第9章 壓電式傳感器

1、壓電壓電式傳感器式傳感器 壓電式傳感器的工作原理是基于某些物質(zhì)的壓電式傳感器的工作原理是基于某些物質(zhì)的壓壓電效應(yīng)電效應(yīng)，是一種典型的，是一種典型的有源有源傳感器，即傳感器，即發(fā)電型發(fā)電型傳感傳感器器。 壓電傳感器具有使用頻帶寬、靈敏度高、機(jī)械壓電傳感器具有使用頻帶寬、靈敏度高、機(jī)械阻抗大、信噪比高、工作可靠、測量范圍廣等優(yōu)點，阻抗大、信噪比高、工作可靠、測量范圍廣等優(yōu)點，它可以把它可以把力力、壓力壓力、加速度加速度等許多非電量轉(zhuǎn)化為等許多非電量轉(zhuǎn)化為電電量量，因此在機(jī)械、聲學(xué)、力學(xué)、醫(yī)學(xué)和航空航天等，因此在機(jī)械、聲學(xué)、力學(xué)、醫(yī)學(xué)和航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 9.1 壓

2、電效應(yīng)及壓電材料壓電效應(yīng)及壓電材料 9.2 壓電傳感器的等效電路和測量電路壓電傳感器的等效電路和測量電路 9.3 壓電傳感器的應(yīng)用壓電傳感器的應(yīng)用壓電壓電式傳感器式傳感器壓電壓電式傳感器式傳感器9.1 壓電效應(yīng)及壓電材料壓電效應(yīng)及壓電材料一、壓電效應(yīng)一、壓電效應(yīng) 某些物質(zhì)沿某一方向受到外力作用時，會產(chǎn)生變形，某些物質(zhì)沿某一方向受到外力作用時，會產(chǎn)生變形，同時其內(nèi)部產(chǎn)生同時其內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象極化現(xiàn)象，此時在這種材料的兩個表面，此時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，它又重新恢復(fù)到產(chǎn)生符號相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，它又重新恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象被稱為不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象被

3、稱為壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力方。當(dāng)作用力方向改變時，電荷極性也隨之改變。這種機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電向改變時，電荷極性也隨之改變。這種機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的現(xiàn)象稱為能的現(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)”。壓電壓電式傳感器式傳感器石英晶體的壓電效應(yīng)演示石英晶體的壓電效應(yīng)演示四、壓電式傳感器：四、壓電式傳感器：壓電壓電式傳感器式傳感器 反之，當(dāng)在某些物質(zhì)的極化方向上施加電場，這些反之，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產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械壓力；當(dāng)外加電材料在某一方向上產(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)力也隨之消失。這種電能轉(zhuǎn)化場撤去時，這些變形或

4、應(yīng)力也隨之消失。這種電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的現(xiàn)象稱為為機(jī)械能的現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)”或或“電致伸縮效電致伸縮效應(yīng)應(yīng)”。壓電效應(yīng)的可逆性壓電效應(yīng)的可逆性壓電壓電式傳感器式傳感器二、壓電材料二、壓電材料機(jī)械性能機(jī)械性能電性能電性能溫度穩(wěn)定性溫度穩(wěn)定性時間穩(wěn)定性時間穩(wěn)定性壓電壓電式傳感器式傳感器壓電壓電式傳感器式傳感器二、壓電材料二、壓電材料1. 石英晶體石英晶體 如圖所示為天然石英如圖所示為天然石英晶體，其結(jié)構(gòu)形狀為一個晶體，其結(jié)構(gòu)形狀為一個六角形晶柱，兩端為一對六角形晶柱，兩端為一對稱棱錐。稱棱錐。 在在晶體學(xué)中，可以用晶體學(xué)中，可以用三根互相垂直的軸表示，三根互相垂直的軸表示，其中，其中，

5、縱軸縱軸Z稱為光軸稱為光軸，通，通過六棱線而垂直于光鈾的過六棱線而垂直于光鈾的X鈾稱為電軸鈾稱為電軸，與，與X-X軸和軸和Z-Z軸垂直的軸垂直的Y-Y軸軸 (垂直于六垂直于六棱柱體的棱面棱柱體的棱面)稱為機(jī)械軸稱為機(jī)械軸。壓電壓電式傳感器式傳感器1. 石英晶體石英晶體 如果從石英晶體中切下一個平行六面體并使其晶面分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別平行于Z-Z、Y-Y、X-X軸線。晶片在正常情況下呈現(xiàn)電軸線。晶片在正常情況下呈現(xiàn)電性。通常把沿性。通常把沿電軸電軸(X軸軸)方向的作用力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為方向的作用力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng)”，把沿，把沿機(jī)

6、械軸機(jī)械軸(Y軸軸)方向的作用力產(chǎn)生的方向的作用力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng)”，沿，沿光軸光軸(Z軸軸)方向的作用方向的作用力力不產(chǎn)生壓電效應(yīng)不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。沿相對兩棱加力時，則產(chǎn)生切向效應(yīng)。沿相對兩棱加力時，則產(chǎn)生切向效應(yīng)。壓電式傳感器主要是利用壓電式傳感器主要是利用縱向壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng)。壓電壓電式傳感器式傳感器1. 石英晶體石英晶體壓電壓電式傳感器式傳感器 當(dāng)在電軸方向施加作用力時當(dāng)在電軸方向施加作用力時, 在與電軸在與電軸 x 垂直的平面上將產(chǎn)生電荷垂直的平面上將產(chǎn)生電荷qx, 其大小為：其大小為： qx = d11 Fx 式中式中: d11x方向受力的

7、壓電系數(shù)方向受力的壓電系數(shù); Fx作用力作用力 若在同一切片上若在同一切片上, 沿機(jī)械軸沿機(jī)械軸y方向施加作方向施加作用力用力Fy, 則仍在與則仍在與x軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷qy, 其大小為：其大小為： qy=d12Fya/b d12y軸方向受力的壓電系數(shù)軸方向受力的壓電系數(shù), d12= - d11 a, b晶體切片長度和厚度。晶體切片長度和厚度。石英晶體切片石英晶體切片壓電壓電式傳感器式傳感器“”代表硅離子代表硅離子Si4+， “”代表氧離子代表氧離子O2-。壓電壓電式傳感器式傳感器 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當(dāng)石英晶體未受外力作用時，正、負(fù)離子

8、正好分布在正六邊形的頂角上，形成三個互成邊形的頂角上，形成三個互成120夾角的電偶極矩夾角的電偶極矩1、2、3。 如圖如圖(a)所示。所示。 因為因為= qL（q為電荷量，為電荷量，L為為正負(fù)電荷之間的距離），此時正負(fù)電荷之間的距離），此時正負(fù)電荷中心重合，電偶極矩正負(fù)電荷中心重合，電偶極矩的矢量和等于零，即：的矢量和等于零，即： 1+2+30 所以晶體表面不產(chǎn)生電荷，呈所以晶體表面不產(chǎn)生電荷，呈電中性。電中性。壓電壓電式傳感器式傳感器 當(dāng)晶體受到沿當(dāng)晶體受到沿x方向受到方向受到壓力壓力x 作用時，晶體沿作用時，晶體沿x方向?qū)⒎较驅(qū)a(chǎn)生收縮，正、負(fù)離子的相對位置隨之發(fā)生變化，如圖產(chǎn)生收縮，正、

9、負(fù)離子的相對位置隨之發(fā)生變化，如圖(b)所所示。此時正、負(fù)電荷中心不再重合，電偶極矩示。此時正、負(fù)電荷中心不再重合，電偶極矩1減小，減小，2、3增大，它們在增大，它們在x 方向上的分量不再等于零，即在方向上的分量不再等于零，即在x軸的正向軸的正向出現(xiàn)正電荷出現(xiàn)正電荷: (1+2+3)x0在在y、z方向上的分量為方向上的分量為: (1+2+3)y = 0 (1+2+3)z= 0壓電壓電式傳感器式傳感器當(dāng)晶體受到沿當(dāng)晶體受到沿x方向的方向的拉力拉力x 作用作用時，其變化情況如圖（時，其變化情況如圖（c）所示。電）所示。電偶極矩偶極矩1增大，增大， 2、 3減小，此時減小，此時它們在它們在x、y、z

10、三個方向上的分量為三個方向上的分量為 (1 +2 +3) x(Ca+Cc+Ci) 一般認(rèn)為一般認(rèn)為(1+K)Cf 10(Ca+Cc+Ci)時，傳感器的輸出靈敏度可以認(rèn)為和電纜時，傳感器的輸出靈敏度可以認(rèn)為和電纜電容等無關(guān)。電容等無關(guān)。壓電壓電式傳感器式傳感器9.3 壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器的應(yīng)用一、一、壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器壓縮式壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)壓縮式壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)壓電壓電式傳感器式傳感器壓電壓電式傳感器式傳感器二、二、壓電式測力傳感器：壓電式測力傳感器：壓電壓電式傳感器式傳感器Fdq11SPF壓電壓電式傳感器式傳感器壓電壓電式傳感器式傳感器壓電壓電式傳感器式傳感

11、器沖擊試驗臺的標(biāo)定和檢測沖擊試驗臺的標(biāo)定和檢測產(chǎn)品過載沖擊試驗產(chǎn)品過載沖擊試驗跌落高度跌落高度h被沖擊介質(zhì)：鋼、橡膠、塑料、木塊被沖擊介質(zhì)：鋼、橡膠、塑料、木塊加速度加速度壓電壓電式傳感器式傳感器汽車安全氣囊系統(tǒng)汽車安全氣囊系統(tǒng)事故性碰撞：點火信號、電點火管、氣體發(fā)生劑、事故性碰撞：點火信號、電點火管、氣體發(fā)生劑、 氣體、充氣、彈性體氣體、充氣、彈性體壓電壓電式傳感器式傳感器氣體發(fā)生器輸出特性測試氣體發(fā)生器輸出特性測試壓電壓電式傳感器式傳感器密封容器壓力測試法密封容器壓力測試法振動測量儀振動測量儀amadFdq壓電壓電式傳感器式傳感器壓電式血壓傳感器壓電式血壓傳感器指套式電子血壓計指套式電子血壓計壓電壓電式傳感器式傳感器壓電壓電式傳感器式傳感器壓電壓電式傳感器式傳感器壓電壓電式傳感器式傳感器3、能否用壓電傳感器測量靜態(tài)壓力？為什么？、能否用壓電傳感器測量靜態(tài)壓力？為什么？壓電壓電式傳感器習(xí)題式傳感器習(xí)題1簡述正、逆壓電效應(yīng)。簡述正、逆壓電效應(yīng)。2、壓電式傳感器的前置放大器兩個作用？、壓電式傳感器的前置放大器兩個作用？4、用石英晶體加速度計測