第五章壓電傳感器

第五章壓電式傳感器

壓電式傳感器：當(dāng)外力作用于某些晶體時(shí)，發(fā)生壓電效應(yīng)，在晶體表面產(chǎn)生電荷，通過(guò)檢測(cè)發(fā)電電荷量的大小測(cè)出作用力的大小?？芍瞥闪?、壓力、加速度等傳感器。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(zhì)材料的壓電效應(yīng)，是典型的有源傳感器。當(dāng)材料受力作用而變形時(shí)，其表面會(huì)有電荷產(chǎn)生，從而實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量。壓電式傳感器具有體積小，重量輕，工作頻帶寬等特點(diǎn)，因此在各種動(dòng)態(tài)力、機(jī)械沖擊與振動(dòng)的測(cè)量，以及聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、宇航等方面都得到了非常廣泛的應(yīng)用。2主要內(nèi)容5.1壓電效應(yīng)及壓電材料5.2壓電式傳感器測(cè)量電路5.3壓電式傳感器的應(yīng)用第一節(jié)

壓電效應(yīng)及壓電材料

壓電效應(yīng)：某些晶體在一定方向上受到外力作用時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，相應(yīng)在晶體的兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷。當(dāng)外力除去時(shí)，電荷消失；當(dāng)外力反向時(shí)，電荷極性也反向。被稱(chēng)為壓電效應(yīng)。

一、壓電效應(yīng)

4壓電效應(yīng)可逆性5二、壓電效應(yīng)原理具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)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(yīng)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(gè)晶軸：x軸、y軸和z軸。z軸又稱(chēng)光軸，它與晶體的縱軸線(xiàn)方向一致：x軸又稱(chēng)電軸，它通過(guò)六面體相對(duì)的兩個(gè)棱線(xiàn)并垂直于光軸：y軸又稱(chēng)為機(jī)械軸，它垂直于兩個(gè)相對(duì)的晶柱棱面。6

石英晶體及切片7

石英晶體的壓電效應(yīng)機(jī)理1—正電荷等效中心2—負(fù)電荷等效中心8說(shuō)明（1）在無(wú)外力作用時(shí)（2）當(dāng)晶體沿電軸（x軸）方向受到壓力時(shí)，晶格產(chǎn)生變形（3）同樣，當(dāng)晶體的機(jī)械軸（y軸）方向受到壓力時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生晶格變形（4）當(dāng)晶體的光軸（z軸）方向受到受力時(shí)，由于晶格的變形不會(huì)引起正負(fù)電荷中心的分離，所以不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。

石英晶體的壓電效應(yīng)

石英：二氧化硅單晶，六角棱柱體，

X、Y、Z三個(gè)晶軸。ｙxｚＺ光軸Ｘ電軸機(jī)械軸坐標(biāo)軸晶體切塊1、X向應(yīng)力--縱向壓電效應(yīng)電荷計(jì)算：2、Y向應(yīng)力—橫向壓電效應(yīng)Ｚ光軸Ｘ電軸機(jī)械軸晶體切塊壓力拉力壓力拉力分別為兩個(gè)方向的壓電系數(shù)。且：關(guān)于壓電效應(yīng)的解釋?zhuān)汗桦x子硅離子硅離子氧離子氧離子氧離子石英晶體在X-Y平面離子分布X方向受力Y方向受力Z方向受力將不產(chǎn)生壓電效應(yīng)！5.1.2

壓電材料一、壓電材料的主要特性參數(shù)要求：1）壓電常數(shù)大；

2）機(jī)械強(qiáng)度高；

3）電阻率大，介電常數(shù)大；

4）引起壓電效應(yīng)破壞的溫度點(diǎn)（居里點(diǎn)）高；

5）時(shí)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(jī)械耦合系數(shù)（5）絕緣電阻（6）居里點(diǎn)（一）石英晶體（二）水溶性壓電晶體（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）（五）壓電半導(dǎo)體（六）高分子壓電材料二、常用壓電材料14石英晶體天然形成的石英晶體外形15壓電陶瓷外形

16高分子壓電薄膜及拉制5.2

壓電傳感器的測(cè)量電路一、壓電式傳感器的等效電路

壓電式傳感器可以等效為電荷源和壓電元件電容器的并聯(lián)電路；也可以等效為電壓源和電容器的串聯(lián)電路。其中電容器為：壓電元件極板面積

元件厚度相對(duì)介電常數(shù)

當(dāng)壓電式傳感器連接測(cè)量?jī)x表時(shí)的等效電路：傳感器的泄露電阻電纜電容放大器輸入電阻電容電纜電容傳感器的泄露電阻放大器輸入電阻電容二、壓電式傳感器的測(cè)量電路由：得：化簡(jiǎn)電纜長(zhǎng)度會(huì)影響靈敏度！（一）電壓放大器（二）電荷放大器忽略三個(gè)電阻的影響，輸入到運(yùn)放的電荷：又+++++及（1）將、代入（1）式，得：靈敏度：5.3

壓電式傳感器的應(yīng)用（一）壓電式力傳感器底座插座蓋板晶