传感器原理及其应用 第压电式传感器PPT学习教案.pptx

《传感器原理及其应用 第压电式传感器》 压电式传感器是基于压电效应工作的，这一效应分为正压电效应和逆压电效应。正压电效应是指某些电介质在受到外力作用变形时，其内部会产生极化，进而表面产生电荷。这种电荷在力撤销后会消散。电荷的极性和外力的方向相关，当力的方向改变，电荷极性也随之变化。而逆压电效应则是指在电介质的极化方向施加电场，导致材料发生机械变形，电场撤除后，这种变形也会消失。 压电方程是描述压电效应的关键，它关联了材料表面的电荷密度 qi、总电荷量 Qi 和作用力 Fj 之间的关系，以及压电常数 dij。这些常数是特定材料的固有属性，反映了材料转换机械能和电能的能力。压电方程中的下标 i 表示极化方向，j 则对应应力或力的方向。当电场方向与晶轴正向一致时，dij 取正值，反之取负值。 石英晶体是广泛应用的压电材料之一，其外形为正六面体，有光轴、电轴和机械轴。在石英晶体上，沿电轴的力产生纵向压电效应，沿机械轴的力产生横向压电效应。例如，当在石英晶体的 X 轴方向施加压力时，晶体将产生厚度变形，产生电荷，若施加拉力，电荷极性会反转。 压电效应的应用广泛，如石英晶体切片，通过在其表面镀银形成电极，可以将机械力转化为电信号。当沿 X 轴施加力 FX 时，晶体产生厚度变化，电极间的电荷 qX 与力和压电系数 d11 相关。同时，逆压电效应下，施加电场 EX 会导致晶体在 X 轴方向伸缩，形成机械变形。 总结起来，压电式传感器利用材料的压电效应将机械信号转化为电信号，其中石英晶体是重要的压电材料，其压电效应分为纵向和横向两种，且具有很好的线性弹性特性。通过理解压电方程和石英晶体的性质，可以设计和应用压电传感器进行力、振动、压力等多种物理量的测量。在实际应用中，压电传感器被广泛应用于各种领域，如工业自动化、航空航天、生物医学等，为现代科技的发展提供了重要支持。