效应6.2压电材料6.3压电式传感器等效电路6.4压电式传感器测量电路6.5压电式传感器应用，第6章压电式传感器， 压电传感器的基本原理：压电材料的逆压电效应，一、压电传感器的测量特性，6.3压电传感器等效电路，压电传感器不能用于静态测量：外力作用于压电材料产生的电荷只能无泄漏地保存，测量电路必须