第6章 壓電式傳感器

1、山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第六章 壓電式傳感器第六章第六章 壓電式傳感器壓電式傳感器l 壓電式傳感器基于某些物質(zhì)的壓電式傳感器基于某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)工作，是工作，是一種發(fā)電式傳感器（無(wú)源傳感器）。一種發(fā)電式傳感器（無(wú)源傳感器）。l 壓電效應(yīng)可逆，故壓電式傳感器是一種壓電效應(yīng)可逆，故壓電式傳感器是一種“雙向傳雙向傳感器感器”。l 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：響應(yīng)頻帶寬、靈敏度高、信噪比大、結(jié)構(gòu)響應(yīng)頻帶寬、靈敏度高、信噪比大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、重量輕、體積小。簡(jiǎn)單、工作可靠、重量輕、體積小。l 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：無(wú)靜態(tài)輸出，阻抗高，需要低電容的低噪無(wú)靜態(tài)輸出，阻抗高，需要低電容的低噪聲電纜，很多壓電材料工作溫度在聲

2、電纜，很多壓電材料工作溫度在250250左右。左右。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第六章 壓電式傳感器第一節(jié)第一節(jié) 壓電效應(yīng)與壓電元件壓電效應(yīng)與壓電元件1 1、壓電效應(yīng)、壓電效應(yīng)n正壓電效應(yīng)：正壓電效應(yīng)：某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向一定方向?qū)ζ涫┝?duì)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)在它的一一定表面定表面上產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶上產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象。電狀態(tài)的現(xiàn)象。n逆壓電效應(yīng)：逆壓電效應(yīng)：當(dāng)在電介質(zhì)的當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向極化方向施加電場(chǎng)，這些施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)就在電介質(zhì)就在一定方向一定

3、方向上產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械壓力，當(dāng)上產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械壓力，當(dāng)外加電場(chǎng)撤去時(shí)，這些變形或應(yīng)力也隨之消失的現(xiàn)象。外加電場(chǎng)撤去時(shí)，這些變形或應(yīng)力也隨之消失的現(xiàn)象。電能電能機(jī)械能機(jī)械能正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第六章 壓電式傳感器n 壓電方程壓電方程（1 1）直觀表達(dá)式：）直觀表達(dá)式：局限性：本方程式僅適用于一定尺寸的壓電元件。局限性：本方程式僅適用于一定尺寸的壓電元件。的表面為常數(shù)。生電荷定的作用力和一定的產(chǎn)為壓電常數(shù)，對(duì)方向一ddFQ 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第六章 壓電式傳感器山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第六章 壓電式傳感器（2 2）一般表達(dá)式：）一般表達(dá)式：應(yīng)力。壓電應(yīng)力

4、常數(shù)；電荷密度；jijjijdqdq幾點(diǎn)說(shuō)明：幾點(diǎn)說(shuō)明：下角標(biāo)下角標(biāo)i i、j j：i=1i=1、2 2、3 3，表示晶體的極化方向；，表示晶體的極化方向；j=1j=1、2 2、3 3、4 4、5 5、6 6，分別表示沿分別表示沿x x軸、軸、y y軸、軸、z z軸方向的單向應(yīng)力和在垂直于軸方向的單向應(yīng)力和在垂直于x x軸、軸、y y軸、軸、z z軸的平面軸的平面 ( (即即yzyz平面、平面、zxzx平面、平面、xyxy平面平面) )內(nèi)作用的剪切力。內(nèi)作用的剪切力。 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第六章 壓電式傳感器應(yīng)力符號(hào)規(guī)定：應(yīng)力符號(hào)規(guī)定：?jiǎn)蜗驊?yīng)力的符號(hào)規(guī)定拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)；剪切力的符號(hào)用右

5、手螺旋單向應(yīng)力的符號(hào)規(guī)定拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)；剪切力的符號(hào)用右手螺旋定則確定。圖定則確定。圖6 62b2b表示其正向。表示其正向。 需要對(duì)因逆壓電效應(yīng)在晶體內(nèi)產(chǎn)生的電場(chǎng)方向也作一規(guī)定，以確定需要對(duì)因逆壓電效應(yīng)在晶體內(nèi)產(chǎn)生的電場(chǎng)方向也作一規(guī)定，以確定dijdij的符號(hào)，使得方程的符號(hào)，使得方程組具有更普遍的意義。組具有更普遍的意義。當(dāng)電場(chǎng)方向指向晶軸的正向時(shí)為正，反之為負(fù)。當(dāng)電場(chǎng)方向指向晶軸的正向時(shí)為正，反之為負(fù)。 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第六章 壓電式傳感器（3 3）晶體在任意受力狀態(tài)下產(chǎn)生的表面電荷密度計(jì)算：）晶體在任意受力狀態(tài)下產(chǎn)生的表面電荷密度計(jì)算：63653543433323213136

6、2652542432322212126165154143132121111ddddddqddddddqddddddq 各參數(shù)含義：各參數(shù)含義：q1q1、q2q2、q3q3垂直于垂直于x x軸、軸、y y軸、軸、z z軸的平面上的電荷面密度；軸的平面上的電荷面密度； 1 1、 2 2、 3 3沿著沿著 x x軸、軸、y y軸、軸、z z軸的單向應(yīng)力；軸的單向應(yīng)力； 4 4、 5 5、 6 6垂直于垂直于x x軸、軸、y y軸、軸、z z軸的平面內(nèi)的剪切應(yīng)力；軸的平面內(nèi)的剪切應(yīng)力；山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第六章 壓電式傳感器 這樣，壓電材料的壓電特性可以用它的這樣，壓電材料的壓電特性可以用它的壓電常數(shù)

7、矩陣壓電常數(shù)矩陣表表示如下：示如下： 363534333231262524232221161514131211 dddddddddddddddddddij 補(bǔ)充說(shuō)明：補(bǔ)充說(shuō)明：壓電常數(shù)壓電常數(shù)dijdij的物理意義是指在的物理意義是指在“短路條件短路條件”下，單位應(yīng)力產(chǎn)生的電荷密度。下，單位應(yīng)力產(chǎn)生的電荷密度。 “短路條件短路條件”是指壓電元件的表面電荷從一產(chǎn)生就立即被引開(kāi)，因而在晶體形變上不存在是指壓電元件的表面電荷從一產(chǎn)生就立即被引開(kāi)，因而在晶體形變上不存在“二次效應(yīng)二次效應(yīng)”。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第六章 壓電式傳感器二、壓電材料二、壓電材料l 明顯呈現(xiàn)壓電效應(yīng)的敏感功能材料叫壓電材料。明

8、顯呈現(xiàn)壓電效應(yīng)的敏感功能材料叫壓電材料。l 壓電式傳感器屬于物性型，故選用壓電式傳感器屬于物性型，故選用合適的壓電材料合適的壓電材料是設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)高性能傳感器的關(guān)鍵。高性能傳感器的關(guān)鍵。l 壓電材料選擇的具體要求：壓電材料選擇的具體要求：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。壓電元件作為受力元件，希望它的機(jī)械強(qiáng)度高、剛度大，壓電元件作為受力元件，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振動(dòng)頻率。以期獲得寬的線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)，以減弱外部分布電容的影希望具有高電阻率和大介電常數(shù)，以

9、減弱外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性。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，要求具有較高的居里點(diǎn)，獲溫度和濕度穩(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。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。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第六章 壓電式傳感器1 1、單晶體、單晶體n 石英晶體種類：石英晶體種類：天然石英和人造石英。天然石英和人造石英。n 石英晶體外形：石英晶體外形：鏡像對(duì)稱，理想外形具有鏡像對(duì)稱，理想外形具有3030個(gè)晶面。如圖個(gè)晶面。如圖6 63a3a。n 石英晶體的晶體軸石英晶體的晶體

10、軸（右手直角坐標(biāo)系表示）（右手直角坐標(biāo)系表示） X X軸，相鄰柱面內(nèi)夾角的等分線，垂直于此軸的面壓電效應(yīng)最強(qiáng)，軸，相鄰柱面內(nèi)夾角的等分線，垂直于此軸的面壓電效應(yīng)最強(qiáng)，又稱又稱電軸電軸； Y Y軸，垂直于六邊形對(duì)邊的軸線，又稱軸，垂直于六邊形對(duì)邊的軸線，又稱機(jī)械軸機(jī)械軸，在電場(chǎng)作用下，沿，在電場(chǎng)作用下，沿該軸方向的機(jī)械變形最明顯；該軸方向的機(jī)械變形最明顯； Z Z軸，垂直于軸，垂直于X X、Y Y軸的縱軸，此方向無(wú)壓電效應(yīng)，可用光學(xué)方法確軸的縱軸，此方向無(wú)壓電效應(yīng)，可用光學(xué)方法確定，又稱定，又稱光軸光軸。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第六章 壓電式傳感器山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第六章 壓電式傳感器術(shù)語(yǔ)：術(shù)語(yǔ)：

11、縱向壓電效應(yīng)：縱向壓電效應(yīng)：在在 x x作用下產(chǎn)生的壓電效應(yīng)；作用下產(chǎn)生的壓電效應(yīng)；橫向壓電效應(yīng)：橫向壓電效應(yīng)：在在 y y作用下產(chǎn)生的壓電效應(yīng)。作用下產(chǎn)生的壓電效應(yīng)。n 石英晶體的切割方法：石英晶體的切割方法：X X切和切和Y Y切。切。 X X切族：直角坐標(biāo)中，切片的原始位置是厚度平行切族：直角坐標(biāo)中，切片的原始位置是厚度平行X X軸，長(zhǎng)度平行軸，長(zhǎng)度平行Y Y軸，寬度平行于軸，寬度平行于Z Z軸，以此原始位置旋轉(zhuǎn)出來(lái)的切型；軸，以此原始位置旋轉(zhuǎn)出來(lái)的切型； Y Y切族：直角坐標(biāo)中，切片的原始位置是厚度平行切族：直角坐標(biāo)中，切片的原始位置是厚度平行Y Y軸，長(zhǎng)度平行軸，長(zhǎng)度平行X X軸，寬

12、度平行于軸，寬度平行于Z Z軸，以此原始位置旋轉(zhuǎn)出來(lái)的切型；軸，以此原始位置旋轉(zhuǎn)出來(lái)的切型；山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第六章 壓電式傳感器n 石英晶體的特點(diǎn)：石英晶體的特點(diǎn)：（1 1）石英晶體的介電、壓電常數(shù)的溫度穩(wěn)定性好，適于做）石英晶體的介電、壓電常數(shù)的溫度穩(wěn)定性好，適于做工作溫度很寬的傳感器。壓電常數(shù)與溫度關(guān)系如圖工作溫度很寬的傳感器。壓電常數(shù)與溫度關(guān)系如圖6 65 5。術(shù)語(yǔ)術(shù)語(yǔ) 居里點(diǎn)：居里點(diǎn)：石英壓電常數(shù)石英壓電常數(shù)d d在常溫幾乎不隨溫度變化，但當(dāng)溫度超過(guò)在常溫幾乎不隨溫度變化，但當(dāng)溫度超過(guò)500500時(shí)，急劇下降，達(dá)到時(shí)，急劇下降，達(dá)到573 573 時(shí)，石英晶體失去壓電特性，該溫時(shí)，

13、石英晶體失去壓電特性，該溫度稱其居里點(diǎn)或倒轉(zhuǎn)溫度。度稱其居里點(diǎn)或倒轉(zhuǎn)溫度。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第六章 壓電式傳感器（2 2）石英晶體的機(jī)械強(qiáng)度很高，可承受約）石英晶體的機(jī)械強(qiáng)度很高，可承受約10108 8PaPa的壓力；在的壓力；在沖擊力作用下漂移很?。粡椥韵禂?shù)大。可測(cè)大量程的力和沖擊力作用下漂移很??；彈性系數(shù)大?？蓽y(cè)大量程的力和加速度。加速度。（3 3）天然石英穩(wěn)定性好，但資源少。一般用于校準(zhǔn)用的標(biāo)）天然石英穩(wěn)定性好，但資源少。一般用于校準(zhǔn)用的標(biāo)準(zhǔn)傳感器或精度很高的傳感器。準(zhǔn)傳感器或精度很高的傳感器。（4 4）人工石英（如鈮酸鋰晶體）時(shí)間穩(wěn)定性遠(yuǎn)強(qiáng)于壓電陶）人工石英（如鈮酸鋰晶體）時(shí)間穩(wěn)定性

14、遠(yuǎn)強(qiáng)于壓電陶瓷，居里點(diǎn)高達(dá)瓷，居里點(diǎn)高達(dá)12001200，適于做高溫傳感器。但其各向異，適于做高溫傳感器。但其各向異性明顯，比石英脆，耐沖擊性差。性明顯，比石英脆，耐沖擊性差。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第六章 壓電式傳感器2 2、多晶體的、多晶體的n 壓電效應(yīng)：壓電效應(yīng)： 壓電陶瓷是人工多晶體壓電材料。壓電陶瓷在沒(méi)有極化壓電陶瓷是人工多晶體壓電材料。壓電陶瓷在沒(méi)有極化之前不具有壓電效應(yīng)，是非壓電體；壓電陶瓷經(jīng)過(guò)極化處之前不具有壓電效應(yīng)，是非壓電體；壓電陶瓷經(jīng)過(guò)極化處理后具有壓電效應(yīng)，其電荷密度理后具有壓電效應(yīng)，其電荷密度q q與應(yīng)力與應(yīng)力 的關(guān)系的關(guān)系 q=dq=d33 33 d d33 33 縱向

15、壓電常數(shù)。其極化方向定為縱向壓電常數(shù)。其極化方向定為Z Z軸。軸。 其中，其中，BaTiOBaTiO3 3壓電陶瓷的獨(dú)立壓電常數(shù)只有三個(gè)，其壓壓電陶瓷的獨(dú)立壓電常數(shù)只有三個(gè)，其壓電常數(shù)矩陣如下：電常數(shù)矩陣如下： 00000000000001515333131dddddD山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第六章 壓電式傳感器n 壓電陶瓷的制作工藝：壓電陶瓷的制作工藝：原材料粉碎；原材料粉碎；成型；成型；高溫?zé)Y(jié)得到多晶導(dǎo)電體；高溫?zé)Y(jié)得到多晶導(dǎo)電體；人工極化。人工極化。人工極化過(guò)程：人工極化過(guò)程： 原始?jí)弘娞沾蔁o(wú)壓電性，燒結(jié)后有自發(fā)的電偶極距形成原始?jí)弘娞沾蔁o(wú)壓電性，燒結(jié)后有自發(fā)的電偶極距形成的的“電疇電疇”

16、，但其在原始材料中無(wú)序排列，極化能力相互，但其在原始材料中無(wú)序排列，極化能力相互抵消。將這些小電疇置于抵消。將這些小電疇置于2030kv/cm的強(qiáng)化電場(chǎng)放的強(qiáng)化電場(chǎng)放23小時(shí)，極性轉(zhuǎn)到接近電場(chǎng)方向。此時(shí)，鐵電陶瓷具有壓電小時(shí)，極性轉(zhuǎn)到接近電場(chǎng)方向。此時(shí)，鐵電陶瓷具有壓電效應(yīng)。效應(yīng)。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第六章 壓電式傳感器山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第六章 壓電式傳感器n 主要陶瓷壓電材料：主要陶瓷壓電材料：（1 1）鈦酸鋇壓電陶瓷）鈦酸鋇壓電陶瓷 最早使用的壓電陶瓷材料是鈦酸鋇最早使用的壓電陶瓷材料是鈦酸鋇（BaTiOBaTiO3 3）是由碳酸）是由碳酸鋇（鋇（BaCOBaCO3 3）和二氧化鈦（）和

17、二氧化鈦（TiOTiO2 2）按）按1 1：1 1分子比例在高溫分子比例在高溫下合成的壓電陶瓷。下合成的壓電陶瓷。 它具有很高的介電常數(shù)和較大的壓電系數(shù)（約為石英它具有很高的介電常數(shù)和較大的壓電系數(shù)（約為石英晶體的晶體的5050倍）。不足之處是居里溫度低（倍）。不足之處是居里溫度低（120120），溫度），溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度不如石英晶體。穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度不如石英晶體。（2 2）鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷（）鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷（PZTPZT） 目前使用較多的壓電陶瓷材料是鋯鈦酸鉛目前使用較多的壓電陶瓷材料是鋯鈦酸鉛是由是由PbTiOPbTiO3 3和和PbZrOPbZrO3 3組成的固溶體組成的固溶體

18、PbPb（ZrZr、TiTi）O O3 3。它與鈦酸鋇相比，。它與鈦酸鋇相比，壓電系數(shù)更大，居里溫度在壓電系數(shù)更大，居里溫度在300300以上，各項(xiàng)機(jī)電參數(shù)受以上，各項(xiàng)機(jī)電參數(shù)受溫度影響小，時(shí)間穩(wěn)定性好。溫度影響小，時(shí)間穩(wěn)定性好。 此外，在鋯鈦酸中添加一種或兩種其它微量元素（如此外，在鋯鈦酸中添加一種或兩種其它微量元素（如鈮、銻、錫、錳、鎢等）還可以獲得不同性能的鈮、銻、錫、錳、鎢等）還可以獲得不同性能的PZTPZT材料，材料，如鈮鎂酸鉛壓電陶瓷（如鈮鎂酸鉛壓電陶瓷（PMNPMN）。）。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第六章 壓電式傳感器 壓電陶瓷的壓電系數(shù)比石英晶體的大得多壓電陶瓷的壓電系數(shù)比石英晶體的

19、大得多, , 所以采用壓電陶瓷制所以采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器的靈敏度較高。極化處理后的壓電陶瓷材料的剩余作的壓電式傳感器的靈敏度較高。極化處理后的壓電陶瓷材料的剩余極化強(qiáng)度和特性與溫度有關(guān)極化強(qiáng)度和特性與溫度有關(guān), , 它的參數(shù)也隨時(shí)間變化它的參數(shù)也隨時(shí)間變化, , 從而使其壓電從而使其壓電特性減弱。特性減弱。 (3) (3) 鈮鎂酸鉛是鈮鎂酸鉛是 20 20 世紀(jì)世紀(jì) 60 60 年代發(fā)展起來(lái)的壓電陶瓷。它由鈮年代發(fā)展起來(lái)的壓電陶瓷。它由鈮鎂酸鉛鎂酸鉛(Pb(Pb（MgMg1/31/3NbNb2/32/3）O O3)3)、 鋯酸鉛鋯酸鉛(PbZr(PbZrO O3)3)和鈦酸鉛和鈦酸鉛

20、(PbTi(PbTiO O3)3)按不同比例配成的不同性能的壓電陶瓷按不同比例配成的不同性能的壓電陶瓷, , 具有極高的壓電系數(shù)和較高具有極高的壓電系數(shù)和較高的工作溫度的工作溫度, , 而且能承受較高的壓力。而且能承受較高的壓力。 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第六章 壓電式傳感器術(shù)語(yǔ)：術(shù)語(yǔ)： 壓電陶瓷具有明顯的壓電陶瓷具有明顯的熱釋電效應(yīng)熱釋電效應(yīng)。該效應(yīng)是指：某些。該效應(yīng)是指：某些晶體除了由于機(jī)械應(yīng)力的作用而引起的電極化晶體除了由于機(jī)械應(yīng)力的作用而引起的電極化( (壓電效壓電效應(yīng)應(yīng)) )之外，還可由于之外，還可由于溫度變化而產(chǎn)生電極化溫度變化而產(chǎn)生電極化。用熱釋電。用熱釋電系數(shù)來(lái)表示該效應(yīng)的強(qiáng)弱，它

21、是指溫度每變化系數(shù)來(lái)表示該效應(yīng)的強(qiáng)弱，它是指溫度每變化1 1時(shí)，時(shí)，在單位質(zhì)量晶體表面上產(chǎn)生的電荷密度大小，單位為在單位質(zhì)量晶體表面上產(chǎn)生的電荷密度大小，單位為CC(m(m2 2g g) )。 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第六章 壓電式傳感器3. PVDF3. PVDF壓電薄膜壓電薄膜l 聚偏二氟乙烯（聚偏二氟乙烯（PVF2）是壓電效應(yīng)較強(qiáng)的聚合物薄膜，這種合成高）是壓電效應(yīng)較強(qiáng)的聚合物薄膜，這種合成高分子薄膜就其對(duì)稱性來(lái)看，不存在壓電效應(yīng)，但是它們具有分子薄膜就其對(duì)稱性來(lái)看，不存在壓電效應(yīng)，但是它們具有“平面鋸平面鋸齒齒”結(jié)構(gòu)，存在抵消不了的偶極子。經(jīng)延展和拉伸后可以使分子鏈軸結(jié)構(gòu)，存在抵消不了的偶

22、極子。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)生自發(fā)極化偶極子。當(dāng)在膜成規(guī)則排列，并在與分子軸垂直方向上產(chǎn)生自發(fā)極化偶極子。當(dāng)在膜厚方向加直流高壓電場(chǎng)極化后，就可以成為具有壓電性能的高分子薄厚方向加直流高壓電場(chǎng)極化后，就可以成為具有壓電性能的高分子薄膜。這種薄膜有可撓性，并容易制成大面積壓電元件。這種元件耐沖膜。這種薄膜有可撓性，并容易制成大面積壓電元件。這種元件耐沖擊、不易破碎、穩(wěn)定性好、靈敏度高、頻帶寬。為提高其壓電性能還擊、不易破碎、穩(wěn)定性好、靈敏度高、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)合材料可以摻入壓電陶瓷粉末，制成混合復(fù)合材料(PVF2

23、 PZT)。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第六章 壓電式傳感器 PVDF壓電薄膜有獨(dú)特的介電效應(yīng)、壓電效應(yīng)、熱電效應(yīng)。與傳統(tǒng)的壓電材料相比具有頻響寬、動(dòng)態(tài)范圍大、力電轉(zhuǎn)換靈敏度高、機(jī)械性能強(qiáng)度高、聲阻抗易匹配等特點(diǎn)，并具有重量輕、柔軟不脆、耐沖擊、不易受水和化學(xué)藥品的污染、易制成任意形狀及面積不等的片或管等。在力學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、電子電子、測(cè)量、紅外紅外、安全報(bào)警、醫(yī)療保健、軍事、交通、信息工程、辦公自動(dòng)化、海洋開(kāi)發(fā)、地質(zhì)勘探等技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。膜厚30500m，產(chǎn)品形狀、面積大小，可根據(jù)用戶需要確定，是制作改進(jìn)壓力動(dòng)態(tài)傳感器傳感器和超聲、智能探測(cè)的新型換能材料。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第六章 壓電式傳感

24、器 PVDF壓電膜具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性、低吸濕性、高熱穩(wěn)定性、高抗紫外線輻射能力、高耐沖擊、耐疲勞能力，其化學(xué)穩(wěn)定性比陶瓷陶瓷高10倍，在80以下可長(zhǎng)期使用。PVDF壓電膜質(zhì)地柔軟、重量輕，與水的聲阻抗相近，匹配狀態(tài)好，應(yīng)用靈敏度高；PVDF壓電膜在厚度方向的伸縮振動(dòng)的諧頻率很高，可以得到較寬的平坦響應(yīng)，頻響寬度遠(yuǎn)優(yōu)于普通壓電陶瓷換能器；PVDF壓電膜優(yōu)點(diǎn)如下： (1) 良好的工藝性?？捎矛F(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行加工； (2) 能制作大面積的敏感元件； (3) 頻帶響應(yīng)寬(0500MHz)； (4) 聲阻抗接近于人體組織和水，所以可用于醫(yī)療診斷的敏感裝置結(jié)構(gòu)中； (5) 具有高沖擊強(qiáng)度(可使用于沖擊波的傳

25、感器中)； (6) 耐腐蝕性(在活性介質(zhì)中使用時(shí)這種性能是必需的)；山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第六章 壓電式傳感器 (7) 相對(duì)介電常數(shù)較低；相應(yīng)較高的壓電常數(shù)值d33(約比其它壓電材料高一個(gè)數(shù)量級(jí)以上)和熱信號(hào)靈敏度(p/)值； (8) 與壓電陶瓷比有更低的導(dǎo)熱性,并能制得更薄的薄膜； (9) 柔軟堅(jiān)韌；PVDF的柔順系數(shù)約為PzT的30倍，并且輕（比重只有PzT的1/4左右）； 能制成所需的各種較復(fù)雜的形狀（錐形、穹頂形等），可使用在需要具有特殊定向的元件。 總之：PVDF壓電膜比石英、PzT等有壓電常數(shù)大，頻響寬，機(jī)械強(qiáng)度好，耐沖擊，質(zhì)輕，柔韌，聲阻抗易匹配，易加工成大面積，不易受水和一般化學(xué)

26、品的污染、價(jià)格便宜等特點(diǎn)。不僅在許多領(lǐng)域中可替代壓電陶瓷材料使用，而且還可以應(yīng)用在壓電陶瓷材料不能使用的場(chǎng)合。因此它是一種極有發(fā)展前途的換能性高分子敏感材料。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第六章 壓電式傳感器l 應(yīng)用應(yīng)用 ：l 人體接觸安全舒適，聲阻抗接近人體肌肉，適宜人體接觸安全舒適，聲阻抗接近人體肌肉，適宜作生物醫(yī)學(xué)工程的傳感器元件。作生物醫(yī)學(xué)工程的傳感器元件。l PVDF血壓傳感器：圓柱體縱切形狀，與上腕部血壓傳感器：圓柱體縱切形狀，與上腕部動(dòng)脈溝吻合，使用方便。動(dòng)脈溝吻合，使用方便。l 機(jī)器人觸覺(jué)傳感器：同時(shí)具有壓電效應(yīng)和熱釋電機(jī)器人觸覺(jué)傳感器：同時(shí)具有壓電效應(yīng)和熱釋電效應(yīng)，薄膜柔軟，做成大面積

27、傳感陣列器件。效應(yīng)，薄膜柔軟，做成大面積傳感陣列器件。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第六章 壓電式傳感器第三節(jié)第三節(jié) 壓電元件常用結(jié)構(gòu)形式壓電元件常用結(jié)構(gòu)形式一、壓電元件的基本變形一、壓電元件的基本變形n 依據(jù)石英晶體壓電常數(shù)矩陣，其變形方式包括以下四種依據(jù)石英晶體壓電常數(shù)矩陣，其變形方式包括以下四種:1、厚度變形（、厚度變形（TE方式）方式） 這種變形方式就是石英晶體的這種變形方式就是石英晶體的縱向壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng)，產(chǎn)生的表，產(chǎn)生的表面電荷密度為面電荷密度為 1111dq 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第六章 壓電式傳感器山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第六章 壓電式傳感器2、長(zhǎng)度變形（、長(zhǎng)度變形（LE方式）方式） 這

28、種變形方式是利用石英晶體的這種變形方式是利用石英晶體的橫向壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng)，產(chǎn)生的，產(chǎn)生的表面電荷密度或表面電荷為表面電荷密度或表面電荷為 關(guān)。量與晶片的幾何尺寸有電軸的表面產(chǎn)生的電荷垂直于晶片施加作用力時(shí)，在結(jié)論：沿機(jī)械軸方向?qū)Φ拿娣e；為產(chǎn)生電荷面和受力面、或YXYXYSSSSFdQdq1212121山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第六章 壓電式傳感器3、剪切變形、剪切變形4、彎曲變形（、彎曲變形（BS方式）方式） 非基本變形方式，是拉、壓、剪切應(yīng)力共同作用的結(jié)果。非基本變形方式，是拉、壓、剪切應(yīng)力共同作用的結(jié)果。可根據(jù)具體情況選擇合適的壓電常數(shù)?？筛鶕?jù)具體情況選擇合適的壓電常數(shù)。 切晶片）（所示，

29、計(jì)算式如下：如圖方式）厚度剪切變形（2（切晶片）（或切晶片）（所示，計(jì)算式如下：如圖方式）面剪切變形（1（626252524141YdqdTSYdqXdqcFS山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第六章 壓電式傳感器n 壓電陶瓷的變形方式壓電陶瓷的變形方式 對(duì)于對(duì)于BaTiOBaTiO3 3壓電陶瓷，除長(zhǎng)度變形方式壓電陶瓷，除長(zhǎng)度變形方式( (用用d d3131) )、厚度變形、厚度變形方式方式( (用用d d3333) )和面剪切變形方式和面剪切變形方式( (用用d d1515) )以外，還有體積變以外，還有體積變形方式形方式( (簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱VE)VE)可以利用，如圖所示。這時(shí)產(chǎn)生的表面電可以利用，如圖所示。

30、這時(shí)產(chǎn)生的表面電荷密度按下式計(jì)算荷密度按下式計(jì)算 。為體積壓縮的壓電常數(shù)）（，則有，又因由于此時(shí)3331333133231321333232131322ddddddqdddddqVV山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第六章 壓電式傳感器n 雙晶片元件雙晶片元件 實(shí)際應(yīng)用中，如果只用單片壓晶片，要產(chǎn)生足夠的表面電實(shí)際應(yīng)用中，如果只用單片壓晶片，要產(chǎn)生足夠的表面電荷需較大作用力。而荷需較大作用力。而測(cè)表面粗糙度和微壓差時(shí)提供的力較測(cè)表面粗糙度和微壓差時(shí)提供的力較小小，故常將兩片或兩片以上壓電片組合使用。，故常將兩片或兩片以上壓電片組合使用。（1）雙片懸臂元件）雙片懸臂元件（即雙片彎曲式壓電傳感器）（即雙片彎曲式

31、壓電傳感器） 利用壓電陶瓷元件的利用壓電陶瓷元件的縱向壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng)。當(dāng)自由端受力。當(dāng)自由端受力F時(shí)，時(shí)，晶片彎曲，上片受拉，下片受壓，中性面晶片彎曲，上片受拉，下片受壓，中性面OO長(zhǎng)度不變。長(zhǎng)度不變。每個(gè)單片產(chǎn)生的電荷和電壓為每個(gè)單片產(chǎn)生的電荷和電壓為FblgCQUFldQ3122318383山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第六章 壓電式傳感器山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第六章 壓電式傳感器（2 2）壓電元件的串聯(lián)和并聯(lián)）壓電元件的串聯(lián)和并聯(lián)QQUUCCQQUUCC22/22串聯(lián)特點(diǎn)：并聯(lián)特點(diǎn)：a a）并聯(lián)）并聯(lián)b b）串聯(lián)）串聯(lián)山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第六章 壓電式傳感器第四節(jié)第四節(jié) 等效電路與測(cè)量電路等效

32、電路與測(cè)量電路一、等效電路一、等效電路 壓電元件兩電極間的壓電元件兩電極間的壓電陶瓷或石英為絕緣體壓電陶瓷或石英為絕緣體，故可構(gòu)，故可構(gòu)成一個(gè)成一個(gè)電容器電容器，電容量計(jì)算式：，電容量計(jì)算式： 壓電元件受外力作用，兩表面產(chǎn)生等量正、負(fù)電荷，其壓電元件受外力作用，兩表面產(chǎn)生等量正、負(fù)電荷，其開(kāi)路電壓為：開(kāi)路電壓為：SCra0aCQU 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第六章 壓電式傳感器結(jié)論結(jié)論： 壓電傳感器可等效為一個(gè)電荷源壓電傳感器可等效為一個(gè)電荷源Q Q和一個(gè)電容器和一個(gè)電容器C Ca a的的并并聯(lián)電路聯(lián)電路，如圖，如圖6 610(10(a a) )；也可等效為電壓源；也可等效為電壓源U U和一個(gè)電容和

33、一個(gè)電容器器C Ca a的的串聯(lián)電路串聯(lián)電路，如圖，如圖6 610(10(b b) )。其中，。其中，RaRa為壓電元件的為壓電元件的漏電阻。漏電阻。 qq電極壓電晶體Ca山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第六章 壓電式傳感器 注意事項(xiàng)：注意事項(xiàng)： 如果用導(dǎo)線將壓電傳感器和測(cè)量?jī)x器連接時(shí)如果用導(dǎo)線將壓電傳感器和測(cè)量?jī)x器連接時(shí), ,則應(yīng)考慮連則應(yīng)考慮連接電纜的等效電容接電纜的等效電容, ,前置放大器的輸入電阻、輸入電容。前置放大器的輸入電阻、輸入電容。圖圖6 61010山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第六章 壓電式傳感器CaRaCcRiCiQ壓電傳感器的完整等壓電傳感器的完整等效電路效電路C Ca a傳感器的固有電容；傳

34、感器的固有電容；C Ci i 前置放大器輸入電容前置放大器輸入電容 ; ;C Cc c 連接電纜的電容連接電纜的電容; ;R Ra a傳感器的漏電阻傳感器的漏電阻; ;R Ri i前置放大器輸入電阻。前置放大器輸入電阻。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第六章 壓電式傳感器術(shù)語(yǔ)術(shù)語(yǔ)電壓靈敏度電壓靈敏度k ku u：?jiǎn)挝涣Ξa(chǎn)生的電壓；：?jiǎn)挝涣Ξa(chǎn)生的電壓；電荷靈敏度電荷靈敏度k kq q：?jiǎn)挝涣Ξa(chǎn)生的電荷。：?jiǎn)挝涣Ξa(chǎn)生的電荷。aquCkk/二者關(guān)系如下：山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第六章 壓電式傳感器二、測(cè)量電路二、測(cè)量電路 壓電式傳感器本身的內(nèi)阻很高壓電式傳感器本身的內(nèi)阻很高( (R Ra a10101010)，而輸

35、出的能，而輸出的能量信號(hào)又非常微弱，因此它的信號(hào)調(diào)理電路通常需要一個(gè)量信號(hào)又非常微弱，因此它的信號(hào)調(diào)理電路通常需要一個(gè)高輸入阻抗的高輸入阻抗的前置放大器前置放大器。前置放大器的作用：前置放大器的作用：u一是放大壓電元件的微弱信號(hào)；一是放大壓電元件的微弱信號(hào)；u二是阻抗變換（把壓電式傳感器的高輸出阻抗變換成低輸二是阻抗變換（把壓電式傳感器的高輸出阻抗變換成低輸出阻抗）。出阻抗）。前置放大器的形式前置放大器的形式：u一種是電壓放大器，它的輸出電壓與輸入電壓一種是電壓放大器，它的輸出電壓與輸入電壓( (傳感器的傳感器的輸出電壓輸出電壓) )成正比；成正比；u一種是電荷放大器，其輸出電壓與傳感器的輸出

36、電荷成正一種是電荷放大器，其輸出電壓與傳感器的輸出電荷成正比。比。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第六章 壓電式傳感器1 1、電壓放大器、電壓放大器 將圖將圖6 610b10b的電壓等效電路接到放大倍數(shù)為的電壓等效電路接到放大倍數(shù)為A A的運(yùn)放，的運(yùn)放，再簡(jiǎn)化可得電壓放大電路。再簡(jiǎn)化可得電壓放大電路。AACaCaRaRiCiCcCRUiUoUoU(a)(b)Ua山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第六章 壓電式傳感器圖（圖（b b）中，等效電阻）中，等效電阻R R為為iaiaRRRRRtFFmsin壓電元件所受作用力壓電元件所受作用力C=Cc+Ci等效電容為等效電容為若壓電元件材料是壓電陶瓷，其壓電系數(shù)為若壓電元件材料是

37、壓電陶瓷，其壓電系數(shù)為d d3333，則在外力作用下，壓電元件產(chǎn)生的電，則在外力作用下，壓電元件產(chǎn)生的電壓值為壓值為 tUumsinUmUm電壓幅值電壓幅值 F Fm m作用力的幅值作用力的幅值山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第六章 壓電式傳感器amamCFdCqU33aiCCRjRjFdU133由圖由圖( (b b) )可得放大器輸入端的電壓可得放大器輸入端的電壓u ui i，其復(fù)數(shù)形式為，其復(fù)數(shù)形式為 222331icamimCCCRRFdUU Ui i的幅值的幅值U Uimim為為山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第六章 壓電式傳感器icaCCCRarctan2輸入電壓與作用力之間的相位差輸入電壓與作用力之間的相

38、位差為為當(dāng)當(dāng)時(shí)，放大器輸入端電壓幅值為時(shí)，放大器輸入端電壓幅值為 icamimCCCFdU33傳感器的電壓靈敏度為傳感器的電壓靈敏度為 icamimuCCCdFUk33/山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第六章 壓電式傳感器結(jié)論：結(jié)論： 因電纜電容及放大器輸入電容的存在，靈敏度減小。如因電纜電容及放大器輸入電容的存在，靈敏度減小。如果更換電纜，電纜電容變化，靈敏度變化。因此，如果要果更換電纜，電纜電容變化，靈敏度變化。因此，如果要改變電纜長(zhǎng)度，必須重新對(duì)靈敏度校正。改變電纜長(zhǎng)度，必須重新對(duì)靈敏度校正。相對(duì)幅頻特性計(jì)算：相對(duì)幅頻特性計(jì)算：各電阻電容值?？筛鶕?jù)此式選擇與配置1時(shí)間常數(shù)要滿足下式：若下限頻率選定之

39、后，)(測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)，式中1)(1為，可以求得頻率下限21取)(1)()()(12221LicaicaLLicaicaimimCCCRCCCRkCCCRCCCRUUk山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第六章 壓電式傳感器壓電式傳感器的特點(diǎn)分析：壓電式傳感器的特點(diǎn)分析：（1 1）高頻相應(yīng)好；）高頻相應(yīng)好；（2 2）要擴(kuò)展低頻端，應(yīng)使時(shí)間常數(shù)）要擴(kuò)展低頻端，應(yīng)使時(shí)間常數(shù)增大。增大。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第六章 壓電式傳感器2 2、電荷放大器、電荷放大器n 電荷放大器是一個(gè)具有深度負(fù)反饋的高增益放大器，其基本電電荷放大器是一個(gè)具有深度負(fù)反饋的高增益放大器，其基本電路如圖路如圖a a所示，所示，C CF F、R

40、 RF F為反饋電路參數(shù)。此處運(yùn)用導(dǎo)納運(yùn)算。為反饋電路參數(shù)。此處運(yùn)用導(dǎo)納運(yùn)算。nC CF F、R RF F等效到等效到A A的輸入端時(shí)，電容的輸入端時(shí)，電容C CF F和電導(dǎo)和電導(dǎo)G GF F都增大都增大(1(1A A) )倍。倍。所以圖中所以圖中)1 ();1 (AGGACCFFFFACaUoa a）基本電路圖）基本電路圖iRaQCFRFUi山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第六章 壓電式傳感器n 若再考慮若再考慮C Cc c、C Ci i、R Ri i，則電荷放大器的等效電路圖如，則電荷放大器的等效電路圖如b b所示。輸出電壓所示。輸出電壓ioUAUFicaFiaoCACCCjGAGGQAjU)1 ()

41、1 (AGaCFUoUiQCaCcCiGiGFb b）等效電路圖）等效電路圖山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第六章 壓電式傳感器討論：討論：（1 1）當(dāng)）當(dāng)A A足夠大時(shí)足夠大時(shí), ,傳感器本身的電容和電纜長(zhǎng)短將不影傳感器本身的電容和電纜長(zhǎng)短將不影響電荷放大器的輸出。輸出電壓只決定于輸入電荷響電荷放大器的輸出。輸出電壓只決定于輸入電荷Q Q及及反饋回路的參數(shù)反饋回路的參數(shù)C CF F和和R RF F。（2 2）當(dāng)工作頻率很高（）當(dāng)工作頻率很高（即被測(cè)量為高頻信號(hào)即被測(cè)量為高頻信號(hào)），由于），由于G GF FCCa+Cc+Ci，式重寫(xiě)為： （6-22）當(dāng)足夠大時(shí)，可得 U=-Q/CF這個(gè)結(jié)果同式（6-18）

42、是一樣的。 011FjA R QUjAR CFicaFiaoCACCCjGAGGQAjU)1 ()1 (山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第六章 壓電式傳感器 將Q=CaU代入式（6-22） 設(shè)Ca=CF,并取U0/U= ，可得頻率下限為 將此式與式 相比， 如果R相同，CF與（Ca+Cc+Ci）數(shù)量級(jí)相近，則電荷放大器的低頻截止頻率將比電壓放大器降低A倍，而A又比較大，顯然是一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)。2/11)(1icaLCCCR)/(1FLARC山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第六章 壓電式傳感器 電荷放大器工作頻帶上限主要與兩種因素有關(guān)：一是運(yùn)算放大器的頻率響應(yīng)；二是若電纜很長(zhǎng)，雜散電容和電纜電容都會(huì)增加，導(dǎo)線自身的電阻也

43、增加，會(huì)影響電荷放大器的高頻特性，但影響不大。例如100m電纜的電阻僅幾歐到數(shù)十歐，故對(duì)頻率上限可以忽略。 電荷放大器雖允許使用很長(zhǎng)的電纜，且電容Ca變化不影響靈敏度，但它比電壓放大器價(jià)格高，電路較復(fù)雜，調(diào)整也比較困難。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第六章 壓電式傳感器 3.差動(dòng)式電荷放大器 高溫條件下工作的壓電傳感器，其本身的絕緣電阻會(huì)顯著下降，為避免地電場(chǎng)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的干擾，需要使壓電晶體與傳感器的底座絕緣，這就要求傳感器信號(hào)線采用雙線引出，且電纜外屏蔽線仍與傳感器底座相連。那么單端輸入式電荷放大器就無(wú)法滿足要求，需要采用差動(dòng)式輸入電荷放大器。雙點(diǎn)反饋式差動(dòng)電荷放大器原理框圖山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第六章

44、 壓電式傳感器 雙點(diǎn)反饋是負(fù)反饋以及用倒相后的輸出向正輸入端反饋。優(yōu)點(diǎn)：放大器增益基本不受從每個(gè)信號(hào)輸入線到公共地線電容平衡值或絕度值的影響。其輸入-輸出特性可用下式表示：Q12差動(dòng)輸入電荷120121211ffffQQuQQQCCCC山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第六章 壓電式傳感器 差動(dòng)電荷放大器優(yōu)點(diǎn)： 可與地絕緣的差動(dòng)式對(duì)稱輸出壓電傳感 器聯(lián)用，增加測(cè)試系統(tǒng)的抗干擾能力； 僅感受傳感器的差動(dòng)輸入電荷信號(hào)并將其轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)； 具有抑制共模電壓干擾的能力，并把雜散磁場(chǎng)和電纜噪聲的影響減至最小。 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第六章 壓電式傳感器第五節(jié)第五節(jié) 壓電式傳感器的應(yīng)用舉例壓電式傳感器的應(yīng)用舉例 特點(diǎn)：

45、特點(diǎn)：壓電式傳感器的高頻響應(yīng)好；若配備合適的電荷放壓電式傳感器的高頻響應(yīng)好；若配備合適的電荷放大器，低頻段可低至大器，低頻段可低至0.3Hz0.3Hz。常用來(lái)測(cè)量動(dòng)態(tài)參數(shù)，如振。常用來(lái)測(cè)量動(dòng)態(tài)參數(shù)，如振動(dòng)、加速度等。動(dòng)、加速度等。一、壓電式加速度傳感器一、壓電式加速度傳感器 1 1、單端中心壓縮式、單端中心壓縮式 組成：質(zhì)量塊組成：質(zhì)量塊1 1、 雙壓電晶體片雙壓電晶體片2 2、 引線引線3 3、底座、底座4 4。 公式：公式： Q QdFdFd dm ma a山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第六章 壓電式傳感器 常用的壓電式加速度計(jì)。結(jié)構(gòu)形式如圖所示。常用的壓電式加速度計(jì)。結(jié)構(gòu)形式如圖所示。S S是彈簧

46、，是彈簧，M M是質(zhì)塊，是質(zhì)塊，B B是基是基座，座，P P是壓電元件。壓電元件是壓電元件。壓電元件質(zhì)量塊質(zhì)量塊彈簧系統(tǒng)裝在圓形中心支柱上，支柱彈簧系統(tǒng)裝在圓形中心支柱上，支柱與基座連接。這種結(jié)構(gòu)有高的共振頻率。與基座連接。這種結(jié)構(gòu)有高的共振頻率。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第六章 壓電式傳感器 2 2、梁式、梁式 特點(diǎn)：采用壓電晶體彎曲變形方案，可測(cè)較小的加速度，靈敏度特點(diǎn)：采用壓電晶體彎曲變形方案，可測(cè)較小的加速度，靈敏度高，頻率下限低。高，頻率下限低。(b)(b)圖圖 3 3、挑擔(dān)剪切式、挑擔(dān)剪切式 壓電元件很好的與底座機(jī)械隔離，防底座彎曲和噪聲，壓電元件只壓電元件很好的與底座機(jī)械隔離，防底座彎

47、曲和噪聲，壓電元件只承受剪切力，可以有效削弱瞬變溫度引起的熱釋電效應(yīng)。承受剪切力，可以有效削弱瞬變溫度引起的熱釋電效應(yīng)。 (c) (c)圖圖 質(zhì)量塊質(zhì)量塊1 1、雙壓電晶體片、雙壓電晶體片2 2。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第六章 壓電式傳感器二、壓電式測(cè)力傳感器二、壓電式測(cè)力傳感器1、單向壓電測(cè)力傳感器、單向壓電測(cè)力傳感器l 石英晶片：石英晶片：縱向壓電效應(yīng)；采用縱向壓電效應(yīng)；采用X X零度切型（零度切型（即晶片面與即晶片面與X X軸垂直的切軸垂直的切割，或者說(shuō)晶片厚度沿割，或者說(shuō)晶片厚度沿X X軸方向，長(zhǎng)度沿軸方向，長(zhǎng)度沿Y Y軸方向軸方向）；取電荷的電極為）；取電荷的電極為與與X X軸垂直的上下

48、底面，晶片尺寸為軸垂直的上下底面，晶片尺寸為881 1毫米，許用壓力毫米，許用壓力151510105 5PaPa；量程幾量程幾kNkN10105 5 kNkN時(shí)，輸出并聯(lián)受力串聯(lián)。時(shí)，輸出并聯(lián)受力串聯(lián)。 l 上蓋（蓋板）：上蓋（蓋板）：傳力元件，它的變形壁的厚度只有傳力元件，它的變形壁的厚度只有0.10.10.50.5毫米；毫米；l 金屬基座金屬基座l 絕緣環(huán)：絕緣環(huán)：聚四氟材料；聚四氟材料；l 焊縫：焊縫：電子束焊接。電子束焊接。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第六章 壓電式傳感器2 2、三向壓電測(cè)力傳感器、三向壓電測(cè)力傳感器l 基本結(jié)構(gòu)同單向測(cè)力傳感器；基本結(jié)構(gòu)同單向測(cè)力傳感器；l 壓電元件由三對(duì)不同

49、切型的石英片組成，中間一對(duì)由于具有縱向壓電壓電元件由三對(duì)不同切型的石英片組成，中間一對(duì)由于具有縱向壓電效應(yīng)，可以測(cè)得主切削力效應(yīng)，可以測(cè)得主切削力P Pz z；另外兩對(duì)具有切向效應(yīng)，方向互成；另外兩對(duì)具有切向效應(yīng)，方向互成9090，可以測(cè)量徑向力可以測(cè)量徑向力P Py y與進(jìn)給力與進(jìn)給力P Px x。l 當(dāng)空間任何方向的力作用在傳感器上時(shí)，便能自動(dòng)的分解成三個(gè)互相當(dāng)空間任何方向的力作用在傳感器上時(shí)，便能自動(dòng)的分解成三個(gè)互相垂直的分力。垂直的分力。 電子束焊接山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第六章 壓電式傳感器山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第六章 壓電式傳感器X XZ ZY Yq1=d11q1=d11 1 1山東理工

50、大學(xué)機(jī)械學(xué)院第六章 壓電式傳感器X XZ ZY Yq2=d26q2=d26 6 6山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第六章 壓電式傳感器X XZ ZY Yq2=d26q2=d26 6 6山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第六章 壓電式傳感器 三、三、壓電式流量計(jì)壓電式流量計(jì) 利用超聲波在順流方向和逆流方向的傳播速度進(jìn)行測(cè)量。其測(cè)量裝置是在管外利用超聲波在順流方向和逆流方向的傳播速度進(jìn)行測(cè)量。其測(cè)量裝置是在管外設(shè)置兩個(gè)相隔一定距離的收發(fā)兩用壓電超聲換能器，每隔一段時(shí)間設(shè)置兩個(gè)相隔一定距離的收發(fā)兩用壓電超聲換能器，每隔一段時(shí)間( (如如1/ /100s) )，發(fā)，發(fā)射和接收互換一次。在順流和逆流的情況下，發(fā)射和接收的相位差與

51、流速成正比。射和接收互換一次。在順流和逆流的情況下，發(fā)射和接收的相位差與流速成正比。據(jù)這個(gè)關(guān)系，可精確測(cè)定流速。流速與管道橫截面積的乘積等于流量。據(jù)這個(gè)關(guān)系，可精確測(cè)定流速。流速與管道橫截面積的乘積等于流量。 流量顯示流量顯示1789輸出信號(hào)輸出信號(hào)換能器換能器換能器換能器接收接收接收接收發(fā)射發(fā)射發(fā)射發(fā)射壓電式流量計(jì)壓電式流量計(jì)此流量計(jì)可測(cè)量各種液體的流速，中壓此流量計(jì)可測(cè)量各種液體的流速，中壓和低壓氣體的流速，不受該流體的導(dǎo)電和低壓氣體的流速，不受該流體的導(dǎo)電率、粘度、密度、腐蝕性以及成分的影率、粘度、密度、腐蝕性以及成分的影響。其準(zhǔn)確度可達(dá)響。其準(zhǔn)確度可達(dá)0.5%，有的可達(dá)到，有的可達(dá)到0.01%。根據(jù)發(fā)射和接收的相位差隨海洋深度的變化，測(cè)量聲速根據(jù)發(fā)射和接收的相位差隨海洋深度的變化，測(cè)量聲速隨深度的分布情況隨深度的分布情況山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第六章 壓電式傳感器壓電式傳感器在自來(lái)水管道測(cè)漏中的應(yīng)用壓電式傳感器在自來(lái)水管道測(cè)漏中的應(yīng)用 如果地面下有一條均勻的直管道某處如果地面下有一條均勻的直管道某處O點(diǎn)為漏點(diǎn)，振動(dòng)聲音從點(diǎn)為漏點(diǎn)，振動(dòng)聲音從O點(diǎn)