壓電的課件資料第1頁(yè)/共57頁(yè)●電感式和電容式力（加速度）傳感器的共性問題：結(jié)構(gòu)中必然存在運(yùn)動(dòng)部分，必須保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。●啟發(fā)：電阻受力電阻率變化●目標(biāo)：結(jié)構(gòu)不變輸出電量變化●方向：結(jié)構(gòu)型傳感器物性型傳感器●問題：結(jié)構(gòu)的研究材料的研究

牛牛文庫(kù)文檔分享第2頁(yè)/共57頁(yè)5.1壓電效應(yīng)①壓電效應(yīng)-機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?/p>

某些電介質(zhì),當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí),其內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象,同時(shí)在它的兩個(gè)表面上便產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷,當(dāng)外力去掉后,其又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱壓電效應(yīng)?！裾龎弘娦?yīng)當(dāng)作用力方向改變時(shí),電荷的極性也隨之改變。把這種機(jī)械能轉(zhuǎn)為電能的現(xiàn)象,稱為“正壓電效應(yīng)”?！駢弘妭鞲衅鞔蠖际腔趬弘姴牧系恼龎弘娦?yīng)。

牛牛文庫(kù)文檔分享第3頁(yè)/共57頁(yè)5.1壓電效應(yīng)②逆壓電效應(yīng)--電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能

當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向施加電場(chǎng)，某些電介質(zhì)在一定方向上將產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械應(yīng)力，當(dāng)外電場(chǎng)撤去后，變形或應(yīng)力也隨之消失，這種物理現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。③電致伸縮效應(yīng)---電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能電介質(zhì)在電場(chǎng)的作用下會(huì)由于極化的變化而引起形變，若形變與電場(chǎng)方向無(wú)關(guān)，這個(gè)現(xiàn)象就稱為電致伸縮效應(yīng)。FF極化面Q壓電介質(zhì)機(jī)械能｛電能｝正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)及可逆性

牛牛文庫(kù)文檔分享第4頁(yè)/共57頁(yè)5.1壓電效應(yīng)機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔茈娔苻D(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)電致伸縮效應(yīng)縱向壓電效應(yīng)切向壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)

牛牛文庫(kù)文檔分享第5頁(yè)/共57頁(yè)5.2壓電材料●自然界中大多數(shù)晶體具有壓電效應(yīng),但壓電效應(yīng)十分微弱?！裥阅軆?yōu)良的壓電材料

(轉(zhuǎn)換性能、機(jī)械性能、電性能、環(huán)境適應(yīng)性、時(shí)間穩(wěn)定性)●實(shí)際應(yīng)用的壓電材料

⑴壓電晶體（單晶體）：石英；鈮酸鋰等。⑵壓電陶瓷：鈦酸鋇；鋯鈦酸鉛系列（PZ系列）等。⑶壓電半導(dǎo)體和高分子壓電材料（含壓電薄膜）等。

牛牛文庫(kù)文檔分享第6頁(yè)/共57頁(yè)5.2壓電材料--5.2.1石英晶體天然形成的石英晶體外形石英晶體切片及雙面鍍銀封裝

牛牛文庫(kù)文檔分享第7頁(yè)/共57頁(yè)石英晶體振蕩器（晶振）

石英晶體在振蕩電路中工作時(shí)，壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)交替作用，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩輸出頻率。晶振

牛牛文庫(kù)文檔分享第8頁(yè)/共57頁(yè)5.2.1石英晶體以壓電晶體為例，壓電效應(yīng)是由于單晶受外應(yīng)力時(shí)其內(nèi)部晶格結(jié)構(gòu)變形，使原來(lái)宏觀表現(xiàn)的電中性狀態(tài)（正負(fù)電荷中心重合）被破壞而產(chǎn)生電極化。不受力石英晶體壓電模型①介電常數(shù)和壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性好在20℃至200℃溫度范圍內(nèi)，溫度每升高1℃，壓電系數(shù)僅減少0.016%，當(dāng)溫度達(dá)到573℃時(shí)（居里點(diǎn)），石英晶體喪失壓電特性。②各向異性的晶體，按不同方向切割的晶片，其物理性質(zhì)相差很大。

牛牛文庫(kù)文檔分享第9頁(yè)/共57頁(yè)5.2.2壓電陶瓷●極化前，各個(gè)電疇在晶體上雜亂分布，極化效應(yīng)被相互抵消，原始的壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零；●在外電場(chǎng)作用下，電疇的極化方向趨向于按外電場(chǎng)的方向；●極化處理后，陶瓷內(nèi)部仍存在有很強(qiáng)的剩余極化強(qiáng)度?！袷艿綁毫螅杂呻姾蛇^(guò)剩出現(xiàn)放電現(xiàn)象。受到拉力，出現(xiàn)充電現(xiàn)象。束縛電荷和自由電荷排列示意圖自由電荷自由電荷電極束縛電荷

牛牛文庫(kù)文檔分享第10頁(yè)/共57頁(yè)壓電陶瓷外形

無(wú)鉛壓電陶瓷及其換能器外形壓電陶瓷的性能:①很高的壓電系數(shù)；②居里點(diǎn)溫度低；③有熱釋電現(xiàn)象；④穩(wěn)定性不如石英晶體；⑤人工制造，成本低。

牛牛文庫(kù)文檔分享第11頁(yè)/共57頁(yè)5.2.3壓電半導(dǎo)體和高分子壓電材料（壓電薄膜）●壓電薄膜：極化的聚偏氟乙烯類薄膜上鍍以鋁質(zhì)電極而制成的?！駢弘姴牧希壕燮蚁?ＰＶＤＦ)和偏氟乙烯三氟乙烯共聚物(ＶＤＦ-TRFE)兩類?！窕瑒?dòng)傳感器視頻。

牛牛文庫(kù)文檔分享第12頁(yè)/共57頁(yè)5.3壓電式傳感器的應(yīng)用●有源傳感器：在外界作用下產(chǎn)生電荷非電量到電量的轉(zhuǎn)換和測(cè)量?！窳γ舾性簞?dòng)態(tài)（力或加速度）測(cè)量不能用于靜態(tài)測(cè)量●無(wú)運(yùn)動(dòng)部件：結(jié)構(gòu)堅(jiān)固可靠性、穩(wěn)定性高?！駜?yōu)點(diǎn)：頻帶寬、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、重量輕

牛牛文庫(kù)文檔分享第13頁(yè)/共57頁(yè)5.3壓電式傳感器的應(yīng)用

①玻璃打碎報(bào)警裝置將高分子壓電測(cè)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)。問題：靈敏度調(diào)節(jié)問題。粘貼位置

牛牛文庫(kù)文檔分享第14頁(yè)/共57頁(yè)

牛牛文庫(kù)文檔分享第15頁(yè)/共57頁(yè)②改進(jìn)--基于破碎聲音測(cè)量的玻璃破碎傳感器原理：●破碎時(shí)發(fā)出的響亮刺耳的聲音頻率：處于大約10～15KHz的高頻段?！駧ǚ糯笃鞯膸掃x在10～15KHz的范圍內(nèi)，取出玻璃破碎所產(chǎn)生高頻聲音?！駜?yōu)點(diǎn)：對(duì)人的腳步聲、說(shuō)話聲、雷雨聲等卻具有較強(qiáng)的抑制作用，以降低誤報(bào)率?！窳硪活愂请p技術(shù)玻璃破碎探測(cè)器，其中包括聲控-震動(dòng)型和次聲波-玻璃破碎高頻聲響型。

牛牛文庫(kù)文檔分享第16頁(yè)/共57頁(yè)③壓電踏腳板●根據(jù)需要制成薄膜或電纜套管等形狀?！癫灰灼扑?，具有防水性，可以制成較大面積或較長(zhǎng)的尺度。壓電式腳踏報(bào)警器

牛牛文庫(kù)文檔分享第17頁(yè)/共57頁(yè)5.4壓電傳感器的等效電路●電壓源U，與其等效電容Ce串聯(lián)；●電荷源q，與其等效電容Ce并聯(lián)?！駢弘娫诔惺苎仄涿舾休S向的外力作用時(shí)，產(chǎn)生電荷，相當(dāng)于一個(gè)電荷源；●壓電元件電極表面聚集電荷時(shí)，相當(dāng)于一個(gè)以壓電材料為電介質(zhì)的電容器。

牛牛文庫(kù)文檔分享第18頁(yè)/共57頁(yè)5.5測(cè)量電路●壓電方程耍同時(shí)考慮力與電之間相互作用和相互影響，即力正壓電效應(yīng)產(chǎn)生電荷電荷逆壓電效應(yīng)力●測(cè)量線路不同（電邊界為短路狀態(tài)或電邊界為開路狀態(tài)），則力與電之間相互作用和相互影響不同。

牛牛文庫(kù)文檔分享第19頁(yè)/共57頁(yè)5.5.1電邊界為短路狀態(tài)（電荷放大）④應(yīng)力T1與形變S1關(guān)系為：S1=C11T1

式中：C11為壓電陶瓷固有的柔度系數(shù)；⑤與T1作用下產(chǎn)生的變形對(duì)應(yīng)有束縛電荷σ3=d31T1；所以有：特點(diǎn)：信號(hào)變換是單向的。C11T1S1σ3

牛牛文庫(kù)文檔分享第20頁(yè)/共57頁(yè)5.5.2電邊界為開路狀態(tài)應(yīng)力形變電荷結(jié)論：電短路條件下靈敏度高于電開路?！獵11T1S1σ3S’1g13S’’1

牛牛文庫(kù)文檔分享第21頁(yè)/共57頁(yè)5.6壓電式傳感器的動(dòng)態(tài)性能①幅頻特性；②將傳感器與測(cè)量線路的頻率響應(yīng)結(jié)合在一起；③分析范疇力學(xué)系統(tǒng)＋壓電元件+測(cè)量線路力學(xué)系統(tǒng)：由力產(chǎn)生變形；壓電元件：由變形而產(chǎn)生電荷輸出；測(cè)量線路：將電荷變換為電壓輸出。力學(xué)系統(tǒng)壓電元件TSσ測(cè)量線路UL

牛牛文庫(kù)文檔分享第22頁(yè)/共57頁(yè)5.6.1壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器它主要由壓電元件、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),并用螺栓加以固定。

牛牛文庫(kù)文檔分享第23頁(yè)/共57頁(yè)5.6.1壓電式加速度傳感器

建立了相對(duì)運(yùn)動(dòng)和絕對(duì)運(yùn)動(dòng)的聯(lián)系。

牛牛文庫(kù)文檔分享第24頁(yè)/共57頁(yè)5.6.2力學(xué)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)①壓電傳感系統(tǒng)力傳遞部分的模型

牛牛文庫(kù)文檔分享第25頁(yè)/共57頁(yè)以加速度計(jì)為例：●在ω≤0.5ω0（阻尼系數(shù)小于0.65）時(shí)，頻響特性曲線是平坦的；●擴(kuò)大加速度測(cè)量的頻率范圍增大固有頻率，即減小附加質(zhì)量；●靈敏度與帶寬兩個(gè)要求是矛盾的；

牛牛文庫(kù)文檔分享第26頁(yè)/共57頁(yè)5.6.3測(cè)量線路的頻率響應(yīng)①電壓放大器電阻R=RaRi/(Ra+Ri),電容C=Cc+Ci,u=q/Ca

若壓電元件受正弦力f=Fmsinωt，q＝d33Fmsinωt的作用,|Ku(jw)|w=1/τwKu(∞)

牛牛文庫(kù)文檔分享第27頁(yè)/共57頁(yè)5.6.3測(cè)量線路的頻率響應(yīng)②電荷放大器幅頻特性為：|Ku(jw)|w=1/τfwKu(∞)

牛牛文庫(kù)文檔分享第28頁(yè)/共57頁(yè)②電荷放大器特點(diǎn)：●用高增益的運(yùn)算放大器形成電短路的邊界條件；●將線路阻抗的影響減到最低限度；●將一些未知的不確定的分布電容影響減少到最小；●靈敏度取決于已知的、固定的Rf和Cf，有利于靈敏度的穩(wěn)定和調(diào)整。

牛牛文庫(kù)文檔分享第29頁(yè)/共57頁(yè)5.6.4系統(tǒng)響應(yīng)①系統(tǒng)的頻率響應(yīng)由三部分決定。●測(cè)量線路的頻率響應(yīng)決定系統(tǒng)的的低頻性能；●系統(tǒng)的高頻部分受到力學(xué)系統(tǒng)的固有頻率限制；●壓電元件的性能則對(duì)系統(tǒng)的靈敏度起重要作用。②以壓電陶瓷為例，說(shuō)明系統(tǒng)的綜合頻率響應(yīng)。壓電陶瓷的傳遞系數(shù)力學(xué)系統(tǒng)壓電元件測(cè)量線路tSQUL

牛牛文庫(kù)文檔分享第30頁(yè)/共57頁(yè)5.6.4系統(tǒng)響應(yīng)—輸出電壓和加速度的關(guān)系系統(tǒng)的幅頻特性

以ω02=k/m代入上式得：

|Ku(jw)|w=1/τfw0wwH

牛牛文庫(kù)文檔分享第31頁(yè)/共57頁(yè)5.7壓電式傳感器的誤差壓電傳感器的誤差由溫度影響、老化誤差、橫向干擾和電纜噪聲構(gòu)成。5.7.1溫度影響外界溫度變化將影響壓電傳感器的靈敏度?！駢弘娤禂?shù)發(fā)生變化；●壓電傳感器等效電容量發(fā)生變化；●某些壓電材料本身同時(shí)具有熱釋電效應(yīng)；●溫度的變化會(huì)導(dǎo)致傳感器中晶體元件受力狀態(tài)的變化。

牛牛文庫(kù)文檔分享第32頁(yè)/共57頁(yè)5.7.2電纜及器件噪聲①問題：●壓電傳感器的Ri很大任何微小的干擾產(chǎn)生較大的誤差●為屏蔽掉外部干擾采用屏蔽電纜●傳感器電纜承受機(jī)械振動(dòng)和彎曲變形屏蔽層與絕緣層分離●摩擦生電分離部分的內(nèi)表面上將產(chǎn)生電荷●感生電荷疊加在壓電元件輸出的電荷上形成噪聲電荷輸出②解決辦法

●將屏蔽線固定；●采用特制低噪聲同軸射頻電纜。這種電纜的內(nèi)絕織層和屏蔽層之間涂有減摩材料硅油和導(dǎo)電石墨層，它可以有效地防止電纜振動(dòng)和彎曲而產(chǎn)生的摩擦生電效應(yīng)，從而減少電纜噪聲。

牛牛文庫(kù)文檔分享第33頁(yè)/共57頁(yè)5.8超聲波傳感器5.8.1超聲波的特性

●蝙蝠能發(fā)出和聽見超聲波，依靠超聲波捕食。

牛牛文庫(kù)文檔分享第34頁(yè)/共57頁(yè)①超聲波的反射和折射特性當(dāng)波在界面處產(chǎn)生折射時(shí),入射角α的正弦與折射角的正弦之比,等于入射波在第一介質(zhì)中的波速C1與折射波在第二介質(zhì)中的波速C2之比,即

牛牛文庫(kù)文檔分享第35頁(yè)/共57頁(yè)②超聲波的衰減特性聲波在介質(zhì)中傳播時(shí),隨著傳播距離的增加,能量逐漸衰減,其衰減的程度與聲波的擴(kuò)散、散射及吸收等因素有關(guān)。其聲壓和聲強(qiáng)的衰減規(guī)律為:

式中:Px、Ix

—距聲源x處的聲壓和聲強(qiáng);x—聲波與聲源間的距離;α—衰減系數(shù)。

牛牛文庫(kù)文檔分享第36頁(yè)/共57頁(yè)接觸式直探頭原理超聲脈沖電壓輸入端接地端5.8.2超聲波傳感器逆壓電效應(yīng):將數(shù)百伏的電脈沖加到壓電晶片上，使晶片發(fā)射出持續(xù)時(shí)間很短的超聲振動(dòng)波。壓電效應(yīng):當(dāng)超聲波經(jīng)被測(cè)物反射回到壓電晶片時(shí)，將機(jī)械振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成同頻率的交變電荷和電壓。探頭的特征頻率決定于壓電晶體的厚度。

牛牛文庫(kù)文檔分享第37頁(yè)/共57頁(yè)各種超聲波探頭

（以下參考常州市常超檢測(cè)設(shè)備有限公司資料）常用頻率范圍：0.5~10MHz，常見晶片直徑：5~30mm接觸式直探頭（縱波垂直入射到被檢介質(zhì)）

外殼用金屬制作，保護(hù)膜用硬度很高的耐磨材料制作，防止壓電晶片磨損。

保護(hù)膜接插件

牛牛文庫(kù)文檔分享第38頁(yè)/共57頁(yè)超聲波探頭中的壓電陶瓷芯片

牛牛文庫(kù)文檔分享第39頁(yè)/共57頁(yè)5.8.3超聲波傳感器的應(yīng)用①物位測(cè)量－（反射和折射特性）1—液面2—直管3—空氣超聲探頭4—反射小板5—電子開關(guān)

牛牛文庫(kù)文檔分享第40頁(yè)/共57頁(yè)壓電傳感器的應(yīng)用：--超聲波傳感器測(cè)液位①常用液位測(cè)量方法 ●浮子式液位測(cè)量方法（機(jī)械） ●壓力液位測(cè)量方法（氣泡） ●電容式液位測(cè)量方法（管壁、標(biāo)準(zhǔn)化） ●超聲波液位測(cè)量方法②超聲液位測(cè)量問題的技術(shù)關(guān)鍵 ●盲區(qū) ●溫度影響 ●測(cè)量距離的影響

牛牛文庫(kù)文檔分享第41頁(yè)/共57頁(yè)●盲區(qū)A壓電晶片的發(fā)射脈沖拖尾現(xiàn)象；B發(fā)射脈沖小于發(fā)射信號(hào)幅值之前，檢測(cè)電路不能區(qū)分發(fā)射信號(hào)和回波信號(hào)。C減少盲區(qū)的方法盲區(qū)時(shí)間：t=nT（n是振蕩個(gè)數(shù)，T是壓電晶體振蕩周期）

牛牛文庫(kù)文檔分享第42頁(yè)/共57頁(yè)●溫度影響超聲波傳播速度符合：c——

超聲波在空氣中的傳播速度t——

環(huán)境溫度由于溫度引起的聲速誤差為油箱里的溫度是有一定變化的，會(huì)給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)較大的誤差。

牛牛文庫(kù)文檔分享第43頁(yè)/共57頁(yè)●溫度影響降低環(huán)境溫度和密度的影響通常有如下采用聲速校正方案。

牛牛文庫(kù)文檔分享第44頁(yè)/共57頁(yè)●測(cè)量距離的影響

A接收信號(hào)無(wú)法控制

B波形特點(diǎn)前沿卻并不是很陡，而且接