力電性質(zhì)與骨

力電性質(zhì)與骨第一頁，共四十八頁，2022年，8月28日一、壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)：某些電介質(zhì)，當沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的一定表面上產(chǎn)生電荷，當外力去掉后，又重新恢復不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象。當作用力方向改變時，電荷極性也隨著改變。

符號相反的電荷第二頁，共四十八頁，2022年，8月28日典型壓電材料的壓電效應(yīng)第三頁，共四十八頁，2022年，8月28日（一）石英晶體的壓電效應(yīng)天然結(jié)構(gòu)石英晶體的理想外形是一個正六面體，在晶體學中它可用三根互相垂直的軸來表示，其中縱向軸Z－Z稱為光軸；經(jīng)過正六面體棱線，并垂直于光軸的X－X軸稱為電軸；與X－X軸和Z－Z軸同時垂直的Y－Y軸（垂直于正六面體的棱面）稱為機械軸。ZXY(a)(b)石英晶體(a)理想石英晶體的外形(b)坐標系ZYX通常把沿電軸X－X方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)”，而把沿機械軸Y－Y方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)”，沿光軸Z－Z方向受力則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。第四頁，共四十八頁，2022年，8月28日石英晶體產(chǎn)生壓電效應(yīng)的物理過程每個晶體單元中，具有3個硅離子和6個氧離子，氧離子是成對的，構(gòu)成六邊的形狀。在沒有外力的作用時，電荷互相平衡，外部沒有帶電現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)示意圖第五頁，共四十八頁，2022年，8月28日可將這些硅、氧離子等效為圖(b)中正六邊形排列，圖中“＋”代表Si4+，“－”代表2O2-。

硅氧離子的排列示意圖(a)硅氧離子在Z平面上的投影（b）等效為正六邊形排列的投影(b)(a)++---YXXY+第六頁，共四十八頁，2022年，8月28日

當外力FX=0時，正、負離子（即Si4+和2O2-）正好分布在正六邊形頂角上，形成三個互成120o夾角的偶極矩P1、P2、P3，如圖（a）所示。此時正負電荷中心重合，電偶極矩的矢量和等于零，即

P1＋P2＋P3＝0（矢量）當晶體受到沿X方向的壓力（FX<0）作用時，晶體沿X方向?qū)a(chǎn)生收縮，正、負離子相對位置隨之發(fā)生變化，如圖（b）所示。此時正、負電荷中心不再重合，電偶極矩在X方向的分量為(P1+P2+P3)X>0在Y、Z方向上的分量為（P1+P2+P3）Y=0（P1+P2+P3）Z=0由上式看出，在X軸的正向出現(xiàn)正電荷，在Y、Z軸方向則不出現(xiàn)電荷。Y+++---X(a)FX=0P1P2P3FXXY++++－－－－FX(b)FX<0+++---P1P2P3第七頁，共四十八頁，2022年，8月28日可見，當晶體受到沿X(電軸)方向的力FX作用時，它在X方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，而Y、Z方向則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。晶體在Y軸方向力FY作用下的情況與FX相似。當FY＞0時，晶體的形變與圖（b）相似；當FY＜0時，則與圖（c）相似。由此可見，晶體在Y（即機械軸）方向的力FY作用下，使它在X方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，在Y、Z方向則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。

（P1+P2+P3）X<0（P1+P2+P3）Y=0（P1+P2+P3）Z=0(c)FX>0Y+++--X-+++－－－FXFXP2P3P1+－

當晶體受到沿X方向的拉力（FX＞0）作用時，其變化情況如圖（c）。此時電極矩的三個分量為在X軸的正向出現(xiàn)負電荷，在Y、Z方向則不出現(xiàn)電荷。第八頁，共四十八頁，2022年，8月28日極化示意圖。

FXFX++++－－－－－－－－++++(a)(b)XX++++++++－－－－－－－－(c)(d)FYFYXX第九頁，共四十八頁，2022年，8月28日壓電方程—力電關(guān)系表達式一般用電荷密度和應(yīng)力表示：壓電常數(shù)電荷受力其中：i＝1,2,3表示極化方向，指的是與產(chǎn)生電荷的面垂直的方向；j=1,2,3,4,5,6表示應(yīng)力分量。條件：外電場為零第十頁，共四十八頁，2022年，8月28日二

壓電陶瓷的壓電效應(yīng)

壓電陶瓷屬于鐵電體一類的物質(zhì)，是人工制造的多晶壓電材料，它具有類似鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)的電疇結(jié)構(gòu)。電疇(domain)是分子自發(fā)形成的區(qū)域，它有一定的極化方向，從而存在一定的電場。在無外電場作用時，各個電疇在晶體上雜亂分布，它們的極化效應(yīng)被相互抵消，因此原始的壓電陶瓷內(nèi)極化強度為零，見圖（a）。

直流電場E剩余極化強度剩余伸長電場作用下的伸長(a)極化處理前(b)極化處理中(c)極化處理后

第十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日但是，當把電壓表接到陶瓷片的兩個電極上進行測量時，卻無法測出陶瓷片內(nèi)部存在的極化強度。這是因為陶瓷片內(nèi)的極化強度總是以電偶極矩的形式表現(xiàn)出來，即在陶瓷的一端出現(xiàn)正束縛電荷，另一端出現(xiàn)負束縛電荷。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)的束縛電荷符號相反而數(shù)量相等，它起著屏蔽和抵消陶瓷片內(nèi)極化強度對外界的作用。所以電壓表不能測出陶瓷片內(nèi)的極化程度，如圖。

－－－－－

－－－－－

＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋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第十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日

如果在陶瓷片上加一個與極化方向平行的壓力F，如圖，陶瓷片將產(chǎn)生壓縮形變（圖中虛線），片內(nèi)的正、負束縛電荷之間的距離變小，極化強度也變小。因此，原來吸附在電極上的自由電荷，有一部分被釋放，而出現(xiàn)放電荷現(xiàn)象。當壓力撤消后，陶瓷片恢復原狀(這是一個膨脹過程)，片內(nèi)的正、負電荷之間的距離變大，極化強度也變大，因此電極上又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。這種由機械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，或者由機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，就是正壓電效應(yīng)。

＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋

極化方向正壓電效應(yīng)示意圖（實線代表形變前的情況，虛線代表形變后的情況）F－＋第十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日第十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日石英晶體壓電系數(shù)矩陣第十五頁，共四十八頁，2022年，8月28日壓電陶瓷的壓電常數(shù)矩陣第十六頁，共四十八頁，2022年，8月28日

逆壓電效應(yīng)：當在電介質(zhì)的極化方向施加電場，這些電介質(zhì)就在一定方向上產(chǎn)生機械變形或機械壓力，當外加電場撤去時，這些變形或應(yīng)力也隨之消失的現(xiàn)象。（電致伸縮效應(yīng)）第十七頁，共四十八頁，2022年，8月28日三等效電路可把壓電體看成一個電容器，如圖。兩極板上聚集異性電荷。其電容量為

＋＋＋＋――――qq電極壓電晶體Ca(b)(a)兩極板簡的電壓為為兩極板間的距離第十八頁，共四十八頁，2022年，8月28日因此，壓電傳感器可等效為電壓源Ua和一個電容器Ca的串聯(lián)電路，如圖(a)；也可等效為一個電荷源q和一個電容器Ca的并聯(lián)電路，如圖(b)。qCaUaUa＝q/Caq＝UaCaCa（a）電壓等效電路（b）電荷等效電路壓電傳感器等效原理傳感器內(nèi)部信號電荷無“漏損”，外電路負載無窮大時，壓電傳感器受力后產(chǎn)生的電壓或電荷才能長期保存，否則電路將以某時間常數(shù)按指數(shù)規(guī)律放電。這對于靜態(tài)標定以及低頻準靜態(tài)測量極為不利，必然帶來誤差。事實上，傳感器內(nèi)部不可能沒有泄漏，外電路負載也不可能無窮大，只有外力以較高頻率不斷地作用，傳感器的電荷才能得以補充，因此，壓電晶體不適合于靜態(tài)測量。第十九頁，共四十八頁，2022年，8月28日（二）

測量電路、壓電式傳感器的測量電路

壓電式傳感器的前置放大器有兩個作用：把壓電式傳感器的高輸出阻變換成低阻抗輸出；放大壓電式傳感器輸出的弱信號。前置放大器形式：電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓（傳感器的輸出電壓）成正比；電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。

1、電壓放大器

－A－ACaCaRaRiCiCcCRUiUSCUSCUa(a)(b)Ua第二十頁，共四十八頁，2022年，8月28日

2、電荷放大器電荷放大器是一個具有深度負反饋的高增益放大器，其基本電路如圖。若放大器的開環(huán)增益A0足夠大，并且放大器的輸入阻抗很高，則放大器輸入端幾乎沒有分流，運算電流僅流入反饋回路CF與RF。由圖可知i的表達式為：

－A0CaU∑USC電荷放大器原理電路圖iRaqCFRF第二十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日四、壓電式傳感器的應(yīng)用（一）壓電式加速度傳感器（二）壓電式壓力傳感器（三）壓電式流量計（四）集成壓電式傳感器（五）壓電式傳感器在自來水管道測漏中的應(yīng)用第二十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日

當傳感器感受振動時，因為質(zhì)量塊相對被測體質(zhì)量較小，因此質(zhì)量塊感受與傳感器基座相同的振動，并受到與加速度方向相反的慣性力，此力F＝ma。同時慣性力作用在壓電陶瓷片上產(chǎn)生電荷為

運動方向21345縱向效應(yīng)型加速度傳感器的截面圖（一）

壓電式加速度傳感器其結(jié)構(gòu)一般有縱向效應(yīng)型、橫向效應(yīng)型和剪切效應(yīng)型三種?？v向效應(yīng)是最常見的,如圖。壓電陶瓷4和質(zhì)量塊2為環(huán)型，通過螺母3對質(zhì)量塊預先加載，使之壓緊在壓電陶瓷上。測量時將傳感器基座5與被測對象牢牢地緊固在一起。輸出信號由電極1引出。q＝d33F＝d33ma第二十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日此式表明電荷量直接反映加速度大小。其靈敏度與壓電材料壓電系數(shù)和質(zhì)量塊質(zhì)量有關(guān)。為了提高傳感器靈敏度，一般選擇壓電系數(shù)大的壓電陶瓷片。若增加質(zhì)量塊質(zhì)量會影響被測振動，同時會降低振動系統(tǒng)的固有頻率，因此一般不用增加質(zhì)量辦法來提高傳感器靈敏度。此外用增加壓電片數(shù)目和采用合理的連接方法也可提高傳感器靈敏度。

第二十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日連接方式：圖(a)為并聯(lián)形式，片上的負極集中在中間極上，其輸出電容C?為單片電容C的兩倍，但輸出電壓U?等于單片電壓U，極板上電荷量q?為單片電荷量q的兩倍，即圖(b)為串聯(lián)形式，正電荷集中在上極板，負電荷集中在下極板，而中間的極板上產(chǎn)生的負電荷與下片產(chǎn)生的正電荷相互抵消。從圖中可知，輸出的總電荷q?等于單片電荷q，而輸出電壓U?為單片電壓U的二倍，總電容C?為單片電容C的一半，即++－－(a)并聯(lián)(b)串聯(lián)疊層式壓電元件++－++－－并聯(lián)接法，輸出電荷大，時間常數(shù)大，宜用于測量緩變信號，并且適用于以電荷作為輸出量的場合。串聯(lián)接法，輸出電壓大，本身電容小，適用于以電壓作為輸出信號，且測量電路輸入阻抗很高的場合。第二十五頁，共四十八頁，2022年，8月28日（二）

壓電式壓力傳感器根據(jù)使用要求不同，壓電式測壓傳感器有各種不同的結(jié)構(gòu)形式。但它們的基本原理相同。壓電式測壓傳感器的原理簡圖。它由引線1、殼體2、基座3、壓電晶片4、受壓膜片5及導電片6組成。當膜片5受到壓力P作用后，則在壓電晶片上產(chǎn)生電荷。在一個壓電片上所產(chǎn)生的電荷q為F——作用于壓電片上的力；d11——壓電系數(shù)；P——壓強，；S——膜片的有效面積。123456p壓電式測壓傳感器原理圖第二十六頁，共四十八頁，2022年，8月28日

測壓傳感器的輸入量為壓力P，如果傳感器只由一個壓電晶片組成，則根據(jù)靈敏度的定義有：因為，所以電壓靈敏度也可表示為

U0——壓電片輸出電壓；C0——壓電片等效電容電荷靈敏度電壓靈敏度電荷靈敏度第二十七頁，共四十八頁，2022年，8月28日（三）

壓電式流量計利用超聲波在順流方向和逆流方向的傳播速度進行測量。其測量裝置是在管外設(shè)置兩個相隔一定距離的收發(fā)兩用壓電超聲換能器，每隔一段時間(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。據(jù)這個關(guān)系，可精確測定流速。流速與管道橫截面積的乘積等于流量。

流量顯示1789輸出信號換能器換能器接收接收發(fā)射發(fā)射壓電式流量計此流量計可測量各種液體的流速，中壓和低壓氣體的流速，不受該流體的導電率、粘度、密度、腐蝕性以及成分的影響。其準確度可達0.5%，有的可達到0.01%。根據(jù)發(fā)射和接收的相位差隨海洋深度深度的變化，測量聲速隨深度的分布情況第二十八頁，共四十八頁，2022年，8月28日（四）集成壓電式傳感器是一種高性能、低成本動態(tài)微壓傳感器，產(chǎn)品采用壓電薄膜作為換能材料，動態(tài)壓力信號通過薄膜變成電荷量，再經(jīng)傳感器內(nèi)部放大電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出。該傳感器具有靈敏度高，抗過載及沖擊能力強，抗干擾性好，操作簡便，體積小、重量輕、成本低等特點，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、工業(yè)控制、交通、安全防衛(wèi)等領(lǐng)域。

脈搏計照片

典型應(yīng)用：

·脈搏計數(shù)探測

·按鍵鍵盤，觸摸鍵盤

·振動、沖擊、碰撞報警

·振動加速度測量

·管道壓力波動

·其它機電轉(zhuǎn)換、動態(tài)力檢測等

第二十九頁，共四十八頁，2022年，8月28日

力敏元件主要性能指標：壓力范圍≤1kPa靈敏度≥0.2ｍV/Pａ非線性度≤1％F.S頻率響應(yīng)1～1000Hz標準工作電壓4.5V（DC）擴充工作電壓3～15V(DC)標準負載電阻2.2kΩ擴充電阻1kΩ～12kΩ外形尺寸

12.7×7.6重量＜1.5ｇ集成壓電傳感器連線電路輸出力敏元件地線R=2.2kΩ電源集成壓電傳感器連線電路OO第三十頁，共四十八頁，2022年，8月28日致動器LongitudinalWaferTransverseWaferStackActuatorBimorph(extension)Bimorph(bending)第三十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日超聲波探頭功用

探傷用超聲波是一種頻率高達幾百千赫到幾兆赫的高頻脈沖彈性波。超聲波探頭ＴＦＢ探頭零件顯示器缺陷第三十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日探頭結(jié)構(gòu)組成超聲波探頭探頭組成：壓電晶片、阻尼塊、外殼、電極、保護膜（斜鍥）、調(diào)諧線圈壓電晶片：實現(xiàn)聲電相互轉(zhuǎn)換；阻尼塊：吸收聲能加大阻尼；外殼：保護固定內(nèi)部原件；電極：實現(xiàn)晶片和電纜連接；保護膜、斜鍥：保護晶片、波形轉(zhuǎn)換；調(diào)諧線圈：實現(xiàn)探頭與儀器最佳匹配。第三十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日骨的力電性質(zhì)第三十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日第三十五頁，共四十八頁，2022年，8月28日第三十六頁，共四十八頁，2022年，8月28日第三十七頁，共四十八頁，2022年，8月28日第三十八頁，共四十八頁，2022年，8月28日流動電位第三十九頁，共四十八頁，2022年，8月28日雙電層在固液界面上，固相表面電荷與周圍液相中的反離子構(gòu)成的正、負雙電層結(jié)構(gòu)（如圖）。

第四十頁，共四十八頁，2022年，8月28日（3）斯特恩雙電層模型①緊靠固體表面形成一個固定的吸附層，稱為固定層或斯特恩層。②被吸附的反離子的中心構(gòu)成的平面稱為斯特恩面。③在斯特恩面層以外，反離子呈擴散分布，構(gòu)成擴散層。

④當固、液兩相發(fā)生相對移動時，緊密層中吸附在固體表面的反離子和溶劑分子與質(zhì)點作為一個整體一起運動，滑動面與溶液本體之間的電勢差，稱為ξ電勢。

熱力學電勢ф0

：固體表面與溶液本體間的電勢差斯特恩電勢фδ:斯特恩面同溶液本體之間的電勢差ξ電勢：滑動面與溶液本體之間的電勢差斯特恩雙電層=固定層+擴散層第四十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日

含有離子的液體在加壓或重力等外力的作用下，流經(jīng)多孔膜或毛細管時會產(chǎn)生電勢差。流動電勢（streamingpotential)

這種因流動而產(chǎn)生的電勢稱為流動電勢。第四十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日4）流動電勢

加一壓力差，使毛細管中的電解質(zhì)水溶液沿管流動，在管的兩端產(chǎn)生的電勢差叫做流動電勢。設(shè)毛細管長度為L、半徑為r、在壓強p作用下液體流速為u界面電荷密度為、速度從0到u的液層厚度為。η：分散介質(zhì)的粘度E：外加電場強度第四十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日作用在管截面上的力F為：

F=pr2(a)液體在管中受內(nèi)摩擦力F’