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第6章 压电式传感器-1


+
P1
+ P3 P2
+
+ +
-
- - - - X - +
FX

-
当有2作用时,X方向产生压电效应,但极性与1相 反,而Y和Z方向仍无压电效应。因此 -d11=d120 , d22=d32=0 。 当有3作用时,不产生压电效应。因为晶体沿X方向 和沿Y方向所产生的正应变完全相同,所以,正、负 电荷中心保持重合,电偶极矩矢量和等于零。因此 d13= d23=d33=0 。
这样,压电材料的压电特性可用压电常数矩阵表示,
1 d16 2 3 d 26 23 d 36 31 12
q1 d11 q d 2 21 q 3 d 31
(一)压电常数g
在“断路条件”下单位应力在晶体内部产生的电 势梯度,或者是应变引起的电位移。 gij=dij/r0
(二)压电常数h 表示每单位机械应变在晶体内部产生的电势梯度,是关系到 压电材料机械性能的参数。 hij=gijE E—晶体的杨氏模量。 (三)机电耦合系数K 它是反映压电材料的机械能与电能之间相互耦合关系的物理 量,其值为 K2=由机械能转变而来的电能/输入的机械能(正压电效应) 或: K2=由电能转变而来的机械能/输入的电能(逆压电效应) 机电耦合系数是一个没有量纲的物理量,它与其它压电常数 的关系为
q1 d111 d11 Fx S
Q q1S d11Fx
说明当沿X轴受力作用时,产生电荷与面积无关。 (二)长度变形(LE方式)利用横向压电效应。
q1 d12 2 Sx Q 1 q1S x d12 2 S x d12Fy Sy
当沿Y轴施加作用力时,在x轴产生的电荷与 X面和Y面的几何尺寸有关。Sx、Sy分别为产 生电荷面和受力面的面积。
铌酸锂晶体(Li2NbO3)是人工拉制的单晶体,时间稳定 性远比多晶体压电陶瓷好,居里点高达1200°C。
天然形成的石英晶体外形
天然形成的石英晶体外形(续)
石英晶体切片及封装
石英晶体薄片
双面镀银并封装
2.多晶体
1)压电机理 人工合成的压电陶瓷,其压电常数为石英晶体 的几倍,因此灵敏度高。但必须极化处理后才 具有压电效应。 极化后,当垂直于极化表面作用时(即作用力 沿极化方向时),在极化表面便产生电荷。其 电荷密度q与应力的关系为 q=d33。 经分析:BaTiO3的独立压电常数有d31、d33和 d15三个。
(三)面剪切变形(FS方式 2 d25 5 d25 31 (四)厚度剪切变形(TS方式) (Y切晶片) q2 d26 6 d26 12 (五)弯曲变形(BS方式) 是拉、压应力的组合,根据具体情况而定。
2)石英晶体压电特性
晶体与非晶体的区别:晶体的许多物 理特性决于晶体中的方向,而非晶体 的特性与方向无关。 因为石英是一种各向异性晶体,因此, 按不同方向切割的晶片,其物理性质 (如弹性、压电效应、温度特性等) 相差很大。在设计石英传感器时,根 据不同使用要求,要正确地选择石英 片的切型。 石英的最常用的切割方向为X切和Y切。
居里点或倒转温度:石英晶体 在常温时d和几乎不随温度变 化,但达到573 °C会失去压 电特性,该温度是其~。
dij(10-12 C/N)
2.5 2 1
t(°C)
100 200 300 400 500
石英明显的优点是介电常数和压电常数的温度稳 定性好,但石英材料价格昂贵,且压电系数比压 电陶瓷低得多。故一般只用在校准用的标准传感 器或精度很高的传感器中。
K ij hijdij
第二节
压电材料
明显呈现压电效应的敏感功能材料叫压电材料。 由于是物性型的,因此选用合适的压电材料是设 计高性能传感器的关键。 主要应考虑以下几方面: a.具有大的压电常数d和g; b.机械强度高、刚度大,以便获得高的固有振荡 频率; c.高电阻率和大介电系数; d.高的居里点; e.温度、湿度和时间稳定性好。
d12 d 22 d 32
d13 d 23 d 33
d14 d 24 d 34
d15 d 25 d 35

23 4 , 31 5 , 12 6

q D
二、压电常数和耦合系数
以上讨论的压电常数dij的物理意义是:在“短路 条件”下,单位应力所产生的电荷密度。“短路 条件”是指压电元件的表面电荷从一产生就立即 被引开,因而在晶体形变上不存在“二次效应”。 实际使用时还有其它压电常数:
X切
石英晶体具有压电效应,是 由其内部结构决定的。组成石英 晶体的硅离子Si4+和氧离子O2-在 + Z 平面等效投影,如右图,图中 “ + ” 代 表 Si4+ , “ - ” 代 表 2O2-。 当无作用力时,正、负离子(即 Si4+ 和2O2- )正好分布在正六边形顶角 上,形成三个互成120º 夹角的偶极矩P1、 P2、P3,如图所示。此时正负电荷中心 + 重合,电偶极矩的矢量和等于零,即 P1+P2+P3=0
2)压电陶瓷的压电特性 (一)钛酸钡:d、,很高,抗湿性好,价格 便宜,120 °C的居里点,机械强度高。 (二)镐钛酸铅系列(PZT):居里点300 ° C 以上,性能稳定,具有很高的介电常数与压电 常数,d33可达50010-12 C/N。 此外还有PMN、PVDF(压电聚合材料)等。 3)热释电效应:由于温度变化而产生的电极化。 单位为[C/(m2 g C]。
石英晶体的压电效应演示
当力的方向改变时,电荷的极性随之改变,输出电压 的频率与动态力的频率相同;当动态力变为静态力时,电 荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。
一、压电效应的表达式
经实验发现,当晶体某一定方向受到应力,使在某 一定表面产生电荷,该面的电荷密度q和之间有一 定的确定关系(正比关系), 即q=d 但由于产生电荷需要面,因此与X、Y、Z三个方向 垂直的三个面Sx、Sy、Sz为晶体的电荷面。应力也 应该有三个面上的应力和沿X、Y、Z右手旋转方向 的剪切应力,故表达式可以写成qi=dij j。
(c) 当两压电晶片并联后的 C 2Ca 电容为
电荷为 Q 2Q – – +) , (+ 则电压为 U 2Q U
dij:j方向的力使得i面产生电荷的压电常数 σj:j方向的力在i面产生的电荷密度
i=1、2、3,分别表示X、Y、Z三个方向。 j=1~6,其中1、2、3表示X、Y、Z方向受到的应 力,4、5、6表示X、Y、Z方向上右手旋转的 剪切应力。
Sy
Sx
qi=dij j
Sz
经这样定义后,当晶体在任意受力状态下产生的表面 电荷密度有下列方程组确定: q1 d111 d12 2 d13 3 d14 23 d15 31 d16 12 q 2 d 211 d 22 2 d 23 3 d 24 23 d 25 31 d 26 12 q 3 d 311 d 32 2 d 33 3 d 34 23 d 35 31 d 36 12
0 0 0 d15 0 D 0 0 0 d15 0 d 31 d 31 d 33 0 0
0 0 0
式中d33—纵向压电常数。(其下角注的意义与 石英晶体相同,只是在压电陶瓷中把它的极化 方向定为Z轴。) d33 = 19010-12(C/N) d31 = - 7810-12(C/N) d15 = 25010-12(C/N) r = 1200
第六章 压电式传感器
本章要点: 1.压电元件的压电机理、压电特性 2.压电传感器原理和正确使用方法 3.动态测量工作频率范围确定方法
压电式传感器的工作原理是某些物质的压电 效应为基础,它是一种自发电式传感器(物性 型,能量转换型)。
压电式传感器是一种典型的“双向传感器”。
具有体积小、重量轻、结构简单、工作可靠、固有 频率高、灵敏度和信噪比高等优点。
PVDF(压电聚合材料)
压电薄膜
压电电缆
将高分子压电电缆埋在公路上,可以 获取车型分类信息(包括轴数、轴距、 轮距、单双轮胎)、车速监测、收费 站地磅、闯红灯拍照、停车区域监控、 交通数据信息采集(道路监控)及机 场滑行道等。
第三节
压电元件常用结构形式
一、压电元件的基本变形
(一)厚度变形(TE方式)利用纵向压电效应。
Y +
+ Y P1 P2
X
+ P3
-
X
-
+
(电偶极距的大小为p=ql,方向由负指向正)
当有1作用时,晶体X、Y、Z方向都产生伸缩变形, 但仅在X方向上产生压电效应,而Y和Z方向电偶极 距为0。
因此d110,d21=d31=0。
Y
FX
Y
- - -
+
+ P3 P2
P1
-
FX + + X
FX
+ + + +
主要缺点是无静态输出,阻抗高,需低电容低噪声 电缆,很多压电材料的工作温度只有250°C左右。
第一节 压电效应
*正压电效应:当沿着一定方向对某些电介质加力而 使其变形时,在一定表面上产生电荷;当外力去掉后, 又重新回到不带电的状态。 *逆压电效应:当在电介质的极化方向施加电场,这 些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械应力; 当外加电场撤去时,这些变形或应力也随之消失。 具有压电效应的电介质称为压电材料。如单晶的石英 和人造压电陶瓷的钛酸钡、锆钛酸铅等多晶体。
工作机理: 原始的压电陶瓷材料没有 压电性,陶瓷烧结后有自 发的电耦极矩形成的微小 极化区域称为“电畴”, 它们是压电特性的基础, 可惜它们在原始材料中是 无序排列的,各自的极化 能力相互抵消。 当这些小的电畴在 20~30kV/cm的极化电场 中放2~3h后,将使极性转 到接近电场方向。这一过 程称为人工极化过程。 经极化处理后,压电陶瓷 便具有压电效应。
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