第五章壓電傳感器

1、第五章 壓電式傳感器 壓電式傳感器：當壓電式傳感器：當外力外力作用于作用于某些晶體某些晶體時，發(fā)生時，發(fā)生壓電壓電效應效應，在晶體表面產生電荷，通過檢測發(fā)電電荷量的大，在晶體表面產生電荷，通過檢測發(fā)電電荷量的大小測出作用力的大小。小測出作用力的大小。 可制成力、壓力、加速度等傳感器?？芍瞥闪?、壓力、加速度等傳感器。 體積小、輕便、頻帶寬、靈敏度高。體積小、輕便、頻帶寬、靈敏度高。 壓電式傳感器的工作原理是基于某些介質材料的壓電效應，是典型的有源傳感器。當材料受力作用而變形時，其表面會有電荷產生，從而實現(xiàn)非電量測量。壓電式傳感器具有體積小，重量輕，工作頻帶寬等特點，因此在各種動態(tài)力、機械沖擊與振

2、動的測量，以及聲學、醫(yī)學、力學、宇航等方面都得到了非常廣泛的應用。2主要內容 5.1壓電效應及壓電材料 5.2壓電式傳感器測量電路 5.3壓電式傳感器的應用 第一節(jié) 壓電效應及壓電材料 壓電效應：壓電效應：某些晶體在一定方向上受到外力作用時，某些晶體在一定方向上受到外力作用時，內部產生極化現(xiàn)象，相應在晶體的兩個表面上產生符號內部產生極化現(xiàn)象，相應在晶體的兩個表面上產生符號相反的電荷。相反的電荷。當外力除去時，電荷消失；當外力反向時，當外力除去時，電荷消失；當外力反向時，電荷極性也反向。電荷極性也反向。被稱為壓電效應。被稱為壓電效應。 一、一、壓電效應壓電效應 4壓電效應可逆性 5二、壓電效應原

3、理 具有壓電效應的物質很多，如石英晶體、壓電陶瓷、高分子壓電材料等 石英晶體是一種應用廣泛的壓電晶體。它是二氧化硅單晶體，屬于六角晶系。它為規(guī)則的六角棱柱體。石英晶體有3個晶軸：x軸、y軸和z軸。 z軸又稱光軸，它與晶體的縱軸線方向一致：x軸又稱電軸，它通過六面體相對的兩個棱線并垂直于光軸：y軸又稱為機械軸，它垂直于兩個相對的晶柱棱面。6 石英晶體及切片 7 石英晶體的壓電效應機理 1正電荷等效中心 2負電荷等效中心8說 明 （1）在無外力作用時 （2）當晶體沿電軸（x軸）方向受到壓力時，晶格產生變形 （3）同樣，當晶體的機械軸（y軸）方向受到壓力時，也會產生晶格變形 （4）當晶體的光軸（z軸

4、）方向受到受力時，由于晶格的變形不會引起正負電荷中心的分離，所以不會產生壓電效應。 石英晶體石英晶體的壓電效應的壓電效應 石英：二氧化硅單晶，石英：二氧化硅單晶， 六角棱柱體，六角棱柱體， X、Y、Z三個晶軸。三個晶軸。x光軸光軸電軸電軸機械軸機械軸坐標軸坐標軸晶體切塊晶體切塊1 1、X X向應力向應力-縱向壓電效應縱向壓電效應xxxxxFdq電荷計算：電荷計算：2 2、Y Y向應力向應力橫向壓電效應橫向壓電效應光軸光軸電軸電軸機械軸機械軸晶體切塊晶體切塊壓力壓力拉力拉力xxqyxyxyFbadqxyq壓力壓力拉力拉力xxd分別為兩個方向的壓電系數(shù)。分別為兩個方向的壓電系數(shù)。xydxxxydd

5、且：且：關于壓電效應的關于壓電效應的解釋：解釋：硅離子硅離子硅離子硅離子硅離子硅離子氧離子氧離子氧離子氧離子氧離子氧離子石英晶體石英晶體在在X-Y平面平面離子分布離子分布X方向受力方向受力Y方向受力方向受力Z Z方向受力方向受力將不產生壓電效應！將不產生壓電效應！5.1.2 5.1.2 壓電壓電材料材料一一、壓電材料的主要特性參數(shù)壓電材料的主要特性參數(shù)要求：要求：1 1）壓電常數(shù)大；）壓電常數(shù)大； 2 2）機械強度高；）機械強度高； 3 3）電阻率大，介電常數(shù)大；）電阻率大，介電常數(shù)大； 4 4）引起壓電效應破壞的溫度點（居里點）高；）引起壓電效應破壞的溫度點（居里點）高； 5 5）時間穩(wěn)定性

6、好。）時間穩(wěn)定性好。（1）壓電常數(shù)（2）彈性常數(shù)（3）介電常數(shù)（4）機械耦合系數(shù)（5）絕緣電阻（6）居里點（一）石英晶體（一）石英晶體（二）水溶性壓電晶體（二）水溶性壓電晶體（三）鈮酸鋰晶體（三）鈮酸鋰晶體（四）壓電陶瓷（鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛、鈮酸鹽、鈮鎂酸鉛）（四）壓電陶瓷（鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛、鈮酸鹽、鈮鎂酸鉛）（五）壓電半導體（五）壓電半導體（六）高分子壓電材料（六）高分子壓電材料二、常用壓電材料14石英晶體石英晶體天然形成的石英晶體外形天然形成的石英晶體外形15壓電陶瓷外形壓電陶瓷外形 16高分子壓電薄膜及拉制高分子壓電薄膜及拉制 5.25.2 壓電傳感器的測量電路壓電傳感器的測量電路一、壓電

7、式傳感器的等效電路一、壓電式傳感器的等效電路 壓電式傳感器可以等效為壓電式傳感器可以等效為電荷源電荷源和和壓電元件電容器的壓電元件電容器的并聯(lián)并聯(lián)電路；也可以等效為電路；也可以等效為電壓源和電容器電壓源和電容器的串聯(lián)電路。的串聯(lián)電路。其中電容器為：其中電容器為：hACa0壓電元件極板面積壓電元件極板面積 元件厚度元件厚度相對介電常數(shù)相對介電常數(shù) 當壓電式傳感器連接測量儀表時的等效電路：當壓電式傳感器連接測量儀表時的等效電路：傳感器的泄露電阻傳感器的泄露電阻電纜電容電纜電容放大器輸入電阻電容放大器輸入電阻電容電纜電容電纜電容傳感器的泄露電阻傳感器的泄露電阻放大器輸入電阻電容放大器輸入電阻電容二、

8、壓電式傳感器的測量電路二、壓電式傳感器的測量電路)(tfdQatFtfmsin)(amaAaCtFdCQusin由：由：得：得：iuiu化化簡簡aCiaaaiCCCtfdtfdCCRjRjCjRCjCjRuu)()()(1)/()/ 1 ()/ 1/(電纜長度會影響靈敏度！電纜長度會影響靈敏度?。ㄒ唬╇妷悍糯笃鳎ㄒ唬╇妷悍糯笃鳎ǘ╇姾煞糯笃鳎ǘ╇姾煞糯笃骱雎匀齻€電阻的影響，忽略三個電阻的影響，輸入到運放的電荷：輸入到運放的電荷：fiQQQ又又)(0UUCQiffiQfQiu0u+ + + + + +)(00UAUCfiaCiiUCCCQ)(及及（1 1）將將 、 代入（代入（1 1）式，得：）式，得：iQfQffaCiCQCACCCAQU)1 ()(0靈敏度：靈敏度：fCQUk105.35.3 壓電式傳感器的應用壓電式傳感器的應用（一）壓電式力傳感器（一）壓電式力傳感器底座底座插座插座蓋板蓋板晶片晶片絕緣套絕緣套（二）壓電式壓力