压电与超声波.pptx
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1、传感与检测技术传感与检测技术第第第第7 7 7 7章章章章 压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器概述概述压压压压电电电电式式式式传传传传感感感感器器器器以以以以电电电电介介介介质质质质的的的的压压压压电电电电效效效效应应应应为为为为基基基基础础础础,外外外外力力力力作作作作用用用用下下下下在在在在电电电电介介介介质质质质表表表表面面面面产产产产生生生生电电电电荷,从而实现非电量测量荷,从而实现非电量测量荷,从而实现非电量测量荷,从而实现非电量测量,是一种典型的是一种典型的是一种典型的是一种典型的发电型发电型发电型发电型传感器传感器传感器传感器
2、.压压压压电电电电式式式式传传传传感感感感器器器器可可可可以以以以对对对对各各各各种种种种动动动动态态态态力力力力、机机机机械械械械冲冲冲冲击击击击和和和和振振振振动动动动进进进进行行行行测测测测量量量量,在在在在声声声声学学学学、医医医医学学学学、力学、导航方面都得到广泛的应用力学、导航方面都得到广泛的应用力学、导航方面都得到广泛的应用力学、导航方面都得到广泛的应用。第1页/共119页传感与检测技术传感与检测技术第第第第7 7 7 7章章章章 压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器概述概述水声(声呐)换能器水声(声呐)换能器压电陶瓷超声换能器
3、压电陶瓷超声换能器压电加速度计压电加速度计压电警号压电警号第2页/共119页传感与检测技术传感与检测技术第第第第7 7 7 7章章章章 压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器7.1 7.1 7.1 7.1 压电效应压电效应 v自然界中自然界中3232种晶体点阵,分为中心晶体点阵,分为中心对称对称和和非对称非对称两大类,其两大类,其中非中心对称的中非中心对称的2121种有种有2020种具有压电效应,压电现象是种具有压电效应,压电现象是晶体晶体缺乏中心对称缺乏中心对称引起的。引起的。vv某些电介质(晶体)当沿着一定方向施加力变形时,内部产某些电介质
4、(晶体)当沿着一定方向施加力变形时,内部产某些电介质(晶体)当沿着一定方向施加力变形时,内部产某些电介质(晶体)当沿着一定方向施加力变形时,内部产生生生生极化极化极化极化现象,同时在它表面会产生符号相反的电荷;现象,同时在它表面会产生符号相反的电荷;现象,同时在它表面会产生符号相反的电荷;现象,同时在它表面会产生符号相反的电荷;当外力去掉后又重新恢复不带电状态;当外力去掉后又重新恢复不带电状态;当外力去掉后又重新恢复不带电状态;当外力去掉后又重新恢复不带电状态;当作用力方向改变后,电荷极性也随之改变当作用力方向改变后,电荷极性也随之改变当作用力方向改变后,电荷极性也随之改变当作用力方向改变后,
5、电荷极性也随之改变.第3页/共119页传感与检测技术传感与检测技术第第第第7 7 7 7章章章章 压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器7.1 7.1 7.1 7.1 压电效应压电效应 vv压电效应是可逆的压电效应是可逆的压电效应是可逆的压电效应是可逆的 在介质极化的方向施加电场时,电介质会产生形变,在介质极化的方向施加电场时,电介质会产生形变,在介质极化的方向施加电场时,电介质会产生形变,在介质极化的方向施加电场时,电介质会产生形变,将电能转化成机械能,这种现象称将电能转化成机械能,这种现象称将电能转化成机械能,这种现象称将电能转化成机械能,
6、这种现象称“逆压电效应逆压电效应逆压电效应逆压电效应”。压电元件可以将压电元件可以将压电元件可以将压电元件可以将机械能机械能机械能机械能电能电能电能电能也可以将也可以将也可以将也可以将电能电能电能电能机械能机械能机械能机械能压电元件机械能电能第4页/共119页 传感与检测技术传感与检测技术第第第第7 7 7 7章章章章 压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器7.2 7.2 7.2 7.2 压电材料压电材料自自自自然然然然界界界界许许许许多多多多晶晶晶晶体体体体具具具具有有有有压压压压电电电电效效效效应应应应,但但但但十十十十分分分分微微微微弱弱
7、弱弱,研研研研究究究究发发发发现现现现石石石石英英英英晶晶晶晶体体体体、钛钛钛钛酸酸酸酸钡钡钡钡、锆钛酸铅锆钛酸铅锆钛酸铅锆钛酸铅是优能的压电材料。是优能的压电材料。是优能的压电材料。是优能的压电材料。压电材料可以分为两类:压电材料可以分为两类:压电材料可以分为两类:压电材料可以分为两类:压电压电压电压电晶体晶体晶体晶体、压电、压电、压电、压电陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷。石英晶体特征石英晶体特征石英晶体特征石英晶体特征 天然、人工晶体两种都属于单晶体天然、人工晶体两种都属于单晶体天然、人工晶体两种都属于单晶体天然、人工晶体两种都属于单晶体 化学式为化学式为化学式为化学式为 SiOSiO2 2,外形无论再
8、小外形无论再小外形无论再小外形无论再小 都呈六面体结构都呈六面体结构都呈六面体结构都呈六面体结构 石英晶体沿各个方向的特征不同,需按特定方向切片。石英晶体沿各个方向的特征不同,需按特定方向切片。7.2.17.2.1石英晶体石英晶体第5页/共119页 传感与检测技术传感与检测技术第第第第7 7 7 7章章章章 压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器7.2.17.2.1 石英晶体石英晶体石英晶体石英晶体 单晶体(水晶)单晶体(水晶)单晶体(水晶)单晶体(水晶)压压电电晶晶片片按特定方向切片按特定方向切片人工合成水晶人工合成水晶第6页/共119页传感
9、与检测技术传感与检测技术第第第第7 7 7 7章章章章 压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器7.2.17.2.1 石英晶体石英晶体石英晶体石英晶体 Z Z轴(轴(轴(轴(光轴光轴光轴光轴),晶体的对称轴,),晶体的对称轴,),晶体的对称轴,),晶体的对称轴,不产生压电效应不产生压电效应不产生压电效应不产生压电效应 X X轴轴轴轴(电轴电轴电轴电轴),通过六棱柱相对),通过六棱柱相对),通过六棱柱相对),通过六棱柱相对的两个棱线且垂直于光轴的两个棱线且垂直于光轴的两个棱线且垂直于光轴的两个棱线且垂直于光轴Z Z,压,压,压,压电效应最为显著。电
10、效应最为显著。电效应最为显著。电效应最为显著。Y Y轴轴轴轴(机械轴机械轴机械轴机械轴),垂直于),垂直于),垂直于),垂直于X X轴和轴和轴和轴和Z Z轴,加力产生的变形最大。轴,加力产生的变形最大。轴,加力产生的变形最大。轴,加力产生的变形最大。石英晶体沿各个方向的特征不同(按特定方石英晶体沿各个方向的特征不同(按特定方向切片)向切片)第7页/共119页传感与检测技术传感与检测技术第第第第7 7 7 7章章章章 压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器7.2.1 7.2.1 石英晶体石英晶体石英晶体石英晶体 压电特性的各向异性可用矩阵表示(略
11、)压电特性的各向异性可用矩阵表示(略)压电元件受力后压电元件受力后压电元件受力后压电元件受力后,表面电荷与外力成正比关系表面电荷与外力成正比关系表面电荷与外力成正比关系表面电荷与外力成正比关系:d d d d为压电系数为压电系数为压电系数为压电系数(与材料有关的常数)(与材料有关的常数)(与材料有关的常数)(与材料有关的常数)在在在在X X 轴方向施力时轴方向施力时轴方向施力时轴方向施力时,产生电荷大小为产生电荷大小为产生电荷大小为产生电荷大小为:d d1111纵向压电系数纵向压电系数纵向压电系数纵向压电系数,x x为为为为X X方向应力方向应力方向应力方向应力 在在在在Y Y 轴方向施力时轴
12、方向施力时轴方向施力时轴方向施力时,产生电荷大小为产生电荷大小为产生电荷大小为产生电荷大小为:d d1212横向压电系数,横向压电系数,横向压电系数,横向压电系数,y y为为为为Y Y方向应力方向应力方向应力方向应力 根据晶体的对称性根据晶体的对称性根据晶体的对称性根据晶体的对称性,压电系数压电系数压电系数压电系数 d d d d12121212=-d=-d=-d=-d11111111 a a a a、b b b b 是晶体切片几何尺寸是晶体切片几何尺寸是晶体切片几何尺寸是晶体切片几何尺寸(长长长长 、厚、厚、厚、厚),q q q qx x x x、q q q qy y y y 符号决定力的方
13、向。符号决定力的方向。符号决定力的方向。符号决定力的方向。第8页/共119页传感与检测技术传感与检测技术第第第第7 7 7 7章章章章 压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器7.2.1 7.2.1 石英晶体石英晶体石英晶体石英晶体石石石石英英英英晶晶晶晶体体体体的的的的上上上上述述述述特特特特征征征征与与与与内内内内部部部部分分分分子子子子结结结结构构构构有有有有关关关关,分分分分子子子子六六六六边边边边形形形形分布,三个电偶极矩。分布,三个电偶极矩。分布,三个电偶极矩。分布,三个电偶极矩。当当当当晶晶晶晶体体体体不不不不受受受受力力力力时时时
14、时(F F=0=0=0=0),正正正正负负负负离离离离子子子子分分分分布布布布在在在在六六六六边边边边形形形形顶顶顶顶角角角角,电偶极矩互成电偶极矩互成电偶极矩互成电偶极矩互成1201201201200 0 0 0夹角,矢量和为零,晶体呈夹角,矢量和为零,晶体呈夹角,矢量和为零,晶体呈夹角,矢量和为零,晶体呈中性中性中性中性;当当当当晶晶晶晶体体体体受受受受沿沿沿沿X X轴轴轴轴方方方方向向向向的的的的应应应应力力力力时时时时,X X方方方方向向向向压压压压缩缩缩缩形形形形变变变变,电电电电偶偶偶偶极极极极矩在矩在矩在矩在X X轴方向的分量由于轴方向的分量由于轴方向的分量由于轴方向的分量由于
15、出现出现出现出现上负下正电荷上负下正电荷上负下正电荷上负下正电荷;动画演示动画演示第9页/共119页传感与检测技术传感与检测技术第第第第7 7 7 7章章章章 压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器7.2.1 7.2.1 石英晶体石英晶体石英晶体石英晶体 当当当当晶晶晶晶体体体体受受受受沿沿沿沿Y Y 轴轴轴轴方方方方向向向向的的的的应应应应力力力力时时时时,Y Y 方方方方向向向向压压压压缩缩缩缩形形形形变变变变,电偶极矩在电偶极矩在电偶极矩在电偶极矩在X X轴方向的分量由于轴方向的分量由于轴方向的分量由于轴方向的分量由于 出现出现出现出现上
16、正下负电荷上正下负电荷上正下负电荷上正下负电荷;晶晶晶晶体体体体受受受受沿沿沿沿Z Z 轴轴轴轴方方方方向向向向的的的的应应应应力力力力时时时时X X、Y Y方方方方向向向向形形形形变变变变相相相相同同同同不不不不产生压电效应产生压电效应产生压电效应产生压电效应;应力方向为应力方向为应力方向为应力方向为拉力拉力拉力拉力时,电荷极性与上述相反。时,电荷极性与上述相反。时,电荷极性与上述相反。时,电荷极性与上述相反。动画演示动画演示第10页/共119页传感与检测技术传感与检测技术第第第第7 7 7 7章章章章 压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器
17、7.2 7.2 7.2 7.2 压电材料压电材料7.2.1 7.2.1 7.2.1 7.2.1 石英晶体石英晶体石英晶体石英晶体石英晶体压电模型石英晶体压电模型石英晶体压电模型石英晶体压电模型第11页/共119页传感与检测技术传感与检测技术第第第第7 7 7 7章章章章 压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器7.2 7.2 7.2 7.2 压电材料压电材料7.2.1 7.2.1 7.2.1 7.2.1 石英晶体石英晶体石英晶体石英晶体第12页/共119页传感与检测技术传感与检测技术第第第第7 7 7 7章章章章 压电元件与超声波传感器压电元件与
18、超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器动画演示动画演示石英晶体压电模型动画演示石英晶体压电模型动画演示石英晶体压电模型动画演示石英晶体压电模型动画演示第13页/共119页传感与检测技术传感与检测技术第第第第7 7 7 7章章章章 压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器7.2 7.2 7.2 7.2 压电材料压电材料7.2.2 7.2.2 7.2.2 7.2.2 压电陶瓷(多晶体)压电陶瓷(多晶体)压电陶瓷(多晶体)压电陶瓷(多晶体)压压压压电电电电陶陶陶陶瓷瓷瓷瓷是是是是人人人人工工工工制制制制造造造造的的的的多多多多晶晶晶晶
19、体体体体压压压压电电电电材材材材料料料料,材材材材料料料料的的的的内内内内部部部部晶晶晶晶粒粒粒粒有有有有许许许许多多多多自自自自发发发发极极极极化化化化的的的的电电电电畴畴畴畴,具具具具有有有有一一一一定定定定的极化方向。的极化方向。的极化方向。的极化方向。无电场作用时,电畴在晶体中分布杂乱分布,无电场作用时,电畴在晶体中分布杂乱分布,无电场作用时,电畴在晶体中分布杂乱分布,无电场作用时,电畴在晶体中分布杂乱分布,极化相互抵消呈中性。极化相互抵消呈中性。极化相互抵消呈中性。极化相互抵消呈中性。施加外电场时,电畴的极化方向发生转动,趋施加外电场时,电畴的极化方向发生转动,趋施加外电场时,电畴的
20、极化方向发生转动,趋施加外电场时,电畴的极化方向发生转动,趋向外电场方向排列。外电场强度达到饱和程度向外电场方向排列。外电场强度达到饱和程度向外电场方向排列。外电场强度达到饱和程度向外电场方向排列。外电场强度达到饱和程度时,所有的电畴与外电场一致。时,所有的电畴与外电场一致。时,所有的电畴与外电场一致。时,所有的电畴与外电场一致。第14页/共119页传感与检测技术传感与检测技术第第第第7 7 7 7章章章章 压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器7.2.2 7.2.2 7.2.2 7.2.2 压电陶瓷(多晶体)压电陶瓷(多晶体)压电陶瓷(多晶体
21、)压电陶瓷(多晶体)外外外外电电电电场场场场去去去去掉掉掉掉后后后后,电电电电畴畴畴畴极极极极化化化化方方方方向向向向基基基基本本本本不不不不变变变变,剩剩剩剩余余余余极极极极化化化化强强强强度度度度很很很很大大大大。所所所所以以以以,压压压压电电电电陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷极化后极化后极化后极化后才具有压电特性,未极化时是非压电体。才具有压电特性,未极化时是非压电体。才具有压电特性,未极化时是非压电体。才具有压电特性,未极化时是非压电体。第15页/共119页传感与检测技术传感与检测技术第第第第7 7 7 7章章章章 压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传
22、感器7.2.2 7.2.2 7.2.2 7.2.2 压电陶瓷(多晶体)压电陶瓷(多晶体)压电陶瓷(多晶体)压电陶瓷(多晶体)晶晶晶晶体体体体极极极极化化化化后后后后,沿沿沿沿极极极极化化化化方方方方向向向向(垂垂垂垂直直直直极极极极化化化化平平平平面面面面)作作作作用用用用力力力力时时时时,引引引引起起起起剩剩剩剩余余余余极极极极化化化化强强强强度度度度变变变变化化化化,在在在在极极极极化化化化面面面面上上上上产产产产生生生生电电电电荷荷荷荷,电电电电荷荷荷荷量量量量的大小与外力成正比关系,的大小与外力成正比关系,的大小与外力成正比关系,的大小与外力成正比关系,电荷密度:电荷密度:电荷密度:电
23、荷密度:d d d d33 33 33 33 压电陶瓷的纵向压电常数,压电陶瓷的纵向压电常数,压电陶瓷的纵向压电常数,压电陶瓷的纵向压电常数,d d d d33333333 比比 d d d d11111111、d d d d12121212大的多大的多大的多大的多 所以压电陶瓷制作的传感器灵敏度比压电晶体所以压电陶瓷制作的传感器灵敏度比压电晶体所以压电陶瓷制作的传感器灵敏度比压电晶体所以压电陶瓷制作的传感器灵敏度比压电晶体高,但极化后的压电陶瓷受温度影响又使压电高,但极化后的压电陶瓷受温度影响又使压电高,但极化后的压电陶瓷受温度影响又使压电高,但极化后的压电陶瓷受温度影响又使压电特性减弱。随
24、时间延长(特性减弱。随时间延长(特性减弱。随时间延长(特性减弱。随时间延长(2 2 2 2年后)年后)年后)年后)d d d d33333333会下降,会下降,会下降,会下降,作为传感器使用时要经常校准修正。作为传感器使用时要经常校准修正。作为传感器使用时要经常校准修正。作为传感器使用时要经常校准修正。第16页/共119页传感与检测技术传感与检测技术第第第第7 7 7 7章章章章 压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器7.2.4 7.2.4 7.2.4 7.2.4 压电元件主要参数性能压电元件主要参数性能压电元件主要参数性能压电元件主要参数性能
25、 性能参数:性能参数:性能参数:性能参数:压电常数;压电常数;压电常数;压电常数;介电常数(高);介电常数(高);介电常数(高);介电常数(高);弹性常数;弹性常数;弹性常数;弹性常数;机械耦合系数;机械耦合系数;机械耦合系数;机械耦合系数;工作温度。工作温度。工作温度。工作温度。FF 锆钛酸铅锆钛酸铅锆钛酸铅锆钛酸铅(压压压压电电电电陶陶陶陶瓷瓷瓷瓷PZTPZT)是是是是一一一一种种种种性性性性能能能能优优优优越越越越的的的的压压压压电电电电陶陶陶陶瓷瓷瓷瓷,是是是是目目目目前前前前最最最最普普普普遍遍遍遍使用的压电材料。使用的压电材料。使用的压电材料。使用的压电材料。第17页/共119页传
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