“九五”科技攻关项目课件.ppt

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1、第11章压电传感器电子信息及电气工程系11-1压电传感器的工作原理一、压电效应1、正压电效应：沿某些电介质的一定方向施加力而使之变形时，内部产生极化现象，两个表面产生符号相反的电荷，去掉外力后复原。2、逆压电效应：在介质的极化方向施加（交变）电场，它会产生机械变形，取掉外加电场后变形消失。3、压电效应是可逆的。以压电效应为基础制作的传感器，又称为发电式传感器、双向传感器、有源传感器。二、石英晶体的压电特性1、结构：单晶体，六角形晶柱Z轴：3，纵向轴，光轴，无压电效应；X轴：1，经过正六面体棱线，垂直于光轴电轴（纵向压电

2、效应）Y轴：2，垂直于X、Z轴，机械轴（横向压电效应）2、计算dmnm—产生电荷的面的轴向n—施加作用力的轴向1）压电晶体切片在X方向受压缩力σx作用，产生厚度变形：极化强度Px=d11σx=d11Fx/lb=qx/lb则：qx=d11Fx与尺寸无关。2）沿y方向施加力Fy，产生长度变形：极化强度Py=d12σy=d11Fy/hb=qx/lb则：qx=d12Fylb/hb=d12Fyl/h与尺寸相关Sx=lbSy=hb由于：d11=-d12（各向异性）则：qx=-d11Fyl/h3）沿Z轴方向施加力，无变形，无极化。4

3、）无体积变形，无极化。3、分析偶极距：p=ql；矢量方向：从负指向正无压力时：p=p1+p2+p3=0正负电荷中心重合施加Fy：Py=(p1+p2+p3)<0,Px=0,Pz=0上负下正施加Fx：Px=(p1+p2+p3)>0,Py=0,Pz=0上正下负施加Fz：P=0施加Fx，Fy，Fz：P=0结论：qx只与Fx，Fy的大小和方向有关，但剪切力、扭力会引起形变。各向异性4、石英晶体（天然晶体SiO2）的特点稳定，在居里点（5750C）内其压电系数（d11=2.31×10-12C/N）不随温度而变；很大的机械强度和稳定

4、的机械性质；但压电系数比其它材料要低得多。三、压电陶瓷（人造多晶体）1、极化：在100～1700C和外电场（1～4kv/mm）的作用下，电畴的极化方向趋于按外电场排列，从而使材料得到极化。极化后，其内部存在很强的剩余极化，当其受到外力作用时，电畴的界限发生移动，因此引起极化强度的变化，产生了压电效应2、计算：q=d33F=-d32FSx/Sy=-d31FSx/Sy平面各向同性3、压电陶瓷的特点：较之石英晶体有很高的灵敏度；稳定性和机械强度不如石英晶体。四、压电元件的联接及结构形式1、联接串联：q`=q,u`=2u,c`

5、=c/2宜电压输出，C小，测快速信号；并联：q`=2q,u`=u,c`=2c宜电荷输出，C大，测慢速信号。11-2压电传感器的等效电路压电传感器既是一个电荷发生器，又是一个电容器。因此可有两种等效电路：1、电荷源：内部的电荷发生器对C充电；2、电压源：产生的电荷形成电压源，对外供电时需通过对等效电容充放电进行。2、加预应力：保证在作用力变化时，压电片始终受力。3、压电陶瓷的时间常数随使用时间的增长而变小，需每半年校正一次，石英晶体稳定Ua=q/Caq=UaCa内漏电缆输入内漏电缆输入11-3测量电路一、测量特点：1、对

6、象：力及力的派生物理量（压力、位移、加速度等）。2、动态测量：压电材料上产生的电荷只有在无泄露的情况下才能长期保存。故它不宜做静态测量，只能施加交变力，电荷才能得到不断的补充，才能供给回路一定的电流，故只宜做动态测量。3、高阻前置放大器：减少晶片的漏电流以减少测量误差。二、电压放大器（阻抗变换器）R=RaRi/（Ra+Ri），C=Cc+Cif=Fmsinωt，q=df，Ua=q/Ca=df/Ca内漏电缆输入令则特点：当ω=0时，Uim=0，电荷通过Ra、Ri泄漏掉，故不能测静态力，低频特性差；当ω/ω0>3时，Uim随

7、频率变化不大，当ω/ω0>>3时，Uim与频率变化无关，故高频特性好；U0与Cc相关，不好。线路简单，线性度及稳定度好。三、电荷放大器设：Ai→∞，C=Cc+Ci+CaRi→∞，Ra→∞，Zi→∞故：Ui=[q-（Ui–U0）Cf]/C=[q-（1–A）UiCf]/C，q-（1–A）UiCf=CUi，q=[C+（1–A）Cf]UiUi=q/[C+（1–A）Cf]=q/[C–（A–1）Cf]U0=–qA/[Cc+Ci+Ca–（A–1）Cf]=–UiA由于：A>>1，CfA>>CC=Cc+Ci+Ca特点：U0只与Cf及q相

8、关，与Cc变化不无关，应用广泛。低频截止频率比电压放大器降低A倍，可测0.3HZ。但对的精度、温度和时间稳定性要求高。价格高，线路复杂，调整困难。电压放大器阻抗变换器11-4应用一、正压电效应1、作为则量元件，可测最终能变为力的物理量如压力、加速度、冲击（汽车的冲击检测）、振动等；差动式加速度传感器弯曲型压电加速度计2、作为压电电