力電性質(zhì)與骨

力電性質(zhì)與骨第1頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)：某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的一定表面上產(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。當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷極性也隨著改變。

符號(hào)相反的電荷第2頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月典型壓電材料的壓電效應(yīng)第3頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（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(gè)正六面體，在晶體學(xué)中它可用三根互相垂直的軸來(lái)表示，其中縱向軸Z－Z稱為光軸；經(jīng)過(guò)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(shí)垂直的Y－Y軸（垂直于正六面體的棱面）稱為機(jī)械軸。ZXY(a)(b)石英晶體(a)理想石英晶體的外形(b)坐標(biāo)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(jī)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4頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月石英晶體產(chǎn)生壓電效應(yīng)的物理過(guò)程每個(gè)晶體單元中，具有3個(gè)硅離子和6個(gè)氧離子，氧離子是成對(duì)的，構(gòu)成六邊的形狀。在沒(méi)有外力的作用時(shí)，電荷互相平衡，外部沒(méi)有帶電現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)示意圖第5頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月可將這些硅、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6頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

當(dāng)外力FX=0時(shí)，正、負(fù)離子（即Si4+和2O2-）正好分布在正六邊形頂角上，形成三個(gè)互成120o夾角的偶極矩P1、P2、P3，如圖（a）所示。此時(shí)正負(fù)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(dāng)晶體受到沿X方向的壓力（FX<0）作用時(shí)，晶體沿X方向?qū)a(chǎn)生收縮，正、負(fù)離子相對(duì)位置隨之發(fā)生變化，如圖（b）所示。此時(shí)正、負(fù)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7頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月可見，當(dāng)晶體受到沿X(電軸)方向的力FX作用時(shí)，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(dāng)FY＞0時(shí)，晶體的形變與圖（b）相似；當(dāng)FY＜0時(shí)，則與圖（c）相似。由此可見，晶體在Y（即機(jī)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(dāng)晶體受到沿X方向的拉力（FX＞0）作用時(shí)，其變化情況如圖（c）。此時(shí)電極矩的三個(gè)分量為在X軸的正向出現(xiàn)負(fù)電荷，在Y、Z方向則不出現(xiàn)電荷。第8頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月極化示意圖。

FXFX++++－－－－－－－－++++(a)(b)XX++++++++－－－－－－－－(c)(d)FYFYXX第9頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月壓電方程—力電關(guān)系表達(dá)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(chǎng)為零第10頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二

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(chǎng)。在無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí)，各個(gè)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(qiáng)度為零，見圖（a）。

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

第11頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月但是，當(dāng)把電壓表接到陶瓷片的兩個(gè)電極上進(jìn)行測(cè)量時(shí)，卻無(wú)法測(cè)出陶瓷片內(nèi)部存在的極化強(qiáng)度。這是因?yàn)樘沾善瑑?nèi)的極化強(qiáng)度總是以電偶極矩的形式表現(xiàn)出來(lái)，即在陶瓷的一端出現(xiàn)正束縛電荷，另一端出現(xiàn)負(fù)束縛電荷。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，它起著屏蔽和抵消陶瓷片內(nèi)極化強(qiáng)度對(duì)外界的作用。所以電壓表不能測(cè)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12頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

如果在陶瓷片上加一個(gè)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(fù)束縛電荷之間的距離變小，極化強(qiáng)度也變小。因此，原來(lái)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(dāng)壓力撤消后，陶瓷片恢復(fù)原狀(這是一個(gè)膨脹過(guò)程)，片內(nèi)的正、負(fù)電荷之間的距離變大，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。這種由機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，或者由機(jī)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(shí)線代表形變前的情況，虛線代表形變后的情況）F－＋第13頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第14頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月石英晶體壓電系數(shù)矩陣第15頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月壓電陶瓷的壓電常數(shù)矩陣第16頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

逆壓電效應(yīng)：當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)就在一定方向上產(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。（電致伸縮效應(yīng)）第17頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三等效電路可把壓電體看成一個(gè)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(jiǎn)的電壓為為兩極板間的距離第18頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月因此，壓電傳感器可等效為電壓源Ua和一個(gè)電容器Ca的串聯(lián)電路，如圖(a)；也可等效為一個(gè)電荷源q和一個(gè)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(hào)電荷無(wú)“漏損”，外電路負(fù)載無(wú)窮大時(shí)，壓電傳感器受力后產(chǎn)生的電壓或電荷才能長(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。這對(duì)于靜態(tài)標(biāo)定以及低頻準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)量極為不利，必然帶來(lái)誤差。事實(shí)上，傳感器內(nèi)部不可能沒(méi)有泄漏，外電路負(fù)載也不可能無(wú)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(bǔ)充，因此，壓電晶體不適合于靜態(tài)測(cè)量。第19頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（二）

測(cè)量電路、壓電式傳感器的測(cè)量電路

壓電式傳感器的前置放大器有兩個(gè)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(hào)。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20頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

2、電荷放大器電荷放大器是一個(gè)具有深度負(fù)反饋的高增益放大器，其基本電路如圖。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(méi)有分流，運(yùn)算電流僅流入反饋回路CF與RF。由圖可知i的表達(dá)式為：

－A0CaU∑USC電荷放大器原理電路圖iRaqCFRF第21頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四、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(jì)（四）集成壓電式傳感器（五）壓電式傳感器在自來(lái)水管道測(cè)漏中的應(yīng)用第22頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

當(dāng)傳感器感受振動(dòng)時(shí)，因?yàn)橘|(zhì)量塊相對(duì)被測(cè)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(dòng)，并受到與加速度方向相反的慣性力，此力F＝ma。同時(shí)慣性力作用在壓電陶瓷片上產(chǎn)生電荷為

運(yùn)動(dòng)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(guò)螺母3對(duì)質(zhì)量塊預(yù)先加載，使之壓緊在壓電陶瓷上。測(cè)量時(shí)將傳感器基座5與被測(cè)對(duì)象牢牢地緊固在一起。輸出信號(hào)由電極1引出。q＝d33F＝d33ma第23頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(huì)影響被測(cè)振動(dòng)，同時(shí)會(huì)降低振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率，因此一般不用增加質(zhì)量辦法來(lái)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24頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月連接方式：圖(a)為并聯(lián)形式，片上的負(fù)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(fù)電荷集中在下極板，而中間的極板上產(chǎn)生的負(fù)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(shí)間常數(shù)大，宜用于測(cè)量緩變信號(hào)，并且適用于以電荷作為輸出量的場(chǎng)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(hào)，且測(cè)量電路輸入阻抗很高的場(chǎng)合。第25頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（二）

壓電式壓力傳感器根據(jù)使用要求不同，壓電式測(cè)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(cè)壓傳感器的原理簡(jiǎn)圖。它由引線1、殼體2、基座3、壓電晶片4、受壓膜片5及導(dǎo)電片6組成。當(dāng)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(gè)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(qiáng)，；S——膜片的有效面積。123456p壓電式測(cè)壓傳感器原理圖第26頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

測(cè)壓傳感器的輸入量為壓力P，如果傳感器只由一個(gè)壓電晶片組成，則根據(jù)靈敏度的定義有：因?yàn)?，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27頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（三）

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(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1789輸出信號(hào)換能器換能器接收接收發(fā)射發(fā)射壓電式流量計(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響。其準(zhǔn)確度可達(dá)0.5%，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深度的變化，測(cè)量聲速隨深度的分布情況第28頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（四）集成壓電式傳感器是一種高性能、低成本動(dòng)態(tài)微壓傳感器，產(chǎn)品采用壓電薄膜作為換能材料，動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)通過(guò)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(guò)載及沖擊能力強(qiáng)，抗干擾性好，操作簡(jiǎn)便，體積小、重量輕、成本低等特點(diǎn)，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(jì)照片

典型應(yīng)用：

·脈搏計(jì)數(shù)探測(cè)

·按鍵鍵盤，觸摸鍵盤

·振動(dòng)、沖擊、碰撞報(bào)警

·振動(dòng)加速度測(cè)量

·管道壓力波動(dòng)

·其它機(jī)電轉(zhuǎn)換、動(dòng)態(tài)力檢測(cè)等

第29頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

力敏元件主要性能指標(biāo)：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(biāo)準(zhǔn)工作電壓4.5V（DC）擴(kuò)充工作電壓3～15V(DC)標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載電阻2.2kΩ擴(kuò)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30頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月致動(dòng)器LongitudinalWaferTransverseWaferStackActuatorBimorph(extension)Bimorph(bending)第31頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月超聲波探頭功用

探傷用超聲波是一種頻率高達(dá)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32頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月探頭結(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(hù)膜（斜鍥）、調(diào)諧線圈壓電晶片：實(shí)現(xiàn)聲電相互轉(zhuǎn)換；阻尼塊：吸收聲能加大阻尼；外殼：保護(hù)固定內(nèi)部原件；電極：實(shí)現(xiàn)晶片和電纜連接；保護(hù)膜、斜鍥：保護(hù)晶片、波形轉(zhuǎn)換；調(diào)諧線圈：實(shí)現(xiàn)探頭與儀器最佳匹配。第33頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月骨的力電性質(zhì)第34頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第35頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第36頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第37頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第38頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月流動(dòng)電位第39頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(fù)雙電層結(jié)構(gòu)（如圖）。

第40頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（3）斯特恩雙電層模型①緊靠固體表面形成一個(gè)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(kuò)散分布，構(gòu)成擴(kuò)散層。

④當(dāng)固、液兩相發(fā)生相對(duì)移動(dòng)時(shí)，緊密層中吸附在固體表面的反離子和溶劑分子與質(zhì)點(diǎn)作為一個(gè)整體一起運(yùn)動(dòng)，滑動(dòng)面與溶液本體之間的電勢(shì)差，稱為ξ電勢(shì)。

熱力學(xué)電勢(shì)ф0

：固體表面與溶液本體間的電勢(shì)差斯特恩電勢(shì)фδ:斯特恩面同溶液本體之間的電勢(shì)差ξ電勢(shì)：滑動(dòng)面與溶液本體之間的電勢(shì)差斯特恩雙電層=固定層+擴(kuò)散層第41頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

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(xì)管時(shí)會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差。流動(dòng)電勢(shì)（streamingpotential)

這種因流動(dòng)而產(chǎn)生的電勢(shì)稱為流動(dòng)電勢(shì)。第42頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4）流動(dòng)電勢(shì)

加一壓力差，使毛細(xì)管中的電解質(zhì)水溶液沿管流動(dòng)，在管的兩端產(chǎn)生的電勢(shì)差叫做流動(dòng)電勢(shì)。設(shè)毛細(xì)管長(zhǎng)度為L(zhǎng)、半徑為r、在壓強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)度第43頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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