醫(yī)用傳感器_6

1、第第6章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 等效電路及測(cè)量電路等效電路及測(cè)量電路 1.2 第第6章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 壓電效應(yīng)及材料壓電效應(yīng)及材料 6.1 6.2 6.3 壓電傳感器的應(yīng)用壓電傳感器的應(yīng)用 第一節(jié)第一節(jié) 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng) 某些電介質(zhì)某些電介質(zhì), , 當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾儺?dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾?形時(shí)形時(shí), , 其內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象（內(nèi)部正負(fù)電荷中心其內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象（內(nèi)部正負(fù)電荷中心 相對(duì)位移）相對(duì)位移）, , 同時(shí)在它的兩個(gè)表面上便產(chǎn)生符號(hào)相同時(shí)在它的兩個(gè)表面上便產(chǎn)生符號(hào)相 反的電荷反的電荷, , 當(dāng)外力去掉后當(dāng)外力去掉后, , 其又重新恢復(fù)到不帶電其又

2、重新恢復(fù)到不帶電 狀態(tài)，狀態(tài)， 這種現(xiàn)象稱這種現(xiàn)象稱壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力方向改變。當(dāng)作用力方向改變 時(shí)時(shí), , 電荷的極性也隨之改變。電荷的極性也隨之改變。 這種機(jī)械能轉(zhuǎn)換為這種機(jī)械能轉(zhuǎn)換為 電能的現(xiàn)象電能的現(xiàn)象, , 稱為稱為“正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)” ” 。 v壓電效應(yīng)壓電效應(yīng) v壓電效應(yīng)-定義 v某些電介質(zhì)（晶體），當(dāng)沿著一定方向?qū)?其施力而使它變形時(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象， 同時(shí)在它的兩個(gè)表面上便產(chǎn)生符號(hào)相反的電 荷，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)， 這種現(xiàn)象稱壓電效應(yīng)。 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)-分類分類 正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)：當(dāng)作用力當(dāng)作用力方向改變方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之時(shí)，電

3、荷的極性也隨之 改變，常把這種改變，常把這種機(jī)械能機(jī)械能轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換為電能電能的現(xiàn)象的現(xiàn)象 稱正壓電效應(yīng)稱正壓電效應(yīng)（或（或順壓電效應(yīng)順壓電效應(yīng)）。）。 逆壓電效應(yīng)：逆壓電效應(yīng)：當(dāng)在電介質(zhì)極化方向上施加當(dāng)在電介質(zhì)極化方向上施加電場(chǎng)，電場(chǎng)，這些這些 電介質(zhì)也會(huì)在產(chǎn)生電介質(zhì)也會(huì)在產(chǎn)生幾何變形幾何變形，當(dāng)外加電場(chǎng)，當(dāng)外加電場(chǎng) 撤去撤去時(shí)，這些變形也隨之時(shí)，這些變形也隨之消失消失，這種將，這種將電電 能能轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)化成機(jī)械能機(jī)械能的現(xiàn)象稱逆壓電效應(yīng)（或的現(xiàn)象稱逆壓電效應(yīng)（或 稱電致伸縮效應(yīng)）。稱電致伸縮效應(yīng)）。 壓電效應(yīng)具有壓電效應(yīng)具有可逆性，可逆性， 利用這一特性可以實(shí)現(xiàn)利用這一特性可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械能機(jī)械能

4、和和電能電能 的相互轉(zhuǎn)換。的相互轉(zhuǎn)換。 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)-特性特性 壓電元件壓電元件 機(jī)械能機(jī)械能 電能電能 逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng) 正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng) 壓電晶體：如石英等；壓電晶體：如石英等； 壓電陶瓷：如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等；壓電陶瓷：如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等； 新型壓電材料：壓電半導(dǎo)體新型壓電材料：壓電半導(dǎo)體( (如硫化鋅、碲化鎘等如硫化鋅、碲化鎘等) ) 高分子壓電材料。高分子壓電材料。 自然界中大多數(shù)晶體都具有壓電效應(yīng)自然界中大多數(shù)晶體都具有壓電效應(yīng), 但但壓電效應(yīng)十分微弱壓電效應(yīng)十分微弱 壓電材料壓電材料-分類分類 分類分類 具有壓電效應(yīng)的材料稱為具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料。壓電材料

5、。 石英是單晶體，具有規(guī)則的幾何外形，其形石英是單晶體，具有規(guī)則的幾何外形，其形 狀為六角形晶柱，兩端呈六棱錐形狀。狀為六角形晶柱，兩端呈六棱錐形狀。 二、石英晶體二、石英晶體 vZ Z軸軸 ( (光軸光軸），是晶體的對(duì)稱軸，用光學(xué)方法確定，是晶體的對(duì)稱軸，用光學(xué)方法確定， 作為基準(zhǔn)軸。作為基準(zhǔn)軸。 vX X軸軸 ( (電軸電軸) )，經(jīng)過(guò)正六棱柱相對(duì)的兩個(gè)棱線，且垂直經(jīng)過(guò)正六棱柱相對(duì)的兩個(gè)棱線，且垂直 于光軸，該軸壓電效應(yīng)最顯著。于光軸，該軸壓電效應(yīng)最顯著。 vY Y軸軸 ( (機(jī)械軸機(jī)械軸) )，垂直于兩個(gè)相對(duì)的表面，在此軸上加垂直于兩個(gè)相對(duì)的表面，在此軸上加 力產(chǎn)生的變形最大。力產(chǎn)生的變

6、形最大。 石英晶體壓電效應(yīng)機(jī)理石英晶體壓電效應(yīng)機(jī)理 石英晶體：石英晶體：SiO2 代表硅離子代表硅離子 Si4+ “ ” 代表硅離子代表硅離子 2O2_ “ ” 當(dāng)石英晶體沒(méi)有受到外力當(dāng)石英晶體沒(méi)有受到外力 作用時(shí)：作用時(shí)： 123 0P PP 正負(fù)電荷中心重合正負(fù)電荷中心重合 晶體表面不產(chǎn)生電荷，晶體表面不產(chǎn)生電荷， 呈電中性。呈電中性。 1.1.當(dāng)石英晶體在當(dāng)石英晶體在X X軸方向上受到壓力時(shí)：軸方向上受到壓力時(shí)： 結(jié)果：結(jié)果： 123 ()0 x P PP 123 ()0 y P PP A面上呈現(xiàn)負(fù)電荷面上呈現(xiàn)負(fù)電荷 B面上呈現(xiàn)正電荷面上呈現(xiàn)正電荷 這種沿這種沿X軸施加力，而在垂直于軸施

7、加力，而在垂直于 X軸的晶面上產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象，軸的晶面上產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象， 就是就是“縱向壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng)”。 123 ()0 z P PP 2.2.當(dāng)石英晶體在當(dāng)石英晶體在Y Y軸方向上受到壓力時(shí)：軸方向上受到壓力時(shí)： 結(jié)果：結(jié)果： 123 ()0 x P PP 123 ()0 y P PP A面上呈現(xiàn)正電荷面上呈現(xiàn)正電荷 B面上呈現(xiàn)負(fù)電荷面上呈現(xiàn)負(fù)電荷 這種沿這種沿Y軸施加力，而在垂直于軸施加力，而在垂直于 X軸的晶面上產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象，軸的晶面上產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象， 就是就是“橫向壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng)”。 123 ()0 z P PP 3.3.當(dāng)石英晶體在當(dāng)石英晶體在Z Z軸方向上受到壓力時(shí)

8、：軸方向上受到壓力時(shí)： 123 ()0 x P PP 123 ()0 y P PP 123 ()0 z P PP 正負(fù)電荷始終中心重合，所以晶體表面無(wú)電荷產(chǎn)生。正負(fù)電荷始終中心重合，所以晶體表面無(wú)電荷產(chǎn)生。 沿沿Z軸方向施加外力，石英晶體不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。軸方向施加外力，石英晶體不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 縱向壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng) 橫向壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng) 表面電荷的計(jì)算問(wèn)題表面電荷的計(jì)算問(wèn)題 有一石英晶體，其長(zhǎng)度為有一石英晶體，其長(zhǎng)度為5mm，寬度為，寬度為4mm，厚度，厚度 為為10mm，當(dāng)受到壓力，當(dāng)受到壓力P=10MPa作用時(shí)，求在縱向壓作用時(shí)，求在縱向壓 電效應(yīng)的壓縮力作用下產(chǎn)生的電荷量。（電效

9、應(yīng)的壓縮力作用下產(chǎn)生的電荷量。（d=2.31PC/N） z c z c u當(dāng)沿當(dāng)沿X X軸軸施加作用力時(shí)，晶片產(chǎn)生厚度變形，并在與施加作用力時(shí)，晶片產(chǎn)生厚度變形，并在與x 軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷，且軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷，且電荷密度電荷密度與與應(yīng)力應(yīng)力成正比：成正比： 11xx QdFx軸軸方向受力的壓電系數(shù)；方向受力的壓電系數(shù)； 11 d z c u沿沿y軸軸施加作用力時(shí)，晶片產(chǎn)生長(zhǎng)度變形，并在與施加作用力時(shí)，晶片產(chǎn)生長(zhǎng)度變形，并在與x軸軸 垂直的平面上產(chǎn)生電荷，且垂直的平面上產(chǎn)生電荷，且電荷密度電荷密度與與應(yīng)力應(yīng)力成正比：成正比： 12yy a QdF b y軸軸方向受力的壓電系數(shù)；方向受

10、力的壓電系數(shù)； 12 d 1211 dd xx Fdq 11 yyy F b a dF b a dq 1112 結(jié)論：結(jié)論： 當(dāng)晶片受到當(dāng)晶片受到x方向的壓力作用時(shí)，方向的壓力作用時(shí)，qx只與作用力只與作用力Fx 成成正比正比，而與晶片的，而與晶片的尺寸無(wú)關(guān)尺寸無(wú)關(guān)； 沿機(jī)械軸沿機(jī)械軸y方向向晶片施加壓力時(shí)，產(chǎn)生的電荷與方向向晶片施加壓力時(shí)，產(chǎn)生的電荷與 幾何尺寸有關(guān)幾何尺寸有關(guān)； 石英晶體石英晶體不是在任何方向不是在任何方向都存在壓電效應(yīng)的；都存在壓電效應(yīng)的； 晶體在哪個(gè)方向上有正壓電效應(yīng)，則在此方向上晶體在哪個(gè)方向上有正壓電效應(yīng)，則在此方向上 一定存在一定存在逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)； 無(wú)論是

11、正或逆壓電效應(yīng)，其作用力（或應(yīng)變）與無(wú)論是正或逆壓電效應(yīng)，其作用力（或應(yīng)變）與 電荷之間皆呈電荷之間皆呈線性關(guān)系線性關(guān)系。 v壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它比石英晶體的壓壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它比石英晶體的壓 電靈敏度高得多，而制造成本卻較低，因此目前國(guó)內(nèi)外生電靈敏度高得多，而制造成本卻較低，因此目前國(guó)內(nèi)外生 產(chǎn)的壓電元件絕大多數(shù)都采用壓電陶瓷。常用的壓電陶瓷產(chǎn)的壓電元件絕大多數(shù)都采用壓電陶瓷。常用的壓電陶瓷 材料有鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（材料有鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（PZTPZT）及非鉛系壓電陶瓷）及非鉛系壓電陶瓷 （如（如BaTiOBaTiO3 3等）。等）。 壓電陶瓷產(chǎn)品壓

12、電陶瓷產(chǎn)品 v壓電陶瓷的壓電效應(yīng)壓電陶瓷的壓電效應(yīng) 壓電陶瓷：壓電陶瓷：屬于鐵電體一類的物質(zhì)屬于鐵電體一類的物質(zhì), ,是人工制造的多晶體壓是人工制造的多晶體壓 電材料電材料, , 具有類似鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)的具有類似鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)的電疇電疇結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 電疇電疇: 分子自發(fā)形成的區(qū)域分子自發(fā)形成的區(qū)域, ,有一定的極化方向有一定的極化方向, ,從而存電場(chǎng)從而存電場(chǎng) 未加電場(chǎng)未加電場(chǎng) 原始的壓電陶瓷內(nèi)原始的壓電陶瓷內(nèi)呈中性呈中性 不具有壓電性質(zhì)。不具有壓電性質(zhì)。 在無(wú)電場(chǎng)作用時(shí)在無(wú)電場(chǎng)作用時(shí)，電疇在晶體中，電疇在晶體中雜亂分布雜亂分布 它們的極化效應(yīng)被相互抵消，壓電陶瓷內(nèi)它們的極化效應(yīng)被相互抵消，壓

13、電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零。極化強(qiáng)度為零。 壓電陶瓷是人工多晶鐵電體，原始的壓電陶瓷呈現(xiàn)各向壓電陶瓷是人工多晶鐵電體，原始的壓電陶瓷呈現(xiàn)各向 同性不具有壓電性。在同性不具有壓電性。在無(wú)外電場(chǎng)無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí)，電疇在晶體中作用時(shí)，電疇在晶體中 雜亂分布，它們各自的極化效應(yīng)被雜亂分布，它們各自的極化效應(yīng)被相互抵消相互抵消，壓電陶瓷，壓電陶瓷 內(nèi)內(nèi)極化強(qiáng)度為極化強(qiáng)度為零。因此原始的壓電陶瓷呈零。因此原始的壓電陶瓷呈中性中性，不具有不具有 壓電性質(zhì)壓電性質(zhì)。 伸長(zhǎng) 直流電橋 剩余伸長(zhǎng) 剩 余 極 化 a)極化前 b)極化 c)極化后 加電場(chǎng)加電場(chǎng) 施加外電場(chǎng)時(shí)，電疇的施加外電場(chǎng)時(shí)，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，趨向

14、極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，趨向 外電場(chǎng)方向排列外電場(chǎng)方向排列。從而使材料得到極化。外電場(chǎng)愈強(qiáng)，。從而使材料得到極化。外電場(chǎng)愈強(qiáng)， 就有更多的電疇更完全地轉(zhuǎn)向外電場(chǎng)方向。就有更多的電疇更完全地轉(zhuǎn)向外電場(chǎng)方向。 當(dāng)外電場(chǎng)強(qiáng)度大到使材料的極化達(dá)到當(dāng)外電場(chǎng)強(qiáng)度大到使材料的極化達(dá)到飽和程度飽和程度，即，即 極化方向都整齊地極化方向都整齊地與外電場(chǎng)方向一致與外電場(chǎng)方向一致，當(dāng)外電場(chǎng)去掉后當(dāng)外電場(chǎng)去掉后 電疇的極化方向基本不變電疇的極化方向基本不變，即剩余極化強(qiáng)度很大。，即剩余極化強(qiáng)度很大。 壓電陶瓷極化后壓電陶瓷極化后 具有壓電特性具有壓電特性 未極化時(shí)是非壓電體未極化時(shí)是非壓電體 (a)極化處理前極化處理前 剩

15、余極化強(qiáng)度剩余極化強(qiáng)度 剩余伸長(zhǎng)剩余伸長(zhǎng) (c)極化處理后極化處理后 直流電場(chǎng)直流電場(chǎng)E 電場(chǎng)作用下的伸長(zhǎng)電場(chǎng)作用下的伸長(zhǎng) (b)極化處理中極化處理中 由于經(jīng)過(guò)極化處理的壓電陶瓷其內(nèi)部極化強(qiáng)度不為由于經(jīng)過(guò)極化處理的壓電陶瓷其內(nèi)部極化強(qiáng)度不為0 0 ，即在陶瓷的，即在陶瓷的一端出現(xiàn)正束縛電荷一端出現(xiàn)正束縛電荷，另一端出現(xiàn)負(fù)束另一端出現(xiàn)負(fù)束 縛電荷縛電荷。由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的電極面上。由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的電極面上 吸附了一層來(lái)自外界的吸附了一層來(lái)自外界的自由電荷自由電荷。這些自由電荷與陶。這些自由電荷與陶 瓷片內(nèi)的束縛電荷瓷片內(nèi)的束縛電荷符號(hào)相反而數(shù)量相等符號(hào)相反而數(shù)量相等。所

16、以整體上。所以整體上 表現(xiàn)為表現(xiàn)為電中性電中性。 自由電荷 束縛電荷 電極 電極 極化方向 陶瓷片內(nèi)束縛電荷與電極上吸附 的自由電荷示意圖 如果在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向平行的壓力如果在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向平行的壓力F，如圖，如圖， 陶瓷片將產(chǎn)生陶瓷片將產(chǎn)生壓縮形變壓縮形變，片內(nèi)的正、負(fù)束縛電荷之間的，片內(nèi)的正、負(fù)束縛電荷之間的距距 離變小離變小，極化強(qiáng)度也變小極化強(qiáng)度也變小。因此，原來(lái)吸附在電極上的自。因此，原來(lái)吸附在電極上的自 由電荷，有一部分被由電荷，有一部分被釋放釋放，而出現(xiàn)放電荷現(xiàn)象。，而出現(xiàn)放電荷現(xiàn)象。 當(dāng)壓力撤消后，陶瓷片恢復(fù)原狀，片內(nèi)的正、負(fù)電荷之當(dāng)壓力撤消后，陶瓷片恢復(fù)原

17、狀，片內(nèi)的正、負(fù)電荷之 極化方向 正壓電效應(yīng)示意圖 （實(shí)線代表形變前的情況，虛線 代表形變后的情況） F 間的間的距離變大距離變大，極化強(qiáng)度也變，極化強(qiáng)度也變 大，因此電極上又大，因此電極上又吸附吸附一部分一部分 自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。 這種由機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)這種由機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn) 象，就是象，就是正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)。 33 qd F= d33 壓電陶瓷的壓電系數(shù)壓電陶瓷的壓電系數(shù) F作用力作用力 晶體極化后，沿極化方向（垂直極化平面）作用力時(shí)，晶體極化后，沿極化方向（垂直極化平面）作用力時(shí)， 引起剩余極化強(qiáng)度變化，在極化面上產(chǎn)生電荷，引起剩余極化強(qiáng)度變化，

18、在極化面上產(chǎn)生電荷，電荷量電荷量 的大小與外力成正比關(guān)系：的大小與外力成正比關(guān)系： d33 d11、d12 同樣，若在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向相同的電場(chǎng)，如圖，同樣，若在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向相同的電場(chǎng)，如圖， 由于電場(chǎng)的方向與極化強(qiáng)度的方向相同，所以電場(chǎng)的作用由于電場(chǎng)的方向與極化強(qiáng)度的方向相同，所以電場(chǎng)的作用 使使極化強(qiáng)度增大極化強(qiáng)度增大。這時(shí)，陶瓷片內(nèi)的正負(fù)束縛電荷之間。這時(shí)，陶瓷片內(nèi)的正負(fù)束縛電荷之間距距 離也增大離也增大，就是說(shuō)，陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生，就是說(shuō)，陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生伸長(zhǎng)形變伸長(zhǎng)形變。 同理，如果外加電場(chǎng)的方向與極化方向相反，則陶瓷片沿同理，如果外加電場(chǎng)的方向與極化方向相

19、反，則陶瓷片沿 極化方向產(chǎn)生極化方向產(chǎn)生縮短形變縮短形變。 極化 方向 電場(chǎng)方向 這種將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能這種將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能 的現(xiàn)象，就是的現(xiàn)象，就是逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)。 種類種類： n壓電單晶體壓電單晶體，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。 對(duì)壓電材料特性要求：對(duì)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(jī)械性能機(jī)械性能。希望它的機(jī)械強(qiáng)度高、剛度大，以期獲得寬的線。希望它的機(jī)械強(qiáng)度高、剛度大，以期獲得寬的線 性范圍和高的固有

20、振動(dòng)頻率。性范圍和高的固有振動(dòng)頻率。 電性能電性能。希望具有高電阻率和大介電常數(shù)，以減弱外部分布。希望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特性。電容的影響并獲得良好的低頻特性。 環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。溫度和濕度穩(wěn)定性要好，要求具有較高的居。溫度和濕度穩(wěn)定性要好，要求具有較高的居 里點(diǎn)，獲得較寬的工作溫度范圍。里點(diǎn)，獲得較寬的工作溫度范圍。 時(shí)間穩(wěn)定性時(shí)間穩(wěn)定性。要求壓電性能不隨時(shí)間變化。要求壓電性能不隨時(shí)間變化。 v壓電材料壓電材料 一、一、等效電路等效電路 壓電傳感器在受外力作用時(shí)，在兩個(gè)電極表面將要聚集電壓電傳感器在受外力作用時(shí)，在兩個(gè)電極表面將要聚集電

21、 荷，且電荷量相等，極性相反。這時(shí)它相當(dāng)于一個(gè)以壓電材荷，且電荷量相等，極性相反。這時(shí)它相當(dāng)于一個(gè)以壓電材 料為電介質(zhì)的料為電介質(zhì)的電容器電容器，其電容量為，其電容量為 式中：式中： 0為真空介電常數(shù)；為真空介電常數(shù)； 為壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)；為壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)； d 為壓電元件的厚度；為壓電元件的厚度； A 為壓電元件極板面積。為壓電元件極板面積。 d A Ca 0 第二節(jié)第二節(jié) 等效電路和測(cè)量電路等效電路和測(cè)量電路 當(dāng)壓電晶體在當(dāng)壓電晶體在外力外力作用下，其兩個(gè)極面上將出現(xiàn)作用下，其兩個(gè)極面上將出現(xiàn)極性相反極性相反 電量相等的電荷電量相等的電荷壓電傳感器可以看作壓電傳感器可以看作電

22、荷發(fā)生器電荷發(fā)生器, ,圖圖(a) 同時(shí)同時(shí), ,它也是一個(gè)它也是一個(gè)電容器電容器, , 晶體上聚集正、負(fù)電荷的兩表面晶體上聚集正、負(fù)電荷的兩表面 相當(dāng)于電容的兩個(gè)相當(dāng)于電容的兩個(gè)極板極板, , 極板間物質(zhì)等效于一種極板間物質(zhì)等效于一種介質(zhì)介質(zhì), ,圖圖(b) q 電極電極 壓電晶體壓電晶體 (a) 壓電傳感器的等效原理 壓電傳感器的等效原理 q Ca (b) 當(dāng)兩極板聚集當(dāng)兩極板聚集異性電荷異性電荷時(shí)時(shí), 則兩極板呈現(xiàn)一定的則兩極板呈現(xiàn)一定的電壓電壓, 大小為大小為 a a q u C q 電極電極 壓電晶體壓電晶體 (a) 壓電傳感器的等效原理 壓電傳感器的等效原理 q Ca (b) 0r

23、 a AA C dd e ee = A、d -壓電片的面積、厚度壓電片的面積、厚度 0(=1/3.6 )、r -真空、壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)真空、壓電材料的相對(duì)介電常數(shù) 電容量電容量 （a）等效電壓源）等效電壓源 a a q u C = 一個(gè)與電容相一個(gè)與電容相 串聯(lián)串聯(lián)的電壓源的電壓源 （b）等效電荷源）等效電荷源 Ca ua （a）電壓源）電壓源 aa qu C= q Ca （b）電荷源）電荷源 一個(gè)與電容相一個(gè)與電容相 并聯(lián)并聯(lián)電荷源電荷源 電壓靈敏度電壓靈敏度 a u u K F 電荷靈敏度電荷靈敏度 q q K F / uqa KKC qua KK C兩者的關(guān)系兩者的關(guān)系 壓電傳感器

24、的完整等效電路壓電傳感器的完整等效電路 （a a） 電壓源電壓源; ; （b b） 電荷源電荷源 Ua Ca RaCcRiCiqRaCcRiCiCe (a)(b) 壓電傳感器與測(cè)量?jī)x表聯(lián)接時(shí)，還必須考慮壓電傳感器與測(cè)量?jī)x表聯(lián)接時(shí)，還必須考慮電纜電容電纜電容CC， 前置放大器的前置放大器的輸入電阻輸入電阻Ri和和輸入電容輸入電容Ci以及傳感器的以及傳感器的絕絕 緣電阻緣電阻Ra。壓電傳感器完整的等效電路可表示成圖所示。壓電傳感器完整的等效電路可表示成圖所示。 只有當(dāng)壓電傳感器只有當(dāng)壓電傳感器內(nèi)部信號(hào)電荷無(wú)漏損內(nèi)部信號(hào)電荷無(wú)漏損或或外接電路負(fù)載外接電路負(fù)載 RL無(wú)窮大無(wú)窮大時(shí)時(shí),壓電傳感器受力后產(chǎn)

25、生的壓電傳感器受力后產(chǎn)生的電壓電壓或或電荷電荷才能才能 長(zhǎng)期保存長(zhǎng)期保存,否則電路將以某時(shí)間常數(shù)按指數(shù)規(guī)律放電否則電路將以某時(shí)間常數(shù)按指數(shù)規(guī)律放電 對(duì)于對(duì)于靜態(tài)、低頻測(cè)量靜態(tài)、低頻測(cè)量極為不利極為不利,必然帶來(lái)誤差必然帶來(lái)誤差 只有只有外力不斷以較高頻率作用外力不斷以較高頻率作用,傳感器的電荷才能得以傳感器的電荷才能得以 補(bǔ)充補(bǔ)充, 壓電晶體不適合于靜態(tài)測(cè)量壓電晶體不適合于靜態(tài)測(cè)量 在實(shí)際使用時(shí)壓電傳感器總要與測(cè)量?jī)x器或測(cè)量電路在實(shí)際使用時(shí)壓電傳感器總要與測(cè)量?jī)x器或測(cè)量電路 相連接，需考慮壓電傳感器的泄漏電阻、連接電纜的相連接，需考慮壓電傳感器的泄漏電阻、連接電纜的 等效電容、前置放大器的輸入

26、電阻和輸入電容等等效電容、前置放大器的輸入電阻和輸入電容等 思考：壓電晶體不適合于靜態(tài)測(cè)量？思考：壓電晶體不適合于靜態(tài)測(cè)量？ 二、二、測(cè)量電路測(cè)量電路 壓電傳感器要求測(cè)量電路的前級(jí)輸入端要有壓電傳感器要求測(cè)量電路的前級(jí)輸入端要有足夠高的足夠高的 阻抗阻抗，這樣才能防止電荷迅速泄漏而使測(cè)量誤差變大。，這樣才能防止電荷迅速泄漏而使測(cè)量誤差變大。 壓電傳感器的壓電傳感器的前置放大器前置放大器有兩個(gè)用處：有兩個(gè)用處： 一是把傳感器的一是把傳感器的高阻抗輸出高阻抗輸出變換為變換為低阻抗輸出低阻抗輸出； 二是把傳感器的二是把傳感器的微弱信號(hào)進(jìn)行放大微弱信號(hào)進(jìn)行放大。 傳感器的傳感器的內(nèi)阻很大內(nèi)阻很大, ,

27、 而而輸出信號(hào)較小輸出信號(hào)較小, , 一般不能直接取用一般不能直接取用 需要接入高輸入阻抗的需要接入高輸入阻抗的前置放大器前置放大器 根據(jù)壓電傳感器等效電路可知，傳感器的輸出可以是根據(jù)壓電傳感器等效電路可知，傳感器的輸出可以是 電壓信號(hào)，也可以是電荷信號(hào)電壓信號(hào)，也可以是電荷信號(hào)有相應(yīng)兩種形式有相應(yīng)兩種形式 （1）電壓放大器：）電壓放大器：也稱作阻抗變換器，其輸出電壓也稱作阻抗變換器，其輸出電壓 與輸入電壓（傳感器的輸出電壓）與輸入電壓（傳感器的輸出電壓） 成正比成正比 （2）電荷放大器：）電荷放大器：其輸出電壓與輸入電荷成正比其輸出電壓與輸入電荷成正比 （一）（一） 電壓放大器電壓放大器 （

28、1）電路原理圖）電路原理圖 等效電阻等效電阻/ ei ei ei RR RRR RR = + 等效電容等效電容 ei CCC=+ 圖6-9 電壓放大器電路原理及其等效電路圖 A uo CiRiCeRe Ca ua (a) CR Ca uaui (b) 等效電路等效電路放大器電路放大器電路 傳感器的泄漏電阻傳感器的泄漏電阻Re；連接電纜的等效電容；連接電纜的等效電容Ce；前置放大器的輸入電阻；前置放大器的輸入電阻Ri ；輸入電容；輸入電容Ci 電容器上的電壓電容器上的電壓 ua= q / Ca f= Fmsint（Fm為幅值）為幅值） 如果壓電元件沿電軸為如果壓電元件沿電軸為正弦作用力正弦作用力

29、變化，產(chǎn)生的變化，產(chǎn)生的 電荷與電壓也按正弦變化，即電荷與電壓也按正弦變化，即 Um= dFm/Ca 壓電元件輸出電壓幅值壓電元件輸出電壓幅值 d壓電系數(shù)壓電系數(shù) sin sin m am aaa dFtqdf UUt CCC w w= A uo CiRiCeRe Ca ua (a) CR Ca uaui (b) 等效電路等效電路放大器電路放大器電路 1 / 1()1()11 / a iaa aa a R j RCj Rj C UUUdf j R C Cj R C C R j Cj C Ui的的幅值幅值Uim為為 . 222 )(1 )( iea m im CCCR RdF U A uo Ci

30、RiCeRe Ca ua (a) CR Ca uaui (b)等效電路 等效電路放大器電路放大器電路 （2）放大器輸入端的電壓）放大器輸入端的電壓Ui分析分析 輸入電壓和作用力之間輸入電壓和作用力之間相位差相位差為為 )(arctan 2 )(RCCC iea Ui的的幅值幅值Uim為為 . 222 )(1 )( iea m im CCCR RdF U 當(dāng)作用于壓電元件的力為當(dāng)作用于壓電元件的力為靜態(tài)力靜態(tài)力（=0）時(shí)，）時(shí)， 前置前置 放大器的放大器的輸出電壓等于零輸出電壓等于零， 因?yàn)殡姾蓵?huì)通過(guò)放大器因?yàn)殡姾蓵?huì)通過(guò)放大器 輸入電阻和傳感器本身漏電阻漏掉，輸入電阻和傳感器本身漏電阻漏掉， 所

31、以所以壓電傳感壓電傳感 器不能用于靜態(tài)力的測(cè)量器不能用于靜態(tài)力的測(cè)量。 由上式可以看出放大器輸入電壓幅度與由上式可以看出放大器輸入電壓幅度與被測(cè)頻率無(wú)關(guān)被測(cè)頻率無(wú)關(guān)，當(dāng)，當(dāng) 改變連接傳感器與前置放大器的改變連接傳感器與前置放大器的電纜長(zhǎng)度電纜長(zhǎng)度時(shí)，時(shí)，Cc將改變將改變， 從而引起放大器的從而引起放大器的輸出電壓也發(fā)生變化輸出電壓也發(fā)生變化。在設(shè)計(jì)時(shí)，通常。在設(shè)計(jì)時(shí)，通常 把電纜長(zhǎng)度定為一常數(shù)，使用時(shí)如要把電纜長(zhǎng)度定為一常數(shù)，使用時(shí)如要改變電纜長(zhǎng)度改變電纜長(zhǎng)度，則必，則必 須須重新校正電壓靈敏度值重新校正電壓靈敏度值。 電壓靈敏度電壓靈敏度 e im u mia Ud K FCCC 理想情況下

32、，傳感器的電阻值理想情況下，傳感器的電阻值ReRe與前置放大器輸入電阻與前置放大器輸入電阻 RiRi都為無(wú)限大，都為無(wú)限大，即即 (Ca+Ce+Ci )R1，則，則輸入電壓幅值輸入電壓幅值 Uim ： iea m im CCC dF U 結(jié)論結(jié)論： 理想情況下，輸入電壓幅值理想情況下，輸入電壓幅值 iea m im CCC dF U （a）當(dāng)）當(dāng)Uim與與F的的無(wú)關(guān)，高頻響應(yīng)特性較好無(wú)關(guān)，高頻響應(yīng)特性較好 （c）當(dāng)）當(dāng)(Ca+Ce+Ci)R1，改變壓電傳感器的引線電纜，改變壓電傳感器的引線電纜 長(zhǎng)度時(shí)，其電纜電容長(zhǎng)度時(shí)，其電纜電容Ce的變化將引起放大器的變化將引起放大器Uim的變的變 化化測(cè)量

33、中通常測(cè)量中通常電纜長(zhǎng)度需固定電纜長(zhǎng)度需固定( (Ce=常數(shù)常數(shù)) )， 否則將否則將 引入測(cè)量誤差引入測(cè)量誤差 （d）電壓靈敏度）電壓靈敏度Ku im u maei Ud K FCCC = + （b）當(dāng)為靜態(tài)力時(shí)）當(dāng)為靜態(tài)力時(shí)(=0)時(shí)，前置放大器的輸出電壓時(shí)，前置放大器的輸出電壓=0 所以壓電傳感器不能測(cè)量靜態(tài)物理量所以壓電傳感器不能測(cè)量靜態(tài)物理量 （二）（二） 電荷放大器電荷放大器 為解決電纜分布電容對(duì)傳感器靈敏度的影響和低頻響應(yīng)差為解決電纜分布電容對(duì)傳感器靈敏度的影響和低頻響應(yīng)差 的缺點(diǎn)，可采用的缺點(diǎn)，可采用電荷放大器電荷放大器。 電荷放大器具有深度負(fù)反饋的高增益放大器，常作電荷放大器

34、具有深度負(fù)反饋的高增益放大器，常作 為壓電傳感器的輸入電路，由一個(gè)為壓電傳感器的輸入電路，由一個(gè)反饋電容反饋電容Cf和和高增益高增益 運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器A構(gòu)成。構(gòu)成。 由于放大器的開環(huán)增益由于放大器的開環(huán)增益A 足夠大，足夠大，并且并且輸入端阻抗輸入端阻抗 很高，放大器輸入端很高，放大器輸入端幾乎幾乎 沒(méi)有分流，運(yùn)算電流沒(méi)有分流，運(yùn)算電流僅僅 流入反饋回路流入反饋回路Cf 。 A uo CiqCaCe Cr 圖6-10 電荷放大器等效電路 f 輸入到放大器的電荷量為輸入到放大器的電荷量為 if qqq=- A: 放大器的開環(huán)增益倍數(shù)放大器的開環(huán)增益倍數(shù) i oi ica q uAuA CCC

35、 = -= - + 輸出電壓輸出電壓 o iaci u qCCC A =- （+ ）放大器輸入電荷放大器輸入電荷 而反饋電容而反饋電容Cf上的電荷上的電荷 oo fiofoff uu qu uCuCAC AA =( -)=(-)= （1+ ）- oo acif o f uu C C CqAC AA u qAC A 輊 犏- - 犏 臌 + - ( + + )=（ 1+ ） = （ 1+ ） 有有 代代 入入 ooo aciff uuu C C CqACqAC AAA - ( + + )=（1+ ）= （1+ ） 輊 犏- -+ 犏 臌 f o C q u 當(dāng)當(dāng)A1，而，而(1+A)CfCa+C

36、c+Ci時(shí)，上式簡(jiǎn)化為時(shí)，上式簡(jiǎn)化為 q：傳感器電荷：傳感器電荷 (1) o acif Aq u CCCA C 整理整理, 得得放大器的輸出電壓放大器的輸出電壓 (a)當(dāng)當(dāng)A足夠大時(shí)，輸出電壓與足夠大時(shí)，輸出電壓與A無(wú)關(guān)，電荷放大器的輸出無(wú)關(guān)，電荷放大器的輸出 電壓電壓uo取決于傳感器產(chǎn)生的電荷量取決于傳感器產(chǎn)生的電荷量q及反饋電容及反饋電容Cf ，與，與 電纜電容電纜電容Cc無(wú)關(guān)，改變無(wú)關(guān)，改變Cf的大小便可得到所需的電壓的大小便可得到所需的電壓 輸出（輸出（Cf =100104pF；）；） f o C q u (b)傳感器本身的電容傳感器本身的電容Ca和電纜電容和電纜電容Cc將不影響電荷放

37、大器將不影響電荷放大器 的輸出，故電纜引線長(zhǎng)度變化的輸出，故電纜引線長(zhǎng)度變化不會(huì)帶來(lái)測(cè)量誤差不會(huì)帶來(lái)測(cè)量誤差 輸出電壓輸出電壓uo 使用電壓放大器時(shí)，測(cè)量系統(tǒng)對(duì)電纜電容的變使用電壓放大器時(shí)，測(cè)量系統(tǒng)對(duì)電纜電容的變 化很敏感，連接化很敏感，連接電纜長(zhǎng)度的變化明顯影響測(cè)量電纜長(zhǎng)度的變化明顯影響測(cè)量 系統(tǒng)的輸出；系統(tǒng)的輸出； 使用電荷放大器時(shí)，使用電荷放大器時(shí)，電纜長(zhǎng)度變化的影響幾乎電纜長(zhǎng)度變化的影響幾乎 可忽略不計(jì)。可忽略不計(jì)。 但與電壓放大器相比，電荷放大器價(jià)格要高很但與電壓放大器相比，電荷放大器價(jià)格要高很 多，電路也較復(fù)雜，調(diào)整起來(lái)也較困難。多，電路也較復(fù)雜，調(diào)整起來(lái)也較困難。 電壓放大器和電

38、壓放大器和電荷放大器的主要區(qū)別：電荷放大器的主要區(qū)別： 【例例】如圖所示電荷前置放大器電路。已知如圖所示電荷前置放大器電路。已知Ca=100pF Ra=，CF=10pF。若考慮引線。若考慮引線Cc的影響，當(dāng)?shù)挠绊?，?dāng)A0104時(shí)時(shí) 要求輸出信號(hào)衰減小于要求輸出信號(hào)衰減小于1。求：使用。求：使用90pF/m的電纜其的電纜其 最大允許長(zhǎng)度為多少最大允許長(zhǎng)度為多少? 在實(shí)際應(yīng)用中，由于單片的輸出電荷很小，因此，組在實(shí)際應(yīng)用中，由于單片的輸出電荷很小，因此，組 成壓電式傳感器的晶片不止一片，常常將兩片或兩片以成壓電式傳感器的晶片不止一片，常常將兩片或兩片以 上的晶片粘結(jié)在一起。粘結(jié)的方法有兩種，即上的

39、晶片粘結(jié)在一起。粘結(jié)的方法有兩種，即并聯(lián)和串并聯(lián)和串 聯(lián)聯(lián)。 （三）（三） 壓電傳感器的級(jí)聯(lián)方式壓電傳感器的級(jí)聯(lián)方式 CCUUqq22 ； CCUUqq 2 1 2 ； v并聯(lián)連接并聯(lián)連接v串聯(lián)連接串聯(lián)連接 UU 2CC 2UU 2QQ QQ 1 2 CC 壓電式傳感器可用于力、壓力、速度、加速度、振動(dòng)等壓電式傳感器可用于力、壓力、速度、加速度、振動(dòng)等 許多非電量的測(cè)量，可做成力傳感器、壓力傳感器、振動(dòng)傳許多非電量的測(cè)量，可做成力傳感器、壓力傳感器、振動(dòng)傳 感器等等。感器等等。 一、壓電式測(cè)力傳感器一、壓電式測(cè)力傳感器 壓電式測(cè)力傳感器是利用壓電元壓電式測(cè)力傳感器是利用壓電元 件直接實(shí)現(xiàn)力件直

40、接實(shí)現(xiàn)力電轉(zhuǎn)換的傳感器。目電轉(zhuǎn)換的傳感器。目 前，測(cè)力傳感器已組成各種錘頭型測(cè)前，測(cè)力傳感器已組成各種錘頭型測(cè) 力錘，可測(cè)量動(dòng)態(tài)力、準(zhǔn)靜態(tài)力和沖力錘，可測(cè)量動(dòng)態(tài)力、準(zhǔn)靜態(tài)力和沖 擊力等。擊力等。 壓電式力傳感器外形圖壓電式力傳感器外形圖 第三節(jié)第三節(jié) 壓電傳感器的應(yīng)用壓電傳感器的應(yīng)用 基座 插 座 蓋板 壓電晶體 絕 緣 體 壓電式力傳感器結(jié)構(gòu)壓電式力傳感器結(jié)構(gòu) 傳感器上蓋為傳力元件，它的外緣壁厚為傳感器上蓋為傳力元件，它的外緣壁厚為0.10.10.5mm0.5mm， 外力作用使它產(chǎn)生彈性變形，將力傳遞到石英晶片上。利用外力作用使它產(chǎn)生彈性變形，將力傳遞到石英晶片上。利用 其縱向壓電效應(yīng)，通過(guò)

41、其縱向壓電效應(yīng)，通過(guò)d d11 11實(shí)現(xiàn)力 實(shí)現(xiàn)力電轉(zhuǎn)換。電轉(zhuǎn)換。 通過(guò)彈性膜、盒等，把壓力收集，轉(zhuǎn)換成力，再傳遞通過(guò)彈性膜、盒等，把壓力收集，轉(zhuǎn)換成力，再傳遞 給壓電元件。為保證靜態(tài)特性及其穩(wěn)定性，通常多采用石給壓電元件。為保證靜態(tài)特性及其穩(wěn)定性，通常多采用石 英晶體作壓電元件。英晶體作壓電元件。 引線引線 殼體殼體 基座基座 壓電晶片壓電晶片 受壓膜片受壓膜片 導(dǎo)電片導(dǎo)電片 p p 二、壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)二、壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu) 當(dāng)加速度傳感器和被測(cè)物一起受到?jīng)_擊振動(dòng)時(shí)，當(dāng)加速度傳感器和被測(cè)物一起受到?jīng)_擊振動(dòng)時(shí)， 壓電元件受質(zhì)量塊慣性力壓電元件受質(zhì)量塊慣性力 的作用，產(chǎn)生電荷。的作用

42、，產(chǎn)生電荷。 q=d11F=d11ma 例例1 1：在體育動(dòng)態(tài)測(cè)量中的應(yīng)用：在體育動(dòng)態(tài)測(cè)量中的應(yīng)用 壓電式步態(tài)分析壓電式步態(tài)分析 跑臺(tái)跑臺(tái) 壓電式縱跳訓(xùn)練分析壓電式縱跳訓(xùn)練分析 裝置裝置 壓電傳感器測(cè)量雙腿壓電傳感器測(cè)量雙腿 跳的動(dòng)態(tài)力跳的動(dòng)態(tài)力 例例2 2： 壓電式血壓傳感器壓電式血壓傳感器 例例3 3：指套式電子血壓計(jì)：指套式電子血壓計(jì) 測(cè)量時(shí)將心音傳感器底座用測(cè)量時(shí)將心音傳感器底座用 橡皮膏與人體體表粘結(jié)，傳感器橡皮膏與人體體表粘結(jié)，傳感器 感受與人體體表相同頻率的振動(dòng)，感受與人體體表相同頻率的振動(dòng)， 質(zhì)量塊便有正比于加速度的交變質(zhì)量塊便有正比于加速度的交變 力作用在壓電晶體上，壓電晶體

43、力作用在壓電晶體上，壓電晶體 便產(chǎn)生電荷。便產(chǎn)生電荷。 心音是一種生物機(jī)械振動(dòng)現(xiàn)心音是一種生物機(jī)械振動(dòng)現(xiàn) 象，加速度型心音傳感器是將一象，加速度型心音傳感器是將一 個(gè)質(zhì)量塊以一定的預(yù)應(yīng)力安裝在個(gè)質(zhì)量塊以一定的預(yù)應(yīng)力安裝在 雙壓電晶體上，壓電晶體和導(dǎo)線雙壓電晶體上，壓電晶體和導(dǎo)線 都用導(dǎo)電膠粘結(jié)在底座上。都用導(dǎo)電膠粘結(jié)在底座上。 例例4 4：加速度型心音傳感器加速度型心音傳感器 石英晶振石英晶振 v晶振一般叫做晶體 諧振器，由壓電效應(yīng) 制成的一種諧振器件， 是用電損耗很小的石 英晶振經(jīng)精密切割磨 削并鍍上電極焊上引 線做成。 石英晶振石英晶振 0 F M F 例例5 5：微重力壓電晶體生物傳感器

44、：微重力壓電晶體生物傳感器 石英晶體的諧振頻率極大地依賴于晶體以及涂層的組合石英晶體的諧振頻率極大地依賴于晶體以及涂層的組合 質(zhì)量。石英傳感器，其表面吸附的被分析物質(zhì)而引起的諧質(zhì)量。石英傳感器，其表面吸附的被分析物質(zhì)而引起的諧 振頻率變化關(guān)系為：振頻率變化關(guān)系為： 利用這一原理可對(duì)溶液中許多化合物，通過(guò)電極上的利用這一原理可對(duì)溶液中許多化合物，通過(guò)電極上的 電解沉淀進(jìn)行測(cè)量，例如監(jiān)測(cè)微生物的生長(zhǎng)率，該方法當(dāng)電解沉淀進(jìn)行測(cè)量，例如監(jiān)測(cè)微生物的生長(zhǎng)率，該方法當(dāng) 濃度在范圍內(nèi)，有很好的線性。濃度在范圍內(nèi)，有很好的線性。 例例6 6：超聲診斷儀探頭：超聲診斷儀探頭 如果換能器中壓電陶如果換能器中壓電陶

45、 瓷的振蕩頻率在超聲波范瓷的振蕩頻率在超聲波范 圍，則其發(fā)射或接收的聲圍，則其發(fā)射或接收的聲 頻信號(hào)即為超聲波，這樣頻信號(hào)即為超聲波，這樣 的換能器稱為壓電超聲換的換能器稱為壓電超聲換 能器。能器。 壓電式超聲波探頭主要有壓電晶體和壓電陶瓷，利用壓壓電式超聲波探頭主要有壓電晶體和壓電陶瓷，利用壓 電材料的壓電效應(yīng)工作，分為發(fā)射、接收兩部分電材料的壓電效應(yīng)工作，分為發(fā)射、接收兩部分 發(fā)射元件：利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，將高頻電振發(fā)射元件：利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，將高頻電振 動(dòng)轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，將電能動(dòng)轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，將電能機(jī)械能；機(jī)械能； 接收元件：利用壓電材料正壓電效應(yīng)，將

46、超聲波振動(dòng)接收元件：利用壓電材料正壓電效應(yīng)，將超聲波振動(dòng) 轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)， 將機(jī)械能將機(jī)械能電能。電能。 轉(zhuǎn)動(dòng)凸輪開關(guān)轉(zhuǎn)動(dòng)凸輪開關(guān)1，利用凸輪凸出部分推動(dòng)沖擊塊，利用凸輪凸出部分推動(dòng)沖擊塊3，并壓，并壓 縮沖擊塊后的彈簧縮沖擊塊后的彈簧2。當(dāng)凸輪凸出部分脫離沖擊塊后。當(dāng)凸輪凸出部分脫離沖擊塊后。 由于彈簧彈力作用，沖擊塊給陶瓷壓電元件由于彈簧彈力作用，沖擊塊給陶瓷壓電元件4一個(gè)沖擊一個(gè)沖擊 力，便在壓電元力，便在壓電元 件兩端產(chǎn)生高壓，件兩端產(chǎn)生高壓， 并從中間電極并從中間電極5輸輸 出高壓，產(chǎn)生電火出高壓，產(chǎn)生電火 花點(diǎn)燃?xì)怏w?；c(diǎn)燃?xì)怏w。 壓電陶瓷點(diǎn)火器壓電陶瓷點(diǎn)火器 轉(zhuǎn)動(dòng)凸輪開關(guān)轉(zhuǎn)動(dòng)凸輪開關(guān)1，利用凸輪凸出部分推動(dòng)沖擊塊，利用凸輪凸出部分推動(dòng)沖擊