文档介绍：第5 章压电式传感器传感器原理及应用
5-1 压电效应
5-2 压电材料
5-3 压电传感器的测量电路
5-4 压电传感器的应用
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压电式传感器传感器原理及应用
压电晶体式传感器(Piezo Crystal Sensor)
以电介质的压电效应为基础,,在在外力力的作用
下下,,,在电介质的表面上产生在电介质的表面上产生电荷,,从而实现从而实现
非电量测量的目的。
物性型传感器
有源((发电型发电型))传感器传感器
动动画
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5-1 压电效应传感器原理及应用
1880 年, Pierre and Jacques Curie 发现了
压电效应。(Piezoeletric Effect )
压电效应
正压电效应((顺压电效应顺压电效应)
逆压电效应((电致伸缩效应电致伸缩效应)
逆压电效应
机械能电能
正压电效应
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5-1 压电效应传感器原理及应用
正压电效应((顺压电效应顺压电效应)
某些电介质,,当沿着一定方向对其施力力而使它变当沿着一定方向对其施力力而使它变
形时,,内部产生极化化现象内部产生极化化现象,,同时在它的两个表面同时在它的两个表面
上会产生符号相反的电荷;;当外力力去掉后当外力力去掉后,,它们它们
又重新回到到不带电的状态。
当作用力力方向改变时,,电荷极性也随着改变电荷极性也随着改变。
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5-1 压电效应传感器原理及应用
逆压电效应((电致伸缩效应电致伸缩效应)
在电介质的极化化方向施加加电场,,这些电介质也会这些电介质也会
产生变形,,这种现象称为逆压电效应这种现象称为逆压电效应。
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5-1 压电效应传感器原理及应用
一一、、、石英晶体压电效应石英晶体压电效应
Z
Z 纵向轴Z-Z称为光轴;
经过正六面体棱线,,并并
Y 垂直于光轴的X-X轴
Y 称为电轴;
X
与- 轴和和- 轴同
X X X Z Z
(a) (b) 时垂直的Y-Y轴轴(((垂垂
石英晶体直于正六面体的棱面)
(a)理想石英晶体的外形(b)坐标系称为机械轴。
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5-1 压电效应传感器原理及应用
一一、、、石英晶体压电效应石英晶体压电效应
通常把沿电轴X-X方向的力力作用下产生电荷
的压电效应称为“纵向压电效应”;
把沿机械轴Y-Y方向的力力作用下产生电荷的
压电效应称为“横向压电效应”;
沿光轴Z-Z方向受力力则不产生压电效应。
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5-1 压电效应传感器原理及应用
一一、、、石英晶体压电效应石英晶体压电效应
组成石英晶体的硅
Y Y
离子Si 4+和和氧离子
- +
O2-在Z平面投影;
X X
+ -
硅硅、、、氧离子等效为氧离子等效为
图(b) 中正六边形
- +
(a) (b) 排列;
硅氧离子的排列示意图
硅氧离子在平面上的投影
(a) Z “+ ”代表Si 4+
(b) 等效为正六边形排列的投影
“- ”代表2O 2-
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一一、、、石英晶体压电效应石英晶体压电效应传感器原理及应用
1. 电偶极矩
矢量
方向由负电荷指向正电荷
大小电荷量乘以正负电荷之间的距离
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一一、、、石英晶体压电效应石英晶体压电效应传感器原理及应用
电偶极矩- FX = 0
当作用力力FX=0 时时,,,正正正、、、负离子负离子((即即Si 4+和和
2O 2-))正好分布在正六边形顶角上正好分布在正六边形顶角上,,形成三形成三
个互成120º夹角的电偶极矩P1、P2、P3。
正负电荷中心重合,,电偶极矩的矢量和和等于电偶极矩的矢量和和等于
零零,,,即即
Y
- +
+ + =
P P P 0 P1 P3 X
1 2 3 +
P2 -
- +
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(a) FX=0