《壓電測量技術(shù)》PPT課件(I)

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1、學(xué)習(xí)要求1.了解壓電效應(yīng)及石英晶體、陶瓷的壓電效應(yīng)；2.掌握壓電式傳感器的等效電路；3.熟悉電壓放大器原理及使用特點；4.熟悉電荷放大器的特點及使用注意事項；5.了解壓電式傳感器的簡單應(yīng)用。壓電式傳感器：利用壓電材料的壓電效應(yīng)實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。當(dāng)壓電材料受到外力作用時，其表面將產(chǎn)生電荷，將機械能轉(zhuǎn)變成電能。利用壓電材料可以制成力敏元件。壓電器件受力、表面形變電荷9.1壓電式傳感器的工作原理★正壓電效應(yīng)：有些材料，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；當(dāng)外力去除后，又重新恢復(fù)為不帶電的狀態(tài)。當(dāng)作用力的方向改變時，電荷的極性隨之改變?！锬?/p>

2、壓電效應(yīng)：在這些材料的極化方向施加電場，它們就會產(chǎn)生變形，這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)”，或稱為“電致伸縮效應(yīng)”。壓電材料：具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料。壓電介質(zhì)正壓電效應(yīng)Q(E)電能T(S)機械能逆壓電效應(yīng)壓電常數(shù)壓電材料的性能常用壓電常數(shù)來表征。以晶體為例，設(shè)有一用晶體制成的壓電元件受到力F作用，在其相應(yīng)表面上產(chǎn)生表面電荷Q，力F與電荷Q之間存在如下關(guān)系：d—壓電常數(shù)F+q=DF不同的受力方向及不同表面上電荷積累是不同的。用單位面積上的力和電荷來表征壓電效應(yīng)時，得到：j方向受力時在i方向上電荷積累的表面密度(即沿i方向的極化強度)；沿方向j施加外力時，單位面積上感受的應(yīng)力；壓電常數(shù)(j方

3、向受應(yīng)力，在i方向產(chǎn)生電荷時的壓電常數(shù))。壓電常數(shù)dij有兩個下腳注:第1個下腳注：表示晶體的極化方向，即產(chǎn)生電荷的表面垂直于x軸(y軸或z軸)，記作i=1（或2或3）。第2個下腳注：j=1或2、3、4、5、6，分別表示在沿x軸、y軸、z軸方向作用的正應(yīng)力和在垂直于x軸、y軸、z軸的平面內(nèi)作用的剪切力。晶體在任意受力狀態(tài)下所產(chǎn)生的表面電荷密度可由下列方程組決定：P1、P2、P3：分別為在垂直于x軸、y軸和z軸的表面上產(chǎn)生的總的電荷密度；σ1、σ2、σ3：表示晶體分別沿x軸、y軸、z軸方向所受的外力分量產(chǎn)生的拉或壓應(yīng)力；σ4、σ5、σ6：為剪切應(yīng)力分量。晶體（壓電材料）的壓電特性可以用它的壓

4、電常數(shù)矩陣表示如下：石英晶體的壓電常數(shù)矩陣：（k=1、2、3；、2、3、4、5、6）—沿h方向的應(yīng)變?！豮方向施加的電場。石英晶體的逆壓電效應(yīng)可用下列形式表示：結(jié)論：1）有正壓電效應(yīng)的壓電晶體，必有相應(yīng)的逆壓電效應(yīng)。晶體中，哪個方向上有正壓電效應(yīng)，則此方向上必定存在逆壓電效應(yīng)。2）逆壓電效應(yīng)的壓電常數(shù)與正壓電效應(yīng)的壓電常數(shù)相等，且一一對應(yīng)。一般有：逆壓電效應(yīng)中壓電常數(shù)矩陣是正壓電效應(yīng)中壓電常數(shù)矩陣的轉(zhuǎn)置矩陣。壓電介質(zhì)正壓電效應(yīng)Q(E)電能T(S)機械能逆壓電效應(yīng)★壓電常數(shù)dij的物理意義在“短路條件”下，單位應(yīng)力所產(chǎn)生的電荷密度。“短路條件”是指壓電元件的表面電荷從一開始發(fā)生就被引開，因

5、而在晶體變形上不存在“二次效應(yīng)”的理想條件。壓電常數(shù)d有時也稱為壓電應(yīng)變常數(shù)。（1）壓電常數(shù)g：它表示在不計“二次效應(yīng)”的條件下，每單位應(yīng)力在晶體內(nèi)部產(chǎn)生的電勢梯度，因此有時也稱為壓電電壓常數(shù)，數(shù)值上等于壓電常數(shù)d除以晶體的絕對介電常數(shù)，即：（2）壓電常數(shù)h：它表示在不計“二次效應(yīng)”條件下，每單位機械應(yīng)變在晶體內(nèi)部產(chǎn)生的電勢梯度。因而h常數(shù)應(yīng)關(guān)系到壓電晶體材料的機械性能參數(shù)，數(shù)值上等于壓電常數(shù)g和晶體的楊氏模量E的乘積：9.2壓電材料選擇壓電材料的要求：①轉(zhuǎn)換性能：具有較高的耦合系數(shù)或具有較大的壓電常數(shù)；②機械性能：壓電元件作為受力元件，希望它的機械強度高，機械剛度大，以期獲得寬的線性范圍

6、和高的固有振動頻率；③電性能：希望具有高的電阻率和大的介電常數(shù)，以期減弱外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性；④溫度和濕度穩(wěn)定性要好，具有較高的居里點，以期得到較寬的工作溫度范圍；⑤時間穩(wěn)定性:壓電特性不隨時間變化。壓電晶體分類：單晶體：石英晶體等多晶體：壓電陶瓷等石英晶體石英晶體有天然的石英和人工石英單晶體兩種。結(jié)構(gòu)：石英晶體屬六方晶體，有右旋石英晶體和左旋石英晶體之分，其理想外形共包括三十個晶面，分成五組。以m、R、r、s和x表示。六個m面也稱柱面，六個R面也稱大棱面，六個面r也稱為小棱面，還有六個s面和六個x面。x軸：與z軸垂直的平面上，并通過相對兩棱的直線(有三個)，又稱為電軸。

7、y軸：與x軸、z軸垂直的是y軸，又稱為機械軸；z軸：晶體對稱軸，又稱為光軸；x切割：截得的壓電元件之兩個端面與x軸相垂直；y切割：截得的壓電元件中的兩個端面與y軸相垂直。壓電晶體的三種壓電效應(yīng)a)縱向壓電效應(yīng):沿電軸X-X方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng).壓電晶體的三種壓電效應(yīng)b)橫向壓電效應(yīng):沿機械軸Y-Y方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng).壓電晶體的三種壓電效應(yīng)c)切向壓電效應(yīng)石英是具有良好壓電效應(yīng)的一種壓電晶體。在2