傳感器原理及應(yīng)用-第6章-壓電式傳感器剖析課件

第六章壓電式傳感器壓電式傳感器的定義利用壓電材料的壓電效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能相互轉(zhuǎn)換的傳感器。壓電式傳感器的感測量動(dòng)態(tài)力、機(jī)械沖擊和振動(dòng)，在聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、導(dǎo)航方面應(yīng)用廣泛。壓電式傳感器的種類根據(jù)工作原理：正壓電效應(yīng)型和逆壓電效應(yīng)型。壓電效應(yīng)

被測非電量電壓值測量電路U、I電荷值第六章壓電式傳感器壓電式傳感器的定義壓電被測非電量電

第六章壓電式傳感器壓電加速度計(jì)壓電陶瓷超聲換能器壓電陶瓷位移器壓電秤重浮游計(jì)壓電警號(hào)第六章壓電式傳感器壓電加速度計(jì)壓電陶瓷超聲換能器壓電6.1

壓電效應(yīng)6.2

壓電材料6.3壓電式傳感器等效電路6.4壓電式傳感器測量電路6.5壓電式傳感器應(yīng)用

第六章壓電式傳感器6.1壓電效應(yīng)第六章壓電式傳感器一、壓電效應(yīng)的基本概念§6.1壓電效應(yīng)1、正壓電效應(yīng)某些物質(zhì)沿某一方向受到外力作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生變形，同時(shí)內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，在這種材料的兩個(gè)表面產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。FF＋＋＋＋＋＋－－－－－－F=0F－－－－－－＋＋＋＋＋＋F當(dāng)作用力方向改變時(shí)，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“正壓電效應(yīng)”或“順壓電效應(yīng)”。一、壓電效應(yīng)的基本概念§6.1壓電效應(yīng)1、正壓電效應(yīng)FF一、壓電效應(yīng)的基本概念§6.1壓電效應(yīng)2、逆壓電效應(yīng)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)外加電場撤去時(shí)，這些變形或應(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“逆壓電效應(yīng)”或“電致伸縮效應(yīng)”。壓電元件機(jī)械能電能應(yīng)力應(yīng)變電荷電場3、壓電效應(yīng)的特點(diǎn)（1）壓電效應(yīng)具有可逆性一、壓電效應(yīng)的基本概念§6.1壓電效應(yīng)2、逆壓電效應(yīng)壓電一、壓電效應(yīng)的基本概念§6.1壓電效應(yīng)3、壓電效應(yīng)的特點(diǎn)（2）具有瞬時(shí)性當(dāng)力的方向改變時(shí)，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動(dòng)態(tài)力的頻率相同。（3）具有不穩(wěn)定性當(dāng)動(dòng)態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時(shí)，電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失。一、壓電效應(yīng)的基本概念§6.1壓電效應(yīng)3、壓電效應(yīng)的特點(diǎn)二、壓電效應(yīng)的基本原理§6.1壓電效應(yīng)壓電單晶體：石英(包括天然石英和人造石英)、水溶性壓電晶體(包括酒石酸鉀鈉、酒石酸乙烯二銨、酒石酸二鉀、硫酸錘等)。常見的壓電材料可分為兩類：壓電單晶體和多晶體壓電陶瓷。多晶體壓電陶瓷：鈦酸鋇壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷、鈮酸鹽系壓電陶瓷和鈮鎂酸鉛壓電陶瓷等。天然石英壓電陶瓷二、壓電效應(yīng)的基本原理§6.1壓電效應(yīng)壓電單晶體：常見的二、壓電效應(yīng)的基本原理§6.1壓電效應(yīng)天然石英晶體，結(jié)構(gòu)形狀為一個(gè)六角形晶柱，兩端為一對稱的棱錐。在晶體學(xué)中，用三根互相垂直的軸建立描述晶體結(jié)構(gòu)形狀的坐標(biāo)系?？v軸Z稱為光軸，通過六棱線而垂直于光鈾的X鈾稱為電軸，與X-X軸和Z-Z軸垂直的Y-Y軸(垂直于六棱柱體的棱面)稱為機(jī)械軸。1、石英晶體壓電效應(yīng)二、壓電效應(yīng)的基本原理§6.1壓電效應(yīng)天然石英晶體，結(jié)構(gòu)如果從石英晶體中切下一個(gè)平行六面體并使其晶面分別平行于Z-Z、Y-Y、X-X軸線。晶片在正常情況下呈現(xiàn)電性。二、壓電效應(yīng)的基本原理§6.1壓電效應(yīng)1、石英晶體壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng)：沿電軸(X軸)方向的作用力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)。橫向壓電效應(yīng)：沿機(jī)械軸(Y軸)方向的作用力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)切向壓電效應(yīng)：沿相對兩棱加力時(shí)產(chǎn)生的壓電效應(yīng)。沿光軸(Z軸)方向的作用力不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。壓電式傳感器主要是利用縱向壓電效應(yīng)。

如果從石英晶體中切下一個(gè)平行六面體并使其晶面分別平行于Z-Z二、壓電效應(yīng)的基本原理§6.1壓電效應(yīng)

2、石英晶體壓電效應(yīng)的微觀機(jī)理+xy++---

二、壓電效應(yīng)的基本原理§6.1壓電效應(yīng)

2、石英晶體壓電二、壓電效應(yīng)的基本原理§6.1壓電效應(yīng)

2、石英晶體壓電效應(yīng)的微觀機(jī)理

Fx=0xy+P1P2P3--++-Fx<0x+Fxy+--P1P2P3--++-+++--二、壓電效應(yīng)的基本原理§6.1壓電效應(yīng)

2、石英晶體壓電FxFx<0x+Fxy+--P1P2P3--++-+++--二、壓電效應(yīng)的基本原理§6.1壓電效應(yīng)

2、石英晶體壓電效應(yīng)的微觀機(jī)理在x軸的正向出現(xiàn)正電荷，在y、z方向不出現(xiàn)電荷。FxFx<0x+Fxy+--P1P2P3--++-二、壓電效應(yīng)的基本原理§6.1壓電效應(yīng)2、石英晶體壓電效應(yīng)的微觀機(jī)理在x軸的正向出現(xiàn)負(fù)電荷，在y、z方向依然不出現(xiàn)電荷。----Fx>0yx+++FxFxP2P3P1+++--+

二、壓電效應(yīng)的基本原理§6.1壓電效應(yīng)2、石英晶體壓電效二、壓電效應(yīng)的基本原理§6.1壓電效應(yīng)

2、石英晶體壓電效應(yīng)的微觀機(jī)理

FyFy二、壓電效應(yīng)的基本原理§6.1壓電效應(yīng)

2、石英晶體壓電二、壓電效應(yīng)的基本原理§6.1壓電效應(yīng)d11—壓電系數(shù)。下標(biāo)的意義為產(chǎn)生電荷的面的軸向及施加作用力的軸向；a、b、c—石英晶片的長度、厚度和寬度。3、石英晶體壓電效應(yīng)作用力與電荷關(guān)系若從晶體上沿y方向切下一塊晶片，當(dāng)沿電軸x方向施加應(yīng)力時(shí)，晶片將產(chǎn)生厚度變形，并發(fā)生極化現(xiàn)象。在晶體線性彈性范圍內(nèi)，極化強(qiáng)度與應(yīng)力成正比。在垂直于x軸晶面上產(chǎn)生的電荷量為yxzOxzyacb二、壓電效應(yīng)的基本原理§6.1壓電效應(yīng)d11—壓電系數(shù)。二、壓電效應(yīng)的基本原理§6.1壓電效應(yīng)d11=-d12

，石英晶體軸對稱條件。若在同一切片上，沿機(jī)械軸y方向施加應(yīng)力，則仍在與x軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷為yxzOxzyacb產(chǎn)生電荷q11和q12的符號(hào)，決定于受壓力還是受拉力。3、石英晶體壓電效應(yīng)作用力與電荷關(guān)系二、壓電效應(yīng)的基本原理§6.1壓電效應(yīng)d11=-d1二、壓電效應(yīng)的基本原理§6.1壓電效應(yīng)

4、石英晶體壓電效應(yīng)特點(diǎn)二、壓電效應(yīng)的基本原理§6.1壓電效應(yīng)

4、石英晶體壓電壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。材料內(nèi)部的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇，有一定的極化方向，從而存在電場。二、壓電效應(yīng)的基本原理§6.1壓電效應(yīng)5、壓電陶瓷的壓電效應(yīng)極化處理前極化處理后在無外電場作用時(shí)，電疇在晶體中雜亂分布，各自的極化效應(yīng)被相互抵消，壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零。因此，原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質(zhì)。壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。二、壓電效應(yīng)的基本原理§在陶瓷上施加外電場時(shí)，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，趨向于按外電場方向的排列，從而使材料得到極化。外電場強(qiáng)度大到使材料的極化達(dá)到飽和的程度，即所有電疇極化方向都整齊地與外電場方向一致時(shí)，當(dāng)外電場去掉后，電疇的極化方向基本不變化，即剩余極化強(qiáng)度很大，這時(shí)材料才具有壓電特性。

二、壓電效應(yīng)的基本原理§6.1壓電效應(yīng)5、壓電陶瓷的壓電效應(yīng)極化處理前極化處理后極化處理后壓電陶瓷才具有壓電特性。在陶瓷上施加外電場時(shí)，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，趨向于按外電場陶瓷片內(nèi)的極化強(qiáng)度總是以電偶極矩的形式表現(xiàn)出來：在陶瓷的一端出現(xiàn)正束縛電荷，另一端出現(xiàn)負(fù)束縛電荷。二、壓電效應(yīng)的基本原理§6.1壓電效應(yīng)5、壓電陶瓷的壓電效應(yīng)陶瓷片內(nèi)束縛電荷與電極上吸附的自由電荷示意圖極化方向-----＋＋＋＋＋自由電荷束縛電荷電極-----＋＋＋＋＋由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的電極面上吸附了一層來自外界的自由電荷。這些自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電荷符號(hào)相反而數(shù)量相等，屏蔽和抵消了陶瓷片內(nèi)極化強(qiáng)度對外界的作用。因此，無外力或外場作用時(shí)，極化處理后的壓電陶瓷也表現(xiàn)不出來對外界的電場或應(yīng)力。陶瓷片內(nèi)的極化強(qiáng)度總是以電偶極矩的形式表現(xiàn)出來：二、壓電效應(yīng)-----＋＋＋＋＋-----＋＋＋＋＋極化方向（1）正壓電效應(yīng)在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向平行的壓力F，陶瓷片產(chǎn)生壓縮形變。片內(nèi)的正、負(fù)束縛電荷之間的距離變小，極化強(qiáng)度也變小。釋放部分吸附在電極上的自由電荷，而出現(xiàn)放電現(xiàn)象。二、壓電效應(yīng)的基本原理§6.1壓電效應(yīng)5、壓電陶瓷的壓電效應(yīng)當(dāng)壓力撤消后，陶瓷片恢復(fù)原狀，極化強(qiáng)度也變大。因此，電極上又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。這些過程出現(xiàn)的電現(xiàn)象為正壓電效應(yīng)。F－＋-----＋＋＋＋＋-----＋＋＋＋＋極化方向－＋-----＋＋＋＋＋-Ｅ電場方向極化方向-----＋＋＋＋＋-----＋＋＋＋＋（2）逆壓電效應(yīng)若在壓電陶瓷片上加一個(gè)與極化方向相同的電場，電場的作用使極化強(qiáng)度增大。陶瓷片內(nèi)的正、負(fù)束縛電荷之間距離也增大，即陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生伸長形變。二、壓電效應(yīng)的基本原理§6.1壓電效應(yīng)5、壓電陶瓷的壓電效應(yīng)同理，如果外加電場的方向與極化方向相反，則陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生縮短形變。這種由于電效應(yīng)而轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械效應(yīng)，或者由電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的現(xiàn)象，就是壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)或電致伸縮效應(yīng)。Ｅ電場方向極化方向-----＋＋（3）電荷量與作用力的關(guān)系與石英晶體不同，通常取壓電陶瓷的極化方向?yàn)閦軸，垂直于z軸的平面上任何直線都可作為x或y軸。二、壓電效應(yīng)的基本原理§6.1壓電效應(yīng)5、壓電陶瓷的壓電效應(yīng)d33為壓電陶瓷的壓電系數(shù)。因此，在z軸方向上受力時(shí)，在極化方向上出現(xiàn)電荷，與壓電陶瓷幾何尺寸無關(guān)。y----++++FzFzxz縱向變形當(dāng)壓電陶瓷在沿極化方向受力時(shí)，則在垂直于z軸的上、下兩表面上將會(huì)出現(xiàn)電荷，電荷量q與作用力Fz成正比，即（3）電荷量與作用力的關(guān)系二、壓電效應(yīng)的基本原理§6.1壓

二、壓電效應(yīng)的基本原理§6.1壓電效應(yīng)5、壓電陶瓷的壓電效應(yīng)Az極化面面積；Ax、Ay受力面面積；d32、d31壓電陶瓷的橫向壓電系數(shù)。y----++++FyFyxz橫向變形y----++++FxFxxz橫向變形

二、壓電效應(yīng)的基本原理§6.1壓電效應(yīng)5、壓電陶瓷的壓

二、壓電效應(yīng)的基本原理§6.1壓電效應(yīng)5、壓電陶瓷的壓電效應(yīng)y----++++FzFzxzFyFyxyzFx++++----FzFyFyxyzFxFz++++----縱向變形橫向變形體積變形因此，無論在什么方向上施加作用力產(chǎn)生壓縮形變時(shí)，壓電陶瓷的正、逆壓電效應(yīng)只出現(xiàn)在其極化方向。

二、壓電效應(yīng)的基本原理§6.1壓電效應(yīng)5、壓電陶瓷的壓6.1

壓電效應(yīng)6.2

壓電材料6.3壓電式傳感器等效電路6.4壓電式傳感器測量電路6.5壓電式傳感器應(yīng)用

第六章壓電式傳感器6.1壓電效應(yīng)第六章壓電式傳感器（1）轉(zhuǎn)換性能：要求具有較大的壓電常數(shù)。（2）機(jī)械性能：機(jī)械強(qiáng)度高、剛度大。（3）電性能：高電阻率和大介電常數(shù)。（4）環(huán)境適應(yīng)性：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。（5）時(shí)間穩(wěn)定性：要求壓電性能不隨時(shí)間變化。一、壓電材料應(yīng)具備主要特性§6.2壓電材料

二、石英晶體石英晶體在幾百℃的溫度范圍內(nèi)，介電常數(shù)和壓電系數(shù)幾乎不隨溫度而變化。當(dāng)溫度超過573℃居里點(diǎn)時(shí)，石英晶體完全喪失壓電特性。石英晶體的突出優(yōu)點(diǎn)：性能非常穩(wěn)定，有很大的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定的機(jī)械性能。但石英材料價(jià)格昂貴，且壓電系數(shù)比壓電陶瓷低得多。因此一般僅用于標(biāo)準(zhǔn)儀器或要求較高的傳感器中。（1）轉(zhuǎn)換性能：要求具有較大的壓電常數(shù)。一、壓電材料應(yīng)具備主石英晶體的兩種類型：天然和人工培養(yǎng)。人工培養(yǎng)的石英晶體的物理和化學(xué)性質(zhì)幾乎與天然石英晶體沒有區(qū)別，因此目前廣泛應(yīng)用成本較低的人造石英晶體。二、石英晶體§6.2壓電材料

天然人造晶片石英是一種各向異性晶體：按不同方向切割的晶片，其物理性質(zhì)（如彈性、壓電效應(yīng)、溫度特性等）相差很大。在設(shè)計(jì)石英傳感器時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同使用要求正確地選擇石英片的切型。石英晶體的兩種類型：二、石英晶體§6.2壓電材料天然人造壓電陶瓷主要有鈦酸鋇壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷等。（1）鈦酸鋇壓電陶瓷鈦酸鋇（BaTiO3）是由碳酸鋇（BaCO3）和二氧化鈦（TiO2）按1:1分子比例在高溫下合成的壓電陶瓷。優(yōu)點(diǎn)：介電常數(shù)和壓電系數(shù)大（約為石英晶體的50倍）。缺點(diǎn)：居里點(diǎn)溫度低（120℃），溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度不如石英晶體。三、壓電陶瓷§6.2壓電材料

（2）鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷鋯鈦酸鉛（PZT）是由PbTiO3和PbZrO3組成的固溶體Pb（Zr、Ti）O3。與鈦酸鋇相比，壓電系數(shù)更大，居里點(diǎn)溫度在300℃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。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）還可獲得不同性能的PZT材料。鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷是目前壓電式傳感器中應(yīng)用最廣泛的壓電材料。壓電陶瓷主要有鈦酸鋇壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷等。三、壓電壓電半導(dǎo)體材料有ZnO、CdS、CdTe等，這種力敏器件具有靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。用ZnO作為表面聲波振蕩器的壓電材料，可檢測力和溫度等參數(shù)。四、新型壓電材料§6.2壓電材料

1、壓電半導(dǎo)體材料某些合成高分子聚合物薄膜經(jīng)延展拉伸和電場極化后，具有一定的壓電性能，這類薄膜稱為高分子壓電薄膜，有聚二氟乙烯PVF2、聚氟乙烯PVF、聚氯乙烯PVC等。2、高分子壓電材料高分子壓電材料是一種柔軟的壓電材料，不易破碎，可大量生產(chǎn)和制成較大的面積。高分子壓電薄膜拉制壓電半導(dǎo)體材料有ZnO、CdS、CdTe等，這種力敏器件具有四、新型壓電材料§6.2壓電材料

高分子壓電材料特點(diǎn)：柔軟；抗拉強(qiáng)度高；電阻大、擊穿強(qiáng)度高；穩(wěn)定性好。高分子化合物參雜壓電陶瓷粉末，兩者優(yōu)點(diǎn)合一。高分子壓電材料應(yīng)用：大面積陣列傳感器、人工皮膚。2、高分子壓電材料高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭（逆壓電效應(yīng)）高分子壓電薄膜壓電式腳踏開關(guān)高分子壓電薄膜和電纜四、新型壓電材料§6.2壓電材料高分子壓電材料特點(diǎn)：2、6.1

壓電效應(yīng)6.2

壓電材料6.3壓電式傳感器等效電路6.4壓電式傳感器測量電路6.5壓電式傳感器應(yīng)用

第六章壓電式傳感器6.1壓電效應(yīng)第六章壓電式傳感器壓電式傳感器基本原理：壓電材料的壓電效應(yīng)，即當(dāng)有力作用在壓電材料上時(shí)，傳感器就有電荷或電壓輸出。一、壓電式傳感器的測量特性§6.3壓電式傳感器等效電路

壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測量：外力作用在壓電材料上產(chǎn)生的電荷只有在無泄漏的情況下才能保存，需要測量回路具有無限大的輸入阻抗，這實(shí)際上是不可能的。壓電式傳感器適用于動(dòng)態(tài)測量：壓電材料在交變力的作用下，電荷可以不斷補(bǔ)充，以供給測量回路一定的電流。無鉛壓電陶瓷及換能器雙面鍍銀封裝石英晶片壓電式傳感器基本原理：壓電材料的壓電效應(yīng)，即當(dāng)有力作用在壓電壓電式傳感器在有些測量中需要預(yù)載：壓電式傳感器在測量低壓力時(shí)線性度不好，這主要是傳感器受力系統(tǒng)中力傳遞系數(shù)為非線性所致，即低壓力下力的傳遞損失較大。為此，在力傳遞系統(tǒng)中加入預(yù)加力，稱預(yù)載。預(yù)載除了消除低壓力使用中的非線性外，還可以消除傳感器內(nèi)外接觸表面的間隙，提高剛度。一、壓電式傳感器的測量特性§6.3壓電式傳感器等效電路

拉力和拉、壓交變力及剪力和扭矩，只有在加預(yù)載后才能用壓電式傳感器測量。各種壓電式傳感器壓電式傳感器在有些測量中需要預(yù)載：壓電式傳感器在測量低壓力時(shí)單片壓電元件產(chǎn)生的電荷量甚微，為了提高壓電傳感器的輸出靈敏度，在實(shí)際應(yīng)用中常采用兩片或兩片以上同型號(hào)的壓電元件粘結(jié)在一起。常見粘結(jié)兩種方法：并聯(lián)和串聯(lián)。

二、壓電元件的連接方式§6.3壓電式傳感器等效電路

1、壓電元件的并聯(lián)連接兩片壓電晶片的負(fù)電荷集中在中間電極上，正電荷集中在兩側(cè)的電極上，傳感器的電容量大、輸出電荷量大、時(shí)間常數(shù)也大，故這種傳感器適用于測量緩變信號(hào)及電荷量輸出信號(hào)。外力作用下正負(fù)電極上的電荷量增加了1倍，電容量也增加了1倍，輸出電壓與單片時(shí)相同。++－－－+單片壓電元件產(chǎn)生的電荷量甚微，為了提高壓電傳感器的輸出靈敏度二、壓電元件的連接方式§6.3壓電式傳感器等效電路

2、壓電元件的串聯(lián)連接正電荷集中于上極板，負(fù)電荷集中于下極板，傳感器本身的電容量小、響應(yīng)快、輸出電壓大。這種傳感器適用于測量以電壓作輸出的信號(hào)和頻率較高的信號(hào)。并聯(lián)接法適宜用在測量慢變信號(hào)并且以電荷作為輸出量的場合。串聯(lián)接法適宜用于以電壓作為輸出信號(hào)，并且測量電路輸入阻抗很高的場合。

+－－+－+外力作用下正負(fù)電極上的電荷量與單片時(shí)相同，輸出電壓增加了1倍，電容量為單片時(shí)的1/2倍。二、壓電元件的連接方式§6.3壓電式傳感器等效電路2、壓當(dāng)壓電晶體承受應(yīng)力作用時(shí)，在其兩個(gè)極面上出現(xiàn)極性相反但電量相等的電荷。壓電傳感器看成一個(gè)電荷源與一個(gè)電容并聯(lián)的電荷發(fā)生器。電容量為三、壓電式傳感器的等效電路§6.3壓電式傳感器等效電路

1、電荷源等效電路qCa電荷源等效電路當(dāng)壓電晶體承受應(yīng)力作用時(shí)，在其兩個(gè)極面上出現(xiàn)極性相反但電量相當(dāng)兩極板聚集異性電荷時(shí)，板間就呈現(xiàn)出一定的電壓。壓電傳感器也可看成一個(gè)電壓與一個(gè)電容串聯(lián)的電壓源。電壓為三、壓電式傳感器的等效電路§6.3壓電式傳感器等效電路

2、電壓源等效電路電壓源等效電路UaCa當(dāng)兩極板聚集異性電荷時(shí)，板間就呈現(xiàn)出一定的電壓。三、壓電式傳實(shí)際使用時(shí)，壓電傳感器通過導(dǎo)線與測量儀器相連接，連接導(dǎo)線的等效電容CC、外加放大器的輸入電阻Ri、輸入電容Ci對電路的影響就必須一起考慮進(jìn)去。當(dāng)考慮了壓電元件的絕緣電阻Ra以后，壓電傳感器完整的等效電路可表示成電壓等效電路和電荷等效電路。三、壓電式傳感器的等效電路§6.3壓電式傳感器等效電路

3、實(shí)際使用的電荷源和電壓源等效電路等效電壓源等效電荷源這兩種等效電路是完全等效的。實(shí)際使用時(shí)，壓電傳感器通過導(dǎo)線與測量儀器相連接，連接導(dǎo)線的等6.1

壓電效應(yīng)6.2

壓電材料6.3壓電式傳感器等效電路6.4壓電式傳感器測量電路6.5壓電式傳感器應(yīng)用

第六章壓電式傳感器6.1壓電效應(yīng)第六章壓電式傳感器前置放大器的作用：一是將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；二是放大傳感器輸出的微弱電信號(hào)。壓電式傳感器本身內(nèi)阻抗很高，輸出電信號(hào)很微弱，通常先把傳感器信號(hào)先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經(jīng)過阻抗交換以后，方可用一般的放大檢波電路再將信號(hào)輸入到指示儀表或記錄器中?！?.4壓電式傳感器測量電路

前置放大器的形式：用電阻反饋的電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓(即傳感器的輸出)成正比；用帶電容板反饋的電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。高阻抗輸入的前置放大器是測量電路的關(guān)鍵。電荷放大器電路的電纜長度變化影響不大，幾乎可以忽略不計(jì)，故而電荷放大器應(yīng)用日益廣泛。前置放大器的作用：壓電式傳感器本身內(nèi)阻抗很高，輸出電信號(hào)很微在等效電路中，電阻R=ReRi/(Re+Ri),電容C=Ce+Ci，而ua=q/Ca，若壓電元件受正弦作用力為一、電壓放大器（阻抗變換器）§6.4壓電式傳感器測量電路

1、電壓放大器電路原理壓電元件電壓為輸入等效電路電壓放電器原理電路Um=dFm/Ca壓電元件輸出電壓幅值，d壓電系數(shù)。在等效電路中，電阻R=ReRi/(Re+Ri),電容C=Ce運(yùn)算放大器輸入阻抗極高，放大器輸入端幾乎沒有分流，故可等效成略去Ra和Ri并聯(lián)電阻的電路。二、電荷放大器§6.4壓電式傳感器測量電路

電荷放大器是一種輸出電壓與輸入電荷量成正比的前置放大器。利用電容作反饋元件的深度負(fù)反饋的高增益運(yùn)放。通常A=104~108，當(dāng)滿足(1+A)Cr>>Ca+Cc+Ci時(shí)，則有1、電荷放電器輸出電壓電荷放大器等效電路反饋電容Cr折合到放大器輸入端的有效電容為(1+A)Cr。電荷放大器的輸出電壓為運(yùn)算放大器輸入阻抗極高，放大器輸入端幾乎沒有分流，故可等效二、電荷放大器§6.4壓電式傳感器測量電路

電荷放大器輸出電壓2、電荷放電器的特點(diǎn)（1）電荷放大器的輸出電壓只取決于輸入電荷與反饋電容，與電纜電容無關(guān)，且與電荷成正比。（2）采用電荷放大器時(shí)，即使連接電纜長度在百米以上，靈敏度也無明顯變化，這是電荷放大器的最大特點(diǎn)。（4）為了得到必要的測量精度，要求反饋電容Cr的溫度和時(shí)間穩(wěn)定性都很好。在實(shí)際電路中，考慮到不同的量程等因素，Cr的容量做成可選擇的，范圍一般為102~104pF。（3）電路復(fù)雜，價(jià)格昂貴。二、電荷放大器§6.4壓電式傳感器測量電路電荷放大器輸出6.1

壓電效應(yīng)6.2

壓電材料6.3壓電式傳感器等效電路6.4壓電式傳感器測量電路6.5壓電式傳感器應(yīng)用

第六章壓電式傳感器6.1壓電效應(yīng)第六章壓電式傳感器§6.5

壓電式傳感器應(yīng)用

壓電式傳感器主要測量動(dòng)態(tài)力、機(jī)械沖擊和振動(dòng)，在聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、導(dǎo)航方面應(yīng)用廣泛。1、壓電式力傳感器壓電式單向測力傳感器的結(jié)構(gòu)，主要由石英晶片、絕緣套、電極、上蓋及基座等組成。傳感器上蓋為傳力元件，外緣壁厚為0.1~0.5mm，當(dāng)外力作用時(shí)，產(chǎn)生彈性變形，將力傳遞到石英晶片上。利用壓電效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)力—電轉(zhuǎn)換?！?.5壓電式傳感器應(yīng)用壓電式傳感器主要測量動(dòng)態(tài)力、機(jī)§6.5

壓電式傳感器應(yīng)用

2、壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)，主要由壓電元件、質(zhì)量塊、預(yù)壓彈簧、基座及外殼等組成。整個(gè)部件裝在外殼內(nèi)，并由螺栓加以固定。當(dāng)壓電式加速度傳感器和被測物一起受到?jīng)_擊振動(dòng)時(shí)，壓電元件受質(zhì)量塊慣性力的作用。慣性力作用于壓電元件上，產(chǎn)生電荷。輸出電荷與加速度成正比。因此，根據(jù)加速度傳感器輸出電荷便可知加速度的大小。§6.5壓電式傳感器應(yīng)用2、壓電式加速度傳感器壓電式加§6.5

壓電式傳感器應(yīng)用

3、壓電式聲傳感器當(dāng)交變信號(hào)加在壓電陶瓷片兩端面時(shí)，因壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，陶瓷片會(huì)在電極方向產(chǎn)生周期性的伸長和縮短，產(chǎn)生振動(dòng)發(fā)射聲波。如果換能器中壓電陶瓷的振蕩頻率在超聲波范圍，則發(fā)射或接收的聲頻信號(hào)即為超聲波。這樣的換能器稱為壓電超聲換能器。鋁頭螺釘黃銅尾部壓電陶瓷圓環(huán)當(dāng)一定頻率的聲頻信號(hào)加在壓電陶瓷片上時(shí)，壓電陶瓷片受到外力作用而產(chǎn)生壓縮變形，壓電陶瓷上因正壓電效應(yīng)出現(xiàn)充、放電現(xiàn)象，聲頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成交變電信號(hào)，接收聲頻信號(hào)。§6.5壓電式傳感器應(yīng)用3、壓電式聲傳感器當(dāng)交變信號(hào)加§6.5

壓電式傳感器應(yīng)用

4、壓電式流量計(jì)超聲波流量計(jì)：壓電超聲換能器每隔一段時(shí)間（如1/100s）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流速成正比。流量顯示輸出信號(hào)換能器換能器接收接收發(fā)射發(fā)射§6.5壓電式傳感器應(yīng)用4、壓電式流量計(jì)超聲波流量計(jì)：§6.5

壓電式傳感器應(yīng)用

5、壓電式傳感器管道檢漏地面下一均勻的自來水直管道某處O發(fā)生漏水，水漏引起的振動(dòng)從O點(diǎn)向管道兩端傳播，在管道上A、B兩點(diǎn)放兩只壓電傳感器，從兩個(gè)傳感器接收到的由O點(diǎn)傳來的t0時(shí)刻發(fā)出的振動(dòng)信號(hào)所用時(shí)間差可計(jì)算出LA或LB。地面ABO點(diǎn)LALBL§6.5壓電式傳感器應(yīng)用5、壓電式傳感器管道檢漏地面下§6.5

壓電式傳感器應(yīng)用

6、石英晶體振蕩器（晶振）§6.5壓電式傳感器應(yīng)用6、石英晶體振蕩器（晶振）§6.5

壓電式傳感器應(yīng)用

7、壓電式玻璃破碎報(bào)警裝置高分子壓電測振薄膜粘貼在玻璃上，可以感受到玻璃破碎時(shí)會(huì)發(fā)出的振動(dòng)，并將電壓信號(hào)傳送給集中報(bào)警系統(tǒng)。厚約0.2mm左右的PVDF薄膜裁制成10×20mm大小。用瞬干膠粘貼在玻璃上。當(dāng)玻璃遭暴力打碎的瞬間，壓電薄膜感受到劇烈振動(dòng)，表面產(chǎn)生電荷，在兩個(gè)輸出引腳之間產(chǎn)生窄脈沖報(bào)警信號(hào)。質(zhì)量塊§6.5壓電式傳感器應(yīng)用7、壓電式玻璃破碎報(bào)警裝置高分§6.5

壓電式傳感器應(yīng)用

8、壓電式周界報(bào)警系統(tǒng)壓電電纜埋在泥土的淺表層，可起分布式地下麥克風(fēng)或聽音器的作用，可在幾十米范圍內(nèi)探測人的步行,對輪式或履帶式車輛也可通過信號(hào)處理系統(tǒng)分辨出來。在重要位置出入口、周界安全防護(hù)等地方應(yīng)用?！?.5壓電式傳感器應(yīng)用8、壓電式周界報(bào)警系統(tǒng)壓電電纜§6.5

壓電式傳感器應(yīng)用

9、壓電式交通監(jiān)測系統(tǒng)高分子壓電電纜埋在公路的路面下約5cm，可獲取車型分類信息（包括軸數(shù)、軸距、輪距、單雙輪胎）、車速監(jiān)測、收費(fèi)站地磅、闖紅燈拍照、停車區(qū)域監(jiān)控、交通數(shù)據(jù)信息采集（道路監(jiān)控）等。也用于機(jī)場滑行道監(jiān)測等?！?.5壓電式傳感器應(yīng)用9、壓電式交通監(jiān)測系統(tǒng)高分子壓§6.5

壓電式傳感器應(yīng)用

10、壓電式動(dòng)態(tài)力傳感器在體育動(dòng)態(tài)測量中應(yīng)用。壓電式步態(tài)分析跑臺(tái)壓電式縱跳分析裝置在車床中動(dòng)態(tài)切削力測量中應(yīng)用?！?.5壓電式傳感器應(yīng)用10、壓電式動(dòng)態(tài)力傳感器在體育6.1

壓電效應(yīng)6.2

壓電材料6.3壓電式傳感器等效電路6.4壓電式傳感器測量電路6.5壓電式傳感器應(yīng)用

第六章壓電式傳感器6.1壓電效應(yīng)第六章壓電式傳感器

第六章壓電式傳感器壓電式傳感器的定義利用壓電材料的壓電效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能相互轉(zhuǎn)換的傳感器。壓電式傳感器的感測量動(dòng)態(tài)力、機(jī)械沖擊和振動(dòng)，在聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、導(dǎo)航方面應(yīng)用廣泛。壓電式傳感器的種類根據(jù)工作原理：正壓電效應(yīng)型和逆壓電效應(yīng)型。壓電效應(yīng)

被測非電量電壓值測量電路U、I電荷值第六章壓電式傳感器壓電式傳感器的定義壓電被測非電量電

第六章壓電式傳感器壓電加速度計(jì)壓電陶瓷超聲換能器壓電陶瓷位移器壓電秤重浮游計(jì)壓電警號(hào)第六章壓電式傳感器壓電加速度計(jì)壓電陶瓷超聲換能器壓電6.1

壓電效應(yīng)6.2

壓電材料6.3壓電式傳感器等效電路6.4壓電式傳感器測量電路6.5壓電式傳感器應(yīng)用

第六章壓電式傳感器6.1壓電效應(yīng)第六章壓電式傳感器一、壓電效應(yīng)的基本概念§6.1壓電效應(yīng)1、正壓電效應(yīng)某些物質(zhì)沿某一方向受到外力作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生變形，同時(shí)內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，在這種材料的兩個(gè)表面產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。FF＋＋＋＋＋＋－－－－－－F=0F－－－－－－＋＋＋＋＋＋F當(dāng)作用力方向改變時(shí)，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“正壓電效應(yīng)”或“順壓電效應(yīng)”。一、壓電效應(yīng)的基本概念§6.1壓電效應(yīng)1、正壓電效應(yīng)FF一、壓電效應(yīng)的基本概念§6.1壓電效應(yīng)2、逆壓電效應(yīng)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)外加電場撤去時(shí)，這些變形或應(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“逆壓電效應(yīng)”或“電致伸縮效應(yīng)”。壓電元件機(jī)械能電能應(yīng)力應(yīng)變電荷電場3、壓電效應(yīng)的特點(diǎn)（1）壓電效應(yīng)具有可逆性一、壓電效應(yīng)的基本概念§6.1壓電效應(yīng)2、逆壓電效應(yīng)壓電一、壓電效應(yīng)的基本概念§6.1壓電效應(yīng)3、壓電效應(yīng)的特點(diǎn)（2）具有瞬時(shí)性當(dāng)力的方向改變時(shí)，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動(dòng)態(tài)力的頻率相同。（3）具有不穩(wěn)定性當(dāng)動(dòng)態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時(shí)，電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失。一、壓電效應(yīng)的基本概念§6.1壓電效應(yīng)3、壓電效應(yīng)的特點(diǎn)二、壓電效應(yīng)的基本原理§6.1壓電效應(yīng)壓電單晶體：石英(包括天然石英和人造石英)、水溶性壓電晶體(包括酒石酸鉀鈉、酒石酸乙烯二銨、酒石酸二鉀、硫酸錘等)。常見的壓電材料可分為兩類：壓電單晶體和多晶體壓電陶瓷。多晶體壓電陶瓷：鈦酸鋇壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷、鈮酸鹽系壓電陶瓷和鈮鎂酸鉛壓電陶瓷等。天然石英壓電陶瓷二、壓電效應(yīng)的基本原理§6.1壓電效應(yīng)壓電單晶體：常見的二、壓電效應(yīng)的基本原理§6.1壓電效應(yīng)天然石英晶體，結(jié)構(gòu)形狀為一個(gè)六角形晶柱，兩端為一對稱的棱錐。在晶體學(xué)中，用三根互相垂直的軸建立描述晶體結(jié)構(gòu)形狀的坐標(biāo)系。縱軸Z稱為光軸，通過六棱線而垂直于光鈾的X鈾稱為電軸，與X-X軸和Z-Z軸垂直的Y-Y軸(垂直于六棱柱體的棱面)稱為機(jī)械軸。1、石英晶體壓電效應(yīng)二、壓電效應(yīng)的基本原理§6.1壓電效應(yīng)天然石英晶體，結(jié)構(gòu)如果從石英晶體中切下一個(gè)平行六面體并使其晶面分別平行于Z-Z、Y-Y、X-X軸線。晶片在正常情況下呈現(xiàn)電性。二、壓電效應(yīng)的基本原理§6.1壓電效應(yīng)1、石英晶體壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng)：沿電軸(X軸)方向的作用力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)。橫向壓電效應(yīng)：沿機(jī)械軸(Y軸)方向的作用力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)切向壓電效應(yīng)：沿相對兩棱加力時(shí)產(chǎn)生的壓電效應(yīng)。沿光軸(Z軸)方向的作用力不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。壓電式傳感器主要是利用縱向壓電效應(yīng)。

如果從石英晶體中切下一個(gè)平行六面體并使其晶面分別平行于Z-Z二、壓電效應(yīng)的基本原理§6.1壓電效應(yīng)

2、石英晶體壓電效應(yīng)的微觀機(jī)理+xy++---

二、壓電效應(yīng)的基本原理§6.1壓電效應(yīng)

2、石英晶體壓電二、壓電效應(yīng)的基本原理§6.1壓電效應(yīng)

2、石英晶體壓電效應(yīng)的微觀機(jī)理

Fx=0xy+P1P2P3--++-Fx<0x+Fxy+--P1P2P3--++-+++--二、壓電效應(yīng)的基本原理§6.1壓電效應(yīng)

2、石英晶體壓電FxFx<0x+Fxy+--P1P2P3--++-+++--二、壓電效應(yīng)的基本原理§6.1壓電效應(yīng)

2、石英晶體壓電效應(yīng)的微觀機(jī)理在x軸的正向出現(xiàn)正電荷，在y、z方向不出現(xiàn)電荷。FxFx<0x+Fxy+--P1P2P3--++-二、壓電效應(yīng)的基本原理§6.1壓電效應(yīng)2、石英晶體壓電效應(yīng)的微觀機(jī)理在x軸的正向出現(xiàn)負(fù)電荷，在y、z方向依然不出現(xiàn)電荷。----Fx>0yx+++FxFxP2P3P1+++--+

二、壓電效應(yīng)的基本原理§6.1壓電效應(yīng)2、石英晶體壓電效二、壓電效應(yīng)的基本原理§6.1壓電效應(yīng)

2、石英晶體壓電效應(yīng)的微觀機(jī)理

FyFy二、壓電效應(yīng)的基本原理§6.1壓電效應(yīng)

2、石英晶體壓電二、壓電效應(yīng)的基本原理§6.1壓電效應(yīng)d11—壓電系數(shù)。下標(biāo)的意義為產(chǎn)生電荷的面的軸向及施加作用力的軸向；a、b、c—石英晶片的長度、厚度和寬度。3、石英晶體壓電效應(yīng)作用力與電荷關(guān)系若從晶體上沿y方向切下一塊晶片，當(dāng)沿電軸x方向施加應(yīng)力時(shí)，晶片將產(chǎn)生厚度變形，并發(fā)生極化現(xiàn)象。在晶體線性彈性范圍內(nèi)，極化強(qiáng)度與應(yīng)力成正比。在垂直于x軸晶面上產(chǎn)生的電荷量為yxzOxzyacb二、壓電效應(yīng)的基本原理§6.1壓電效應(yīng)d11—壓電系數(shù)。二、壓電效應(yīng)的基本原理§6.1壓電效應(yīng)d11=-d12

，石英晶體軸對稱條件。若在同一切片上，沿機(jī)械軸y方向施加應(yīng)力，則仍在與x軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷為yxzOxzyacb產(chǎn)生電荷q11和q12的符號(hào)，決定于受壓力還是受拉力。3、石英晶體壓電效應(yīng)作用力與電荷關(guān)系二、壓電效應(yīng)的基本原理§6.1壓電效應(yīng)d11=-d1二、壓電效應(yīng)的基本原理§6.1壓電效應(yīng)

4、石英晶體壓電效應(yīng)特點(diǎn)二、壓電效應(yīng)的基本原理§6.1壓電效應(yīng)

4、石英晶體壓電壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。材料內(nèi)部的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇，有一定的極化方向，從而存在電場。二、壓電效應(yīng)的基本原理§6.1壓電效應(yīng)5、壓電陶瓷的壓電效應(yīng)極化處理前極化處理后在無外電場作用時(shí)，電疇在晶體中雜亂分布，各自的極化效應(yīng)被相互抵消，壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零。因此，原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質(zhì)。壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。二、壓電效應(yīng)的基本原理§在陶瓷上施加外電場時(shí)，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，趨向于按外電場方向的排列，從而使材料得到極化。外電場強(qiáng)度大到使材料的極化達(dá)到飽和的程度，即所有電疇極化方向都整齊地與外電場方向一致時(shí)，當(dāng)外電場去掉后，電疇的極化方向基本不變化，即剩余極化強(qiáng)度很大，這時(shí)材料才具有壓電特性。

二、壓電效應(yīng)的基本原理§6.1壓電效應(yīng)5、壓電陶瓷的壓電效應(yīng)極化處理前極化處理后極化處理后壓電陶瓷才具有壓電特性。在陶瓷上施加外電場時(shí)，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，趨向于按外電場陶瓷片內(nèi)的極化強(qiáng)度總是以電偶極矩的形式表現(xiàn)出來：在陶瓷的一端出現(xiàn)正束縛電荷，另一端出現(xiàn)負(fù)束縛電荷。二、壓電效應(yīng)的基本原理§6.1壓電效應(yīng)5、壓電陶瓷的壓電效應(yīng)陶瓷片內(nèi)束縛電荷與電極上吸附的自由電荷示意圖極化方向-----＋＋＋＋＋自由電荷束縛電荷電極-----＋＋＋＋＋由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的電極面上吸附了一層來自外界的自由電荷。這些自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電荷符號(hào)相反而數(shù)量相等，屏蔽和抵消了陶瓷片內(nèi)極化強(qiáng)度對外界的作用。因此，無外力或外場作用時(shí)，極化處理后的壓電陶瓷也表現(xiàn)不出來對外界的電場或應(yīng)力。陶瓷片內(nèi)的極化強(qiáng)度總是以電偶極矩的形式表現(xiàn)出來：二、壓電效應(yīng)-----＋＋＋＋＋-----＋＋＋＋＋極化方向（1）正壓電效應(yīng)在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向平行的壓力F，陶瓷片產(chǎn)生壓縮形變。片內(nèi)的正、負(fù)束縛電荷之間的距離變小，極化強(qiáng)度也變小。釋放部分吸附在電極上的自由電荷，而出現(xiàn)放電現(xiàn)象。二、壓電效應(yīng)的基本原理§6.1壓電效應(yīng)5、壓電陶瓷的壓電效應(yīng)當(dāng)壓力撤消后，陶瓷片恢復(fù)原狀，極化強(qiáng)度也變大。因此，電極上又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。這些過程出現(xiàn)的電現(xiàn)象為正壓電效應(yīng)。F－＋-----＋＋＋＋＋-----＋＋＋＋＋極化方向－＋-----＋＋＋＋＋-Ｅ電場方向極化方向-----＋＋＋＋＋-----＋＋＋＋＋（2）逆壓電效應(yīng)若在壓電陶瓷片上加一個(gè)與極化方向相同的電場，電場的作用使極化強(qiáng)度增大。陶瓷片內(nèi)的正、負(fù)束縛電荷之間距離也增大，即陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生伸長形變。二、壓電效應(yīng)的基本原理§6.1壓電效應(yīng)5、壓電陶瓷的壓電效應(yīng)同理，如果外加電場的方向與極化方向相反，則陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生縮短形變。這種由于電效應(yīng)而轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械效應(yīng)，或者由電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的現(xiàn)象，就是壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)或電致伸縮效應(yīng)。Ｅ電場方向極化方向-----＋＋（3）電荷量與作用力的關(guān)系與石英晶體不同，通常取壓電陶瓷的極化方向?yàn)閦軸，垂直于z軸的平面上任何直線都可作為x或y軸。二、壓電效應(yīng)的基本原理§6.1壓電效應(yīng)5、壓電陶瓷的壓電效應(yīng)d33為壓電陶瓷的壓電系數(shù)。因此，在z軸方向上受力時(shí)，在極化方向上出現(xiàn)電荷，與壓電陶瓷幾何尺寸無關(guān)。y----++++FzFzxz縱向變形當(dāng)壓電陶瓷在沿極化方向受力時(shí)，則在垂直于z軸的上、下兩表面上將會(huì)出現(xiàn)電荷，電荷量q與作用力Fz成正比，即（3）電荷量與作用力的關(guān)系二、壓電效應(yīng)的基本原理§6.1壓

二、壓電效應(yīng)的基本原理§6.1壓電效應(yīng)5、壓電陶瓷的壓電效應(yīng)Az極化面面積；Ax、Ay受力面面積；d32、d31壓電陶瓷的橫向壓電系數(shù)。y----++++FyFyxz橫向變形y----++++FxFxxz橫向變形

二、壓電效應(yīng)的基本原理§6.1壓電效應(yīng)5、壓電陶瓷的壓

二、壓電效應(yīng)的基本原理§6.1壓電效應(yīng)5、壓電陶瓷的壓電效應(yīng)y----++++FzFzxzFyFyxyzFx++++----FzFyFyxyzFxFz++++----縱向變形橫向變形體積變形因此，無論在什么方向上施加作用力產(chǎn)生壓縮形變時(shí)，壓電陶瓷的正、逆壓電效應(yīng)只出現(xiàn)在其極化方向。

二、壓電效應(yīng)的基本原理§6.1壓電效應(yīng)5、壓電陶瓷的壓6.1

壓電效應(yīng)6.2

壓電材料6.3壓電式傳感器等效電路6.4壓電式傳感器測量電路6.5壓電式傳感器應(yīng)用

第六章壓電式傳感器6.1壓電效應(yīng)第六章壓電式傳感器（1）轉(zhuǎn)換性能：要求具有較大的壓電常數(shù)。（2）機(jī)械性能：機(jī)械強(qiáng)度高、剛度大。（3）電性能：高電阻率和大介電常數(shù)。（4）環(huán)境適應(yīng)性：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。（5）時(shí)間穩(wěn)定性：要求壓電性能不隨時(shí)間變化。一、壓電材料應(yīng)具備主要特性§6.2壓電材料

二、石英晶體石英晶體在幾百℃的溫度范圍內(nèi)，介電常數(shù)和壓電系數(shù)幾乎不隨溫度而變化。當(dāng)溫度超過573℃居里點(diǎn)時(shí)，石英晶體完全喪失壓電特性。石英晶體的突出優(yōu)點(diǎn)：性能非常穩(wěn)定，有很大的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定的機(jī)械性能。但石英材料價(jià)格昂貴，且壓電系數(shù)比壓電陶瓷低得多。因此一般僅用于標(biāo)準(zhǔn)儀器或要求較高的傳感器中。（1）轉(zhuǎn)換性能：要求具有較大的壓電常數(shù)。一、壓電材料應(yīng)具備主石英晶體的兩種類型：天然和人工培養(yǎng)。人工培養(yǎng)的石英晶體的物理和化學(xué)性質(zhì)幾乎與天然石英晶體沒有區(qū)別，因此目前廣泛應(yīng)用成本較低的人造石英晶體。二、石英晶體§6.2壓電材料

天然人造晶片石英是一種各向異性晶體：按不同方向切割的晶片，其物理性質(zhì)（如彈性、壓電效應(yīng)、溫度特性等）相差很大。在設(shè)計(jì)石英傳感器時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同使用要求正確地選擇石英片的切型。石英晶體的兩種類型：二、石英晶體§6.2壓電材料天然人造壓電陶瓷主要有鈦酸鋇壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷等。（1）鈦酸鋇壓電陶瓷鈦酸鋇（BaTiO3）是由碳酸鋇（BaCO3）和二氧化鈦（TiO2）按1:1分子比例在高溫下合成的壓電陶瓷。優(yōu)點(diǎn)：介電常數(shù)和壓電系數(shù)大（約為石英晶體的50倍）。缺點(diǎn)：居里點(diǎn)溫度低（120℃），溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度不如石英晶體。三、壓電陶瓷§6.2壓電材料

（2）鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷鋯鈦酸鉛（PZT）是由PbTiO3和PbZrO3組成的固溶體Pb（Zr、Ti）O3。與鈦酸鋇相比，壓電系數(shù)更大，居里點(diǎn)溫度在300℃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。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）還可獲得不同性能的PZT材料。鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷是目前壓電式傳感器中應(yīng)用最廣泛的壓電材料。壓電陶瓷主要有鈦酸鋇壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷等。三、壓電壓電半導(dǎo)體材料有ZnO、CdS、CdTe等，這種力敏器件具有靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。用ZnO作為表面聲波振蕩器的壓電材料，可檢測力和溫度等參數(shù)。四、新型壓電材料§6.2壓電材料

1、壓電半導(dǎo)體材料某些合成高分子聚合物薄膜經(jīng)延展拉伸和電場極化后，具有一定的壓電性能，這類薄膜稱為高分子壓電薄膜，有聚二氟乙烯PVF2、聚氟乙烯PVF、聚氯乙烯PVC等。2、高分子壓電材料高分子壓電材料是一種柔軟的壓電材料，不易破碎，可大量生產(chǎn)和制成較大的面積。高分子壓電薄膜拉制壓電半導(dǎo)體材料有ZnO、CdS、CdTe等，這種力敏器件具有四、新型壓電材料§6.2壓電材料

高分子壓電材料特點(diǎn)：柔軟；抗拉強(qiáng)度高；電阻大、擊穿強(qiáng)度高；穩(wěn)定性好。高分子化合物參雜壓電陶瓷粉末，兩者優(yōu)點(diǎn)合一。高分子壓電材料應(yīng)用：大面積陣列傳感器、人工皮膚。2、高分子壓電材料高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭（逆壓電效應(yīng)）高分子壓電薄膜壓電式腳踏開關(guān)高分子壓電薄膜和電纜四、新型壓電材料§6.2壓電材料高分子壓電材料特點(diǎn)：2、6.1

壓電效應(yīng)6.2

壓電材料6.3壓電式傳感器等效電路6.4壓電式傳感器測量電路6.5壓電式傳感器應(yīng)用

第六章壓電式傳感器6.1壓電效應(yīng)第六章壓電式傳感器壓電式傳感器基本原理：壓電材料的壓電效應(yīng)，即當(dāng)有力作用在壓電材料上時(shí)，傳感器就有電荷或電壓輸出。一、壓電式傳感器的測量特性§6.3壓電式傳感器等效電路

壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測量：外力作用在壓電材料上產(chǎn)生的電荷只有在無泄漏的情況下才能保存，需要測量回路具有無限大的輸入阻抗，這實(shí)際上是不可能的。壓電式傳感器適用于動(dòng)態(tài)測量：壓電材料在交變力的作用下，電荷可以不斷補(bǔ)充，以供給測量回路一定的電流。無鉛壓電陶瓷及換能器雙面鍍銀封裝石英晶片壓電式傳感器基本原理：壓電材料的壓電效應(yīng)，即當(dāng)有力作用在壓電壓電式傳感器在有些測量中需要預(yù)載：壓電式傳感器在測量低壓力時(shí)線性度不好，這主要是傳感器受力系統(tǒng)中力傳遞系數(shù)為非線性所致，即低壓力下力的傳遞損失較大。為此，在力傳遞系統(tǒng)中加入預(yù)加力，稱預(yù)載。預(yù)載除了消除低壓力使用中的非線性外，還可以消除傳感器內(nèi)外接觸表面的間隙，提高剛度。一、壓電式傳感器的測量特性§6.3壓電式傳感器等效電路

拉力和拉、壓交變力及剪力和扭矩，只有在加預(yù)載后才能用壓電式傳感器測量。各種壓電式傳感器壓電式傳感器在有些測量中需要預(yù)載：壓電式傳感器在測量低壓力時(shí)單片壓電元件產(chǎn)生的電荷量甚微，為了提高壓電傳感器的輸出靈敏度，在實(shí)際應(yīng)用中常采用兩片或兩片以上同型號(hào)的壓電元件粘結(jié)在一起。常見粘結(jié)兩種方法：并聯(lián)和串聯(lián)。

二、壓電元件的連接方式§6.3壓電式傳感器等效電路

1、壓電元件的并聯(lián)連接兩片壓電晶片的負(fù)電荷集中在中間電極上，正電荷集中在兩側(cè)的電極上，傳感器的電容量大、輸出電荷量大、時(shí)間常數(shù)也大，故這種傳感器適用于測量緩變信號(hào)及電荷量輸出信號(hào)。外力作用下正負(fù)電極上的電荷量增加了1倍，電容量也增加了1倍，輸出電壓與單片時(shí)相同。++－－－+單片壓電元件產(chǎn)生的電荷量甚微，為了提高壓電傳感器的輸出靈敏度二、壓電元件的連接方式§6.3壓電式傳感器等效電路

2、壓電元件的串聯(lián)連接正電荷集中于上極板，負(fù)電荷集中于下極板，傳感器本身的電容量小、響應(yīng)快、輸出電壓大。這種傳感器適用于測量以電壓作輸出的信號(hào)和頻率較高的信號(hào)。并聯(lián)接法適宜用在測量慢變信號(hào)并且以電荷作為輸出量的場合。串聯(lián)接法適宜用于以電壓作為輸出信號(hào)，并且測量電路輸入阻抗很高的場合。

+－－+－+外力作用下正負(fù)電極上的電荷量與單片時(shí)相同，輸出電壓增加了1倍，電容量為單片時(shí)的1/2倍。二、壓電元件的連接方式§6.3壓電式傳感器等效電路2、壓當(dāng)壓電晶體承受應(yīng)力作用時(shí)，在其兩個(gè)極面上出現(xiàn)極性相反但電量相等的電荷。壓電傳感器看成一個(gè)電荷源與一個(gè)電容并聯(lián)的電荷發(fā)生器。電容量為三、壓電式傳感器的等效電路§6.3壓電式傳感器等效電路

1、電荷源等效電路qCa電荷源等效電路當(dāng)壓電晶體承受應(yīng)力作用時(shí)，在其兩個(gè)極面上出現(xiàn)極性相反但電量相當(dāng)兩極板聚集異性電荷時(shí)，板間就呈現(xiàn)出一定的電壓。壓電傳感器也可看成一個(gè)電壓與一個(gè)電容串聯(lián)的電壓源。電壓為三、壓電式傳感器的等效電路§6.3壓電式傳感器等效電路

2、電壓源等效電路電壓源等效電路UaCa當(dāng)兩極板聚集異性電荷時(shí)，板間就呈現(xiàn)出一定的電壓。三、壓電式傳實(shí)際使用時(shí)，壓電傳感器通過導(dǎo)線與測量儀器相連接，連接導(dǎo)線的等效電容CC、外加放大器的輸入電阻Ri、輸入電容Ci對電路的影響就必須一起考慮進(jìn)去。當(dāng)考慮了壓電元件的絕緣電阻Ra以后，壓電傳感器完整的等效電路可表示成電壓等效電路和電荷等效電路。三、壓電式傳感器的等效電路§6.3壓電式傳感器等效電路

3、實(shí)際使用的電荷源和電壓源等效電路等效電壓源等效電荷源這兩種等效電路是完全等效的。實(shí)際使用時(shí)，壓電傳感器通過導(dǎo)線與測量儀器相連接，連接導(dǎo)線的等6.1

壓電效應(yīng)6.2

壓電材料6.3壓電式傳感器等效電路6.4壓電式傳感器測量電路6.5壓電式傳感器應(yīng)用

第六章壓電式傳感器6.1壓電效應(yīng)第六章壓電式傳感器前置放大器的作用：一是將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；二是放大傳感器輸出的微弱電信號(hào)。壓電式傳感器本身內(nèi)阻抗很高，輸出電信號(hào)很微弱，通常先把傳感器信號(hào)先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經(jīng)過阻抗交換以后，方可用一般的放大檢波電路再將信號(hào)輸入到指示儀表或記錄器中?！?.4壓電式傳感器測量電路

前置放大器的形式：用電阻反饋的電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓(即傳感器的輸出)成正比；用帶電容板反饋的電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。高阻抗輸入的前置放大器是測量電路的關(guān)鍵。電荷放大器電路的電纜長度變化影響不大，幾乎可以忽略不計(jì)，故而電荷放大器應(yīng)用日益廣泛。前置放大器的作用：壓電式傳感器本身內(nèi)阻抗很高，輸出電信號(hào)很微在等效電路中，電阻R=ReRi/(Re+Ri),電容C=Ce+Ci，而ua=q/Ca，若壓電元件受正弦作用力為一、電壓放大器（阻抗變換器）§6.4壓電式傳感器測量電路

1、電壓放大器電路原理壓電元件電壓為輸入等效電路電壓放電器原理電路Um=dFm/Ca壓電元件輸出電壓幅值，d壓電系數(shù)。在等效電路中，電阻R=ReRi/(Re+Ri),電容C=Ce運(yùn)算放大器輸入阻抗極高，放大器輸入端幾乎沒有分流，故可等效成略去Ra和Ri并聯(lián)電阻的電路。二、電荷放大器§6.4壓電式傳感器測量電路

電荷放大器是一種輸出電壓與輸入電荷量成正比的前置放大器。利用電容作反饋元件的深度負(fù)反饋的高增益運(yùn)放。通常A=104~108，當(dāng)滿足(1+A)Cr>>Ca+Cc+Ci時(shí)，則有1、電荷放電器輸出電壓電荷放大器等效電路反饋電容Cr折合到放大器輸入端的有效電容為(1+A)Cr。電荷放大器的輸出電壓為運(yùn)算放大器輸