1、項(xiàng)目二項(xiàng)目二 力和壓力檢測(cè)力和壓力檢測(cè) 任務(wù)三任務(wù)三 壓電式傳感器壓電式傳感器3.1 壓電式力學(xué)傳感器壓電式力學(xué)傳感器v3.1 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)v1.壓電效應(yīng)的概念壓電效應(yīng)的概念v某些電介質(zhì)某些電介質(zhì), 當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾儺?dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí)形時(shí), 其內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象其內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象, 同時(shí)在它的兩個(gè)表同時(shí)在它的兩個(gè)表面上便產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷面上便產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷, 當(dāng)外力去掉后當(dāng)外力去掉后, 其又其又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)， 這種現(xiàn)象稱壓電效應(yīng)。這種現(xiàn)象稱壓電效應(yīng)。相反，當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場(chǎng)相反，當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場(chǎng), 這些電

2、介這些電介質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生變形質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生變形, 這種現(xiàn)象稱為這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)”（電致伸縮效應(yīng)）。（電致伸縮效應(yīng)）。 2.壓電效應(yīng)原理壓電效應(yīng)原理v具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)很多，如石英晶體、壓電陶具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)很多，如石英晶體、壓電陶瓷、高分子壓電材料等?，F(xiàn)以石英晶體為例，簡(jiǎn)瓷、高分子壓電材料等?，F(xiàn)以石英晶體為例，簡(jiǎn)要說明壓電效應(yīng)的機(jī)理要說明壓電效應(yīng)的機(jī)理 石英晶體的壓電效應(yīng)與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，產(chǎn)生極化現(xiàn)象的機(jī)理可用圖來說明。 v在無外力作用時(shí)，硅離子所帶的正電荷等效中在無外力作用時(shí)，硅離子所帶的正電荷等效中心與氧離子所帶負(fù)電荷的等效中心是重合的，整心與氧離子所帶負(fù)電荷的等效中心是重合的

3、，整個(gè)晶胞不呈現(xiàn)帶電現(xiàn)象，如圖個(gè)晶胞不呈現(xiàn)帶電現(xiàn)象，如圖2-26（a）所示。）所示。v當(dāng)晶體沿電軸（當(dāng)晶體沿電軸（x軸）方向受到壓力時(shí)，晶格軸）方向受到壓力時(shí)，晶格產(chǎn)生變形，如圖產(chǎn)生變形，如圖2-26（b）所示。硅離子的正電）所示。硅離子的正電荷中心上移，氧離子的負(fù)電荷中心下移，正負(fù)電荷中心上移，氧離子的負(fù)電荷中心下移，正負(fù)電荷中心分離，在晶體的荷中心分離，在晶體的x面的上表面產(chǎn)生正電荷，面的上表面產(chǎn)生正電荷，下表面產(chǎn)生負(fù)電荷而形成電場(chǎng)。反之，如果受到下表面產(chǎn)生負(fù)電荷而形成電場(chǎng)。反之，如果受到拉力作用時(shí)，情況恰好相反，拉力作用時(shí)，情況恰好相反，x面的上表面產(chǎn)生面的上表面產(chǎn)生負(fù)電荷，下表面產(chǎn)生正

4、電荷。如果受到的是交變負(fù)電荷，下表面產(chǎn)生正電荷。如果受到的是交變力，則在力，則在x面的上下表面間將產(chǎn)生交變電場(chǎng)。如面的上下表面間將產(chǎn)生交變電場(chǎng)。如果在果在x上下表面鍍上銀電極，就能測(cè)出所產(chǎn)生電上下表面鍍上銀電極，就能測(cè)出所產(chǎn)生電荷的大小。荷的大小。v同樣，當(dāng)晶體的機(jī)械軸（同樣，當(dāng)晶體的機(jī)械軸（y軸）方向受到壓力軸）方向受到壓力時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生晶格變形，如圖時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生晶格變形，如圖2-26（c）所示。）所示。硅離子的正電荷中心下移，氧離子的負(fù)電荷中心硅離子的正電荷中心下移，氧離子的負(fù)電荷中心上移，在上移，在x面的上表面產(chǎn)生負(fù)電荷，在面的上表面產(chǎn)生負(fù)電荷，在x面的下表面的下表面產(chǎn)生正電荷，這個(gè)過程恰

5、好與面產(chǎn)生正電荷，這個(gè)過程恰好與x軸方向受壓力軸方向受壓力時(shí)的情況相反。時(shí)的情況相反。 v當(dāng)晶體的光軸（當(dāng)晶體的光軸（Z軸）方向受到受力時(shí)，由于軸）方向受到受力時(shí)，由于晶格的變形不會(huì)引起正負(fù)電荷中心的分離，所以晶格的變形不會(huì)引起正負(fù)電荷中心的分離，所以不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。3.2.壓電材料壓電材料v1.壓電材料的主要特性參數(shù)壓電材料的主要特性參數(shù)v壓電材料的主要特性參數(shù)有：壓電材料的主要特性參數(shù)有：v壓電常數(shù)壓電常數(shù) vv彈性常數(shù)彈性常數(shù) vv介電常數(shù)介電常數(shù) v 機(jī)械耦合系數(shù)機(jī)械耦合系數(shù) v絕緣電阻絕緣電阻2.常用壓電材料常用壓電材料v在自然界中大多數(shù)晶體具有壓電效應(yīng)在自然界中

6、大多數(shù)晶體具有壓電效應(yīng), 但壓電效但壓電效應(yīng)十分微弱。隨著對(duì)材料的深入研究應(yīng)十分微弱。隨著對(duì)材料的深入研究, 發(fā)現(xiàn)石英發(fā)現(xiàn)石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料是性能優(yōu)良的壓晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料是性能優(yōu)良的壓電材料。電材料。 應(yīng)用于壓電式傳感器中的壓電元件材料應(yīng)用于壓電式傳感器中的壓電元件材料一般有三類：壓電晶體、經(jīng)過極化處理的壓電陶一般有三類：壓電晶體、經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷、高分子壓電材料。瓷、高分子壓電材料。v石英晶體石英晶體v石英晶體是一種性能良好的壓電晶體，它的突出石英晶體是一種性能良好的壓電晶體，它的突出優(yōu)點(diǎn)是性能非常穩(wěn)定，介電常數(shù)與壓電系數(shù)的溫優(yōu)點(diǎn)是性能非常穩(wěn)定，介電常數(shù)與壓電

7、系數(shù)的溫度穩(wěn)定性特別好，且居里點(diǎn)高，達(dá)到度穩(wěn)定性特別好，且居里點(diǎn)高，達(dá)到575 oC。此外，它還具有很大的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定的機(jī)械性此外，它還具有很大的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定的機(jī)械性能，絕緣性能好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、線性范圍寬、遲能，絕緣性能好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、線性范圍寬、遲滯小等優(yōu)點(diǎn)滯小等優(yōu)點(diǎn) 壓電陶瓷v壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料，與石英壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料，與石英晶體相比，壓電陶瓷的壓電系數(shù)很高，具有燒制晶體相比，壓電陶瓷的壓電系數(shù)很高，具有燒制方便、耐濕、耐高溫、易于成型等特點(diǎn)，制造成方便、耐濕、耐高溫、易于成型等特點(diǎn)，制造成本很低。因此，在實(shí)際應(yīng)用中的壓電傳感器，大本很低。因此，在實(shí)際

8、應(yīng)用中的壓電傳感器，大多采用壓電陶瓷材料。壓電陶瓷的弱點(diǎn)是，居里多采用壓電陶瓷材料。壓電陶瓷的弱點(diǎn)是，居里點(diǎn)較石英晶體要低，達(dá)到點(diǎn)較石英晶體要低，達(dá)到200400 oC，性能，性能沒有石英晶體穩(wěn)定。沒有石英晶體穩(wěn)定。 v鈦酸鋇壓電陶瓷鈦酸鋇壓電陶瓷 v鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷 v鈮酸鹽系列壓電陶瓷鈮酸鹽系列壓電陶瓷 v鈮鎂酸鉛壓電陶瓷鈮鎂酸鉛壓電陶瓷 高分子壓電材料v某些合成高分子聚合物薄膜經(jīng)延展拉伸和電場(chǎng)極某些合成高分子聚合物薄膜經(jīng)延展拉伸和電場(chǎng)極化后，具有一定的壓電性能，這類薄膜稱為高分化后，具有一定的壓電性能，這類薄膜稱為高分子壓電薄膜。目前出現(xiàn)的壓電薄膜有聚二氟乙烯子壓

9、電薄膜。目前出現(xiàn)的壓電薄膜有聚二氟乙烯PVF2、聚氟乙烯、聚氟乙烯PVF、聚氯乙烯、聚氯乙烯PVC等。這些等。這些是柔軟的壓電材料，不易破碎，可以大量生產(chǎn)和是柔軟的壓電材料，不易破碎，可以大量生產(chǎn)和制成較大的面積。制成較大的面積。 3.3 壓電式傳感器測(cè)量電路壓電式傳感器測(cè)量電路v1.壓電式傳感器的等效電路壓電式傳感器的等效電路 實(shí)際等效電路 2.壓電式傳感器測(cè)量電路壓電式傳感器測(cè)量電路v根據(jù)壓電式傳感器的工作原理及等效電路，它的根據(jù)壓電式傳感器的工作原理及等效電路，它的輸出可以是電荷信號(hào)，也可以是電壓信號(hào)，因此輸出可以是電荷信號(hào)，也可以是電壓信號(hào)，因此與之配套的前置放大器也有電荷放大器和電壓

10、放與之配套的前置放大器也有電荷放大器和電壓放大器兩種形式。由于電壓前置放大器的輸出電壓大器兩種形式。由于電壓前置放大器的輸出電壓與電纜電容有關(guān)，故目前多采用電荷放大器。與電纜電容有關(guān)，故目前多采用電荷放大器。v（1）電荷放大器）電荷放大器（2）電壓放大器（阻抗變）電壓放大器（阻抗變換器）換器）壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器的應(yīng)用v1.壓電傳感器的基本結(jié)構(gòu)壓電傳感器的基本結(jié)構(gòu)2.壓電傳感器的應(yīng)用壓電傳感器的應(yīng)用v（1）壓電式力傳感器）壓電式力傳感器（2）壓電式加速度傳感器）壓電式加速度傳感器 （3）壓電式玻璃破碎報(bào)警器）壓電式玻璃破碎報(bào)警器 （4）壓電式金屬加工切削力測(cè)量）壓電式金屬加工切削力測(cè)

11、量 小結(jié)小結(jié)v 壓阻式傳感器利用硅的壓阻效應(yīng)和微電子技術(shù)制成的壓阻壓阻式傳感器利用硅的壓阻效應(yīng)和微電子技術(shù)制成的壓阻式傳感器，具有靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、精度高、易于微式傳感器，具有靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、精度高、易于微型化和集成化等特點(diǎn)，是獲得廣泛應(yīng)用而且發(fā)展非常迅速型化和集成化等特點(diǎn)，是獲得廣泛應(yīng)用而且發(fā)展非常迅速的一種傳感器。的一種傳感器。v 某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)λ┘訅毫r(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)λ┘訅毫r(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面上產(chǎn)生相反的電荷；當(dāng)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面上產(chǎn)生相反的電荷；當(dāng)外力去掉后，電介質(zhì)又重新恢復(fù)為不帶電狀態(tài)；當(dāng)作用力外

12、力去掉后，電介質(zhì)又重新恢復(fù)為不帶電狀態(tài)；當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷的極性也隨著改變；晶體受力所產(chǎn)生的方向改變時(shí)，電荷的極性也隨著改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比，這種現(xiàn)象被稱為壓電效應(yīng)。電荷量與外力的大小成正比，這種現(xiàn)象被稱為壓電效應(yīng)。相反，當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場(chǎng)相反，當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場(chǎng), 這些電介質(zhì)也會(huì)產(chǎn)這些電介質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生變形生變形, 這種現(xiàn)象稱為這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)”（電致伸縮效應(yīng)）。（電致伸縮效應(yīng)）。v 在自然界中大多數(shù)晶體具有壓電效應(yīng)在自然界中大多數(shù)晶體具有壓電效應(yīng), 但壓電效應(yīng)十分微但壓電效應(yīng)十分微弱。石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料是性能優(yōu)良的

13、壓弱。石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料是性能優(yōu)良的壓電材料。應(yīng)用于壓電式傳感器中的壓電元件材料一般有三電材料。應(yīng)用于壓電式傳感器中的壓電元件材料一般有三類：壓電晶體、經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷、高分子壓電材類：壓電晶體、經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷、高分子壓電材料。料。v壓電式傳感器的輸出可以是電荷信號(hào)，也可以是壓電式傳感器的輸出可以是電荷信號(hào)，也可以是電壓信號(hào)，因此與之配套的前置放大器也有電荷電壓信號(hào)，因此與之配套的前置放大器也有電荷放大器和電壓放大器兩種形式。由于電壓前置放放大器和電壓放大器兩種形式。由于電壓前置放大器的輸出電壓與電纜電容有關(guān)，故目前多采用大器的輸出電壓與電纜電容有關(guān)，故目前多采用電荷放大器。電荷放大器。v由于外力作用在壓電傳感元件上所產(chǎn)生的電荷只由于外力作用在壓電傳感元件上所產(chǎn)生的電荷只有在無泄漏的情況下才能保存，即需要測(cè)