1、5.1 壓電效應壓電效應5.2 壓電材料壓電材料5.3 等效電路和測量電路等效電路和測量電路5.4 壓電傳感器及其應用壓電傳感器及其應用第五章第五章 壓電傳感器壓電傳感器5.1 壓電效應壓電效應l壓電效應壓電效應l石英晶體的壓電效應石英晶體的壓電效應l壓電系數(shù)壓電系數(shù)l壓電陶瓷的壓電效應壓電陶瓷的壓電效應一、壓電效應一、壓電效應某些電介質在沿一定方向上受到外力的作用而變某些電介質在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，其內(nèi)部會形時，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個，同時在它的兩個相對表面上出現(xiàn)相對表面上出現(xiàn)正負相反的電荷正負相反的電荷。 二、石英晶體的壓電效應二、石英晶體的壓電效

2、應1、石英晶體的結構：六棱柱X軸軸:電軸：電軸：Y軸軸:機械軸機械軸Z軸軸:光軸光軸石英晶體石英晶體2、壓電效應機理、壓電效應機理石英晶體即二氧化硅石英晶體即二氧化硅, 化學式為化學式為SiO2； 代表代表Si 4+, 代表代表2O2-，成正六邊形排列。，成正六邊形排列。+直接壓電效應直接壓電效應是由居里兄弟在1880 年發(fā)現(xiàn)的。他們指出，當把一重物放在一石英晶體上時，在晶體表面上出現(xiàn)了電荷，電荷量和重物電荷量和重物的質量成正比的質量成正比。 3、橫向壓電效應和縱向壓電效應、橫向壓電效應和縱向壓電效應機械軸：橫向壓電效應電軸：縱向壓電效應光軸： 沒有壓電效應二、壓電常數(shù)二、壓電常數(shù)1、光軸、電

3、軸、機械軸 光軸：Z軸 電軸：X軸 機械軸：Y軸2、沿電軸（、沿電軸（X）方向）方向 受到外力受到外力F與電軸垂直的平面與電軸垂直的平面產(chǎn)生產(chǎn)生q11則：q11 =d11F1其中：d11為壓電常數(shù)，單位：庫侖牛頓,即CN； q11的單位為庫侖（C）, F1的單位為牛頓（N）。切片上產(chǎn)生的電荷大小與切片的幾何尺寸無關切片上產(chǎn)生的電荷大小與切片的幾何尺寸無關3、沿機械軸受到、沿機械軸受到 外力為外力為F在與電軸（在與電軸（X）垂直）垂直的平面產(chǎn)生的平面產(chǎn)生q1221121212FtldFtwlwdql、t、w 分別為石英晶體的長度、厚度和寬度, 單位：米（m）沿機械軸方向對晶片施加作用力時,切片上

4、產(chǎn)生的電荷大小與切片的幾何尺寸有關。三、壓電陶瓷的壓電效應三、壓電陶瓷的壓電效應l壓電陶瓷：壓電陶瓷：人工多晶壓電材料，由無數(shù)細微電疇電疇構成。 鈦酸鋇壓電陶瓷的電疇結構示意圖壓電陶瓷的極化：壓電陶瓷的極化：高溫高溫+強電場：強電場：2-3h極化方向：Z方向d33=19010-12CN,d31=d32=-0.41d33=-7810-12CN鈦酸鋇的壓電系數(shù)：鈦酸鋇的壓電系數(shù)：5.2 壓電材料壓電材料l壓電晶體l壓電材料l新型壓電材料一、壓電晶體一、壓電晶體l壓電晶體的種類很多,如石英、酒石酸鉀鈉、電氣石、磷酸銨（ADP）、硫酸鋰等。其中,石英晶體是壓電傳感器中常用的一種性能優(yōu)良的壓電材料。晶片

5、面與晶片面與X軸垂直軸垂直晶片面與晶片面與Y軸垂直軸垂直石英晶體特點石英晶體特點l穩(wěn)定，介電常數(shù)和壓電常數(shù)的溫度穩(wěn)定性好。0-200，溫度每升高一度，降低，溫度每升高一度，降低0.061%400，降低，降低5% 超過超過500 ，d11急劇下降急劇下降l遲滯小、線性范圍寬、重復性好l壓電常數(shù)小，大多用在標準傳感器、高精度傳感器二、壓電陶瓷二、壓電陶瓷l壓電常數(shù)大，靈敏度高；制造工藝成熟l溫度穩(wěn)定性、長期穩(wěn)定性、機械長度相對低l常用陶瓷材料：鈦酸鋇，鋯鈦酸鉛（PZT）、鈮酸鋰等。常用壓電材料的性能參數(shù) 小結小結1、壓電材料：、壓電材料：壓電晶體：壓電晶體：壓電陶瓷：壓電陶瓷：2、壓電效應：、壓電

6、效應：順順(正向正向)壓電效應：壓電效應：逆逆(反向反向)壓電效應：壓電效應：石英石英鋯鈦酸鉛（鋯鈦酸鉛（PZT）形變轉換成電形變轉換成電電轉換成形變電轉換成形變3、壓電材料、壓電材料的結構、壓電常數(shù)的結構、壓電常數(shù)4、居里點、居里點壓電材料的壓電材料的壓電特性會隨溫度升壓電特性會隨溫度升高時而消失，高時而消失，這個臨界溫度稱為這個臨界溫度稱為居里點。居里點。5、石英諧振器、石英諧振器當當石英晶體薄片受到石英晶體薄片受到外加交變電場外加交變電場的作用時會產(chǎn)的作用時會產(chǎn)生生機械振動機械振動，當交變電場的頻率與石英晶體的固有，當交變電場的頻率與石英晶體的固有頻率相同時，振動便變得很強烈，這就是晶體

7、諧振頻率相同時，振動便變得很強烈，這就是晶體諧振特性的反應。特性的反應。5.3 等效電路和測量電路等效電路和測量電路5.3.1：等效電路：等效電路 當壓電傳感器的壓電元件受力時當壓電傳感器的壓電元件受力時,在電極表面在電極表面就會出現(xiàn)電荷就會出現(xiàn)電荷,且兩個電極表面聚集的電荷量相且兩個電極表面聚集的電荷量相等等,極性相反。極性相反。 可以把可以把壓電傳感器壓電傳感器看作是一個看作是一個靜電荷發(fā)生器靜電荷發(fā)生器,而而壓電元件壓電元件在這一過程可以看成是一個在這一過程可以看成是一個電容器電容器,其其電容量電容量Ca為為:)(0FtstsCrat等效等效1：電荷元與電容并聯(lián)：電荷元與電容并聯(lián)等效等效

8、2: 電壓源與電容串聯(lián)電壓源與電容串聯(lián)實際等效電路實際等效電路 絕緣內(nèi)阻電纜電容前置放大電容和電阻5.3.2 測量電路測量電路信號特點：輸出阻抗高，信號弱信號特點：輸出阻抗高，信號弱前置放大器：前置放大器： 1、作用：、作用： 阻抗匹配，防止電荷迅速泄露阻抗匹配，防止電荷迅速泄露 放大微弱信號放大微弱信號 2、兩種形式、兩種形式： 電壓放大器，電荷放大器電壓放大器，電荷放大器1、電壓放大電路、電壓放大電路等效電阻等效電阻R為為iaiaRRRRR等效電容等效電容C為為C=Cc+Ci外力：外力：F=Fm sint, 電壓值為電壓值為：aaCqU2211)()(1icamsrmCCCRRFdUsrU

9、amaCtFdCFdsin1111放大器輸入端的電壓為放大器輸入端的電壓為Usr,表示成表示成復數(shù)形式復數(shù)形式為：為：前置放大器的前置放大器的輸入電壓的幅值輸入電壓的幅值Usrm為為)/(/CCaCsZRZZRUCCaaZRZcRZCFd/)/(111)(111CCRjRjFda2211)()(1icamsrmCCCRRFdU1、=0=0，U Usrm srm =0=02、靈敏度、靈敏度:2211)()(1CCRRdFUkamsrm變小，靈敏度降低3、壓電傳感器與前置放大器之間的電纜不能亂用、壓電傳感器與前置放大器之間的電纜不能亂用壓電傳感器不能測量靜態(tài)信號壓電傳感器不能測量靜態(tài)信號5.4 壓

10、電傳感器及其應用壓電傳感器及其應用5.4.1壓電傳感器中壓電片連接壓電傳感器中壓電片連接q=2q, U=U, C=2Cq=q, U=2U, UU壓電片兩種連接的特點及壓電片兩種連接的特點及適用范圍適用范圍5.4.2：應用：應用膜片式壓電膜片式壓電壓力壓力傳感器：輸出電量正比于壓力傳感器：輸出電量正比于壓力石英晶體微天平石英晶體微天平 銀膜銀膜石英晶體石英晶體聚合物聚合物精度：納克精度：納克石英晶體微天平的原理：石英晶體微天平的原理： 當當石英晶體薄片受到石英晶體薄片受到外加交變電場外加交變電場的作用時會產(chǎn)的作用時會產(chǎn)生生機械振動機械振動，當交變電場的頻率與石英晶體的固有，當交變電場的頻率與石英晶體的固有頻率相同時，振動便變得很強烈，這就是晶體諧振頻率相同時，振動便變得很強烈