傳感技術(shù)及應(yīng)用壓電式傳感器PPT教案

1、會計學1傳感技術(shù)及應(yīng)用壓電式傳感器傳感技術(shù)及應(yīng)用壓電式傳感器壓電式傳感器的廣泛應(yīng)用壓電式傳感器的廣泛應(yīng)用 可以用來測量發(fā)動機內(nèi)部燃燒壓力的測量與真空度的測量。也可以用于軍事工業(yè)，例如用它來測量槍炮子彈在膛中擊發(fā)的一瞬間的膛壓的變化和炮口的沖擊波壓力。它既可以用來測量大的壓力，也可以用來測量微小的壓力。 測量壓力第1頁/共66頁 測量加速度頻率范圍：1-10000Hz（10%),通用測振 頻率范圍：0.1-4000Hz（10%),三向測振頻率范圍：1-10000Hz（10%)大振動、沖擊測量 頻率范圍：0.2-7000Hz（10%)高溫、長期振動監(jiān)測頻率范圍：0.1-2000Hz（10%),低頻

2、，小g測振 第2頁/共66頁6-1 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng) 某些電介質(zhì)物質(zhì)，在沿一定方向上受到外力的作用而變形時某些電介質(zhì)物質(zhì)，在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在其表面上產(chǎn)生電荷；當外力去掉，內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在其表面上產(chǎn)生電荷；當外力去掉后，又重新回到不帶電的狀態(tài)，后，又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象這種將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，稱為，稱為“順壓電效應(yīng)順壓電效應(yīng)”。 相反，在電介質(zhì)的極化方向上施加電場，它會產(chǎn)生機械變形相反，在電介質(zhì)的極化方向上施加電場，它會產(chǎn)生機械變形，當去掉外加電場時，電介質(zhì)的變形隨之消失。，當去掉外加電場時，電介質(zhì)的變形

3、隨之消失。這種將電能轉(zhuǎn)換這種將電能轉(zhuǎn)換為機械能的現(xiàn)象，稱為為機械能的現(xiàn)象，稱為“逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)”。F FF F極化面極化面Q Q壓電介質(zhì)壓電介質(zhì)機械能機械能電能電能正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)及可逆性壓電效應(yīng)及可逆性第3頁/共66頁 當力的方向改變時，電荷的極性隨之改變，輸出電當力的方向改變時，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動態(tài)力的頻率相同；當動態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時，壓的頻率與動態(tài)力的頻率相同；當動態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時，電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失。電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失。p 石英晶體的壓電效應(yīng)演示石英晶體的壓電效應(yīng)演示第4頁/共66頁1、種類、種類：

4、n石英晶體石英晶體：如石英等；如石英等；n壓電陶瓷壓電陶瓷：如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等；如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等；n壓電半導(dǎo)體壓電半導(dǎo)體：如硫化鋅、碲化鎘等；如硫化鋅、碲化鎘等；n高分子壓電材料：高分子壓電材料：聚偏二氟乙烯等。聚偏二氟乙烯等。2、對壓電材料特性要求對壓電材料特性要求： 轉(zhuǎn)換性能轉(zhuǎn)換性能：要求具有較大壓電常數(shù)；要求具有較大壓電常數(shù)； 機械性能機械性能：機械強度高、剛度大，以期獲得寬的線性機械強度高、剛度大，以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動頻率；范圍和高的固有振動頻率； 電性能電性能：具有高電阻率和大介電常數(shù)，以減弱外部分具有高電阻率和大介電常數(shù)，以減弱外部分布電容的影響并獲得良好的低頻

5、特性；布電容的影響并獲得良好的低頻特性； 環(huán)境適應(yīng)性強環(huán)境適應(yīng)性強：溫度和濕度穩(wěn)定性要好，要求具有較溫度和濕度穩(wěn)定性要好，要求具有較高的居里點，獲得較寬的工作溫度范圍；高的居里點，獲得較寬的工作溫度范圍； 時間穩(wěn)定性時間穩(wěn)定性：要求壓電性能不隨時間變化。要求壓電性能不隨時間變化。 第5頁/共66頁 石英是一種具有良好壓電特性的壓電晶體。其介電石英是一種具有良好壓電特性的壓電晶體。其介電常數(shù)和壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性好。在常數(shù)和壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性好。在2020200200范圍范圍內(nèi)，溫度每升高內(nèi)，溫度每升高11，壓電系數(shù)僅減少，壓電系數(shù)僅減少0.0160.016。但是當。但是當?shù)降?73573時，

6、壓電特性完全失去，這就是它的時，壓電特性完全失去，這就是它的居里點居里點。 石英晶體的突出優(yōu)點是性能非常穩(wěn)定，機石英晶體的突出優(yōu)點是性能非常穩(wěn)定，機械強度高，絕緣性能好。但價格昂貴，且械強度高，絕緣性能好。但價格昂貴，且壓電系數(shù)低。因此一般僅用于壓電系數(shù)低。因此一般僅用于標準儀器標準儀器或或要求較高的傳感器中。要求較高的傳感器中。第6頁/共66頁 1 1、 鈦酸鋇壓電陶瓷鈦酸鋇壓電陶瓷 鈦酸鋇（鈦酸鋇（BaTiO3）是由碳酸鋇（）是由碳酸鋇（BaCO3）和二）和二氧化鈦（氧化鈦（TiO2）按）按1：1分子比例在高溫下合成的壓分子比例在高溫下合成的壓電陶瓷。電陶瓷。 它具有很高的介電常數(shù)和較大的

7、壓電系數(shù)（約它具有很高的介電常數(shù)和較大的壓電系數(shù)（約為石英晶體的為石英晶體的50倍）。不足之處是居里溫度低（倍）。不足之處是居里溫度低（120），溫度穩(wěn)定性和機械強度不如石英晶體。），溫度穩(wěn)定性和機械強度不如石英晶體。鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷（鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷（PZT） 鋯鈦酸鉛是由鋯鈦酸鉛是由PbTiO3和和PbZrO3組成的固溶體組成的固溶體Pb（Zr、Ti）O3。它與鈦酸鋇相比，壓電系數(shù)更大。它與鈦酸鋇相比，壓電系數(shù)更大，居里溫度在，居里溫度在300以上，各項機電參數(shù)受溫度影以上，各項機電參數(shù)受溫度影響小，時間穩(wěn)定性好。此外，在鋯鈦酸中添加一種響小，時間穩(wěn)定性好。此外，在鋯鈦酸中添加一種或兩

8、種其它微量元素（如鈮、銻、錫、錳、鎢等）或兩種其它微量元素（如鈮、銻、錫、錳、鎢等）還可以獲得不同性能的還可以獲得不同性能的PZT材料。因此鋯鈦酸鉛系材料。因此鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷是目前壓電式傳感器中應(yīng)用最廣泛的壓電壓電陶瓷是目前壓電式傳感器中應(yīng)用最廣泛的壓電材料。材料。 第7頁/共66頁 1968年出現(xiàn)了多種壓電半導(dǎo)體材料，如硫化年出現(xiàn)了多種壓電半導(dǎo)體材料，如硫化鋅、碲化鎘、氧化鋅、硫化鎘、碲化鋅和砷化鎵鋅、碲化鎘、氧化鋅、硫化鎘、碲化鋅和砷化鎵等。等。特點：特點：既有壓電特性，又有半導(dǎo)體性質(zhì)，因此，可既有壓電特性，又有半導(dǎo)體性質(zhì)，因此，可研制壓電傳感器，也可制作半導(dǎo)體電子器件，還研制壓電傳感

9、器，也可制作半導(dǎo)體電子器件，還可將二者結(jié)合，研制新型集成壓電傳感器。這種可將二者結(jié)合，研制新型集成壓電傳感器。這種力敏器件具有靈敏度高，響應(yīng)時間短等優(yōu)點。此力敏器件具有靈敏度高，響應(yīng)時間短等優(yōu)點。此外用外用ZnO作為表面聲波振蕩器的壓電材料，還可測作為表面聲波振蕩器的壓電材料，還可測溫度等參數(shù)。溫度等參數(shù)。第8頁/共66頁是某些高分子聚合物經(jīng)延展和拉是某些高分子聚合物經(jīng)延展和拉伸以及電場極化后具有壓電性能的材料，如聚偏二伸以及電場極化后具有壓電性能的材料，如聚偏二氟乙烯。氟乙烯。優(yōu)點：耐沖擊、不易破碎、穩(wěn)定性好、頻帶寬。優(yōu)點：耐沖擊、不易破碎、穩(wěn)定性好、頻帶寬。是在高分子化合物中加入壓是在高分

10、子化合物中加入壓電陶瓷粉末制成的，這種復(fù)合材料保持了高分子壓電陶瓷粉末制成的，這種復(fù)合材料保持了高分子壓電陶瓷薄膜的柔軟性，又具有較高的壓電系數(shù)。電陶瓷薄膜的柔軟性，又具有較高的壓電系數(shù)。 第9頁/共66頁一、石英晶體的壓電效應(yīng)一、石英晶體的壓電效應(yīng) 石英晶體有天然和人造石英單晶石英晶體有天然和人造石英單晶兩種。兩種。 石英晶體屬六方晶系，是一個正石英晶體屬六方晶系，是一個正六面體，有右旋和左旋石英晶體之六面體，有右旋和左旋石英晶體之分，在晶體學中用三根互相分，在晶體學中用三根互相 垂直的垂直的軸軸 Z、X、Y 表示它的坐標。表示它的坐標。 （講義（講義P108）第10頁/共66頁第11頁/共

11、66頁 Z 軸為光軸（中性軸），軸為光軸（中性軸），它是晶體的對稱軸，光線沿它是晶體的對稱軸，光線沿Z軸通過軸通過晶體不產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，因而它的貢獻是作為基準軸。晶體不產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，因而它的貢獻是作為基準軸。 X 軸為電軸（垂直于光軸），軸為電軸（垂直于光軸），該軸壓電效應(yīng)最顯著，它通過該軸壓電效應(yīng)最顯著，它通過正六棱柱相對的兩個棱線且垂直于光軸正六棱柱相對的兩個棱線且垂直于光軸Z，顯然，顯然X軸共有三個。軸共有三個。 Y 軸為機械軸（力軸），軸為機械軸（力軸），顯然也有三個，它垂直于兩個相對的顯然也有三個，它垂直于兩個相對的表面，在此軸上加力產(chǎn)生的變形最大。表面，在此軸上加力產(chǎn)生的變形最大

12、。第12頁/共66頁+YXp3p1p2（a）YX+p1p2p3Fx+Fx（b）YX Fy+Fy+p1p2p3（c） 現(xiàn)將組成石英（現(xiàn)將組成石英（SiO2）晶體的硅離子和氧離子的排列）晶體的硅離子和氧離子的排列在垂直于晶體在垂直于晶體Z軸的軸的xy平面上進行投影，等效為正六邊形平面上進行投影，等效為正六邊形排列。排列。 圖中圖中“ ”代表代表Si4+，“ ”代表代表2O2。+第13頁/共66頁 當石英晶體未受力作用當石英晶體未受力作用時，正、負離子（即時，正、負離子（即Si4+和和2O2）正好分布在正六邊形）正好分布在正六邊形的頂角上，形成三個大小相的頂角上，形成三個大小相等，互成等，互成120

13、夾角的電偶極夾角的電偶極矩矩 p1、 p2 和和 p3。 電偶極矩的矢量和等于電偶極矩的矢量和等于零，即零，即 ，這，這時晶體表面不產(chǎn)生電荷，時晶體表面不產(chǎn)生電荷，石石英晶體從整體上呈電中性。英晶體從整體上呈電中性。（見圖（見圖a） 1230ppp +YXp3p1p2圖（圖（a）第14頁/共66頁YX+p1p2p3Fx+Fx圖（圖（b） 當石英晶體受到沿當石英晶體受到沿X方向的方向的壓縮力壓縮力作用時，晶體沿作用時，晶體沿X方向產(chǎn)方向產(chǎn)生壓縮變形，正、負離子的相對生壓縮變形，正、負離子的相對位置隨之變動，正、負電荷中心位置隨之變動，正、負電荷中心不再重合，電偶極矩在不再重合，電偶極矩在X軸方向

14、軸方向的分量，的分量， ，在，在而在而在Y軸和軸和Z軸方向的分量均為軸方向的分量均為零。在垂直于零。在垂直于Y軸和軸和Z軸的晶體表軸的晶體表面上不出現(xiàn)電荷。面上不出現(xiàn)電荷。 這種沿這種沿X軸作用力，而在垂直軸作用力，而在垂直于此軸晶面上產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象，于此軸晶面上產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象，稱為稱為“”。（見圖。（見圖b）123()0 xppp 第15頁/共66頁YX Fy+Fy+p1p2p3圖（圖（c） 當石英晶體受到沿當石英晶體受到沿Y軸方軸方向的壓縮力作用時，電偶極矩向的壓縮力作用時，電偶極矩在在X軸方向的分量軸方向的分量 ，（這種情況等這種情況等同于沿同于沿X軸方向的拉力作用軸方向的拉力作用），同

15、樣在垂直于，同樣在垂直于Y軸和軸和Z軸的軸的晶面上不出現(xiàn)電荷。晶面上不出現(xiàn)電荷。 這種沿這種沿Y軸作用力，而在垂軸作用力，而在垂直于直于X軸的晶面上產(chǎn)生電荷的軸的晶面上產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象，稱為現(xiàn)象，稱為“。”（見圖（見圖c）。）。 123()0 xppp 第16頁/共66頁 當晶體受到沿當晶體受到沿Z軸方向的力（無論是壓縮力軸方向的力（無論是壓縮力或拉伸力）作用時，因為石英晶體在或拉伸力）作用時，因為石英晶體在X軸方向和軸方向和Y方向的變形相同，正、負電荷中心始終保持重方向的變形相同，正、負電荷中心始終保持重合，電偶極矩在合，電偶極矩在X、Y方向的分量等于零。方向的分量等于零。 所以沿光軸方向施加

16、作用力，石英晶體不會所以沿光軸方向施加作用力，石英晶體不會產(chǎn)生壓電效應(yīng)。產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 當作用力當作用力Fx或或Fy的方向相反時，電荷的極的方向相反時，電荷的極性隨之改變。如果石英晶體的各個方向同時受性隨之改變。如果石英晶體的各個方向同時受到均等的作用力（如液體壓力），石英晶體將到均等的作用力（如液體壓力），石英晶體將保持電中性。保持電中性。 所以石英晶體沒有體積變形的壓電效應(yīng)。所以石英晶體沒有體積變形的壓電效應(yīng)。第17頁/共66頁石英晶體的特點石英晶體的特點 介電和壓電常數(shù)的溫度穩(wěn)定性好，適合做工介電和壓電常數(shù)的溫度穩(wěn)定性好，適合做工作溫度范圍很寬的傳感器。作溫度范圍很寬的傳感器。 機械強度

17、很高，可承受約機械強度很高，可承受約108Pa的壓力。的壓力。 天然石英的穩(wěn)定性好天然石英的穩(wěn)定性好 資源少，存在某些缺陷。資源少，存在某些缺陷。 第18頁/共66頁二、壓電陶瓷的壓電效應(yīng)二、壓電陶瓷的壓電效應(yīng) 壓電陶瓷是人工制壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料。造的多晶壓電材料。 它由無數(shù)細微的電疇組成，這些電疇實際上它由無數(shù)細微的電疇組成，這些電疇實際上是自發(fā)極化的小區(qū)域，自發(fā)極化的方向完全是任是自發(fā)極化的小區(qū)域，自發(fā)極化的方向完全是任意排列的。意排列的。在無外電場作用時，從整體來看，這在無外電場作用時，從整體來看，這些電疇的極化效應(yīng)被互相抵消，使原始的壓電陶些電疇的極化效應(yīng)被互相抵消，使原

18、始的壓電陶瓷呈電中性，不具有壓電性質(zhì)。瓷呈電中性，不具有壓電性質(zhì)。 未極未極化的化的電疇電疇第19頁/共66頁為了使壓電陶瓷具有壓電效應(yīng)，必須進行極化處理。為了使壓電陶瓷具有壓電效應(yīng)，必須進行極化處理。 所謂極化處理，就是在一定溫度下對壓電陶瓷施加強電所謂極化處理，就是在一定溫度下對壓電陶瓷施加強電場（如場（如2030kv/cm直流電場），經(jīng)過直流電場），經(jīng)過23小時以后，壓電小時以后，壓電陶瓷就具備壓電性能了，這是因為陶瓷內(nèi)部的電疇的極化方陶瓷就具備壓電性能了，這是因為陶瓷內(nèi)部的電疇的極化方向在外電場作用下都趨向于電場的方向，這個方向就是壓電向在外電場作用下都趨向于電場的方向，這個方向就是壓

19、電陶瓷的極化方向，通常取陶瓷的極化方向，通常取 z 軸方向。軸方向。 電電場場方方向向電極化處理電極化處理后的電疇后的電疇第20頁/共66頁 經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷，在外電場去掉經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷，在外電場去掉后，其內(nèi)部仍存在著很強的剩余極化強度，當后，其內(nèi)部仍存在著很強的剩余極化強度，當壓電陶瓷受外力作用時，電疇的界限發(fā)生移動壓電陶瓷受外力作用時，電疇的界限發(fā)生移動，因此剩余極化強度將發(fā)生變化，壓電陶瓷就，因此剩余極化強度將發(fā)生變化，壓電陶瓷就呈現(xiàn)出壓電效應(yīng)。呈現(xiàn)出壓電效應(yīng)。幾個關(guān)鍵詞：幾個關(guān)鍵詞： 極化強度、束縛電荷、自由電荷極化強度、束縛電荷、自由電荷第21頁/共66頁熱釋電效應(yīng)熱釋

20、電效應(yīng) 某些晶體除了由于機械效應(yīng)的作用而引起某些晶體除了由于機械效應(yīng)的作用而引起的電極化（壓電效應(yīng)）之外，還可由于溫度變的電極化（壓電效應(yīng)）之外，還可由于溫度變化而產(chǎn)生電極化。化而產(chǎn)生電極化。 用熱釋電系數(shù)來表示該效應(yīng)的強弱，它是用熱釋電系數(shù)來表示該效應(yīng)的強弱，它是指溫度每變化指溫度每變化1攝氏度時，在單位重量晶體表面攝氏度時，在單位重量晶體表面上產(chǎn)生的電荷密度大小。上產(chǎn)生的電荷密度大小。第22頁/共66頁幾種壓電陶瓷幾種壓電陶瓷 鈦酸鋇壓電陶瓷鈦酸鋇壓電陶瓷 鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷 壓電聚合物壓電聚合物第23頁/共66頁第24頁/共66頁超聲波美容儀器用壓電陶瓷晶片醫(yī)用B超換能

21、器用晶片第25頁/共66頁高分子壓電薄膜高分子壓電薄膜 壓電薄膜聚偏二氟乙烯（PVF2）、聚氟乙烯（PVF）、聚偏氟乙烯（PVDF）、改性聚氯乙烯（PVC）等 第26頁/共66頁三、壓電常數(shù)和表面電荷的計算三、壓電常數(shù)和表面電荷的計算 1、石英晶體的壓電常數(shù)和表面電荷的計算、石英晶體的壓電常數(shù)和表面電荷的計算 從石英晶體上切一片平行六面體從石英晶體上切一片平行六面體 晶體切片，使它晶體切片，使它的晶面分別平行于的晶面分別平行于x、y、z軸。軸。 btl1zxyT1（1）當晶片受到）當晶片受到 x 方向方向壓縮應(yīng)力壓縮應(yīng)力T1(N/m2)作用作用時，晶片將產(chǎn)生厚度變時，晶片將產(chǎn)生厚度變形，在垂直

22、于形，在垂直于x軸表面上軸表面上產(chǎn)生的電荷密度產(chǎn)生的電荷密度1與應(yīng)與應(yīng)力力T1成正比。成正比。 第27頁/共66頁 當石英晶片在當石英晶片在x軸方向施加壓縮力時，產(chǎn)生的電軸方向施加壓縮力時，產(chǎn)生的電荷荷q正比于作用力正比于作用力F1，與晶片的幾何尺寸無關(guān)，若，與晶片的幾何尺寸無關(guān)，若晶片在晶軸晶片在晶軸x方向受到拉力（大小與壓縮力相等）方向受到拉力（大小與壓縮力相等）的作用，則仍在垂直于的作用，則仍在垂直于x軸表面上出現(xiàn)軸表面上出現(xiàn)等量電荷等量電荷，但但極性相反極性相反。 +xF1F1+xF1F1石英晶片上電荷極性與受力方向的關(guān)系石英晶片上電荷極性與受力方向的關(guān)系第28頁/共66頁（2）當晶片

23、受到沿）當晶片受到沿 y（即機械軸）方向的應(yīng)力（即機械軸）方向的應(yīng)力T2作用時，在垂直于作用時，在垂直于x軸表面出現(xiàn)電荷，電荷的極性軸表面出現(xiàn)電荷，電荷的極性如下圖示。如下圖示。 +xF2F2+xF2F2電荷密度電荷密度1212與施加的應(yīng)力與施加的應(yīng)力T2成正比。成正比。 12122dT第29頁/共66頁?一道練習題一道練習題 有一石英晶體，其長度為有一石英晶體，其長度為5mm，寬度為，寬度為4mm，厚度為，厚度為10mm，當受到壓力，當受到壓力P=10MPa作用時，作用時，求在縱向壓電效應(yīng)的壓縮力作用下時產(chǎn)生的電荷求在縱向壓電效應(yīng)的壓縮力作用下時產(chǎn)生的電荷量。（量。（d=2.31pC/N）

24、第30頁/共66頁 （3）當石英晶體受到）當石英晶體受到z軸（即光軸）方向應(yīng)力軸（即光軸）方向應(yīng)力T3作用時作用時，無論是拉伸應(yīng)力，還是壓縮應(yīng)力，都不會產(chǎn)生電荷，即：，無論是拉伸應(yīng)力，還是壓縮應(yīng)力，都不會產(chǎn)生電荷，即：d13=0。（4）當石英晶體分別受到剪切應(yīng)力）當石英晶體分別受到剪切應(yīng)力T4、T5、T6作用時作用時， 則有則有 14144dT151550dT161660dT（即（即d15= 0） （即（即d16= 0） xyz123456以上三式中的以上三式中的T4、T5、T6分別為晶片分別為晶片x面（即面（即yz平面）平面）、y面（即面（即zx平面平面）和）和z面（即面（即xy平平面）上作

25、用的剪切面）上作用的剪切應(yīng)力。應(yīng)力。 第31頁/共66頁 由此可得到石英晶體在所有應(yīng)力作用下的順壓電效由此可得到石英晶體在所有應(yīng)力作用下的順壓電效應(yīng)矩陣表達式應(yīng)矩陣表達式 ：123456123456*1111214*22526*3111114141100 00 0 0 00 0 0 0 0 000 00 0 0 02000000TTTTTTTTTTTTdddddddddd 壓電常數(shù)矩陣是正確選擇壓電元件、受力狀態(tài)、變形壓電常數(shù)矩陣是正確選擇壓電元件、受力狀態(tài)、變形方式、能量轉(zhuǎn)換率以及晶片幾何切型的重要依據(jù)。方式、能量轉(zhuǎn)換率以及晶片幾何切型的重要依據(jù)。 第32頁/共66頁 由壓電常數(shù)矩陣還可以知

26、道，壓電元件承受機械應(yīng)力作由壓電常數(shù)矩陣還可以知道，壓電元件承受機械應(yīng)力作用時，有哪幾種變形方式具有能量轉(zhuǎn)換作用。用時，有哪幾種變形方式具有能量轉(zhuǎn)換作用。 3）石英晶體通過）石英晶體通過dij的四種基本變形方式可將機械能轉(zhuǎn)換為的四種基本變形方式可將機械能轉(zhuǎn)換為電能。電能。 (a) 厚度變形厚度變形，通過，通過d11產(chǎn)生產(chǎn)生x方向的方向的縱向壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng)； (b) 長度變形長度變形，通過，通過d12產(chǎn)生產(chǎn)生y方向的方向的橫向壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng)； (c) 面剪切變形面剪切變形，晶體受剪切面與產(chǎn)生電荷的面共面。，晶體受剪切面與產(chǎn)生電荷的面共面。 如：對如：對x切晶片，當切晶片，當x面（即面

27、（即yz平面）上作用剪切應(yīng)力時，平面）上作用剪切應(yīng)力時，通過通過d14在此同一面上產(chǎn)生電荷。對于在此同一面上產(chǎn)生電荷。對于y切晶片，通過切晶片，通過d25可在可在y面（即面（即zx平面）產(chǎn)生面剪切式能量轉(zhuǎn)換。平面）產(chǎn)生面剪切式能量轉(zhuǎn)換。 (d) 厚度剪切變形厚度剪切變形，晶體受剪切面與產(chǎn)生電荷不共面，如，晶體受剪切面與產(chǎn)生電荷不共面，如y切晶片，當切晶片，當z面（即面（即xy平面）上作用有剪切應(yīng)力時，通過平面）上作用有剪切應(yīng)力時，通過d26在在y面（即面（即zx平面）上產(chǎn)生電荷。平面）上產(chǎn)生電荷。第33頁/共66頁2、 壓電陶瓷的壓電常數(shù)和表面電荷的計壓電陶瓷的壓電常數(shù)和表面電荷的計算算 壓電

28、陶瓷的極化方向通常取壓電陶瓷的極化方向通常取 z 軸方向，在垂直于軸方向，在垂直于 z 軸軸平面上的任何直線都可取作為平面上的任何直線都可取作為 x 軸或軸或 y 軸，對于軸，對于 x 軸和軸和 y軸，其壓電特性是等效的。壓電常數(shù)軸，其壓電特性是等效的。壓電常數(shù) dij 的兩個下標中的的兩個下標中的1和和2可以互換，可以互換，4和和5也可以互換，這樣在也可以互換，這樣在18個壓電常數(shù)中個壓電常數(shù)中，不為零的只有，不為零的只有5個，其中獨立的壓電常數(shù)只有三個，即個，其中獨立的壓電常數(shù)只有三個，即d33、d31和和d15。 如鈦酸鋇壓電陶瓷，壓電常數(shù)矩陣為：如鈦酸鋇壓電陶瓷，壓電常數(shù)矩陣為： 15

29、243132330000000000000ddddd 鈦酸鋇壓電陶瓷除厚度變形、長度變形和剪切變形外，鈦酸鋇壓電陶瓷除厚度變形、長度變形和剪切變形外，還可利用體積變形獲得壓電效應(yīng)。還可利用體積變形獲得壓電效應(yīng)。 第34頁/共66頁第35頁/共66頁壓電常數(shù)壓電常數(shù)衡量壓電效應(yīng)強弱的參數(shù)，直接關(guān)系到衡量壓電效應(yīng)強弱的參數(shù)，直接關(guān)系到壓電輸出的靈敏度壓電輸出的靈敏度 彈性常數(shù)彈性常數(shù)決定著壓電器件的固有頻率和動態(tài)特性決定著壓電器件的固有頻率和動態(tài)特性 介電常數(shù)介電常數(shù)影響壓電器件的固有電容與頻率下限影響壓電器件的固有電容與頻率下限絕緣電阻絕緣電阻影響電荷泄漏和低頻特性影響電荷泄漏和低頻特性居里點居

30、里點壓電材料開始喪失壓電特性的溫度壓電材料開始喪失壓電特性的溫度 第36頁/共66頁壓電元件的結(jié)構(gòu)形式壓電元件的結(jié)構(gòu)形式 在壓電式傳感器中，常用兩片或多片組合在一起在壓電式傳感器中，常用兩片或多片組合在一起使用。由于壓電材料是有極性的，因此接法也有兩使用。由于壓電材料是有極性的，因此接法也有兩種，如圖所示。圖種，如圖所示。圖a為并聯(lián)接法，其輸出電容為并聯(lián)接法，其輸出電容C為為單片的單片的n倍，即倍，即C=nC，輸出電壓，輸出電壓U=U，極板上，極板上的電荷量的電荷量Q為單片電荷量的為單片電荷量的n倍，即倍，即Q=nQ。圖。圖中中b為串聯(lián)接法，這時有為串聯(lián)接法，這時有QQ，U= nU，C=C/n

31、。 6-2 壓電式傳感器的等效電路壓電式傳感器的等效電路第37頁/共66頁 在以上兩種聯(lián)接方式中，并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大，因此時間常數(shù)也大，適用于測量緩變信號，并以電荷量作為輸出的場合。串聯(lián)接法輸出電壓高，本身電容小，適用于以電壓作為輸出量以及測量電路輸入阻抗很高的場合。a b第38頁/共66頁壓電式傳感器的等效電壓電式傳感器的等效電路路 壓電式傳感器對被測量的感受程度是通過其壓壓電式傳感器對被測量的感受程度是通過其壓電元件產(chǎn)生電荷量大小來反映的電元件產(chǎn)生電荷量大小來反映的，因此它相當于一，因此它相當于一個電荷源，而壓電元件電極表面聚集電荷時，它又個電荷源，而壓電元件電極表面聚集電荷時

32、，它又相當于一個以壓電材料為電介質(zhì)的電容器。相當于一個以壓電材料為電介質(zhì)的電容器。 （講義（講義P161）第39頁/共66頁QCaRfUaUCaRfUa 因為傳感器既是電荷源又是電容器，其等效電路可以認為因為傳感器既是電荷源又是電容器，其等效電路可以認為是兩者的并聯(lián)。也可以等效為一個電壓源和一個電容串聯(lián)的電是兩者的并聯(lián)。也可以等效為一個電壓源和一個電容串聯(lián)的電路。路。 aaQUC其開路電壓：其開路電壓： 由上圖可知，只有在外電路負載由上圖可知，只有在外電路負載Rf無窮大，而且內(nèi)無窮大，而且內(nèi)部無漏電時，壓電傳感器所產(chǎn)生的電荷及其形成的電壓部無漏電時，壓電傳感器所產(chǎn)生的電荷及其形成的電壓Ua才能

33、長期保持，如果負載不是無窮大，則電路將以才能長期保持，如果負載不是無窮大，則電路將以RfCa為時間常數(shù)按指數(shù)規(guī)律放電。為時間常數(shù)按指數(shù)規(guī)律放電。 第40頁/共66頁 利用壓電式傳感器進行測量時，由于它要與測量電路相利用壓電式傳感器進行測量時，由于它要與測量電路相連接，于是應(yīng)考慮連接，于是應(yīng)考慮電纜電容電纜電容Cc，放大器的，放大器的輸入電阻輸入電阻Ri、輸入輸入電容電容Ci以及壓電傳感器的以及壓電傳感器的泄漏電阻泄漏電阻Ra，從而可以得到壓電傳，從而可以得到壓電傳感器完整等效電路。感器完整等效電路。 QCaRaCcRiCiUCaRaCcRiCi 壓電傳感器產(chǎn)生的電荷很少，信號微弱，而自身又要有

34、壓電傳感器產(chǎn)生的電荷很少，信號微弱，而自身又要有極高的絕緣電阻，因此需經(jīng)測量電路進行阻抗變換和信號放極高的絕緣電阻，因此需經(jīng)測量電路進行阻抗變換和信號放大，且大，且要求測量電路輸入端必須有足夠高的阻抗和較小的分要求測量電路輸入端必須有足夠高的阻抗和較小的分布電容布電容，以防止電荷迅速泄漏，電荷泄漏將引起測量誤差。，以防止電荷迅速泄漏，電荷泄漏將引起測量誤差。 第41頁/共66頁6-3 壓電式傳感器的測量線路壓電式傳感器的測量線路 根據(jù)壓電式傳感器的工作原理及其等效電路，根據(jù)壓電式傳感器的工作原理及其等效電路，它的輸出可以是電壓信號也可以是電荷信號，因此它的輸出可以是電壓信號也可以是電荷信號，因

35、此設(shè)計前置放大器也有兩種形式：設(shè)計前置放大器也有兩種形式：一種是電壓放大器一種是電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓（傳感器的輸出電壓）成，其輸出電壓與輸入電壓（傳感器的輸出電壓）成正比；另正比；另一種是電荷放大器，一種是電荷放大器，其輸出電壓與輸入電其輸出電壓與輸入電荷成正比。荷成正比。 第42頁/共66頁一、電壓放大器一、電壓放大器 左圖為電壓放大器電路簡左圖為電壓放大器電路簡化等效電路圖，圖中化等效電路圖，圖中 UCaRCUscUsrAaiaiR RRRRciCCC；如果壓電元件受作用力的為交變力如果壓電元件受作用力的為交變力 FFm Sint Fm 作用力幅值作用力幅值 。則產(chǎn)生的電荷與電

36、壓均按正弦規(guī)律變。則產(chǎn)生的電荷與電壓均按正弦規(guī)律變化（壓電元件是壓電陶瓷在其電軸上作用交變力）化（壓電元件是壓電陶瓷在其電軸上作用交變力） Qd33F； d33壓電系數(shù)壓電系數(shù) 。則壓電元件上產(chǎn)生的電壓值則壓電元件上產(chǎn)生的電壓值 ：33maaadFsim tUCC第43頁/共66頁 根據(jù)上面的電路，可得到前置放大器的輸入電壓根據(jù)上面的電路，可得到前置放大器的輸入電壓Vsr，寫成復(fù)數(shù)形式，寫成復(fù)數(shù)形式 ：331()sraj RVdFj R CC則前置放大器輸入電壓的幅值則前置放大器輸入電壓的幅值Vsrm為為： 332221()msrmacidFRVR CCC輸入電壓與作用力之間相位差為輸入電壓與

37、作用力之間相位差為： arctan()2R CaCcCi第44頁/共66頁傳感器的電壓靈敏度傳感器的電壓靈敏度 ：33221()()srmumVdKFCaCcCi33dKuCaCcCi因為因為1R，則，則第45頁/共66頁結(jié)論：結(jié)論：（1）當）當0（作用在壓電元件上的力是靜態(tài)力），則放大（作用在壓電元件上的力是靜態(tài)力），則放大器輸入電壓等于零，這意味著電荷被泄漏，從器輸入電壓等于零，這意味著電荷被泄漏，從原理上這時壓原理上這時壓電傳感器不能測靜態(tài)量；電傳感器不能測靜態(tài)量；（2）當）當 ，可近似看作放大器輸入電壓與作用力的，可近似看作放大器輸入電壓與作用力的頻率無關(guān)，（被測物理量變化頻率越高越能

38、滿足上述條件）頻率無關(guān)，（被測物理量變化頻率越高越能滿足上述條件），可見壓電式傳感器高頻響應(yīng)非常好?？梢妷弘娛絺鞲衅鞲哳l響應(yīng)非常好。（3）為擴大低頻響應(yīng)范圍，必須盡量提高回路的時間常數(shù)，）為擴大低頻響應(yīng)范圍，必須盡量提高回路的時間常數(shù)，但不能提高電容，否則電壓靈敏度會下降，因此只能提高電但不能提高電容，否則電壓靈敏度會下降，因此只能提高電阻。主要取決于前置放大器的輸入電阻，放大器輸入電阻越阻。主要取決于前置放大器的輸入電阻，放大器輸入電阻越大，測量回路的時間常數(shù)越大，傳感器的低頻響應(yīng)越好。大，測量回路的時間常數(shù)越大，傳感器的低頻響應(yīng)越好。 電壓放大器電路簡單，元器件少、價格便宜、工作可靠電壓放

39、大器電路簡單，元器件少、價格便宜、工作可靠，但電纜長度不能長，增加電纜長度會降低傳感器的電壓靈，但電纜長度不能長，增加電纜長度會降低傳感器的電壓靈敏度，而且敏度，而且不能隨便更換出廠時規(guī)定的電纜，一旦更換電纜不能隨便更換出廠時規(guī)定的電纜，一旦更換電纜，必須重新校正靈敏度，否則將引起測量誤差，必須重新校正靈敏度，否則將引起測量誤差。 3R第46頁/共66頁二、電荷放大器二、電荷放大器 QCaCcCiCfRfUscK 電荷放大器實際上是一個具有深度負反饋的高增益電荷放大器實際上是一個具有深度負反饋的高增益運算放大器。運算放大器。 當放大器開環(huán)增益和輸入電阻、反饋電阻相當大時，當放大器開環(huán)增益和輸入

40、電阻、反饋電阻相當大時，放大器的輸出電壓放大器的輸出電壓Vsc正比于輸入電荷正比于輸入電荷Q。(1)fkQVscCaCcCik C式中式中 Ca傳感器壓電元件傳感器壓電元件 的電容；的電容； Cc電纜電容電纜電容 Ci放大器輸入電容放大器輸入電容 Cf放大器反饋電容放大器反饋電容 k放大器的開環(huán)增放大器的開環(huán)增益益第47頁/共66頁當當k足夠大，則：足夠大，則： (1)facik CCCC則則 ：fQVscC 電荷放大器的輸出電壓僅與電荷量和反饋電容有關(guān)，只電荷放大器的輸出電壓僅與電荷量和反饋電容有關(guān)，只要保持反饋電容的數(shù)值不變，輸入電壓就正比于輸入電荷量要保持反饋電容的數(shù)值不變，輸入電壓就正

41、比于輸入電荷量，且當（，且當（1+K）Cf 10（Ca+Cc+Ci）以上時，以上時， 可認為傳感器的靈敏度與電纜電容無關(guān)，更換電纜和使可認為傳感器的靈敏度與電纜電容無關(guān)，更換電纜和使用較長電纜（數(shù)百米）時，無需重新校正傳感器靈敏度。用較長電纜（數(shù)百米）時，無需重新校正傳感器靈敏度。 Rf（約（約10101014）提供直流反饋；）提供直流反饋； 電荷放大器的時間常數(shù)電荷放大器的時間常數(shù)RfCf相當大（相當大（105S以上），下限截以上），下限截止頻率止頻率fL=1/(2RfCf) ，低達，低達310-6Hz，上限頻率高達，上限頻率高達100KHz，輸入阻抗大于，輸入阻抗大于1012，輸出阻抗小于

42、，輸出阻抗小于100。 壓電式傳感器配用電荷放大器時，壓電式傳感器配用電荷放大器時，低頻響應(yīng)比配用電壓低頻響應(yīng)比配用電壓放大器要好得多放大器要好得多，可對準靜態(tài)的物理量進行有效的測量可對準靜態(tài)的物理量進行有效的測量。 第48頁/共66頁6-4 壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器的應(yīng)用第49頁/共66頁第50頁/共66頁第51頁/共66頁一、壓電式加速度傳感一、壓電式加速度傳感器器 通過壓電元件與質(zhì)量塊的結(jié)合，可以構(gòu)通過壓電元件與質(zhì)量塊的結(jié)合，可以構(gòu)成壓電式加速度傳感器，壓電式加速度傳感成壓電式加速度傳感器，壓電式加速度傳感器常見的結(jié)構(gòu)型式有基于壓電元件厚度變形器常見的結(jié)構(gòu)型式有基于壓電元件厚度變形

43、的的壓縮型壓縮型和基于剪切變形的和基于剪切變形的剪切型剪切型。 （c）梁式）梁式（a）單端中心壓縮式）單端中心壓縮式（b）挑擔式）挑擔式見講義見講義P166第52頁/共66頁靈敏度：靈敏度：100mV/g 100mV/g 量程：量程：50g 50g 頻率范圍：頻率范圍：0.5-8000Hz0.5-8000Hz（10%) 10%) 分辨率：分辨率：0.0002g 0.0002g 線性：線性：1% 1% 橫向靈敏度：橫向靈敏度：5% 5% 典型值：典型值：3%3%溫度范圍：溫度范圍：- -40+120用途：模態(tài)試驗用途：模態(tài)試驗LC0101第53頁/共66頁LC0106 靈敏度：靈敏度：1000m

44、V/g 量程：量程：5g 頻率范圍：頻率范圍：0.04-1500Hz（10%) 分辨率：分辨率：0.00002g 重量：重量：200gm 安裝螺紋：安裝螺紋：M5 mm 線性：線性：1% 橫向靈敏度：橫向靈敏度：5% 典型值：典型值：3%溫度范圍：溫度范圍：-40+120 用途：超低頻、小用途：超低頻、小g測量測量第54頁/共66頁二、壓電式力和壓力傳感器二、壓電式力和壓力傳感器 按用途和壓電元件的組成可分為單向力、雙向力按用途和壓電元件的組成可分為單向力、雙向力和三向力傳感器。和三向力傳感器。 左圖是壓電式壓力傳左圖是壓電式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)圖，它主要感器的結(jié)構(gòu)圖，它主要由石英晶片、膜片、薄由石英晶片、膜片、薄壁管、外殼等組成。石壁管、外殼等組成。石英晶片由多片疊堆放在英晶片由多片疊堆放在薄壁管內(nèi)，并由拉緊的薄壁管內(nèi)，并由拉緊的薄壁管對石英晶片施加薄壁管對石英晶片施加預(yù)載力