第五章 壓電傳感器

5.1壓電效應(yīng)5.2壓電材料5.3等效電路和測量電路5.4壓電傳感器及其應(yīng)用第五章壓電傳感器5.1壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)石英晶體的壓電效應(yīng)壓電系數(shù)壓電陶瓷的壓電效應(yīng)一、壓電效應(yīng)某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個相對表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。

二、石英晶體的壓電效應(yīng)1、石英晶體的結(jié)構(gòu)：六棱柱X軸:電軸：Y軸:機(jī)械軸Z軸:光軸石英晶體2、壓電效應(yīng)機(jī)理石英晶體即二氧化硅,化學(xué)式為SiO2；代表Si4+,代表2O2-，成正六邊形排列。+直接壓電效應(yīng)是由居里兄弟在1880年發(fā)現(xiàn)的。他們指出，當(dāng)把一重物放在一石英晶體上

時，在晶體表面上出現(xiàn)了電荷，電荷量和重物的質(zhì)量成正比。3、橫向壓電效應(yīng)和縱向壓電效應(yīng)機(jī)械軸：橫向壓電效應(yīng)電軸：縱向壓電效應(yīng)光軸：沒有壓電效應(yīng)二、壓電常數(shù)1、光軸、電軸、機(jī)械軸光軸：Z軸電軸：X軸機(jī)械軸：Y軸2、沿電軸（X）方向受到外力F與電軸垂直的平面產(chǎn)生q11則：q11=d11F1其中：d11為壓電常數(shù)，單位：庫侖／牛頓,即C／N；q11的單位為庫侖（C）,F1的單位為牛頓（N）。切片上產(chǎn)生的電荷大小與切片的幾何尺寸無關(guān)3、沿機(jī)械軸受到

外力為F在與電軸（X）垂直的平面產(chǎn)生q12l、t、w

——分別為石英晶體的長度、厚度和寬度,

單位：米（m）沿機(jī)械軸方向?qū)┘幼饔昧r,切片上產(chǎn)生的電荷大小與切片的幾何尺寸有關(guān)。三、壓電陶瓷的壓電效應(yīng)壓電陶瓷：人工多晶壓電材料，由無數(shù)細(xì)微電疇構(gòu)成。

鈦酸鋇壓電陶瓷的電疇結(jié)構(gòu)示意圖壓電陶瓷的極化：高溫+強(qiáng)電場：2-3h極化方向：Z方向d33=190×10-12C／N,d31=d32=-0.41d33=-78×10-12C／N鈦酸鋇的壓電系數(shù)：5.2壓電材料壓電晶體壓電材料新型壓電材料一、壓電晶體壓電晶體的種類很多,如石英、酒石酸鉀鈉、電氣石、磷酸銨（ADP）、硫酸鋰等。其中,石英晶體是壓電傳感器中常用的一種性能優(yōu)良的壓電材料。晶片面與X軸垂直晶片面與Y軸垂直石英晶體特點穩(wěn)定，介電常數(shù)和壓電常數(shù)的溫度穩(wěn)定性好。

0-200℃，溫度每升高一度，降低0.061%

400℃，降低5%超過500℃，d11急劇下降遲滯小、線性范圍寬、重復(fù)性好壓電常數(shù)小，大多用在標(biāo)準(zhǔn)傳感器、高精度傳感器二、壓電陶瓷壓電常數(shù)大，靈敏度高；制造工藝成熟溫度穩(wěn)定性、長期穩(wěn)定性、機(jī)械長度相對低常用陶瓷材料：鈦酸鋇，鋯鈦酸鉛（PZT）、鈮酸鋰等。常用壓電材料的性能參數(shù)小結(jié)1、壓電材料：壓電晶體：壓電陶瓷：2、壓電效應(yīng)：順(正向)壓電效應(yīng)：逆(反向)壓電效應(yīng)：石英鋯鈦酸鉛（PZT）形變轉(zhuǎn)換成電電轉(zhuǎn)換成形變3、壓電材料的結(jié)構(gòu)、壓電常數(shù)4、居里點壓電材料的壓電特性會隨溫度升高時而消失，這個臨界溫度稱為居里點。5、石英諧振器

當(dāng)石英晶體薄片受到外加交變電場的作用時會產(chǎn)生機(jī)械振動，當(dāng)交變電場的頻率與石英晶體的固有頻率相同時，振動便變得很強(qiáng)烈，這就是晶體諧振特性的反應(yīng)。5.3等效電路和測量電路5.3.1：等效電路當(dāng)壓電傳感器的壓電元件受力時,在電極表面就會出現(xiàn)電荷,且兩個電極表面聚集的電荷量相等,極性相反?？梢园褖弘妭鞲衅骺醋魇且粋€靜電荷發(fā)生器,而壓電元件在這一過程可以看成是一個電容器,其電容量Ca為:t等效1：電荷元與電容并聯(lián)

等效2:電壓源與電容串聯(lián)實際等效電路

絕緣內(nèi)阻電纜電容前置放大電容和電阻5.3.2測量電路信號特點：輸出阻抗高，信號弱前置放大器：

1、作用：阻抗匹配，防止電荷迅速泄露放大微弱信號2、兩種形式：

電壓放大器，電荷放大器1、電壓放大電路等效電阻R為等效電容C為C=Cc+Ci外力：F=Fmsinωt,電壓值為：放大器輸入端的電壓為Usr,表示成復(fù)數(shù)形式為：前置放大器的輸入電壓的幅值Usrm為1、ω=0，Usrm=02、靈敏度:ω變小，靈敏度降低3、壓電傳感器與前置放大器之間的電纜不能亂用壓電傳感器不能測量靜態(tài)信號5.4壓電傳感器及其應(yīng)用5.4.1壓電傳感器中壓電片連接q′=2q,U′=U,C′=2Cq′=q,U′=2U,UU′壓電片兩種連接的特點及適用范圍5.4.2：應(yīng)用膜片式壓電壓力傳感器：輸出電量正比于壓力石英晶體微天平

銀膜石英晶體聚合物精度：納克石英晶體微天平的原理：

當(dāng)石英晶體薄片受到外加交變電場的作用時會產(chǎn)生機(jī)械振動，當(dāng)交變電場的頻率與石英晶體的固有頻率相同時，振動便變得很強(qiáng)烈，這就是