傳感器與檢測技術(shù)第6章重點(diǎn)

第6章壓電式傳感器第6章壓電式傳感器1主要內(nèi)容6.1

工作原理6.2壓電式傳感器測量電路6.3壓電式傳感器的應(yīng)用主要內(nèi)容6.1工作原理26.1.1壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)：是對某些電介質(zhì)沿一定方向施以外力使其變形時，其內(nèi)部將產(chǎn)生極化現(xiàn)象而使其表面出現(xiàn)電荷集聚的現(xiàn)象。在外力去除后又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，是機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋Ｕ龎弘娦?yīng)，逆壓電效應(yīng)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕；工作頻帶寬；靈敏度高；信噪比高；工作可靠；測量范圍廣等。用途：主要用于與力相關(guān)的動態(tài)參數(shù)測試，如動態(tài)力、機(jī)械沖擊、振動等，它可以把加速度、壓力、位移、溫度等許多非電量轉(zhuǎn)換為電量。6.1.1壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)：是對某些電介質(zhì)沿一定方向施以外36.1.2壓電材料X軸向受力：Y軸向受力：Z軸向受力：無石英晶體（單晶體）6.1.2壓電材料X軸向受力：石英晶體（單晶體）4現(xiàn)象：現(xiàn)象：5機(jī)理：機(jī)理：6機(jī)理：機(jī)理：7壓電陶瓷（多晶體）壓電陶瓷（多晶體）8壓電機(jī)理：壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。材料內(nèi)部的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇，它有一定的極化方向，從而存在電場。在無外電場作用時，電疇在晶體中雜亂分布，它們各自的極化效應(yīng)被相互抵消，壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零。因此原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質(zhì)。在陶瓷上施加外電場時，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動，趨向于按外電場方向的排列，從而使材料得到極化。外電場愈強(qiáng)，就有更多的電疇更完全地轉(zhuǎn)向外電場方向。讓外電場強(qiáng)度大到使材料的極化達(dá)到飽和的程度，即所有電疇極化方向都整齊地與外電場方向一致時，當(dāng)外電場去掉后，電疇的極化方向基本變化，即剩余極化強(qiáng)度很大，這時的材料才具有壓電特性。壓電機(jī)理：9

極化處理后陶瓷材料內(nèi)部存在有很強(qiáng)的剩余極化，當(dāng)陶瓷材料受到外力作用時，電疇的界限發(fā)生移動，電疇發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而引起剩余極化強(qiáng)度的變化，因而在垂直于極化方向的平面上將出現(xiàn)極化電荷的變化。這種因受力而產(chǎn)生的由機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，就是壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)。電荷量的大小與外力成如下的正比關(guān)系：式中：d33——壓電陶瓷的壓電系數(shù)；

F——作用力。極化處理后陶瓷材料內(nèi)部存在有很強(qiáng)的剩余極化，10壓電陶瓷的壓電系數(shù)比石英晶體的大得多，所以采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器的靈敏度較高。極化處理后的壓電陶瓷材料的剩余極化強(qiáng)度和特性與溫度有關(guān)，它的參數(shù)也隨時間變化，從而使其壓電特性減弱。最早使用的壓電陶瓷材料是鈦酸鋇（BaTiO3）。它的壓電系數(shù)約為石英的50倍，但居里點(diǎn)溫度只有115℃，使用溫度不超過70℃，溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度都不如石英。目前使用較多的壓電陶瓷材料是鋯鈦酸鉛（PZT）系列，它是鈦酸鉛（PbTiO2）和鋯酸鉛（PbZrO3）組成的（Pb（ZrTi）O3）。居里點(diǎn)在300℃以上，性能穩(wěn)定，有較高的介電常數(shù)和壓電系數(shù)壓電陶瓷的壓電系數(shù)比石英晶體的大得多，所以采11壓電高分子材料高分子材料屬于有機(jī)分子半結(jié)晶或結(jié)晶聚合物，其壓電效應(yīng)較復(fù)雜，不僅要考慮晶格中均勻的內(nèi)應(yīng)變對壓電效應(yīng)的貢獻(xiàn)，還要考慮高分子材料中作非均勻內(nèi)應(yīng)變所產(chǎn)生的各種高次效應(yīng)以及同整個體系平均變形無關(guān)的電荷位移而表現(xiàn)出來的壓電特性。目前已發(fā)現(xiàn)的壓電系數(shù)最高、且已進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)的壓電高分子材料是聚偏氟乙烯，其壓電效應(yīng)可采用類似鐵電體的機(jī)理來解釋。這種聚合物中碳原子的個數(shù)為奇數(shù)，經(jīng)過機(jī)械滾壓和拉伸制作成薄膜之后，帶負(fù)電的氟離子和帶正電的氫離子分別排列在薄膜的對應(yīng)上下兩邊上，形成微晶偶極矩結(jié)構(gòu)，經(jīng)過一定時間的外電場和溫度聯(lián)合作用后，晶體內(nèi)部的偶極矩進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)定向，形成垂直于薄膜平面的碳－氟偶極矩固定結(jié)構(gòu)。正是由于這種固定取向后的極化和外力作用時的剩余極化的變化，引起了壓電效應(yīng)。壓電高分子材料高分子材料屬于有機(jī)分子半結(jié)晶或結(jié)晶聚合物，其壓12壓電材料的特性參數(shù)壓電系數(shù)彈性系數(shù)介電常數(shù)機(jī)電耦合系數(shù)電阻居里點(diǎn)壓電材料的特性參數(shù)壓電系數(shù)13壓電材料的選取選用合適的壓電材料是設(shè)計、制作高性能傳感器的關(guān)鍵。一般應(yīng)考慮：轉(zhuǎn)換性能機(jī)械性能電性能溫度、濕度穩(wěn)定性好時間穩(wěn)定性壓電材料的選取選用合適的壓電材料是設(shè)計、制作高性能傳感器的關(guān)146.2壓電式傳感器的等效電路6.2壓電式傳感器的等效電路15壓電式傳感器的測量電路壓電式傳感器的測量電路16電荷放大器電荷放大器17電壓放大器電壓放大器18傳感器與檢測技術(shù)第6章重點(diǎn)196.2.3壓電元件的連接與變形壓電元件的連接6.2.3壓電元件的連接與變形壓電元件的連接20

單片壓電元件產(chǎn)生的電荷量甚微，為了提高壓電傳感器的輸出靈敏度，在實(shí)際應(yīng)用中常采用兩片（或兩片以上）同型號的壓電元件粘結(jié)在一起。從作用力看，元件是串接的，因而每片受到的作用力相同，產(chǎn)生的變形和電荷數(shù)量大小都與單片時相同。圖a）從電路上看，這是并聯(lián)接法，類似兩個電容的并聯(lián)。所以，外力作用下正負(fù)電極上的電荷量增加了1倍，電容量也增加了1倍，輸出電壓與單片時相同。圖b）從電路上看是串聯(lián)的，兩壓電片中間粘接處正負(fù)電荷中和，上、下極板的電荷量與單片時相同，總電容量為單片的一半，輸出電壓增大了1倍。

單片壓電元件產(chǎn)生的電荷量甚微，