第六章压电式传感器 山东理工大学机械学院 第六章 在电式传感器 压电式传感器基于某些物质的压电效应工作，是 一种发电式传感器（无源传感器）。 ●压电效应可逆，故压电式传感器是一种“双向传 感器” ●优点：响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构 简单、工作可靠、重量轻、体积小。 ●缺点：无静态输出，阻抗高，需要低电容的低噪 声电缆，很多压电材料工作温度在250℃左右
第六章 压电式传感器 山东理工大学机械学院 第六章 压电式传感器 ⚫ 压电式传感器基于某些物质的压电效应工作，是 一种发电式传感器（无源传感器）。 ⚫ 压电效应可逆，故压电式传感器是一种“双向传 感器” 。 ⚫ 优点：响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构 简单、工作可靠、重量轻、体积小。 ⚫ 缺点：无静态输出，阻抗高，需要低电容的低噪 声电缆，很多压电材料工作温度在250℃左右
画 第六章压电式传感器 山东理工火学机械学院 第一节压电数寇与压电元件 1、压电效应 ■正压电效应：某些电介质，当沿着一定方向对其施力 而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的一 定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带 电状态的现象。 ■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的现象。 正压电效应 电能 机械能 逆压电效应
第六章 压电式传感器 山东理工大学机械学院 第一节 压电效应与压电元件 1、压电效应 ◼ 正压电效应：某些电介质，当沿着一定方向对其施力 而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的一 定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带 电状态的现象。 ◼ 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的现象。 电能 机械能 正压电效应 逆压电效应
第六章压电式传惑器 山东理工大学机械学院 压电方程 (1)直观表达式： O=dF d为压电常数，对方向一定的作用力和一定的产生电荷 的表面为常数。 局限性：本方程式仅适用于一定尺寸的压电元件
第六章 压电式传感器 山东理工大学机械学院 ◼ 压电方程 （1）直观表达式： 局限性：本方程式仅适用于一定尺寸的压电元件。 的表面为常数。 d为压电常数，对方向一定的作用力和一定的产生电荷 Q = dF
第六章压电式传感器 山东理工大学机械学院 极化耐 极化面 6) 图6-1 正压电效应示意图 图6-2压电转换元件坐标系表示法
第六章 压电式传感器 山东理工大学机械学院
第六章压电式传感器 山东理工火学机械学院 (2)一般表达式： q=dioj 电荷密度； d,一压电应力常数； 0,一应力。 几点说明： >下角标i、j:i=1、2、3,表示晶体的极化方向；j=1、2、 3、4、5、6,分别表示沿x轴、y轴、2轴方向的单向应力 和围绕x轴、y轴、轴作用的剪切应力
第六章 压电式传感器 山东理工大学机械学院 （2）一般表达式： －应力。 －压电应力常数； －电荷密度； j i j i j j d q q d = 几点说明： ➢下角标i、j：i=1、2、3，表示晶体的极化方向；j=1、2、 3、4、5、6，分别表示沿x轴、y轴、z轴方向的单向应力 和围绕x轴、y轴、z轴作用的剪切应力
第六章压电式传感器 山东理工大学机械学院 >应力符号规定：单向应力的符号规定拉应力为正，压应力 为负；剪切应力的符号用右螺旋定则确定。图6-2b表示其 正向。 >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d的符号，使得方程组具有更普遍的意义。当电场方 向指向晶轴的正向时为正，反之为负
第六章 压电式传感器 山东理工大学机械学院 ➢应力符号规定：单向应力的符号规定拉应力为正，压应力 为负；剪切应力的符号用右螺旋定则确定。图6－2b表示其 正向。 ➢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，使得方程组具有更普遍的意义。当电场方 向指向晶轴的正向时为正，反之为负
第六章压电式传感器 山东理工大学机械学院 (3)晶体在任意受力状态下产生的表面电荷密度计算： 91=d101+d2o2+d13o3+d404+d1s05+d1606 92=d211+d2202+d2303+d2404+d2s05+d2606 q3=d31o1+d3202+d33o3+d3404+d35o3+d3606 各参数含义： >91、q2、q3~垂直于x轴、y轴、2轴的平面上的电荷面密度； >σ1、o2、03一沿着x轴、y轴、2轴的单向应力； >·4、o5、6一围绕x轴、y轴、2轴的剪切应力；
第六章 压电式传感器 山东理工大学机械学院 （3）晶体在任意受力状态下产生的表面电荷密度计算： = + + + + + = + + + + + = + + + + + 3 3 1 1 3 2 2 3 3 3 3 4 4 3 5 5 3 6 6 2 2 1 1 2 2 2 2 3 3 2 4 4 2 5 5 2 6 6 1 1 1 1 1 2 2 1 3 3 1 4 4 1 5 5 1 6 6 q d d d d d d q d d d d d d q d d d d d d 各参数含义： ➢q1、q2、q3－垂直于x轴、y轴、z轴的平面上的电荷面密度； ➢1、2、3—沿着 x轴、y轴、z轴的单向应力； ➢4、5、6—围绕x轴、y轴、z轴的剪切应力；
第六章压电式传感器 山东理工大学机械学院 这样，压电材料的压电特性可以用它的压电常数矩阵表示 如下： du d di dis dis dro [a,= d d d d24 d26 d dy d34 dis d36 补充说明： 压电常数d的物理意义是指在“短路条件”下，单位应力产 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
第六章 压电式传感器 山东理工大学机械学院 这样，压电材料的压电特性可以用它的压电常数矩阵表示 如下： = 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 3 6 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 d d d d d d d d d d d d d d d d d d di j 补充说明： 压电常数dij的物理意义是指在“短路条件”下，单位应力产 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”
第六章压电式传惑器 山东理工大学机械学院 二、压电材料 ●明显呈现压电效应的敏感功能材料叫压电材料。 ●压电式传感器属于物性型，故选用合适的压电材料是设计 高性能传感器的关键。 ●压电材料选择的具体要求： ①转换性能。要求具有较大压电常数。 ②机械性能。压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、刚度大， 以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。 ③电性能。希望具有高电阻率和大介电常数，以减弱外部分布电容的影 响并获得良好的低频特性。 ④环境适应性强。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的居里点，获 得较宽的工作温度范围。 ⑤时间稳定性。要求压电性能不随时间变化
第六章 压电式传感器 山东理工大学机械学院 二、压电材料 ⚫ 明显呈现压电效应的敏感功能材料叫压电材料。 ⚫ 压电式传感器属于物性型，故选用合适的压电材料是设计 高性能传感器的关键。 ⚫ 压电材料选择的具体要求： ①转换性能。要求具有较大压电常数。 ②机械性能。压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、刚度大， 以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。 ③电性能。希望具有高电阻率和大介电常数，以减弱外部分布电容的影 响并获得良好的低频特性。 ④环境适应性强。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的居里点，获 得较宽的工作温度范围。 ⑤时间稳定性。要求压电性能不随时间变化
第六章压电式传感器 山东理工火学机械学院 1、单晶体 ■石英晶体种类：天然石英和人造石英。 ■石英晶体外形：镜像对称，理想外形具有30个晶面。如图 6-3a。 石英晶体的晶体轴（右手直角坐标系表示） >X轴，相邻柱面内夹角的等分线，垂直于此轴的面压电效应最强， 又称电轴： >Y轴，垂直于六边形对边的轴线，又称机械轴，在电场作用下，沿 该轴方向的机械变形最明显； >Z轴，垂直于X、Y轴的纵轴，此方向无压电效应，可用光学方法 确定，又称光轴
第六章 压电式传感器 山东理工大学机械学院 1、单晶体 ◼ 石英晶体种类：天然石英和人造石英。 ◼ 石英晶体外形：镜像对称，理想外形具有30个晶面。如图 6－3a。 ◼ 石英晶体的晶体轴（右手直角坐标系表示） ➢ X轴，相邻柱面内夹角的等分线，垂直于此轴的面压电效应最强， 又称电轴； ➢ Y轴，垂直于六边形对边的轴线，又称机械轴，在电场作用下，沿 该轴方向的机械变形最明显； ➢ Z轴，垂直于X、Y轴的纵轴，此方向无压电效应，可用光学方法 确定，又称光轴