压电式传感器ppt课件.ppt

第5章压电式传感器5.1 压电式传感器的工作原理一、压电效应压电材料的压电特性常用压电方程来描述：
qi=dijj或Q=dijF
dij—压电常数（C／N），（i=1，2，3，j=1，2，3，4，5，6）；
q—电荷的表面密度（C／cm2），
—单位面积上的作用力，即应力（N／cm2）；
Q—总电荷量（C），F—作用力（N）。

i—晶体的极化方向。当产生电荷的表面垂于
x轴（y轴或z轴）时，记为i=1（2或3）。
j=1，2，3，4，5，6单向应力的符号规定拉应力为正，压应力为负；剪切力的符号用右螺旋定则确定。图中表示了它们的方向。另外，还需要对因逆压电效应在晶体内产生的电场方向也作一规定，以确定dij的符号。当电场方向指向晶轴的正向时为正，反之为负。

压电材料的压电特性可用它的压电常数矩阵表示：二、压电材料压电晶体（单晶）：它包括压电石英晶体和其它压电单晶；
压电陶瓷（多晶体）：也称多晶半导瓷，为极化处理的多晶体；
新型压电材料：有压电半导体和有机高分子压电材料两种。
目前普遍应用的是压电单晶中的石英晶体和压电陶瓷中的钛酸钡、锆钛酸铅、铌酸盐系压电陶瓷。⑴压电晶体.ⅰ.压电常数小（压电系数d11＝2.31×10-12C／N），其时间和温度稳定性极好，常温下几乎不变，在20~200℃内其温度变化率约为2.15106/℃；
ⅱ.机械强度和品质因数高，许用应力高达（6.8~9.8）×107Pa。且刚度大，能承受700~1000kg／cm2的压力。固有频率高且十分稳定，动态特性好；
ⅲ.居里点573℃，无热释电性，且绝缘性、重复性均好。
所以石英是理想的压电传感器的压电材料。
天然石英的上述性能尤佳，因此它们常用于精度和稳定性要求高的场合和制作标准传感器。⑵压电陶瓷压电陶瓷具有明显的热释电效应。
热释电效应：某些晶体除了由于机械应力的作用而引起的电极化（压电效应）之外，还可由于温度变化而产生电极化。
用热释电系数来表示该效应的强弱，它是指温度每变化1℃时，在单位质量晶体表面上产生的电荷密度大小，单位为C/（m2·g·℃）。
如果把BaTiO3作为单元系压电陶瓷的代表，则锆钛酸铅（Pb（Ti,Zr）O3，PZT）就是二元系的代表，它是1955年以来压电陶瓷之王。在压电陶瓷的研究中，研究者在二元系的锆钛酸铅中进一步添加另一种成分组成三元系压电陶瓷，其中镁铌酸铅Pb（Mg1/3Nb2/3）O3与PbTiO3和PbZrO3所组成的三元系获得了更好的压电性能，d33=（800~900）×10-12C/N和较高的居里点，前景非常诱人。⑶新型压电材料②有机高分子压电材料
其一，是某些合成高分子聚合物，经延展拉伸和电极化后具有压电性的高分子压电薄膜，如聚氟乙烯（PVF），聚偏氟乙烯（PVF2）、聚氯乙烯（PVC）、聚γ甲基－L谷氨酸脂（PMC）和尼龙11等。
这些材料的独特优点是质轻柔软，抗拉强度高，蠕变小，耐冲击，体电阻达162Ω·m，击穿强度为150~200kV/mm，声阻抗近于水和生物体含水组织，热释电性和热稳定性好，且便于批量生产和大面积使用，可制成大面积阵列传感器乃至人工皮肤。
其二，是高分子化合物中掺杂压电陶瓷（锆钛酸铅或钛酸钡)粉末制成的高分子压电薄膜。
这种复合压电材料同样保持了高分子压电薄膜的柔软性，而且还具有较高的压电性和机电耦合系数。三、石英晶体的压电机理d12——y轴方向受力的压电系数，因石英轴对称，所以d12=－d11；
l，h——晶体片的长度和厚度。
电荷Qx和Qy的符号由受压力还是拉力决定。
Qx的大小与晶体片几何尺寸无关，而Qy则与晶体片几何尺寸有关。当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时（厚度变形），将产生如图b所示压缩变形，正、负离子的相时位置随之变动，正、负电荷中心不再重合。硅离子（1）被挤入氧离子（2）和（6）之间，氧离子（4）被挤入硅离子（3）和（5）之间，电偶极矩在x轴方向的分量（P1＋P2＋P3）x>0，（P1＋P2＋P3）y=0，（P1＋P2＋P3）z=0，结果在x轴负向呈负电荷，在x轴正向呈正电荷；
如果在x轴方向施加拉力（长度变形），如图c所示。结果与之相反，在x轴正向呈负电荷，在x轴负向呈正电荷。当石英晶体受到沿y轴方向的压力作用时（长度变形），晶体产生如图c所示变形。电偶极矩在x轴方向的分量（P1＋P2＋P3）x<0，（P1＋P2＋P3）y=0，（P1＋P2＋P3）z=0，即硅离子（3）和氧离子（2）以及硅离子（5）和氧离子（6）都向内移动同样数值；硅离子（1）和氧离子（4）向x轴方向扩伸，所以y轴方向上不带电荷，而在x轴正向呈负电荷，在x轴负向呈正电荷。
如果在y轴方向施加拉力，如图b所示，结果在x轴负向呈负电荷，在x轴正向呈正电荷。当石英晶体在z轴方向受力作用时，由于硅离子和