生物醫(yī)學(xué)傳感器壓電式傳感器

1、生物醫(yī)學(xué)傳感器生物醫(yī)學(xué)傳感器原理及應(yīng)用原理及應(yīng)用第六章第六章 壓電式傳感器壓電式傳感器 壓電式傳感器是一種壓電式傳感器是一種有源的有源的（發(fā)（發(fā)電型）電型）雙向機(jī)電雙向機(jī)電傳感器。它的工作原傳感器。它的工作原理是基于壓電材料的壓電效應(yīng)。石英理是基于壓電材料的壓電效應(yīng)。石英晶體的壓電效應(yīng)早在晶體的壓電效應(yīng)早在1880年即已發(fā)現(xiàn)年即已發(fā)現(xiàn)，1948年制作出第一個年制作出第一個石英傳感器石英傳感器. 第六章第六章 壓電式傳感器壓電式傳感器 晶體壓電效應(yīng)與壓電材料晶體壓電效應(yīng)與壓電材料 當(dāng)某些晶體沿一定方向伸長或當(dāng)某些晶體沿一定方向伸長或壓縮時壓縮時, ,在其表面上會產(chǎn)生電荷在其表面上會產(chǎn)生電荷( (

2、束束縛電荷縛電荷),),這種效應(yīng)稱為壓電效應(yīng)。這種效應(yīng)稱為壓電效應(yīng)。晶體的這一性質(zhì)稱為壓電性。壓電晶體的這一性質(zhì)稱為壓電性。壓電效應(yīng)是可逆的，即晶體在外電場的效應(yīng)是可逆的，即晶體在外電場的作用下要發(fā)生形變，這種效應(yīng)稱為作用下要發(fā)生形變，這種效應(yīng)稱為反向（逆）壓電效應(yīng)。（電致伸縮反向（逆）壓電效應(yīng)。（電致伸縮效應(yīng)）效應(yīng)）18801880年由居里兄弟年由居里兄弟(J. Curie and P. Curie)(J. Curie and P. Curie)發(fā)現(xiàn)的。發(fā)現(xiàn)的。 第六章第六章 壓電式傳感器壓電式傳感器 第六章第六章 壓電式傳感器壓電式傳感器 第六章第六章 壓電式傳感器壓電式傳感器壓電加速度計

3、壓電加速度計 壓電陶瓷超聲換能器壓電陶瓷超聲換能器壓電陶瓷位移器壓電陶瓷位移器壓電秤重浮游計壓電秤重浮游計壓電警號壓電警號6.1 壓電材料壓電材料 6.2 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)及工作原理及工作原理6.3 壓電式傳感器等效電路壓電式傳感器等效電路6.4 壓電式傳感器測量電路壓電式傳感器測量電路6.5 聚偏二氟乙烯（聚偏二氟乙烯（PVDF）壓電式傳感器）壓電式傳感器6.6 壓電式傳感器應(yīng)用壓電式傳感器應(yīng)用 第六章第六章 壓電式傳感器壓電式傳感器（1 1）轉(zhuǎn)換性能：）轉(zhuǎn)換性能：要求具有較大的壓電常數(shù)。要求具有較大的壓電常數(shù)。（2 2）機(jī)械性能：）機(jī)械性能：機(jī)械強(qiáng)度高、剛度大。機(jī)械強(qiáng)度高、剛度大。（3 3

4、）電性能：）電性能：高電阻率和大介電常數(shù)。高電阻率和大介電常數(shù)。（4 4）環(huán)境適應(yīng)性：）環(huán)境適應(yīng)性：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。（5 5）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。一、壓電材料應(yīng)具備主要特性一、壓電材料應(yīng)具備主要特性壓電壓電材料材料 二、壓電材料的參數(shù)：二、壓電材料的參數(shù)：（1 1）壓電常數(shù)：）壓電常數(shù)：壓電常數(shù)是衡量材料壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù)壓電常數(shù)是衡量材料壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù) , , 它直接關(guān)系到壓電輸出的靈敏度。它直接關(guān)系到壓電輸出

5、的靈敏度。 （2 2）彈性常數(shù)：）彈性常數(shù)：壓電材料的彈性常數(shù)、壓電材料的彈性常數(shù)、 剛度決定著壓電剛度決定著壓電器件的固有頻率和動態(tài)特性。器件的固有頻率和動態(tài)特性。 （3 3）介電常數(shù)：介電常數(shù)：處于工作狀態(tài)的壓電傳感器相當(dāng)于一個電處于工作狀態(tài)的壓電傳感器相當(dāng)于一個電容器，存在著一個壓電元件材料沿電極面法線方向的自由介電常容器，存在著一個壓電元件材料沿電極面法線方向的自由介電常數(shù)數(shù) 。對于一定形狀、。對于一定形狀、 尺寸的壓電元件尺寸的壓電元件 , , 其固有電容與介電其固有電容與介電常數(shù)有關(guān)常數(shù)有關(guān) ; ; 而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限。而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限。

6、（4 4）機(jī)電耦合系數(shù)：機(jī)電耦合系數(shù)：在壓電效應(yīng)中在壓電效應(yīng)中 , , 其值等于轉(zhuǎn)換輸出能其值等于轉(zhuǎn)換輸出能量（如電能）與輸入的能量（如機(jī)械能）之比的平方根量（如電能）與輸入的能量（如機(jī)械能）之比的平方根 ; ; 它是它是衡量壓電材料機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率的一個重要參數(shù)。衡量壓電材料機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率的一個重要參數(shù)。 （5 5）電阻：電阻：壓電材料的絕緣電阻將減少電荷泄漏壓電材料的絕緣電阻將減少電荷泄漏 , , 從而改從而改善壓電傳感器的低頻特性。善壓電傳感器的低頻特性。 （6 6）居里點：居里點：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二、壓電材料的參數(shù)：二、壓電材料的參數(shù)：壓電

7、壓電材料材料 三、石英晶體三、石英晶體石英晶體的突出優(yōu)點：石英晶體的突出優(yōu)點：性能非常穩(wěn)定，有很大的機(jī)械強(qiáng)性能非常穩(wěn)定，有很大的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定的機(jī)械性能。度和穩(wěn)定的機(jī)械性能。 轉(zhuǎn)換效率和轉(zhuǎn)換精度高、線性范圍寬、重復(fù)性好、固轉(zhuǎn)換效率和轉(zhuǎn)換精度高、線性范圍寬、重復(fù)性好、固有頻率高、動態(tài)特性好、工作溫度高達(dá)有頻率高、動態(tài)特性好、工作溫度高達(dá)550550（壓電系數(shù)不（壓電系數(shù)不隨溫度而改變）隨溫度而改變）工作濕度高達(dá)工作濕度高達(dá)100%100%、穩(wěn)定性好。絕緣性能也相當(dāng)好。、穩(wěn)定性好。絕緣性能也相當(dāng)好。但石英材料價格昂貴，且壓電系數(shù)比壓電陶瓷低得多，但石英材料價格昂貴，且壓電系數(shù)比壓電陶瓷低得多，因此

8、一般僅用于標(biāo)準(zhǔn)儀器或要求較高的傳感器中。因此一般僅用于標(biāo)準(zhǔn)儀器或要求較高的傳感器中。壓電壓電材料材料 石英（石英（SiOSiO2 2）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）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)定性相當(dāng)好溫度穩(wěn)定性相當(dāng)好，在常溫范圍內(nèi)這兩個參數(shù)幾乎不隨溫度變化，如下兩圖。，在常溫范圍內(nèi)這兩個參數(shù)幾乎不隨溫度變化，如下兩圖。 由圖可見，在由圖可見，在2020200200范圍內(nèi)，范圍內(nèi)，溫度每升高溫度每升高11，壓電系數(shù)僅減少，壓電系數(shù)僅減少0.0160.016。但是當(dāng)?shù)健５钱?dāng)?shù)?73573時，它完全失去了壓電特性，這就是它的居里點。時

9、，它完全失去了壓電特性，這就是它的居里點。 壓電系數(shù)壓電系數(shù)d d11112.312.3110101212C/NC/N；莫氏硬度為；莫氏硬度為7 7、熔點為、熔點為17501750、膨脹系數(shù)僅為、膨脹系數(shù)僅為鋼的鋼的1/301/30。1.000.990.980.970.960.9520 4060 80 100 120 140 160 180 200dt/d20斜率：斜率：0.016/t石英的石英的d d1111系數(shù)相對于系數(shù)相對于2020的的d d1111溫度變化特性溫度變化特性6543210100 200 300400 500 600t/相相對對介介電電常常數(shù)數(shù)居里點居里點石英在高溫下相對介

10、電常數(shù)的溫度特性石英在高溫下相對介電常數(shù)的溫度特性壓電壓電材料材料 石英晶體的兩種類型：石英晶體的兩種類型：天然和人工培養(yǎng)。人工培養(yǎng)的石天然和人工培養(yǎng)。人工培養(yǎng)的石英晶體的物理和化學(xué)性質(zhì)幾乎與天然石英晶體的物理和化學(xué)性質(zhì)幾乎與天然石英晶體沒有區(qū)別，因此目前廣泛應(yīng)用成英晶體沒有區(qū)別，因此目前廣泛應(yīng)用成本較低的人造石英晶體。本較低的人造石英晶體。三、石英晶體三、石英晶體壓電壓電材料材料 天然天然人造人造晶片晶片石英是一種各向異性晶體：石英是一種各向異性晶體：按不同方向切割的晶片，其物理按不同方向切割的晶片，其物理性質(zhì)（如彈性、壓電效應(yīng)、溫度特性等性質(zhì)（如彈性、壓電效應(yīng)、溫度特性等）相差很大。）相差

11、很大。在設(shè)計石英傳感器時，應(yīng)根據(jù)不在設(shè)計石英傳感器時，應(yīng)根據(jù)不同使用要求正確地選擇石英片的同使用要求正確地選擇石英片的切型切型。石英晶體切片及封裝石英晶體薄片石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝雙面鍍銀并封裝壓電壓電材料材料 石英晶體振蕩器（晶振） 石英晶體在振蕩電路石英晶體在振蕩電路中工作時，壓電效應(yīng)與逆中工作時，壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)交替作用，從而壓電效應(yīng)交替作用，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩輸出頻率產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩輸出頻率。晶振晶振壓電陶瓷主要有鈦酸鋇壓電壓電陶瓷主要有鈦酸鋇壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷等。陶瓷、鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷等。（1 1）鈦酸鋇壓電陶瓷）鈦酸鋇壓電陶瓷鈦酸鋇（鈦酸鋇（BaTiOBaTiO3

12、 3）是由碳酸）是由碳酸鋇（鋇（BaCOBaCO3 3）和二氧化鈦（）和二氧化鈦（TiOTiO2 2）按按1:11:1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。優(yōu)點：優(yōu)點：介電常數(shù)和壓電系數(shù)介電常數(shù)和壓電系數(shù)大（約為石英晶體的大（約為石英晶體的5050倍）。倍）。缺 點 ：缺 點 ： 居 里 點 溫 度 低 （居 里 點 溫 度 低 （120120），溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度），溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度不如石英晶體。不如石英晶體。四、壓電陶瓷四、壓電陶瓷壓電壓電材料材料 （2 2）鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷）鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷鋯 鈦 酸 鉛 （鋯 鈦 酸 鉛 （ P Z TP Z T ）

13、 是 由） 是 由PbTiOPbTiO3 3和和PbZrOPbZrO3 3組成的固溶體組成的固溶體PbPb（ZrZr、TiTi）O O3 3。與鈦酸鋇相比，。與鈦酸鋇相比，壓電系數(shù)更大，居里點溫度在壓電系數(shù)更大，居里點溫度在300300以上，各項機(jī)電參數(shù)受溫以上，各項機(jī)電參數(shù)受溫度影響小，時間穩(wěn)定性好。度影響小，時間穩(wěn)定性好。在鋯鈦酸中添加一種或兩在鋯鈦酸中添加一種或兩種其它微量元素（如鈮、銻、種其它微量元素（如鈮、銻、錫、錳、鎢等）還可獲得不同錫、錳、鎢等）還可獲得不同性能的性能的PZTPZT材料。材料。鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷是目鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷是目前壓電式傳感器中應(yīng)用最廣泛前壓電式傳感器中應(yīng)

14、用最廣泛的壓電材料。的壓電材料。壓電半導(dǎo)體材料有壓電半導(dǎo)體材料有ZnOZnO、CdSCdS、CdTeCdTe等，這種力敏器件具有靈敏度等，這種力敏器件具有靈敏度高，響應(yīng)時間短等優(yōu)點。高，響應(yīng)時間短等優(yōu)點。用用ZnOZnO作為表面聲波振蕩器的壓作為表面聲波振蕩器的壓電材料，可檢測力和溫度等參數(shù)。電材料，可檢測力和溫度等參數(shù)。五、新型壓電材料五、新型壓電材料壓電壓電材料材料 1 1、壓電半導(dǎo)體材料、壓電半導(dǎo)體材料某些合成高分子聚合物薄膜經(jīng)某些合成高分子聚合物薄膜經(jīng)延展拉伸和電場極化后，具有一定延展拉伸和電場極化后，具有一定的壓電性能，這類薄膜稱為高分子的壓電性能，這類薄膜稱為高分子壓電薄膜，有聚二

15、氟乙烯壓電薄膜，有聚二氟乙烯PVFPVF2 2、聚、聚氟乙烯氟乙烯PVFPVF、聚氯乙烯、聚氯乙烯PVCPVC等。等。2 2、高分子壓電材料、高分子壓電材料高分子壓電材料是一種高分子壓電材料是一種柔軟的壓電材料，不易破碎柔軟的壓電材料，不易破碎，可大量生產(chǎn)和制成較大的，可大量生產(chǎn)和制成較大的面積。面積。高分子壓電薄膜拉制高分子壓電薄膜拉制 五、新型壓電材料五、新型壓電材料壓電壓電材料材料 高分子壓電材料特點：高分子壓電材料特點：柔軟；抗拉強(qiáng)度高；電阻大、擊柔軟；抗拉強(qiáng)度高；電阻大、擊穿強(qiáng)度高；穩(wěn)定性好。穿強(qiáng)度高；穩(wěn)定性好。高分子化合物參雜壓電陶瓷粉末高分子化合物參雜壓電陶瓷粉末，兩者優(yōu)點合一。

16、，兩者優(yōu)點合一。高分子壓電材料應(yīng)用：高分子壓電材料應(yīng)用：大面積陣列傳感器、人工皮膚。大面積陣列傳感器、人工皮膚。2 2、高分子壓電材料、高分子壓電材料高分子壓電薄膜高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭制作的壓電喇叭（逆壓電效應(yīng)）（逆壓電效應(yīng)）高分子壓電薄膜高分子壓電薄膜壓電式腳踏開關(guān)壓電式腳踏開關(guān)高分子壓電薄膜和電纜高分子壓電薄膜和電纜 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

17、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=19010-11C/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 壓電壓電材料材料 現(xiàn)今壓電傳感器的材料大多用現(xiàn)今壓電傳感器的材料大多用壓電陶瓷壓電陶瓷。常用的壓。常用的壓電陶瓷是鋯鈦酸鉛電陶瓷是鋯鈦酸鉛(PZT)(PZT)。另外，鈮酸鋰和鉭酸鋰大量。另外，鈮酸鋰和鉭酸

18、鋰大量用作聲用作聲表面波表面波(SAW)(SAW)器件器件。此外。此外, ,氧化鋅和氮化鋁等壓電氧化鋅和氮化鋁等壓電薄膜已是當(dāng)今薄膜已是當(dāng)今微波器件微波器件的關(guān)鍵材料。的關(guān)鍵材料。 壓電單晶和壓電陶瓷都是脆性材料。而以聚偏二氟壓電單晶和壓電陶瓷都是脆性材料。而以聚偏二氟乙烯乙烯(PVDF)(PVDF)為代表的壓電為代表的壓電高聚物薄膜高聚物薄膜, ,壓電性強(qiáng)壓電性強(qiáng), ,柔性好柔性好, ,特別是聲阻抗與水和生物組織接近特別是聲阻抗與水和生物組織接近, ,是制作傳感器的良是制作傳感器的良好材料。用壓電陶瓷和高聚物復(fù)合而成的壓電復(fù)合材料好材料。用壓電陶瓷和高聚物復(fù)合而成的壓電復(fù)合材料也已在壓電傳感

19、器領(lǐng)域中得到應(yīng)用。也已在壓電傳感器領(lǐng)域中得到應(yīng)用。壓電壓電材料材料 第六章第六章 壓電式傳感器壓電式傳感器6.1 壓電材料壓電材料 6.2 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)及工作原理及工作原理6.3 壓電式傳感器等效電路壓電式傳感器等效電路6.4 壓電式傳感器測量電路壓電式傳感器測量電路6.5 聚偏二氟乙烯（聚偏二氟乙烯（PVDF）壓電式傳感器）壓電式傳感器6.6 壓電式傳感器應(yīng)用壓電式傳感器應(yīng)用一、壓電效應(yīng)的基本概念一、壓電效應(yīng)的基本概念壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)及工作原理及工作原理 1 1、正壓電效應(yīng)、正壓電效應(yīng)某些物質(zhì)沿某一方向受到外力作用某些物質(zhì)沿某一方向受到外力作用時，會產(chǎn)生變形，同時內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象時，會產(chǎn)

20、生變形，同時內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，在這種材料的兩個表面產(chǎn)生符號相反的，在這種材料的兩個表面產(chǎn)生符號相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)到不帶電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。 當(dāng)作用力方向改變時，電荷極性也當(dāng)作用力方向改變時，電荷極性也隨之改變。隨之改變。這種機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的現(xiàn)象稱為這種機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的現(xiàn)象稱為“正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)”或或“順壓電效應(yīng)順壓電效應(yīng)”。一、壓電效應(yīng)的基本概念一、壓電效應(yīng)的基本概念2 2、逆壓電效應(yīng)、逆壓電效應(yīng)當(dāng)在某些物質(zhì)的極化方向上施加電場，這些材料在某一方向上當(dāng)在某些物質(zhì)的極化方向上施加電場，這些材

21、料在某一方向上產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械壓力；當(dāng)外加電場撤去時，這些變形或應(yīng)力也產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械壓力；當(dāng)外加電場撤去時，這些變形或應(yīng)力也隨之消失。隨之消失。這種電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的現(xiàn)象稱為這種電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)”或或“電致伸電致伸縮效應(yīng)縮效應(yīng)”。壓電元件壓電元件機(jī)械能機(jī)械能電能電能應(yīng)力應(yīng)力應(yīng)變應(yīng)變電荷電荷電場電場3 3、壓電效應(yīng)的特點、壓電效應(yīng)的特點（1 1）壓電效應(yīng)具有可逆性）壓電效應(yīng)具有可逆性壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)及工作原理及工作原理 一、壓電效應(yīng)的基本概念一、壓電效應(yīng)的基本概念3 3、壓電效應(yīng)的特點、壓電效應(yīng)的特點（2 2）具有瞬時性）具有瞬時性當(dāng)力的方向改變時，電當(dāng)力的

22、方向改變時，電荷的極性隨之改變，輸出電壓荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動態(tài)力的頻率相同。的頻率與動態(tài)力的頻率相同。（3 3）具有不穩(wěn)定性）具有不穩(wěn)定性當(dāng)動態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時當(dāng)動態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時，電荷將由于表面漏電而很快，電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失。泄漏、消失。壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)及工作原理及工作原理 二、壓電效應(yīng)的基本原理二、壓電效應(yīng)的基本原理壓電單晶體：壓電單晶體：石英石英( (包括天然石英和人造石英包括天然石英和人造石英) )、水溶性壓電晶體、水溶性壓電晶體( (包括酒石酸鉀包括酒石酸鉀鈉、酒石酸乙烯二銨、酒石酸二鉀鈉、酒石酸乙烯二銨、酒石酸二鉀、硫酸錘等、硫酸錘等) )。常見的壓電

23、材料可分為兩類：常見的壓電材料可分為兩類：壓電單晶體和多晶體壓電陶瓷。壓電單晶體和多晶體壓電陶瓷。多晶體壓電陶瓷：多晶體壓電陶瓷：鈦酸鋇壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛系鈦酸鋇壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷、鈮酸鹽系壓電陶瓷和鈮壓電陶瓷、鈮酸鹽系壓電陶瓷和鈮鎂酸鉛壓電陶瓷等。鎂酸鉛壓電陶瓷等。天然石英天然石英壓電陶瓷壓電陶瓷壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)及工作原理及工作原理 二、壓電效應(yīng)的基本原理二、壓電效應(yīng)的基本原理天然石英晶體，結(jié)構(gòu)形狀為天然石英晶體，結(jié)構(gòu)形狀為一個六角形晶柱，兩端為一對稱一個六角形晶柱，兩端為一對稱的棱錐。的棱錐。在晶體學(xué)中，用三根互相垂在晶體學(xué)中，用三根互相垂直的軸建立描述晶體結(jié)構(gòu)形狀的直的軸建立描

24、述晶體結(jié)構(gòu)形狀的坐標(biāo)系。坐標(biāo)系?？v軸縱軸Z Z稱為稱為光軸光軸，通過六棱，通過六棱線而垂直于光鈾的線而垂直于光鈾的X X鈾稱為鈾稱為電軸電軸，與，與X-XX-X軸和軸和Z-ZZ-Z軸垂直的軸垂直的Y-YY-Y軸軸 ( (垂直于六棱柱體的棱面垂直于六棱柱體的棱面) )稱為稱為機(jī)機(jī)械軸械軸。1 1、石英晶體壓電效應(yīng)、石英晶體壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)及工作原理及工作原理 如果從石英晶體中切下一個平行六面體并使其如果從石英晶體中切下一個平行六面體并使其晶面分別平行于晶面分別平行于Z-ZZ-Z、Y-YY-Y、X-XX-X軸線。晶片在正常軸線。晶片在正常情況下呈現(xiàn)電性。情況下呈現(xiàn)電性。二、壓電效應(yīng)的基本原

25、理二、壓電效應(yīng)的基本原理1 1、石英晶體壓電效應(yīng)、石英晶體壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng)：縱向壓電效應(yīng)：沿電軸沿電軸(X(X軸軸) )方向的作用力產(chǎn)方向的作用力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)。生的壓電效應(yīng)。橫向壓電效應(yīng)：橫向壓電效應(yīng)：沿機(jī)械軸沿機(jī)械軸(Y(Y軸軸) )方向的作用力方向的作用力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)產(chǎn)生的壓電效應(yīng)切向壓電效應(yīng)：切向壓電效應(yīng)：沿相對兩棱加力時產(chǎn)生的壓電沿相對兩棱加力時產(chǎn)生的壓電效應(yīng)。效應(yīng)。沿光軸沿光軸(Z(Z軸軸) )方向的作用力不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。方向的作用力不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。壓電式傳感器主要是利用縱向壓電效應(yīng)。壓電式傳感器主要是利用縱向壓電效應(yīng)。 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)及工作原理及工作原理 二、壓電效應(yīng)的基

26、本原理二、壓電效應(yīng)的基本原理石英晶體具有壓電效應(yīng)，由內(nèi)部分子石英晶體具有壓電效應(yīng)，由內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)決定的。結(jié)構(gòu)決定的。一個單元組體中，構(gòu)成石英晶體的硅一個單元組體中，構(gòu)成石英晶體的硅離子和氧離子，在垂直于離子和氧離子，在垂直于z z軸的軸的xyxy平面上的平面上的投影，等效為一個正六邊形排列。投影，等效為一個正六邊形排列。“”代代表硅離子表硅離子SiSi4+4+，“”代表氧離子代表氧離子O O2-2-。 2 2、石英晶體壓電效應(yīng)的微觀機(jī)理、石英晶體壓電效應(yīng)的微觀機(jī)理當(dāng)石英晶體未受外力作用時，正、負(fù)當(dāng)石英晶體未受外力作用時，正、負(fù)離子正好分布在正六邊形的頂角上，形成三離子正好分布在正六邊形的頂角上

27、，形成三個互成個互成120120夾角的電偶極矩為夾角的電偶極矩為P P1 1、P P2 2、P P3 3。 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)及工作原理及工作原理 二、壓電效應(yīng)的基本原理二、壓電效應(yīng)的基本原理因為因為P=qLP=qL（q q為電荷量，為電荷量，L L為正負(fù)電荷之為正負(fù)電荷之間的距離），此時正負(fù)電荷中心重合，電偶間的距離），此時正負(fù)電荷中心重合，電偶極矩的矢量和等于零，即極矩的矢量和等于零，即P P1 1+P+P2 2+P+P3 30 0晶體表面不產(chǎn)生電荷，呈電中性。晶體表面不產(chǎn)生電荷，呈電中性。2 2、石英晶體壓電效應(yīng)的微觀機(jī)理、石英晶體壓電效應(yīng)的微觀機(jī)理當(dāng)晶體受到沿當(dāng)晶體受到沿x x方向的壓力

28、（方向的壓力（F Fx x00 (P1+P2+P3)x0壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)及工作原理及工作原理 二、壓電效應(yīng)的基本原理二、壓電效應(yīng)的基本原理在在x x 方向上的分量不再等于零方向上的分量不再等于零 (P(P1 1+P+P2 2+P+P3 3) )x x00 在在y y、z z方向上的分量為方向上的分量為 (P(P1 1+P+P2 2+P+P3 3) )y y=0=0 (P (P1 1+P+P2 2+P+P3 3) )z z=0=02 2、石英晶體壓電效應(yīng)的微觀機(jī)理、石英晶體壓電效應(yīng)的微觀機(jī)理在在x x軸的正向出現(xiàn)正電荷，在軸的正向出現(xiàn)正電荷，在y y、z z方向不出現(xiàn)電荷。方向不出現(xiàn)電荷。壓電效

29、應(yīng)壓電效應(yīng)及工作原理及工作原理 二、壓電效應(yīng)的基本原理二、壓電效應(yīng)的基本原理2 2、石英晶體壓電效應(yīng)的微觀機(jī)理、石英晶體壓電效應(yīng)的微觀機(jī)理在在x x軸的正向出現(xiàn)負(fù)電荷，在軸的正向出現(xiàn)負(fù)電荷，在y y、z z方向依然不出現(xiàn)電荷。方向依然不出現(xiàn)電荷。當(dāng)晶體受到沿當(dāng)晶體受到沿x x方向的拉力（方向的拉力（F Fx x0 0）作用時，電偶極矩）作用時，電偶極矩P P1 1增大，增大， P P2 2、 P P3 3減小，在減小，在x x、y y、z z三個方向上的三個方向上的分量為分量為(P(P1 1+P+P2 2+P+P3 3) )y y 01。根據(jù)。根據(jù)Uim()的表達(dá)式，在理想情的表達(dá)式，在理想情

30、況下輸入電壓幅值為況下輸入電壓幅值為 )(1/CCRjRjdfZRZZRUUacCCaiaAuoCiRiCeReCaua(a)CRCauaui(b)輸入等效電路輸入等效電路放大器輸入端電壓幅值為放大器輸入端電壓幅值為 222)(1icamimCCCRRdFU輸入電壓和作用力之間相位差為輸入電壓和作用力之間相位差為 )(arctan2)(RCCCica一、電壓放大器（阻抗變換器）一、電壓放大器（阻抗變換器）壓電壓電式傳感器測量電路式傳感器測量電路 1 1、電壓放大器電路原理、電壓放大器電路原理AuoCiRiCeReCaua(a)CRCauaui(b)輸入等效電路輸入等效電路（1）壓電傳感器不能測

31、量靜態(tài)物理量。）壓電傳感器不能測量靜態(tài)物理量。 （2）當(dāng)）當(dāng)1時（工程中認(rèn)為時（工程中認(rèn)為3可滿足要求），輸入電壓與可滿足要求），輸入電壓與信號頻率無關(guān)。信號頻率無關(guān)。優(yōu)點：優(yōu)點：時間常數(shù)一定時，高頻響應(yīng)特性好。時間常數(shù)一定時，高頻響應(yīng)特性好。缺點：缺點：低頻響應(yīng)差。提高低頻響應(yīng)的辦法是增大時間常數(shù)，即低頻響應(yīng)差。提高低頻響應(yīng)的辦法是增大時間常數(shù)，即增大電容或提高輸入電阻。增大電容或提高輸入電阻。icamicamimCCCdFCCCRRdFU222)(1前置放大器輸入回路的時間常數(shù)為前置放大器輸入回路的時間常數(shù)為 RCCCica)(一、電壓放大器（阻抗變換器）一、電壓放大器（阻抗變換器）壓電壓

32、電式傳感器測量電路式傳感器測量電路 2 2、傳感器電壓靈敏度、傳感器電壓靈敏度前置電路要有高輸入阻抗：前置電路要有高輸入阻抗： 因為傳感器電壓靈敏度與電容成反比，因為傳感器電壓靈敏度與電容成反比，所以提高低頻響應(yīng)的辦法只能是增大前置輸所以提高低頻響應(yīng)的辦法只能是增大前置輸入回路電阻，這樣導(dǎo)致電壓放大器響應(yīng)差。入回路電阻，這樣導(dǎo)致電壓放大器響應(yīng)差。icaicaicamimUCCCdCCCRdCCCRRdFUK222)()(1)(1壓電式傳感器的電壓靈敏度為壓電式傳感器的電壓靈敏度為 1R因此，要求電壓放因此，要求電壓放電器前置電路具有高輸電器前置電路具有高輸入阻抗。入阻抗。 前置電壓放電器采前置

33、電壓放電器采用高輸入阻抗的運(yùn)算放用高輸入阻抗的運(yùn)算放大器，具有阻抗變換的大器，具有阻抗變換的作用。作用。AuoCiRiCeReCaua(a)CRCauaui(b)AuoCiRiCeReCaua(a)CRCauaui(b)一、電壓放大器（阻抗變換器）一、電壓放大器（阻抗變換器）壓電壓電式傳感器測量電路式傳感器測量電路 從傳感器的輸出電壓和電壓靈敏度可從傳感器的輸出電壓和電壓靈敏度可見，連接電纜的分布電容見，連接電纜的分布電容C Ce e影響傳感器輸出影響傳感器輸出電壓和靈敏度，使用時更換電纜就要求重電壓和靈敏度，使用時更換電纜就要求重新標(biāo)定，測量系統(tǒng)對電纜長度變化很敏感新標(biāo)定，測量系統(tǒng)對電纜長度

34、變化很敏感，這是電壓放大器的缺點。，這是電壓放大器的缺點。因此，壓電傳感器因此，壓電傳感器與前置放大器之間連接與前置放大器之間連接電纜不能隨意更換，否電纜不能隨意更換，否則將引入測量誤差。則將引入測量誤差。解決電纜分布電容解決電纜分布電容的影響和低頻響應(yīng)差的的影響和低頻響應(yīng)差的缺點可采用電荷放大。缺點可采用電荷放大。 icamicamimCCCdFCCCRRdFU222)(1icaicaUCCCdCCCRRdK2)(1AuoCiRiCeReCaua(a)CRCauaui(b)AuoCiRiCeReCaua(a)CRCauaui(b)2 2、傳感器電壓靈敏度、傳感器電壓靈敏度1、/0=0(靜態(tài)靜

35、態(tài))時，輸入時，輸入(即壓電元件的輸出即壓電元件的輸出)為為02、 /0 =1-3，輸入隨頻率變化，輸入隨頻率變化3、如果、如果/0 1，即作用力變化頻率與測量回路，即作用力變化頻率與測量回路時間常數(shù)的乘積遠(yuǎn)大于時間常數(shù)的乘積遠(yuǎn)大于1時。前置放大器的輸入電時。前置放大器的輸入電壓壓Uim（即傳感器的輸出電壓）與作用力頻率無關(guān)（即傳感器的輸出電壓）與作用力頻率無關(guān)。一般認(rèn)為。一般認(rèn)為/0 3，可近似看作輸入電壓與作用，可近似看作輸入電壓與作用力頻率無關(guān)。這說明，在測量回路時間常數(shù)一定的力頻率無關(guān)。這說明，在測量回路時間常數(shù)一定的條件下，壓電式傳感器具有相當(dāng)好的高頻響應(yīng)特性條件下，壓電式傳感器具有

36、相當(dāng)好的高頻響應(yīng)特性。 4.低頻截止頻率低頻截止頻率:壓電元件頻率響應(yīng)曲線壓電元件頻率響應(yīng)曲線1122()cdR CCf0壓電壓電式傳感器測量電路式傳感器測量電路 當(dāng)被測動態(tài)量變化緩慢（大多數(shù)生理信號），而測量回路時間常數(shù)當(dāng)被測動態(tài)量變化緩慢（大多數(shù)生理信號），而測量回路時間常數(shù)不大時，會造成傳感器不大時，會造成傳感器靈敏度下降靈敏度下降，因而要擴(kuò)大工作頻帶的低頻端，就，因而要擴(kuò)大工作頻帶的低頻端，就必須必須提高測量回路的時間常數(shù)提高測量回路的時間常數(shù)。 但是靠增大測量回路的電容來提高時間常數(shù)，會影響傳感器的靈敏但是靠增大測量回路的電容來提高時間常數(shù)，會影響傳感器的靈敏度。因為傳感器的電壓靈敏

37、度與電容成反比。度。因為傳感器的電壓靈敏度與電容成反比。 K Ku u與回路電容成反比，增加回路電容必然使與回路電容成反比，增加回路電容必然使K Ku u下降。為此常將下降。為此常將R Ri i很大的前置放大器接入回路很大的前置放大器接入回路。其輸入內(nèi)阻越大，測量回路時間常數(shù)。其輸入內(nèi)阻越大，測量回路時間常數(shù)越大（越大（ 0 0 越?。瑒t傳感器低頻響應(yīng)也越好。注意：越小），則傳感器低頻響應(yīng)也越好。注意：當(dāng)改變連接當(dāng)改變連接傳感器與前置放大器的電纜長度時傳感器與前置放大器的電纜長度時C Cc c將改變，必須重新校正靈敏度將改變，必須重新校正靈敏度值。值。( (與電荷放大器的主要區(qū)別與電荷放大器

38、的主要區(qū)別) )=0=0時時K=0,K=0,即壓電傳感器不能測量靜態(tài)量即壓電傳感器不能測量靜態(tài)量壓電壓電式傳感器測量電路式傳感器測量電路 解決電纜問題將放大器裝入傳感器中，組成一體化傳感器。將放大器裝入傳感器中，組成一體化傳感器。 壓電式加速度傳感器的壓電壓電式加速度傳感器的壓電元件是二片并聯(lián)連接的石英晶片，元件是二片并聯(lián)連接的石英晶片，放大器是一個超小型靜電放大器。放大器是一個超小型靜電放大器。這樣引線非常短，引線電容幾乎等這樣引線非常短，引線電容幾乎等于零就于零就避免了長電纜對傳感器靈敏避免了長電纜對傳感器靈敏度的影響度的影響。放大器的輸入端可以得。放大器的輸入端可以得到較大的電壓信號，這

39、樣彌補(bǔ)了石到較大的電壓信號，這樣彌補(bǔ)了石英晶體靈敏度低的缺陷。英晶體靈敏度低的缺陷。壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器壓電壓電式傳感器測量電路式傳感器測量電路 運(yùn)算放大器輸入阻抗極高，運(yùn)算放大器輸入阻抗極高， 放大器輸入端幾乎沒有分流，故放大器輸入端幾乎沒有分流，故可等效成略去可等效成略去Ra和和Ri并聯(lián)電阻的并聯(lián)電阻的電路。電路。 二、電荷放大器二、電荷放大器壓電壓電式傳感器測量電路式傳感器測量電路 電荷放大器是一種輸出電壓電荷放大器是一種輸出電壓與輸入電荷量成正比的前置放大與輸入電荷量成正比的前置放大器。利用電容作反饋元件的深度器。利用電容作反饋元件的深度負(fù)反饋的高增益運(yùn)放。負(fù)反饋的高增

40、益運(yùn)放。通常通常A=104108，當(dāng)滿足，當(dāng)滿足(1+A)CrCa+Cc+Ci時，則有時，則有 ricaoCACCCAqu)1 ( 1 1、電荷放電器輸出電壓、電荷放電器輸出電壓 AuoCiqCaCeCr反饋電容反饋電容Cr折合到放大器輸折合到放大器輸入端的有效電容為入端的有效電容為(1+A)Cr。電荷。電荷放大器的輸出電壓為放大器的輸出電壓為roCqu/幾點結(jié)論：幾點結(jié)論：1、電荷放大器的輸出電壓只與輸入電荷量和反饋電容有關(guān)，而與放大器、電荷放大器的輸出電壓只與輸入電荷量和反饋電容有關(guān)，而與放大器的放大系數(shù)的變化或電纜電容等均無關(guān)系，的放大系數(shù)的變化或電纜電容等均無關(guān)系，2、只要保持反饋電容

41、的數(shù)值不變，就可得到與電荷量、只要保持反饋電容的數(shù)值不變，就可得到與電荷量q變化成線形關(guān)系變化成線形關(guān)系的輸出電壓。的輸出電壓。3、反饋電容、反饋電容CF小，輸出就大，小，輸出就大， CF一般取值一般取值100-104pF。4、要達(dá)到一定的輸出靈敏度要求，就必須選擇適當(dāng)?shù)姆答侂娙?。、要達(dá)到一定的輸出靈敏度要求，就必須選擇適當(dāng)?shù)姆答侂娙荨?、輸出電壓與電纜電容無關(guān)條件：、輸出電壓與電纜電容無關(guān)條件： （1+A0）CF（Cd+Cc+Ci） 電荷放大器能將壓電傳感器輸出的高內(nèi)阻的電荷源轉(zhuǎn)換為低內(nèi)阻的電電荷放大器能將壓電傳感器輸出的高內(nèi)阻的電荷源轉(zhuǎn)換為低內(nèi)阻的電壓源（壓源（Q/U轉(zhuǎn)換器），而且輸出電壓

42、正比于輸入電荷，可見電荷放大器同轉(zhuǎn)換器），而且輸出電壓正比于輸入電荷，可見電荷放大器同樣也起著阻抗變換的作用，其輸入阻抗高達(dá)樣也起著阻抗變換的作用，其輸入阻抗高達(dá)10101012，輸出阻抗小于，輸出阻抗小于100。并無放大電荷的作用，只是一種習(xí)慣叫法。并無放大電荷的作用，只是一種習(xí)慣叫法。電荷放大器輸出電壓電荷放大器輸出電壓roCqu/壓電壓電式傳感器測量電路式傳感器測量電路 二、電荷放大器二、電荷放大器壓電壓電式傳感器測量電路式傳感器測量電路 2 2、電荷放電器的特點、電荷放電器的特點（1 1）電荷放大器的輸出電壓只）電荷放大器的輸出電壓只取決于輸入電荷與反饋電容，與電取決于輸入電荷與反饋電

43、容，與電纜電容無關(guān)，且與電荷成正比。纜電容無關(guān)，且與電荷成正比。（2 2）采用電荷放大器時，即使）采用電荷放大器時，即使連接電纜長度在百米以上，靈敏度連接電纜長度在百米以上，靈敏度也無明顯變化，這是電荷放大器的也無明顯變化，這是電荷放大器的最大特點。最大特點。（3 3）輸出電壓與電纜電容無關(guān)輸出電壓與電纜電容無關(guān)條件（條件（1+A0）CF（Cd+Cc+Ci）（4 4）電路復(fù)雜，價格昂貴。）電路復(fù)雜，價格昂貴。（5）為了得到必要的測）為了得到必要的測量精度，要求反饋電容量精度，要求反饋電容Cr的溫的溫度和時間穩(wěn)定性都很好。在實度和時間穩(wěn)定性都很好。在實際電路中，考慮到不同的量程際電路中，考慮到不

44、同的量程等因素，等因素，Cr的容量做成可選擇的容量做成可選擇的，范圍一般為的，范圍一般為102104pF。第六章第六章 壓電式傳感器壓電式傳感器 （例題）（例題） 第六章第六章 壓電式傳感器壓電式傳感器6.1 壓電材料壓電材料 6.2 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)及工作原理及工作原理6.3 壓電式傳感器等效電路壓電式傳感器等效電路6.4 壓電式傳感器測量電路壓電式傳感器測量電路6.5 聚偏二氟乙烯（聚偏二氟乙烯（PVDF）壓電式傳感器）壓電式傳感器6.6 壓電式傳感器應(yīng)用壓電式傳感器應(yīng)用壓電聚合物壓電聚合物 聚偏二氟乙烯（聚偏二氟乙烯（PVDFPVDF, ,）是目前發(fā)現(xiàn)的壓電效應(yīng)較強(qiáng)）是目前發(fā)現(xiàn)的壓電效應(yīng)

45、較強(qiáng)的的聚合物薄膜聚合物薄膜，這種合成高分子薄膜就其對稱性來看，不，這種合成高分子薄膜就其對稱性來看，不存在壓電效應(yīng)，但是它們具有存在壓電效應(yīng)，但是它們具有“平面鋸齒平面鋸齒”結(jié)構(gòu)，存在抵結(jié)構(gòu)，存在抵消不了的消不了的偶極子偶極子。經(jīng)延展和拉伸后可以使分子鏈軸成規(guī)則。經(jīng)延展和拉伸后可以使分子鏈軸成規(guī)則排列，并在與分子軸垂直方向上產(chǎn)生排列，并在與分子軸垂直方向上產(chǎn)生自發(fā)極化偶極子自發(fā)極化偶極子。當(dāng)。當(dāng)在膜厚方向加直流高壓電場極化后，就可以成為具有壓電在膜厚方向加直流高壓電場極化后，就可以成為具有壓電性能的性能的高分子薄膜高分子薄膜。 這種薄膜有可撓性，并容易制成大面積壓電元件。這這種薄膜有可撓性，

46、并容易制成大面積壓電元件。這種元件耐沖擊、柔性好，不易破碎、穩(wěn)定性好、頻帶寬。種元件耐沖擊、柔性好，不易破碎、穩(wěn)定性好、頻帶寬。為提高其壓電性能還可以摻入壓電陶瓷粉末，制成混合復(fù)為提高其壓電性能還可以摻入壓電陶瓷粉末，制成混合復(fù)合材料合材料(PVDF(PVDFPZT)PZT)。 第六章第六章 壓電式傳感器壓電式傳感器6.1 壓電材料壓電材料 6.2 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)及工作原理及工作原理6.3 壓電式傳感器等效電路壓電式傳感器等效電路6.4 壓電式傳感器測量電路壓電式傳感器測量電路6.5 聚偏二氟乙烯（聚偏二氟乙烯（PVDF）壓電式傳感器）壓電式傳感器6.6 壓電式傳感器應(yīng)用壓電式傳感器應(yīng)用1.

47、 壓電加速度傳感器的工作原理壓電加速度傳感器的工作原理 圖為壓電加速度傳感器的原理圖。它由質(zhì)圖為壓電加速度傳感器的原理圖。它由質(zhì)量塊、壓電元件和支座組成。支座與待測物量塊、壓電元件和支座組成。支座與待測物剛性地固定在一起。當(dāng)待測物運(yùn)動時剛性地固定在一起。當(dāng)待測物運(yùn)動時, ,支座與支座與待測物以同一加速度運(yùn)動待測物以同一加速度運(yùn)動, ,壓電元件受到質(zhì)量壓電元件受到質(zhì)量塊與加速度相反方向的慣性力的作用塊與加速度相反方向的慣性力的作用, ,在晶體在晶體的兩個表面上產(chǎn)生交變電荷的兩個表面上產(chǎn)生交變電荷( (電壓電壓) )。 當(dāng)振動頻率遠(yuǎn)低于傳感器的固有共振頻當(dāng)振動頻率遠(yuǎn)低于傳感器的固有共振頻率時率時,

48、 ,傳感器的輸出電荷傳感器的輸出電荷( (電壓電壓) )與作用力成正與作用力成正比。電信號經(jīng)前置放大器放大比。電信號經(jīng)前置放大器放大, ,即可由一般測即可由一般測量儀器測試出電荷量儀器測試出電荷( (電壓電壓) )大小大小, ,從而得知物體從而得知物體的加速度。的加速度。 質(zhì)量塊壓電元件支座輸出引線壓電加速度傳感器原理圖壓電加速度傳感器原理圖 壓電壓電式加速度傳感器式加速度傳感器 2. 2. 靈敏度公式的推導(dǎo)靈敏度公式的推導(dǎo)作用于壓電元件兩邊的力為作用于壓電元件兩邊的力為lF上F下Oz()FMaFMm a上下 式中式中,M,M為質(zhì)量塊質(zhì)量為質(zhì)量塊質(zhì)量,m,m為晶片質(zhì)量為晶片質(zhì)量,a,a為物體振

49、動加速度為物體振動加速度, ,晶片中晶片中z z處任一截面上的力為處任一截面上的力為(1)zFMamal作用于壓電元件兩邊的力作用于壓電元件兩邊的力 式中式中,l,l為晶片厚度。為晶片厚度。質(zhì)量塊壓電元件支座輸出引線平均力為平均力為011(1)()2lzFMamadzMm all壓電壓電式加速度傳感器式加速度傳感器 選用選用d d型壓電方程型壓電方程, ,得得 311()2TMm aA 設(shè)晶片為壓電陶瓷設(shè)晶片為壓電陶瓷, ,極化方向在厚度方向極化方向在厚度方向(z(z方向方向) )。由于作用。由于作用力沿著力沿著z z方向方向, ,故這時只有故這時只有T T3 3不等于零不等于零, ,其平均值

50、為其平均值為33333331()2Dd TQD AdMm a式中式中,A,A為晶片電極面面積。為晶片電極面面積。 質(zhì)量塊一般采用質(zhì)量大的金屬如鎢或其他金屬制成質(zhì)量塊一般采用質(zhì)量大的金屬如鎢或其他金屬制成, ,而晶而晶片很薄片很薄, ,即有即有Mm,Mm,故上式通常寫為故上式通常寫為 Q=dQ=d3333MaMa壓電壓電式加速度傳感器式加速度傳感器 a=g( a=g(重力加速度重力加速度) )時得到的電荷時得到的電荷Q Q值值, ,常稱為常稱為靈敏度靈敏度, ,單位記為單位記為C/g,C/g,即即靈敏度為一個靈敏度為一個g g產(chǎn)生的電荷。產(chǎn)生的電荷。Q=d33Mg g為為靈敏度的電荷表示法靈敏度

51、的電荷表示法。靈敏。靈敏度亦可用開路輸出電壓表示度亦可用開路輸出電壓表示, ,因為因為33TdACldQUC 式中式中,C,Cd d為晶片的低頻電容為晶片的低頻電容( (自由電容自由電容) ) 所以所以 3333Td lMaUA 取取a=g,a=g,即為即為靈敏度的電壓表示法靈敏度的電壓表示法, ,即一個即一個g g時產(chǎn)生的開路電壓時產(chǎn)生的開路電壓, ,單位記為單位記為V/gV/g。壓電壓電式加速度傳感器式加速度傳感器 3. 壓電加速度傳感器的結(jié)構(gòu)壓電加速度傳感器的結(jié)構(gòu) 圖圖(a)(a)為常用的為常用的壓縮式壓電加速度傳感器壓縮式壓電加速度傳感器。這是目前最常見的一種。這是目前最常見的一種。結(jié)

52、構(gòu)簡單結(jié)構(gòu)簡單, ,裝配較為方便。為便于裝配和增大電容量常用兩片極化方向相裝配較為方便。為便于裝配和增大電容量常用兩片極化方向相反的晶片反的晶片, ,電學(xué)上并聯(lián)輸出。采用石英晶片時也有采用四片晶片并聯(lián)的方電學(xué)上并聯(lián)輸出。采用石英晶片時也有采用四片晶片并聯(lián)的方式。式。 壓電加速度傳感器的幾種結(jié)構(gòu)壓電加速度傳感器的幾種結(jié)構(gòu) 壓電壓電式加速度傳感器式加速度傳感器 圖圖(b)(b)是是剪切式壓電加速度傳感器剪切式壓電加速度傳感器, ,工作原理是工作原理是: :如傳感器感受向上的如傳感器感受向上的運(yùn)動運(yùn)動, ,金屬圓柱向上運(yùn)動金屬圓柱向上運(yùn)動, ,由于慣性質(zhì)量環(huán)保持滯后由于慣性質(zhì)量環(huán)保持滯后, ,這樣壓

53、電元件就受剪這樣壓電元件就受剪切應(yīng)力作用切應(yīng)力作用, ,從而在壓電元件的內(nèi)外表面上產(chǎn)生電荷從而在壓電元件的內(nèi)外表面上產(chǎn)生電荷; ;如果傳感器感受向下如果傳感器感受向下的運(yùn)動的運(yùn)動, ,則壓電元件內(nèi)外表面上的電荷極性相反。則壓電元件內(nèi)外表面上的電荷極性相反。 這種結(jié)構(gòu)形式的傳感器靈敏度高這種結(jié)構(gòu)形式的傳感器靈敏度高, ,橫向靈敏度小橫向靈敏度小, ,而且能減小基座應(yīng)變而且能減小基座應(yīng)變的影響。剪切式壓電傳感器容易小型化的影響。剪切式壓電傳感器容易小型化, ,有很高的固有頻率有很高的固有頻率, ,所以頻響范圍所以頻響范圍寬寬, ,適于適于測量高頻振動測量高頻振動。但是。但是, ,由于壓電元件、金屬

54、圓柱以及慣性質(zhì)量環(huán)之由于壓電元件、金屬圓柱以及慣性質(zhì)量環(huán)之間粘結(jié)較難間粘結(jié)較難, ,裝配成功率較低。裝配成功率較低。壓電壓電式加速度傳感器式加速度傳感器 圖圖(c)(c)為為彎曲式壓電加速度傳感器彎曲式壓電加速度傳感器。壓電晶片粘貼在懸臂梁的側(cè)面。壓電晶片粘貼在懸臂梁的側(cè)面, ,懸臂梁的自由端裝配質(zhì)量塊懸臂梁的自由端裝配質(zhì)量塊, ,固定端與基座連接。振動時固定端與基座連接。振動時, ,懸臂梁彎曲懸臂梁彎曲, ,側(cè)面受到拉伸壓縮側(cè)面受到拉伸壓縮, ,使壓電元件發(fā)生形變使壓電元件發(fā)生形變, ,從而輸出電信號，也可用圓從而輸出電信號，也可用圓板代替懸臂梁板代替懸臂梁, ,在圓周裝配質(zhì)量塊在圓周裝配質(zhì)

55、量塊, ,在圓板表面上安裝壓電元件。在圓板表面上安裝壓電元件。 彎曲式壓電加速度傳感器固有共振頻率低彎曲式壓電加速度傳感器固有共振頻率低, ,靈敏度最高靈敏度最高, ,適用于適用于低低頻測量頻測量。缺點是體積大。缺點是體積大, ,機(jī)械強(qiáng)度較前兩種差。機(jī)械強(qiáng)度較前兩種差。壓電壓電式加速度傳感器式加速度傳感器 加速度傳感器的一般性能加速度傳感器的一般性能 采用不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計和選用采用不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計和選用不同性能的壓電材料不同性能的壓電材料, ,可以得到滿足可以得到滿足各種使用要求的壓電加速度傳感器。表中給出了三種基本結(jié)構(gòu)的加速各種使用要求的壓電加速度傳感器。表中給出了三種基本結(jié)構(gòu)的加速度傳感器的一

56、般性能。度傳感器的一般性能。 壓電壓電式加速度傳感器式加速度傳感器 壓電壓電式傳感器應(yīng)用式傳感器應(yīng)用 壓電式傳感器主要測量動態(tài)壓電式傳感器主要測量動態(tài)力、機(jī)械沖擊和振動，在聲學(xué)、醫(yī)力、機(jī)械沖擊和振動，在聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、導(dǎo)航方面應(yīng)用廣泛。學(xué)、力學(xué)、導(dǎo)航方面應(yīng)用廣泛。1 1、壓電式力傳感器、壓電式力傳感器壓電式單向測力傳感器的結(jié)壓電式單向測力傳感器的結(jié)構(gòu)，主要由石英晶片、構(gòu)，主要由石英晶片、 絕緣套、絕緣套、電極、上蓋及基座等組成。電極、上蓋及基座等組成。 傳感器上蓋為傳力元件，外傳感器上蓋為傳力元件，外緣壁厚為緣壁厚為0.10.5mm，當(dāng)外力作用，當(dāng)外力作用時，產(chǎn)生彈性變形，將力傳遞到石時，產(chǎn)

57、生彈性變形，將力傳遞到石英晶片上。利用壓電效應(yīng)，實現(xiàn)力英晶片上。利用壓電效應(yīng)，實現(xiàn)力電轉(zhuǎn)換。電轉(zhuǎn)換。石 英 晶 片 的 尺 寸 為石 英 晶 片 的 尺 寸 為81mm。該傳感器的測力范。該傳感器的測力范圍為圍為050N，最小分辨率為，最小分辨率為0.01N，固有頻率為，固有頻率為5060 kHz，整個傳感器重為整個傳感器重為10 g。 壓電壓電式傳感器應(yīng)用式傳感器應(yīng)用 2 2、壓電式加速度傳感器、壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)，主要由壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)，主要由壓電元件、質(zhì)量塊、預(yù)壓彈簧、基座及外殼壓電元件、質(zhì)量塊、預(yù)壓彈簧、基座及外殼等組成。整個部件裝在外殼內(nèi)，并由螺栓加等

58、組成。整個部件裝在外殼內(nèi)，并由螺栓加以固定。以固定。當(dāng)壓電式加速度當(dāng)壓電式加速度傳感器和被測物一起傳感器和被測物一起受到?jīng)_擊振動時，壓受到?jīng)_擊振動時，壓電元件受質(zhì)量塊慣性電元件受質(zhì)量塊慣性力的作用。力的作用。慣性力作用于壓慣性力作用于壓電元件上，產(chǎn)生電荷電元件上，產(chǎn)生電荷。輸出電荷與加速度。輸出電荷與加速度成正比。成正比。因此，根據(jù)加速因此，根據(jù)加速度傳感器輸出電荷便度傳感器輸出電荷便可知加速度的大小?？芍铀俣鹊拇笮　弘妷弘娛絺鞲衅鲬?yīng)用式傳感器應(yīng)用 3 3、壓電式聲傳感器、壓電式聲傳感器當(dāng)交變信號加在壓電陶瓷當(dāng)交變信號加在壓電陶瓷片兩端面時，因壓電陶瓷的逆片兩端面時，因壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)

59、，陶瓷片會在電極方壓電效應(yīng)，陶瓷片會在電極方向產(chǎn)生周期性的伸長和縮短，向產(chǎn)生周期性的伸長和縮短，產(chǎn)生振動發(fā)射聲波。產(chǎn)生振動發(fā)射聲波。如果換能器中壓電陶瓷的振蕩如果換能器中壓電陶瓷的振蕩頻率在超聲波范圍，則發(fā)射或接收頻率在超聲波范圍，則發(fā)射或接收的聲頻信號即為超聲波。這樣的換的聲頻信號即為超聲波。這樣的換能器稱為能器稱為壓電超聲換能器壓電超聲換能器。當(dāng)一定頻率的聲頻信號加當(dāng)一定頻率的聲頻信號加在壓電陶瓷片上時，壓電陶瓷在壓電陶瓷片上時，壓電陶瓷片受到外力作用而產(chǎn)生壓縮變片受到外力作用而產(chǎn)生壓縮變形，壓電陶瓷上因正壓電效形，壓電陶瓷上因正壓電效應(yīng)出現(xiàn)充、放電現(xiàn)象，聲頻信應(yīng)出現(xiàn)充、放電現(xiàn)象，聲頻信號

60、轉(zhuǎn)換成交變電信號，接收聲號轉(zhuǎn)換成交變電信號，接收聲頻信號。頻信號。壓電壓電式傳感器應(yīng)用式傳感器應(yīng)用 4 4、壓電式流量計、壓電式流量計超聲波流量計：超聲波流量計：壓電超聲換能器壓電超聲換能器每 隔 一 段 時 間 （ 如每 隔 一 段 時 間 （ 如1/100s）發(fā)射和接收互）發(fā)射和接收互換一次。換一次。在順流和逆流的在順流和逆流的情況下，發(fā)射和接收情況下，發(fā)射和接收的相位差與流速成正的相位差與流速成正比。比。 壓電壓電式傳感器應(yīng)用式傳感器應(yīng)用 5 5、壓電式傳感器管道檢漏、壓電式傳感器管道檢漏地面下一均勻的自來水直管道某處地面下一均勻的自來水直管道某處O發(fā)生漏水，水漏引起的振動發(fā)生漏水，水漏