第5章壓電式傳感器學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1第第5章壓電式傳感器章壓電式傳感器第一頁，共64頁。圖圖5-1 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)(y din xio yng)示意圖示意圖第1頁/共64頁第二頁，共64頁。n某些單晶體或多晶體陶瓷電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí)，內(nèi)部某些單晶體或多晶體陶瓷電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)對(duì)應(yīng)晶面上便產(chǎn)生符號(hào)就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)對(duì)應(yīng)晶面上便產(chǎn)生符號(hào)(fho)相反的等量電荷相反的等量電荷，當(dāng)外力取消后，電荷也消失，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)，當(dāng)外力取消后，電荷也消失，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力的方向

2、改變時(shí)，電荷的極性也隨著改變。當(dāng)作用力的方向改變時(shí)，電荷的極性也隨著改變第2頁/共64頁第三頁，共64頁。第3頁/共64頁第四頁，共64頁。第4頁/共64頁第五頁，共64頁。圖圖5-2 壓電元件壓電元件(yunjin)的的坐標(biāo)系表示法坐標(biāo)系表示法第5頁/共64頁第六頁，共64頁。石英11xxqdfxf1211yyyaaqdfdfbb yf5.2 壓電材料壓電材料(cilio)及其壓電及其壓電機(jī)理機(jī)理521 石英石英(shyng)晶體晶體第6頁/共64頁第七頁，共64頁。第7頁/共64頁第八頁，共64頁。5.2 壓電材料壓電材料(cilio)及其壓及其壓電機(jī)理電機(jī)理第8頁/共64頁第九頁，共64

3、頁。如圖5-5所示，圖中“”代表Si4+ 、“ ”表示O2。形成三互成120夾角的電偶極矩Pl、P2和P3圖圖5-5 石英晶體石英晶體(jngt)的的壓電效應(yīng)示意圖壓電效應(yīng)示意圖電偶極矩是電荷系統(tǒng)的極性的一種衡量電偶極矩是電荷系統(tǒng)的極性的一種衡量.連接連接+Q和和Q兩個(gè)點(diǎn)電荷的兩個(gè)點(diǎn)電荷的直線稱為電偶極子的軸線，從直線稱為電偶極子的軸線，從Q指向指向+Q的矢徑和電量的乘積的矢徑和電量的乘積定義為電偶極子的電矩，也稱定義為電偶極子的電矩，也稱電偶極矩電偶極矩 第9頁/共64頁第十頁，共64頁。第10頁/共64頁第十一頁，共64頁。第11頁/共64頁第十二頁，共64頁。第12頁/共64頁第十三頁，

4、共64頁。 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 11141411112625141211dddddddddddij(5-9) 只有只有2個(gè)獨(dú)立常數(shù)個(gè)獨(dú)立常數(shù)(chngsh)：d11=2.31pC/N；d14=0.727pC/N。 當(dāng)作用力的方向相反時(shí)，很顯然，電荷的極性也隨之改變當(dāng)作用力的方向相反時(shí)，很顯然，電荷的極性也隨之改變。如果對(duì)石英晶體的各個(gè)方向同時(shí)施加相等的力時(shí)。如果對(duì)石英晶體的各個(gè)方向同時(shí)施加相等的力時(shí)(如液體壓如液體壓力、應(yīng)力等力、應(yīng)力等)，石英晶體始終保持電中性不變。所以，石英晶，石英晶體始終保持電中性不變

5、。所以，石英晶體沒有體積形變的壓電效應(yīng)。體沒有體積形變的壓電效應(yīng)。第13頁/共64頁第十四頁，共64頁。21第14頁/共64頁第十五頁，共64頁。FdQ33極化面第15頁/共64頁第十六頁，共64頁。FSSdFSSdQyxyx3132第16頁/共64頁第十七頁，共64頁。 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 33313115153332312415dddddddddddij第17頁/共64頁第十八頁，共64頁。第18頁/共64頁第十九頁，共64頁。自由電荷電極自由電荷束縛電荷第19頁/共64頁第二十頁，共64頁。33qdF5.

6、2 壓電材料壓電材料(cilio)及其壓電及其壓電機(jī)理機(jī)理第20頁/共64頁第二十一頁，共64頁。第21頁/共64頁第二十二頁，共64頁。第22頁/共64頁第二十三頁，共64頁。第23頁/共64頁第二十四頁，共64頁。第24頁/共64頁第二十五頁，共64頁。電荷泄漏并獲得良好的低頻電荷泄漏并獲得良好的低頻特特性。性。 (4)溫度和濕度穩(wěn)定性良好，溫度和濕度穩(wěn)定性良好，具有較高的居里點(diǎn)具有較高的居里點(diǎn)(在此溫度在此溫度時(shí)，壓電材料的壓電性能時(shí)，壓電材料的壓電性能(xngnng)被破壞被破壞)，以期得到，以期得到較寬的工作溫度較寬的工作溫度范圍。范圍。 (5)時(shí)間穩(wěn)定性：壓電特性不時(shí)間穩(wěn)定性：壓電

7、特性不隨時(shí)間蛻變。隨時(shí)間蛻變。第25頁/共64頁第二十六頁，共64頁。5.2 壓電材料壓電材料(cilio)及其壓電機(jī)及其壓電機(jī)理理第26頁/共64頁第二十七頁，共64頁。第27頁/共64頁第二十八頁，共64頁。 類類 別別 材材 料料 成成 分分 特特 性性 石石英英晶晶體體 單單晶晶體體、水水晶晶 （人人造造、 天天然然） SiO2 d11=2.3110-12C/N， 壓壓電電系系數(shù)數(shù)穩(wěn)穩(wěn)定定，固固有有頻頻率率穩(wěn)穩(wěn)定定 承承受受壓壓力力700-1000Kg/cm2 壓壓電電陶陶瓷瓷 人人造造多多晶晶體體 鈦鈦酸酸鋇鋇、鋯鋯鈦鈦酸酸鋇鋇、鈮鈮酸酸鹽鹽系系 壓壓電電系系數(shù)數(shù)高高d33=1901

8、0-11C/N 品品種種多多、性性能能各各異異 新新型型壓壓電電材材料料 壓壓電電半半導(dǎo)導(dǎo)體體 壓壓電電特特性性 半半導(dǎo)導(dǎo)體體特特性性 集集成成壓壓電電傳傳感感器器 有有機(jī)機(jī)高高分分子子 壓壓電電材材料料 質(zhì)質(zhì)輕輕柔柔軟軟、抗抗拉拉強(qiáng)強(qiáng)度度高高、 機(jī)機(jī)電電耦耦合合系系數(shù)數(shù)高高 第28頁/共64頁第二十九頁，共64頁。 圖圖5-9 壓電元件的受力狀態(tài)壓電元件的受力狀態(tài)(zhungti)和變形方式和變形方式(a)厚度變形；厚度變形；(b)長度變形；長度變形；(c)面剪切變形；面剪切變形；(d)厚度剪切變形；厚度剪切變形；(e)體積變形體積變形第29頁/共64頁第三十頁，共64頁。yzxdq14xy

9、ydq25xxdq11xxFdQ11yxdq12yxyxSSFdQ12第30頁/共64頁第三十一頁，共64頁。xyydq26zyxzdddq333231Vzdddq)2(3331第31頁/共64頁第三十二頁，共64頁。圖圖5-10 疊式壓電片的并聯(lián)疊式壓電片的并聯(lián)(bnglin)和串聯(lián)和串聯(lián)(a)并聯(lián)并聯(lián)(bnglin)接法；接法；(b)串聯(lián)接法串聯(lián)接法第32頁/共64頁第三十三頁，共64頁。 2 2QQUUCC并并并， 2 2/QQUUCC串串串，第33頁/共64頁第三十四頁，共64頁。hShSCra0aC/QU 銀電極壓電材料圖圖5-12 壓電式傳感器等效電路壓電式傳感器等效電路第34頁/

10、共64頁第三十五頁，共64頁。第35頁/共64頁第三十六頁，共64頁。aquC/KK 第36頁/共64頁第三十七頁，共64頁。第37頁/共64頁第三十八頁，共64頁。)RR/(RRRiaiaicCCC第38頁/共64頁第三十九頁，共64頁。tsinFFmtUtCFdCQUmamaasinsin33)CC(RjRjFdUai133ammC/FdU33第39頁/共64頁第四十頁，共64頁。22331)CCC()R(RFdUicamimR)CCC(arctanica222331)CCC()R(RdFUKicamimu第40頁/共64頁第四十一頁，共64頁。icamamCCCFdU33 22)()(1

11、)(icaicaamimCCCRCCCRUUKicamamuCCCdFUK33第41頁/共64頁第四十二頁，共64頁。)CCC(Rica 2)/(1/nnamimUUK)/arctan(n2圖圖5-15 電壓幅值比和相角電壓幅值比和相角與頻率與頻率(pnl)比的關(guān)系曲線比的關(guān)系曲線第42頁/共64頁第四十三頁，共64頁。壓電式傳感器的壓電式傳感器的3dB截止頻率下限截止頻率下限(xixin)為為(取取 )CCC(RficaL21 21K (5-36) 一般一般情況下fL1Hz，低頻響應(yīng)也不錯(cuò)低頻響應(yīng)也不錯(cuò)。)CC(RjRjFdUai133第43頁/共64頁第四十四頁，共64頁。圖圖5- 16

12、阻抗阻抗(zkng)變換器電路圖變換器電路圖圖圖5-17 內(nèi)置超小型阻抗變換器的內(nèi)置超小型阻抗變換器的一體化壓電式加速度傳感器一體化壓電式加速度傳感器 為了解決電纜電容為了解決電纜電容Cc的的問題，問題，將將前置前置放大器裝入傳感器之中放大器裝入傳感器之中，組成一體化傳感器，如圖，組成一體化傳感器，如圖5-17所示。所示。第44頁/共64頁第四十五頁，共64頁。fcCQuUf/0fCu第45頁/共64頁第四十六頁，共64頁。第46頁/共64頁第四十七頁，共64頁。ffCAC)1 (ficaC)A(CCCAQU10fCQU/0第47頁/共64頁第四十八頁，共64頁。第48頁/共64頁第四十九頁，

13、共64頁。ffCjRQjU/102220)/1 (ffCRQUffLCRf21Q0U0U第49頁/共64頁第五十頁，共64頁。 為了(wi le)便于分析，用圖（b）的電壓源代（a）的電荷源，由此可得（用節(jié)點(diǎn)電壓法）()()aisciaiciciffggjCC(U -U )j C =U+(U -U )(g +j C )isc UU /A()(1)()aascfficaicj C U Agj CAggjCCCU第50頁/共64頁第五十一頁，共64頁。)CR/arctan()CR/arctan(ffff11第51頁/共64頁第五十二頁，共64頁。例例1：壓電式測力：壓電式測力(c l)傳傳感器感器

14、壓電式三向力傳感器壓電式三向力傳感器5.5 壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器的應(yīng)用(yngyng)第52頁/共64頁第五十三頁，共64頁。例例2： 壓電式壓力壓電式壓力(yl)傳感傳感器器11qdFFP S電極結(jié)構(gòu)電極結(jié)構(gòu)預(yù)緊力預(yù)緊力第53頁/共64頁第五十四頁，共64頁。例例3：壓電引信：壓電引信(ynxn)壓電陶瓷壓電陶瓷(toc)：彈丸起爆裝置：彈丸起爆裝置破甲彈破甲彈第54頁/共64頁第五十五頁，共64頁。例例4：火炮：火炮(hupo)堂內(nèi)壓力測試堂內(nèi)壓力測試發(fā)射藥在堂內(nèi)燃燒形成壓力完成炮彈的發(fā)射。堂內(nèi)壓力的發(fā)射藥在堂內(nèi)燃燒形成壓力完成炮彈的發(fā)射。堂內(nèi)壓力的大小，不僅決定著炮彈的飛行速度

15、，而且與火炮大小，不僅決定著炮彈的飛行速度，而且與火炮(hupo)、彈丸的設(shè)計(jì)有著密切關(guān)系。、彈丸的設(shè)計(jì)有著密切關(guān)系。第55頁/共64頁第五十六頁，共64頁。例例5：壓電式加速度傳感器：壓電式加速度傳感器Qd Fd maQdmaUCCFma 重塊質(zhì)量重塊質(zhì)量 加速度加速度ma第56頁/共64頁第五十七頁，共64頁。例例6：沖擊：沖擊(chngj)試驗(yàn)臺(tái)的標(biāo)定和試驗(yàn)臺(tái)的標(biāo)定和檢測檢測產(chǎn)品過載沖擊試驗(yàn)產(chǎn)品過載沖擊試驗(yàn)跌落高度跌落高度h被沖擊介質(zhì)：鋼、橡膠、塑料、木塊被沖擊介質(zhì)：鋼、橡膠、塑料、木塊加速度加速度第57頁/共64頁第五十八頁，共64頁。例例7：汽車：汽車(qch)安全氣囊系統(tǒng)安全氣囊系統(tǒng)事故性碰撞：點(diǎn)火信號(hào)、電點(diǎn)火管、氣體發(fā)生事故性碰撞：點(diǎn)火信號(hào)、電點(diǎn)火管、氣體發(fā)生(fshng)劑、劑、 氣體、充氣、彈性體氣體、充氣、彈性體第58頁/共64頁第五十九頁，共64頁。例例8： 氣體氣體(qt)發(fā)生器輸出特性發(fā)生器輸出特性測試測試密封容器壓力測試法密封容器壓力測試法第59頁/共64頁第六十頁，共64頁。例例9：振動(dòng)：振動(dòng)(zhndng)測量儀測量儀加速度加速度(sd) 160