第6章 壓電傳感器

1、1 第第 6 6 章章 壓電式傳感器壓電式傳感器26. 1 壓電效應(yīng)與壓電材料壓電效應(yīng)與壓電材料 壓電效應(yīng)分為順壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng) 順壓電效應(yīng)某些電介質(zhì)物質(zhì)，在一定方向上受外力 作用變形時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)表面產(chǎn)生電荷。當(dāng)外力去掉后，又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，稱為“順壓電效應(yīng)”。 逆壓電效應(yīng)在電介質(zhì)極化方向上施加電場(chǎng)，會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，當(dāng)去掉外加電場(chǎng)時(shí)，電介質(zhì)的變形隨之消失。這種將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的現(xiàn)象，稱為“逆壓電效應(yīng)”。 3 6.1.1 壓電材料壓電材料 （1）石英晶體：）石英晶體： 優(yōu)點(diǎn)：性能穩(wěn)定、機(jī)械強(qiáng)度高、絕緣性好。溫度升高 1，壓電系數(shù)僅減少0.0

2、16%。居里點(diǎn)：573。圖6.2 缺點(diǎn)：價(jià)格昂貴，壓電系數(shù)比壓電陶瓷低很多。 d11=2.31。陶瓷：d33=190居里點(diǎn)指鐵磁性物質(zhì)達(dá)到該溫度時(shí)，其鐵磁性全部消失 而變?yōu)轫槾判?。失去壓電特性。鐵磁性原子磁矩形成有序排列。順磁性原子或分子中含有沒(méi)有完全抵消的電子磁矩，因 而具有原子或分子磁矩。但磁矩間無(wú)強(qiáng)的相互 作用。弱磁性。 石英晶體的切型表示法： 圖 6.44 （2）壓電陶瓷：）壓電陶瓷： 具有很高的壓電系數(shù)具有很高的壓電系數(shù) 1) 鈦酸鋇壓電陶瓷（BaTiO3） 2) 鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷（PZT） 3) 聚二氟乙烯（PVF2）高效分子聚合物薄膜，在 膜厚方向加直流高壓、電場(chǎng)極化后，具有壓

3、電性能。 表62 常用壓電材料的主要性能5 6. 1. 2 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng) （1）石英晶體的壓電效應(yīng)）石英晶體的壓電效應(yīng) 3個(gè)晶軸：光軸、電軸、機(jī)械軸 Z 軸光軸，沒(méi)有壓電效應(yīng) X 軸電軸，經(jīng)過(guò)晶體棱線， 垂直于Z軸，作用力FX，壓電 效應(yīng)最明顯。 Y 軸機(jī)械軸，垂直于X-Z平面， 作用力 FX、FY，在Y軸方向 不產(chǎn)生壓電效應(yīng)，只產(chǎn)生形變。6 內(nèi)部結(jié)構(gòu)： 一個(gè)晶體單元，3個(gè)硅離子Si4+，6個(gè)氧離子O2（成對(duì)的）。一個(gè)硅離子，二個(gè)氧離子，交替排列。 電偶極距： 方向：負(fù)電荷正電荷pq l 7 （a）未受力時(shí)，石英晶體表面不產(chǎn)生電荷，呈電中性 （b）x方向加FX 時(shí)： 在X 方向產(chǎn)生壓電效應(yīng)

4、，“縱向壓電效應(yīng)”，令 而Y、Z方向的電偶極距仍為零。 壓電常數(shù)： ， ， 。1230ppp1p 2p3p123()0 xppp123pppp0yp 123()0yppp123()0zppp0zp 110d210d310d8 （c）當(dāng)在Y方向施加Fy時(shí)， 合矢量方向 與x軸正向相反。 ， 在x 軸正方向的晶面上產(chǎn)生負(fù)電荷。 即產(chǎn)生 “橫向壓電效應(yīng)”。 壓電常數(shù)： ， （d）在Z方向，施加Fz時(shí)，X、Y方向變形， ，正 負(fù)電荷中心始終重合。 ，不產(chǎn)生壓電效應(yīng)： （e）各個(gè)方向同時(shí)受均等作用力（如液體壓力），保 持電中性，石英晶體沒(méi)有體積壓電效應(yīng)。 123()0 xppp0yp 0zp 11120

5、dd22320ddxydd0 xypp1323330ddd石英晶體的壓電效應(yīng)演示石英晶體的壓電效應(yīng)演示 當(dāng)當(dāng)力的方向改變時(shí)，電荷的極性隨之力的方向改變時(shí)，電荷的極性隨之改變；輸出改變；輸出電壓的電壓的頻率與動(dòng)態(tài)力的頻率相同頻率與動(dòng)態(tài)力的頻率相同； 當(dāng)當(dāng)動(dòng)態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時(shí)，電荷將由于表面漏電而很快動(dòng)態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時(shí)，電荷將由于表面漏電而很快泄泄漏消失漏消失。石英晶體壓電效應(yīng)11（2）石英晶體壓電常數(shù)和表面電荷的計(jì)算）石英晶體壓電常數(shù)和表面電荷的計(jì)算 1）X方向（電軸）受到應(yīng)力T1，產(chǎn)生縱向壓電效應(yīng)； 電荷密度： 因?yàn)椋?所以：11111111FdTdS1111qdFqs12 2）Y方向（機(jī)械軸）

6、受到應(yīng)力T2，產(chǎn)生橫向壓電效應(yīng) 根據(jù)晶體對(duì)稱條件： 可知，產(chǎn)生的電荷與晶片尺寸有關(guān)。12121qs12122dT1121222SqdFS1121122Sqd FS 1211dd 13 3）Z方向（光軸）受到應(yīng)力T3 ， （4）受到剪切應(yīng)力T4、T5、T6時(shí) ， （d15=0） （d16=0）結(jié)論：只有X、Y方向的單向應(yīng)力T1、T2和X面上的剪切應(yīng) 力T4，才能在垂直X軸的晶面上產(chǎn)生電荷。131330dT30T 130d130q14144dT151550dT161660dT1*11111 2144dTd Td T14 同理，在垂直于Y軸晶面上，只有剪切應(yīng)力T5、T6起作用。 （ ， ） 在垂直于

7、Z軸晶面上 ， 石英晶體的壓電常數(shù)只有d11、d14是獨(dú)立的。 （i=1,2,3 j=1,26） （7-14） 壓電常數(shù)dij的兩個(gè)下標(biāo)。 i電效應(yīng)方向（在i面上產(chǎn)生電荷）； j機(jī)械效應(yīng)方向（沿j方向受力）。 2*25526614511 62dTd Td Td T 2514dd 26112dd *306*1iijjjdT1*11111142*21411*3600000002000000TdddTddT15 dij物理意義：在“短路條件”下，單位應(yīng)力所產(chǎn)生的 電荷密度。 石英晶體通過(guò)dij有4種基本變形方式，將機(jī)械能電能 1）厚度變形 dxd11縱向壓電效應(yīng)（X方向受力） 2）長(zhǎng)度變形 dyd1

8、2橫向壓電效應(yīng)（Y方向受力） 3）面剪切變形 4）厚度剪切變形16 （3）壓電陶瓷的壓電效應(yīng)）壓電陶瓷的壓電效應(yīng) 原始的壓電陶瓷，電疇無(wú)序排列，極化效應(yīng)相互抵 消，不具備壓電性質(zhì)。 極化處理：施加強(qiáng)電場(chǎng)（2039kv/cm直流電 場(chǎng)），23h，具備壓電性質(zhì)。 Z軸極化方向。壓電晶體與壓電陶瓷的比較：壓電晶體與壓電陶瓷的比較：相同點(diǎn)：都是具有壓電效應(yīng)的壓電材料。不同點(diǎn)：石英的優(yōu)點(diǎn)是它的介電和壓電常數(shù)的溫度穩(wěn)定性好，適合做工作溫度范圍很寬的傳感器。極化后的壓電陶瓷，當(dāng)受外力變形后，由于電極矩的重新定位而產(chǎn)生電荷，壓電陶瓷的壓電系數(shù)是石英的幾十倍甚至幾百倍，但穩(wěn)定性不如石英好，居里點(diǎn)也低。 Fdq3

9、318（4）壓電陶瓷壓電常數(shù)和表面電荷的計(jì)算壓電陶瓷壓電常數(shù)和表面電荷的計(jì)算 dij中，不為零的5個(gè)，獨(dú)立的3個(gè)，d33、d31、d15，下標(biāo)意義同石英晶體，只是通常極化方向定為Z軸。 壓電常數(shù)矩陣為： 式中 極化方向Z軸，當(dāng)作用力沿極化方向時(shí)，在極化面上產(chǎn)生電荷。15243132330000000000000ddddd3231dd1524dd 33qd19 由壓電系數(shù)矩陣，可知壓電陶瓷的4種基本變形方式：（1）厚度變形：F3dzd33Z 面上產(chǎn)生電荷（2）長(zhǎng)度、寬度變形： F1dxd31Z 面上產(chǎn)生電荷 F2dyd32Z 面上產(chǎn)生電荷（3）剪切變形： F4X面（即YZ面）剪切d24Y面上產(chǎn)生

10、電荷 F5Y面（即XZ面）剪切d15X面上產(chǎn)生電荷（4）體積變形： 三向應(yīng)力（T1、T2、T3）d31、d32、d33Z面上產(chǎn)生電荷（測(cè)量流體靜壓力）331 132233 3d Td Td T202122 6.2 壓電傳感器的工作原理壓電傳感器的工作原理 6.2.1 壓電傳感器的特點(diǎn)壓電傳感器的特點(diǎn) 1、性能與力的作用方向和方式有關(guān)， 與機(jī)電耦合系數(shù)有關(guān)。 2、同時(shí)存在正、逆兩種壓電效應(yīng)，相互影響。 3、電荷量與被測(cè)力相對(duì)應(yīng)，能量損失意味著信息損失，對(duì)測(cè)量線路有特殊要求。236.2.2 6.2.2 機(jī)電耦合條件下的等效參數(shù)機(jī)電耦合條件下的等效參數(shù) 正壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷正比于應(yīng)變。 逆壓電效應(yīng)產(chǎn)

11、生的應(yīng)變正比于電場(chǎng)強(qiáng)度。 1、電邊界為短路狀態(tài) 短路條件指壓電元件表面電荷一產(chǎn)生就被引開(kāi)，不引起極板上電荷累積，極板間也不產(chǎn)生電場(chǎng)。 因此，晶體形變上不存在二次效應(yīng)。 如圖在T 1作用下24 應(yīng)變： ，c11陶瓷柔度系數(shù)束縛電荷 ，可得到 （6-17） 系數(shù) 可看作單位應(yīng)變引起的電荷密度變化，只和機(jī)械性能c11和壓電性能d31有關(guān)，不隨邊界條件變化。信號(hào)變換流程圖：1111ScT3311dT313111dSc3111dc25 2、電邊界為開(kāi)路狀態(tài) 極板開(kāi)路時(shí)，有累積電荷， 引起逆壓電效應(yīng)。 所產(chǎn)生的變形為： g13逆效應(yīng)系數(shù)。 外力T1引起的應(yīng)變： 總的變形： 由 代入上式1133Sg111

12、1Sc T11111 1133SSSc Tg311131131131dcSScd26 解出： def 等效壓電系數(shù)，或由等效柔順系數(shù)cef 表示。11 13111331c Tcgd3131313113131111311(1)1efddTdgTdTdcgc27 6.2.3 壓電元件的等效電路壓電元件的等效電路 1、電荷等效電路 信號(hào)變換：壓電元件相當(dāng)于電荷發(fā)生器 結(jié)構(gòu)變換：壓電元件是一個(gè)電容器。 看作電荷源與電容并聯(lián)的電路。 兩個(gè)假設(shè)條件：（1）外力變化極其緩慢， q與F 變化一致；（2）輸入阻抗無(wú)限大。 理想條件等效電路如圖所示。/caUq c28 2、電壓等效電路： 也可等效為一個(gè)電壓源U和

13、一個(gè)電容器Ct串聯(lián)的等效電路。電荷源和電壓源實(shí)際等效電路如圖所示。兩種電路只是表示方式不同，其工作原理是相同的。29 6.2.4 壓電元件的串、并聯(lián)壓電元件的串、并聯(lián) 1、串聯(lián)：（中間層，正負(fù)荷抵消） 適用于測(cè)量電路采用高阻抗電壓放大。 2、并聯(lián)： 適宜于低阻抗電荷輸出方式：電荷靈敏度增大一倍。/2ccqq 2/2qUqcUc2cc 2qq /UqcU30 6.3 壓電傳感器的測(cè)量電路壓電傳感器的測(cè)量電路 壓電傳感器輸出信號(hào)： 信號(hào)非常微弱； 內(nèi)阻抗極高。 對(duì)測(cè)量電路的要求： 信號(hào)放大； 把高阻抗輸入變?yōu)榈妥杩馆敵觥?1 6.3.1 電壓放大器電壓放大器 壓電傳感器相當(dāng)一個(gè)電容器，兩端電容按指

14、數(shù)規(guī)律變化，時(shí)間常數(shù)越大，放電越慢。 盡可能保持壓電傳感器輸出電壓不變，要求時(shí)間常數(shù)盡可能大。32 等效電阻： 等效電容： 考慮壓電元件材料為壓電陶瓷，其壓電系數(shù)為d33， 所加力為： 則，壓電元件上產(chǎn)生的電壓為： Z并=R | Zc|ciciciRRRRRRRciCCCsinmFFt33sinmaaadFtqUCC1|1cacaRZZRZj Cj RC總33 前置放大器輸入電壓： （6-22） 前置放大器輸入電壓幅值： （6-23） 輸入電壓與作用力之間的相位差 令測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù) (|)11()aaaasrcaaUR Uj CR UUZRj RCZj R CCRj C總33sin1()m

15、aj RdFtj R CC33221 () ()msr macid FRURCCC1()2acitgCCCR()aciR CCC34 理想情況，當(dāng)傳感器Ra 和放大器輸入Ri 都，即等效電阻R時(shí)，電荷沒(méi)有泄漏。（相當(dāng)于傳感器開(kāi)路電壓） （6-25） 傳感器電壓靈敏度： 更換電纜，Cc 變化，使靈敏度K 變化。 由于電纜電容Cc ，以及放大器輸入電容Ci 存在，使靈敏度減小。33mamacidFUCCC33srmmaciUdKFCCC1R35 相對(duì)幅頻特性：（實(shí)際輸入電壓與理想輸入電壓的比值） 1222()( )1() ()1()srmaciamaciUR CCCKURCCC1( )1/2K12

16、()lacifR CCC2()111 ()211222()lacifR CCC36 如圖:（1）當(dāng) ， ，即Fm為靜態(tài)力 放大器輸入阻抗不可能無(wú)窮大，傳感器也不可能絕對(duì) 絕緣，電荷會(huì)通過(guò)Ra、Ri漏掉。 從原理決定了壓電傳感器不能測(cè)量靜態(tài)物理量。00srmU37（2）當(dāng) ，由圖6-22知，放大器輸入電壓與作用力的頻率無(wú)關(guān)。（3）放大器輸入電阻Ri越大，測(cè)量回路時(shí)間常數(shù)越大，傳感器低頻響應(yīng)越好。 電壓放大器共同特點(diǎn)： 高輸入阻抗（100M以上）， 低輸出阻抗（質(zhì)量-彈簧-阻尼 二階單自由度系統(tǒng)。 壓電晶體片等效為彈簧剛度k。 E壓電片縱向彈性系數(shù) S面積, t壓電片厚度 剛度： , ，加速度產(chǎn)生

17、的振幅被測(cè)加速度a，使傳感器質(zhì)量塊m位移的振幅A為：式中： ，固有頻率 ， ，c阻尼系數(shù)/kdF dx20dFmaadxkk2222011(1)(2)Aa0/k m0/ /2cmk/2kE St47 壓電元件所受的力： 位移x=振幅A使單個(gè)晶片表面產(chǎn)生的電荷：代入A和 ，得： （6-34）則：壓電加速度傳感器的電荷靈敏度： （6-35）電壓靈敏度：Fkxk A1ijmijQdFdk A 20km1222(1)(2)ijdm aQ222(1)(2)ijqn dmnQKa22211/(1)(2)ijmuqacindmUn QKKCaCanccc48 , 當(dāng)傳感器工作在 的頻段， 即 ，傳感器的中頻

18、靈敏度 Kq與m、dij、n成正比。 當(dāng)：m、Kq，但 ，使工作頻帶變窄， 同時(shí)m大影響試件振動(dòng)。 要使Kq，應(yīng)使n、dij，即適當(dāng)增加壓電片數(shù)，采用壓電系數(shù)高的材料。 qijKn dm/()uijaciKn dmnccc0/k m10 0493、頻率特性 高頻特性取決于 及 ，通常 =0.010.04。由（6-37）式則高頻靈敏度為：令中頻靈敏度 則： ，當(dāng) 時(shí)， 。傳感器靈敏度近似為常數(shù)，即中頻靈敏度。傳感器上限頻率： ，當(dāng) ，產(chǎn)生共振。傳感器低頻特性取決于表面電荷泄漏情況，即時(shí)間常數(shù) 當(dāng)時(shí)間常數(shù)RC越大，可測(cè)的低頻下限越低，增大的有效辦法是加大前置放大器的輸入電阻。02(2)02/ |1

19、|qHijKn dmqBijKnd m011()35H0HRC11/()laciR nccc0qHqBKK0 2|1|qBqHKK50 6.4.3 壓電阻抗頭壓電阻抗頭 結(jié)構(gòu)：壓電式力和加速度傳感器的組合。 用于測(cè)量機(jī)械阻抗。 mFZV52 6. 5 壓電式傳感器的醫(yī)學(xué)應(yīng)用壓電式傳感器的醫(yī)學(xué)應(yīng)用 壓電傳感器的優(yōu)點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕，測(cè)量的頻率范圍寬， 動(dòng)態(tài)范圍大，性能穩(wěn)定。53 （1）眼壓傳感器）眼壓傳感器 54 力平衡法測(cè)量眼壓 角膜首先接觸傳感器表面。 力增大，角膜被壓平S1=S2，出現(xiàn)力峰值點(diǎn)。 S1傳感器面積，S2角膜平坦區(qū)面積，P眼內(nèi)壓。 峰谷點(diǎn)，F(xiàn)彎曲力作用在外圈上。 眼

20、球變形，P，F(xiàn)測(cè)。 逐漸移開(kāi)探頭，峰谷小于。 （測(cè)量造成眼內(nèi)液體暫時(shí)損失）1FP S測(cè)1FP SF測(cè)彎曲力55（2）血壓測(cè)量傳感器）血壓測(cè)量傳感器 工作原理： f1發(fā)射聲源頻率 fR反射聲源頻率 c聲波在介質(zhì)中的速度 v運(yùn)動(dòng)物體與聲源的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度超聲發(fā)生器壓電晶體1（逆壓電效應(yīng)）f機(jī)械振蕩機(jī)械波血管壁反射脈動(dòng)壓電晶體2（壓電效應(yīng)）f+f放大測(cè)量112Rvfffc1Rfff 56（3）導(dǎo)管端部壓電（心音）傳感器）導(dǎo)管端部壓電（心音）傳感器 厚度方向?yàn)闃O化方向，選用壓電系數(shù)d33。 兩片PZT串聯(lián)工作，輸出電壓為單片元件的兩倍。 壓力膜片變形懸臂梁彎曲壓電陶瓷拉伸變形壓縮變形壓電效應(yīng)57 （4）

21、壓電微震傳感器）壓電微震傳感器 實(shí)際上是加速度傳感器（根據(jù)牛頓第2定律 F=ma） 手震顫質(zhì)量塊彈簧系統(tǒng)振動(dòng)壓電元件產(chǎn)生電荷 58（5）壓電脈博波傳感器）壓電脈博波傳感器 脈搏波傳感器就是將脈動(dòng)波產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種裝置，它能檢出血管內(nèi)壓力和容積的變化 。 圖6-36是壓電脈搏波傳感器的結(jié)構(gòu)圖。 它的振動(dòng)由空氣室傳給受壓膜，使之產(chǎn)生位移。由壓電元件將位移轉(zhuǎn)換成電量，所以它又叫空氣傳導(dǎo)型脈搏波傳感器。 59（6）壓電式心音傳感器）壓電式心音傳感器 如圖所示為一種壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)圖，這種傳感器可用來(lái)測(cè)量心音。 它的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，主要是一個(gè)振動(dòng)質(zhì)量塊與壓電晶體的一個(gè)面相連接。頂蓋與

22、質(zhì)量塊之間通過(guò)一彈簧加以預(yù)應(yīng)力，這種對(duì)系統(tǒng)的預(yù)負(fù)載，可進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而使壓電元件運(yùn)用在特性曲線的線性部分。 這種傳感器的重量可做得小于30g， 除可用來(lái)記錄心音信號(hào)外，還可用 來(lái)測(cè)量震顫。60（7）超聲血流計(jì)）超聲血流計(jì) 1) 脈沖渡越時(shí)間差式超聲血流計(jì)脈沖渡越時(shí)間差式超聲血流計(jì)61 d 壓電超聲換能器A、B 距離 Vf 血流速度， Vs 超聲波在血液中的速度 兩速度的方向角 則：超聲波在兩探頭間的實(shí)際速度為 順流取+，逆流取 超聲波在兩探頭間的實(shí)際渡越時(shí)間逆流與順流的渡越時(shí)間差：因?qū)嶋H上 ， 測(cè)出 就可求出 ，實(shí)際系統(tǒng)中，通常使得探頭A、B交替發(fā)射，接收。cossfVV2222cos(cos)

23、fsfdVtttVV 順逆22cosfsdVtV tfVfSVV/(cos )sftdVV順/(cos )sftdVV逆62 2）Doppler頻移血流計(jì)頻移血流計(jì) 血液是由液體和其中的運(yùn)動(dòng)微粒（血細(xì)胞）組成，運(yùn)動(dòng)微粒會(huì)使超聲波產(chǎn)生反射，并發(fā)生頻率的改變. 基于這物理現(xiàn)象為基礎(chǔ)的測(cè)量方法統(tǒng)稱Doppler技術(shù)。 發(fā)射探頭T，發(fā)出頻率為fT的超聲波窄脈沖。 Vf血細(xì)胞速度 Vs超聲波速度。 63 11sTdtVf圖中b中(1)是某細(xì)胞反射超聲波的路徑，總長(zhǎng)為d，從 TR，所花時(shí)間為 圖中b中(2)為該細(xì)胞反射下一個(gè)超聲波脈沖的途徑， 該細(xì)胞位移為Vf / fT，即在時(shí)間 的位移。11sTdtVf

24、1Tf64 此時(shí)，從TR，路徑為： 傳播時(shí)間： 接收信號(hào)的頻率為： 與發(fā)射頻率fT混頻，可得到差頻為： 根據(jù) 可求出血流速度Vf。 2fTVdf2221121fffsTsTsTTsVVVdtVf VfV ffV222211222sfffsRTTTsfsfsfVVVVVfffftVVVVVV21fRTsVffVf2fRTTsVffffV 65 把兩個(gè)相同的聲表面波振蕩器制作在同一塊基片上，在兩個(gè)聲表面波延遲線的傳播路徑上涂敷固定化抗原膜，只讓其中一個(gè)振蕩器的聲波道與被測(cè)抗體接觸。 因抗原抗體的特異反應(yīng)，相結(jié)合的結(jié)果增加了該聲道上的附著物的質(zhì)量載荷，改變了聲表面波速度，使振蕩頻率發(fā)生變化。 另一個(gè)

25、振蕩器的聲波道保持原狀，不與外界被測(cè)抗體接觸，其聲表面波速與振蕩頻率都不改變。 測(cè)量?jī)陕氛袷幤鬏敵鲱l率差，就可測(cè)定被測(cè)抗體的濃度。 66 6. 6 聚偏二氟乙烯聚偏二氟乙烯PVDF及其應(yīng)用及其應(yīng)用 PVDF高分子材料，具有很強(qiáng)的壓電性和熱釋電性效應(yīng)。 優(yōu)點(diǎn)：（1）壓電常數(shù)d比石英晶體高十多倍。（2）柔性和加工性能好， 1mm厚，適于做大面積傳感陣列器件。（3）聲阻抗與水、人體聲阻抗接近。（4）頻響寬， 。（5）熱穩(wěn)定性好。5810 5 10 Hz567 一、一、PVDF的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)（一）聚合物壓電體的類型1、固有壓電體聚合物拉伸前，極化強(qiáng)度為零； 拉伸后，不經(jīng)電場(chǎng)極化，也顯示出壓電效應(yīng)。2、非

26、固有壓電體聚合物壓電性和熱釋電性主要 取決于電極化程度。PVDF屬于這一類。68 （二）PVDF的晶體結(jié)構(gòu)（圖7-35） 69 相非極性，沒(méi)有壓電性和熱釋電性。 相 相拉伸，極化處理，具有很高的壓電和熱電常數(shù)。 相是PVDF的主要晶向。 將 相膜在6065拉伸35倍，在 T=100 Ep=600kv/cm直流高壓下，經(jīng)30分鐘極化處理，得到永久極化強(qiáng)度。 70 二、二、PVDF的工作原理和基本特性的工作原理和基本特性1、PVDF的工作原理 相拉伸強(qiáng)電場(chǎng)極化 相。極化過(guò)程與作用與 PZT相似。2、PVDF的基本特性。圖6-41、6-42。7172 三、三、PVDF傳感元件的結(jié)構(gòu)（設(shè)計(jì)的一般方法）

27、傳感元件的結(jié)構(gòu)（設(shè)計(jì)的一般方法） 表面形狀：膜片形、圓柱形、拱形，膜片厚5100（薄膜），而PZT200 支撐方式：全面支承，梁式支撐， 雙片結(jié)構(gòu)、極化矢量：同向、反向。 膜片式靈敏度： p 膜片上均布?jí)毫Γ?膜片厚度。 0333333UdKqp 73 四、應(yīng)用四、應(yīng)用 廣泛用作脈博計(jì)、血壓計(jì)、起博計(jì)、胎心探測(cè)器等。 觸覺(jué)傳感陳列: 74 PVDF心音脈博傳感器 能很好與人體皮膚接觸，能檢測(cè)到微弱的脈動(dòng)信號(hào)。 測(cè)量范圍：10250次/分，誤差1%。 人體正常心率：60100次/分，運(yùn)動(dòng)、生病200次/分。76 6. 7 壓電傳感器的誤差壓電傳感器的誤差 一、環(huán)境溫度的影響一、環(huán)境溫度的影響 二

28、、濕度的影響二、濕度的影響 三、橫向靈敏度及誤差三、橫向靈敏度及誤差 四、電纜噪聲四、電纜噪聲 五、接地回路噪聲五、接地回路噪聲77 6.8 6.8 壓電聲表面波傳感器壓電聲表面波傳感器 聲表面波（SAW，Surface Acoustic Wave）是沿著媒質(zhì)表面?zhèn)鞑ィ惦S深度迅速減弱的聲波。 SAW信號(hào)處理器件主要應(yīng)用于軍工領(lǐng)域; SAW頻率選擇器件、頻率控制器件以及SAW傳感器則是軍民共用的器件。SAW傳感器： 如果作為頻控元件的SAW元件(SAW延遲線或諧振器)受到力、電、磁、熱的作用，會(huì)直接導(dǎo)致SAW振蕩器的頻率變化； 這是SAW傳感器的基本工作原理。 如果在頻控元件表面沉淀一層對(duì)某

29、種化學(xué)成份敏感的薄膜，其聲阻抗將隨該成份濃度變化、振蕩器頻率亦會(huì)隨之變化。 78 SAW傳感器的優(yōu)點(diǎn)：高精度、高靈敏度，把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的頻率測(cè)量。抗干擾能力強(qiáng)。易數(shù)字化傳輸、處理和微機(jī)接口。易集成化，穩(wěn)定性可靠性好。體積小，功耗小。a. 逆壓電效應(yīng)：壓電應(yīng)變與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比，與電場(chǎng)方向有關(guān)。應(yīng)變比b大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。b. 電致伸縮：應(yīng)變與場(chǎng)強(qiáng)平方成正比，與電場(chǎng)方向無(wú)關(guān)。 79 一、基本工作原理一、基本工作原理 1、產(chǎn)生和檢測(cè)聲表面波的基本方法 （1）耦合器波型轉(zhuǎn)換法 超聲波表面探傷 （2）叉指換能器直接激發(fā)法 SAWS的主要形式 2、叉指換能器（IDT，Interdigital Transducer） IDT是一種直接激發(fā)聲表面波的超聲換能器，由于它電聲轉(zhuǎn)換損耗低，設(shè)計(jì)靈活且制造簡(jiǎn)單，容易工作在0.53 GHz的頻率范圍內(nèi)，已成為激發(fā)與檢測(cè)聲表面波的主要技術(shù)，也成為聲表面波傳感器的基本組成部分，應(yīng)用甚廣。80 （1）叉指換能器的工作原理： 叉指換能器是在壓電基片上用真空蒸發(fā)淀積一層金屬薄膜，再用光刻方法