压电式传感器公开课获奖课件赛课一等奖课件.ppt

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何为压电传感器?
压电式传感器是一种能量转换型传感器。它既可以将机械能转换为电能，又可以将电能转化为机械能。压电式传感器是以具有压电效应的压电器件为关键构成的传感器。
多种压电传感器
§ 压电效应及材料
§ 压电效应
压电效应（piezoelectric effect）是指某些介质在施加外力导致本体变形而产生带电状态或施加电场而产生变形的双向物理现象，是正压电效应和逆压电效应的总称，一般习惯上压电效应指正压电效应。当某些电介质沿一定方向受外力作用而变形时，在其一定的两个表面上产生异号电荷，当外力去掉后，又恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应（positive piezodielectric effect）。其中电荷大小与外力大小成正比，极性取决于变形是压缩还是伸长，比例系数为压电常数，它与形变方向有关，固定材料确实定方向为常量。它属于将机械能转化为电能的一种效应.
当在电介质的极化方向施加电场，某些电介质在一定方向上将产生机械变形或机械应力，当外电场撤去后，变形或应力也随之消失，这种物理现象称为逆压电效应（reverse piezodielectric effect），其应变的大小与电场强度的大小成正比，方向随电场方向变化而变化。它属于将电能转化为机械能的一种效应。1880-1881年，雅克（Jacques）和皮埃尔·居里（Piere Curie）发现了这两种效应。图3-1为压电效应示意图。
（a）正压电效应； （b）压电效应的可逆性

图3-1压电效应
由物理学知，某些离子型晶体的电介质（如石英、酒石酸钾钠、钛酸钡等）不仅在电场力作用下，并且在机械力作用下，都会产生极化现象。为了对压电材料的压电效应进行描述，表明材料的电学量（D、E）力学量（T、S）行为之间的量的关系，建立了压电方程。正压电效应中，外力与因极化作用而在材料表面存储的电荷量成正比。即：
（3. 1）
、σ—电位移矢量、电荷密度，单位面积的电荷量，C/m2；
T—应力，单位面积作用的应力，N/m2；
d—正压电系数，C/N。
逆压电效应中，外电场作用下的材料应变与电场强度成正比。即：
（3. 2）
—应变，应变 ，微应变 ；
E—外加电场强度，V/m；
—逆压电系数，C/N。
当外加应力下表面面积不变时，d =d’ 。
压电材料是绝缘材料。把压电材料置于两金属极板之间，构成一种带介质的平行板电容器，金属极板搜集正压电效应产生的电荷。由物理学知，平行板电容器中
()
式中 —压电材料的相对介电常数；
—真空介电常数=。
那么可以计算出平行板电容器模型中正压电效应产生的电压
()
—平行板电容器极板间距。
人们常用 表达压电电压系数。