2-03壓電式傳感器重點(diǎn)第一頁(yè)，共22頁(yè)。3.1壓電式力學(xué)傳感器3.1壓電效應(yīng)1.壓電效應(yīng)的概念某些電介質(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)。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)生變形,這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)”（電致伸縮效應(yīng)）。第二頁(yè)，共22頁(yè)。2.壓電效應(yīng)原理具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)很多，如石英晶體、壓電陶瓷、高分子壓電材料等。現(xiàn)以石英晶體為例，簡(jiǎn)要說(shuō)明壓電效應(yīng)的機(jī)理第三頁(yè)，共22頁(yè)。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(lái)說(shuō)明。第四頁(yè)，共22頁(yè)。⑴在無(wú)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，整個(gè)晶胞不呈現(xiàn)帶電現(xiàn)象，如圖2-26（a）所示。⑵當(dāng)晶體沿電軸（x軸）方向受到壓力時(shí)，晶格產(chǎn)生變形，如圖2-26（b）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)電荷中心分離，在晶體的x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，如果受到拉力作用時(shí)，情況恰好相反，x面的上表面產(chǎn)生負(fù)電荷，下表面產(chǎn)生正電荷。如果受到的是交變力，則在x面的上下表面間將產(chǎn)生交變電場(chǎng)。如果在x上下表面鍍上銀電極，就能測(cè)出所產(chǎn)生電荷的大小。第五頁(yè)，共22頁(yè)。⑶同樣，當(dāng)晶體的機(jī)械軸（y軸）方向受到壓力時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生晶格變形，如圖2-26（c）所示。硅離子的正電荷中心下移，氧離子的負(fù)電荷中心上移，在x面的上表面產(chǎn)生負(fù)電荷，在x面的下表面產(chǎn)生正電荷，這個(gè)過(guò)程恰好與x軸方向受壓力時(shí)的情況相反。⑷當(dāng)晶體的光軸（Z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，所以不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。第六頁(yè)，共22頁(yè)。3.2.壓電材料1.壓電材料的主要特性參數(shù)壓電材料的主要特性參數(shù)有：⑴壓電常數(shù)⑵彈性常數(shù)⑶介電常數(shù)⑷機(jī)械耦合系數(shù)⑸絕緣電阻第七頁(yè)，共22頁(yè)。2.常用壓電材料在自然界中大多數(shù)晶體具有壓電效應(yīng),但壓電效應(yīng)十分微弱。隨著對(duì)材料的深入研究,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(guò)極化處理的壓電陶瓷、高分子壓電材料。⑴石英晶體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)的溫度穩(wěn)定性特別好，且居里點(diǎn)高，達(dá)到575oC。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、遲滯小等優(yōu)點(diǎn)第八頁(yè)，共22頁(yè)。⑵壓電陶瓷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200~400oC，性能沒(méi)有石英晶體穩(wěn)定。①鈦酸鋇壓電陶瓷②鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷③鈮酸鹽系列壓電陶瓷④鈮鎂酸鉛壓電陶瓷第九頁(yè)，共22頁(yè)。⑶高分子壓電材料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，這類薄膜稱為高分子壓電薄膜。目前出現(xiàn)的壓電薄膜有聚二氟乙烯PVF2、聚氟乙烯PVF、聚氯乙烯PVC等。這些是柔軟的壓電材料，不易破碎，可以大量生產(chǎn)和制成較大的面積。第十頁(yè)，共22頁(yè)。3.3壓電式傳感器測(cè)量電路1.壓電式傳感器的等效電路第十一頁(yè)，共22頁(yè)。實(shí)際等效電路第十二頁(yè)，共22頁(yè)。2.壓電式傳感器測(cè)量電路根據(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與電纜電容有關(guān)，故目前多采用電荷放大器。（1）電荷放大器第十三頁(yè)，共22頁(yè)。（2）電壓放大器（阻抗變換器）第十四頁(yè)，共22頁(yè)。2.5.4壓電式傳感器的應(yīng)用1.壓電傳感器的基本結(jié)構(gòu)第十五頁(yè)，共22頁(yè)。2.壓電傳感器的應(yīng)用（1）壓電式力傳感器第十六頁(yè)，共22頁(yè)。（2）壓電式加速度傳感器

第十七頁(yè)，共22頁(yè)。（3）壓電式玻璃破碎報(bào)警器

第十八頁(yè)，共22頁(yè)。（4）壓電式金屬加工切削力測(cè)量

第十九頁(yè)，共22頁(yè)。小結(jié)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。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)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)。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)生變形,這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)”（電致伸縮效應(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類：壓電晶體、經(jīng)過(guò)極化處理的壓電陶瓷、高分子壓電材料。第二十頁(yè)，共22頁(yè)。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)，故目前多采用電荷放大器。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(wú)泄漏的情況下才