【正文】 80％以上）。216。第四節(jié) 壓電式傳感器的應(yīng)用 廣義地講，凡是利用壓電材料各種物理效應(yīng)構(gòu)成的各種傳感器，都可稱為壓電式傳感器，它們已被廣泛地應(yīng)用在工業(yè)、軍事和民用等領(lǐng)域。圖 電荷放大器等效電路（ ） 電荷放大器的輸出電壓只與 輸入電荷量和反饋電容 有關(guān)，而與放大器的放大系數(shù)的變化或電纜電容等均無(wú)關(guān)系，只要保持反饋電容的數(shù)值不變，就可得到與電荷量 Q變化成線性關(guān)系的輸出電壓。其目的： 一是將它的高阻抗輸出變換成低阻抗輸出，二是放大傳感器輸出的微弱信號(hào)。（ a）并聯(lián) （ b）串聯(lián) 并聯(lián)連接式壓電傳感器的輸出電容和極板上的電荷分別為單塊晶體片的 2倍，而輸出電壓與單片上的電壓相等。 要使單壓電晶片表面產(chǎn)生足夠的表面電荷需要很大的作用力，所以在實(shí)際使用中常把兩片或兩片以上的壓電片組合在一起。 電壓靈敏度 ： Ku = U／ F， 它表示單位力所產(chǎn)生的電壓；252。 一、壓電式傳感器的等效電路第三節(jié) 壓電式傳感器的信號(hào)調(diào)理電路 對(duì)此式可用兩種電路來(lái)等效壓電式傳感器：v 電壓等效電路： 一個(gè)電壓源與一個(gè)電容 Ca串聯(lián)構(gòu)成，此電路輸出為 電壓源 兩極板間的開路電壓為 只有在外電路負(fù)載無(wú)窮大，且內(nèi)部無(wú)漏電時(shí)，受力產(chǎn)生的電壓U才能長(zhǎng)期保持不變；如果負(fù)載不是無(wú)窮大，則電路就要以時(shí)間常數(shù) RLCa按指數(shù)規(guī)律放電。居里點(diǎn)： 壓電材料 開始喪失壓電性 的 溫度 。 （ 2） 機(jī)械性能：壓電元件作為受力元件，希望它的強(qiáng)度高，剛度大，以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動(dòng)頻率。 這種因受力而產(chǎn)生的機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，就是壓電陶瓷的正壓電效?yīng)。 如果在壓電陶瓷片上加一個(gè)與極化方向平行的外力（壓力），陶瓷片產(chǎn)生壓縮變形，片內(nèi)的束縛電荷之間距離變小，電躊發(fā)生偏轉(zhuǎn)，極化強(qiáng)度變小，束縛電荷減少。當(dāng)（ 2～ 3h后 ）外電場(chǎng)撤銷，各電疇的自發(fā)極化在 一定程度 上按原外加電場(chǎng)方向取向，陶瓷極化強(qiáng)度并不立即恢復(fù)到零，存在 剩余極化強(qiáng)度 。極化處理以前，各電疇任意方向無(wú)序排列，自發(fā)極化的作用相互抵消，陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零。 由式 ，沿機(jī)械軸方向向晶片施加壓力時(shí)，產(chǎn)生的電荷與幾何尺寸有關(guān)。 光軸（ z軸） 方向受力時(shí)，由于晶格變化不會(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) 。如果受到的是交變力，則在 x面的前后表面將產(chǎn)生交變電場(chǎng)。 圖 61 石英晶體(a) 晶體外形； (b) 切割方向； (c) 晶片 可以用 金剛石刀具 沿與 z軸垂直的方向，從圖 61a所示的石英晶體上切割出一塊正平行六面體的切片，如圖 61b所示，在進(jìn)一步從該六面體上切割出正方形薄片，如圖 61c所示，這就是工業(yè)中常用的石英晶片。 天然和人造石英的外形雖有不同，但是兩個(gè)晶面之間的夾角是相同的。另外，還需要對(duì)因逆壓電效應(yīng)在晶體內(nèi)產(chǎn)生的電場(chǎng)方向也作一規(guī)定，以確定 dij 的符號(hào)。當(dāng)產(chǎn)生電荷的表面垂于x 軸（ y 軸或 z 軸）時(shí)，記為 i = 1（ 2 或 3）。溫度升高 時(shí)，靈敏度將 降低 。 因此在一些不要求測(cè)量精度的場(chǎng)合，例如 水聲測(cè)量、防盜、振動(dòng)測(cè)量 等領(lǐng)域中獲得應(yīng)用。其輸出脈沖電壓高到可以直接驅(qū)動(dòng) CMOS集成門電路。 因此，即可用其壓電性研制傳感器，又可用其半導(dǎo)體性制作電子器件；也可以二者結(jié)合，集元件與線路于一體，研制成新型壓電集成傳感器測(cè)試系統(tǒng)。3）鈮鎂酸鉛壓電陶瓷（ PMN），具有較高的壓電常數(shù) [d=（ 800~900） 1012C/N]和居里點(diǎn)（ 260 ℃ ）它能在壓力大致 70MPa時(shí)正常工作，因此可以作為 高壓下 的力傳感器。常用的壓電陶瓷材料主要有以下幾種：1）鈦酸鋇（ BaTiO3）具有較高的壓電常數(shù)（ d=1901012C/N)和相對(duì)介電常數(shù)（ 1000~5000）。 熱釋電效應(yīng) ： 某些晶體除了由于機(jī)械應(yīng)力的作用而引起的電極化（壓電效應(yīng)）之外，還可由于溫度變化而產(chǎn)生電極化。 常用的壓電陶瓷有鈦酸鋇（ BaTiO3）、鋯鈦酸鉛（ PbTiO3－PbZrO3）（ PZT）、鈮酸鹽系壓電陶瓷。 ② 除了天然和人造石英壓電材料外，還有水溶性壓電晶體，屬于單斜晶系。 石英晶體的外形（ a） 天然石英晶體；（ b） 人工石英晶體；（ c） 右旋石英晶體的理想外形m－ 柱面 R－ 大棱面 r－ 小棱面 s－ 棱界面 x－ 棱角面石英晶體振蕩器（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。 l 壓電晶體（單晶 ） ：它包括壓電 石英 晶體和其它壓電單晶；l 壓電陶瓷（多晶體）：也稱多晶半導(dǎo)瓷，為極化處理的多晶體；l 新型壓電材料：有壓電 半導(dǎo)體 和 有機(jī)高分子 壓電材料兩種。 在電介質(zhì)的極化方向上施加 交變電場(chǎng)或電壓 ，它會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，當(dāng)去掉外加電場(chǎng)時(shí)，電介質(zhì)變形也隨之消失，這種現(xiàn)象稱為 “逆壓電效應(yīng) ”（電致伸縮效應(yīng)） 。 壓電式傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、頻響高、信噪比大等特點(diǎn)。第六章第六章 壓電傳感器壓電傳感器 壓電式傳感器是以某些物質(zhì)的 壓電效應(yīng) 制作的一種傳感器。 壓電傳感元件是 力敏感元件 ，它可以測(cè)量最終能變換為力的那些非電物理量，例如動(dòng)態(tài)力、動(dòng)態(tài)壓力、振動(dòng)加速度等，但不能用于 靜態(tài)參數(shù)的 測(cè)量。壓電效應(yīng) 某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時(shí)，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在其表面上產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為 “壓電效應(yīng) ”。 石英晶體及鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等人造壓電陶瓷是性能優(yōu)良的壓電材料。 目前傳感器中使用的均是以 居里點(diǎn)為 573℃ 、晶體結(jié)構(gòu)為 六角晶系 的 α－ 石英。 天然石英的上述性能尤佳，因此它們常用于精度和穩(wěn)定性要求高的場(chǎng)合和制作標(biāo)準(zhǔn)傳感器。 石英晶體的主要性能特點(diǎn)：⑵ 壓電陶瓷 壓電陶瓷屬