【正文】 壓電加速度傳感器 ? 壓電加速度傳感器的工作原理 ? ? 圖 。 此外 ,氧化鋅和氮化鋁等壓電薄膜已是當(dāng)今微波器件的關(guān)鍵材料 。 壓電陶瓷的壓電機(jī)理與單晶不同 ,是利用多晶壓電陶瓷的電致伸縮效應(yīng) 。 ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級 ? 第三級 ? 第四級 ? 第五級 9 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 壓電材料 ? 石英晶體是最早應(yīng)用的壓電材料 ,至今石英仍是最重要的也是用量最大的振蕩器 、 諧振器和窄帶濾波器等元件的壓電材料 。εSij是應(yīng)變不變時(shí)的介電常數(shù)或稱受夾介電常數(shù) 。 ? (3)選取應(yīng)力分量 Tk與電位移 Dj為獨(dú)立變量 ,得到 g型壓電方程 , 1 , 2 , 3, 1 , 2 , , 6Dh h k k j h jTi i k k i j jS s T g E i jE g T D h k?? ? ?? ? ? ? 式中 ,sDhk是恒電位移下的柔性常數(shù) ,或稱開路柔性常數(shù) 。hjh、 hik稱為壓電剛度常數(shù) ,簡稱壓電常數(shù) 。 對于等溫情況需另加說明 。 壓電方程就是描寫力學(xué)量間 、電學(xué)量間以及力學(xué)量和電學(xué)量相互之間互相聯(lián)系的關(guān)系式 。 ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級 ? 第三級 ? 第四級 ? 第五級 3 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 圖 晶體的壓電效應(yīng) (a)具有壓電效應(yīng)的晶體 。 晶體的壓電效應(yīng)可用圖 。? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級 ? 第三級 ? 第四級 ? 第五級 1 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 第 6章 壓電傳感器 ? 晶體的壓電效應(yīng) ? 壓電加速度傳感器 ? 壓電諧振式傳感器 ? 聲表面波傳感器 ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級 ? 第三級 ? 第四級 ? 第五級 2 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 晶體的壓電效應(yīng) ? 晶體壓電效應(yīng)的說明 ? 當(dāng)某些晶體沿一定方向伸長或壓縮時(shí) ,在其表面上會產(chǎn)生電荷 (束縛電荷 ),這種效應(yīng)稱為壓電效應(yīng) 。 壓電效應(yīng)是可逆的 ,即晶體在外電場的作用下要發(fā)生形變 ,這種效應(yīng)稱為反向壓電效應(yīng) 。 圖 (b)中 ,另外一些晶體由于具有中心對稱的結(jié)構(gòu) ,無論外力如何作用 ,晶體正負(fù)電荷的中心總是重合在一起 ,因此這些晶體不會出現(xiàn)壓電效應(yīng) 。 對于具有壓電效應(yīng)的晶體 ,不僅電學(xué)量 E和 D以及力學(xué)量 T和 S存在著直接的關(guān)系 ,同時(shí)還存在力學(xué)量和電學(xué)量之間的耦合效應(yīng) 。 下面的壓電方程假定均適合絕熱情況 。βSij是應(yīng)變不變 (恒應(yīng)變 )時(shí)的介質(zhì)隔離率 (也稱倒介電常數(shù) )或受夾介質(zhì)隔離率 。djh、 dik稱為壓電應(yīng)變常數(shù) ,簡稱壓電常數(shù) 。 ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級 ? 第三級 ? 第四級 ? 第五級 8 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 ? (4)選取應(yīng)變分量 Sk與電場強(qiáng)度分量 Ej為獨(dú)立變量 ,得到 e型壓電方程 , 1 , 2 , 3, 1 , 2 , , 6Eh h k k j h jSi i k k i j jT c S e E i jD e S e E h k? ? ?? ? ? 式中 ,cEhk是恒電場下的彈性常數(shù) ,或稱短路彈性常數(shù) 。 由于晶體的對稱性 ,獨(dú)立的常數(shù)將有不同程度的減少 。 現(xiàn)今壓電傳感器的材料大多用壓電陶瓷 。另外 ,鈮酸鋰和鉭酸鋰大量用作聲表面波 (SAW)器件 。 用壓電陶瓷和高聚物復(fù)合而成的壓電復(fù)合材料也已在壓電傳感器領(lǐng)域中得到應(yīng)用 。 當(dāng)待測物運(yùn)動時(shí) ,支座與待測物以同一加速度運(yùn)動 ,壓電元件受到質(zhì)量塊與加速度相反方向的慣性力的作用 ,在晶體的兩個(gè)表面上產(chǎn)生交變電荷 (電壓 )。 平均力為 011[ ( 1 )] ( )2l zF M a m a d z M m all? ? ? ? ??選用 d型壓電方程 ,得 311()2T M m aA?? 設(shè)晶片為壓電陶瓷 ,極化方向在厚度方向 (z方向 )。 靈敏度亦可用開路輸出電壓表示 ,因?yàn)? dQUC?? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級 ? 第三級 ? 第四級 ? 第五級 16 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 ? 式中 ,Cd為晶片的低頻電容 (自由電容 ) 33TdACl??所以 3333Td lM aUA?? 取 a=g,即為靈敏度的電壓表示法 ,即一個(gè) g時(shí)產(chǎn)生 的開路電壓 ,單位記為 V/g。 如將晶片看成一彈簧 ,則由定義可求出其勁度系數(shù)為 ? 式中 ,E為壓電晶片的楊氏模量 。 為便于裝配和增大電容量常用兩片極化方向相反的晶片 ,電學(xué)上并聯(lián)輸出 。 工作原理是 :如傳感器感受向上的運(yùn)動 ,金屬圓柱向上運(yùn)動 ,由于慣性質(zhì)量環(huán)保持滯后 ,這樣壓電元件就受剪切應(yīng)力作用 ,從而在壓電元件的內(nèi)外表面上產(chǎn)生電荷 。 但是 ,由于壓電元件 、 金屬圓柱以及慣性質(zhì)量環(huán)之間粘結(jié)較難 ,裝配成功率較低 。 也可用圓板代替懸臂梁 ,在圓周裝配質(zhì)量塊 ,在圓板表面上安裝壓電元件 。表 基本結(jié)構(gòu)的加速度傳感器的一般性能 。 由于電容上的 (開路 )電壓 dqUC? 因此壓電式傳感器也可以等效為一個(gè)電壓源和一個(gè) 電容串聯(lián)的電壓源 ,等效電路如圖 (b)所示 。 因此 ,當(dāng)考慮了壓電元件的絕緣電阻 Rd以后 ,完整的等效電路可表示成如圖 (a)和電壓等效電路 (b)。 ? 壓電傳感器與電壓放大器連接的等效電路如圖 。壓電傳感器與電荷放大器連接的等效電路如圖所示。 sc srU kU??? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級 ? 第三級 ? 第四級 ? 第五級 43 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 ? 電荷放大器的時(shí)常數(shù) RfCf很大 （ 105 s以上 ） ,下限載止頻率 ? 低達(dá) 3 106Hz,上限頻率可高達(dá) 100kHz,輸入阻抗大于 1012Ω,輸出阻抗小于 100 Ω。 壓電傳感器的輸出信號經(jīng)過前置放大器的阻抗變換和放大后 ,就可以采用一般的放大 、 檢波指示或通過功率放大至記錄和數(shù)據(jù)處理設(shè)備 。因此前置放大器也有兩種形式 :一種是電壓放大器 ,一般稱作阻抗變換器 ,其輸出電壓與輸入電壓成比例 。 壓電晶體諧振器常采用厚度切變振動模式 AT切或 BT切型的石英晶體制作 。 又如 yx（ 即 Y0176。 壓電陶瓷除具有壓電性外 ,還具有熱釋電性 （ 這一特性在 進(jìn)行了討論 ） 。 它具有很高的介電常數(shù) ,工作溫度可達(dá) 250℃ ,各項(xiàng)機(jī)電參數(shù)隨溫度和時(shí)間等外界因素的變化較小 。 在 20～ 200 ℃ 范圍內(nèi) ,溫度每升高 1 ℃ ,壓電常數(shù)僅減小 %,溫度上升到 400 ℃ , 壓電常數(shù) d11也只減小 5%。 ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級 ? 第三級 ? 第四級 ? 第五級 51 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 ? 若按不同的用途對壓電性能提出的不同要求 ,在鋯鈦酸鉛材料中再添加一種或兩種如鈮 （ Nb） 、 銻 （ Sb） 、 錫 （ Sn） 、錳 （ Mn） 等微量元素 , PZT 壓電陶瓷 。為得到單疇結(jié)構(gòu) ,需作單疇化（即極化）處理 ,使其具有壓電效應(yīng)。圖 放大器表示法的壓電晶體振蕩電路。 ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級 ? 第三級 ? 第四級 ? 第五級 55 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 ? 聚偏二氟乙烯（ PVF2）是有機(jī)高分子半晶態(tài)聚合物 ,結(jié)晶度約 50%。若將 α晶型定向拉抻 ,則得到 β晶型。 ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級 ? 第三級 ? 第四級 ? 第五級 56 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 ? PVF2壓電薄膜的壓電靈敏度極高 ,比 PZT壓電陶瓷大 17倍 ,且在 105Hz～ 500MHz頻率范圍內(nèi)具有平坦的響應(yīng)特性 。 C到 +100 106/176。 可根據(jù)對頻率溫度系數(shù)的要求加以選擇 。 C頻率變化 1000Hz,亦即分辨率為 176。 24′的平凸透鏡形諧振器 。 該溫度傳感器在10~9000Hz的頻率范圍內(nèi) ,經(jīng)受單次沖擊達(dá)104g、 振動加速度幅值達(dá) 104m/s2的情況下 ,仍能保持其初始靈敏度 。 C(0~100176。 C的分辨率進(jìn)行測量 。眾所周知 ,振動存在于所有具有動力設(shè)備的各種工程或裝置中 ,并成為這些工程設(shè)備的工作故障源以及工作情況監(jiān)測信號源 。 假如使用我們前面介紹過的壓縮型加速度傳感器 ,則當(dāng)傳感器受振動體的振動加速度時(shí) ,質(zhì)量塊產(chǎn)生的慣性力 F作用于壓電元件上 ,從而產(chǎn)生電荷 q輸出 。 但質(zhì)量增大將引起傳感器固有頻率下降 ,頻寬減小 ,且體積 、 重量增加 。其結(jié)構(gòu)如圖所示。平時(shí) ,電雷管 E處于短路保險(xiǎn)安全狀態(tài) ,壓電元件即使受壓 ,其產(chǎn)生的電荷也會通過電阻 R泄放掉 ,不會使電雷管動作。由圖可見 ,系統(tǒng)由振蕩器、整流器、電壓比較器及驅(qū)動器組成。 ? 進(jìn)入整流器的振蕩信號經(jīng)整流器整流 ,再經(jīng) R R8分壓及 C3濾波后 ,得到一穩(wěn)定的直流電壓加在由 IC2構(gòu)成的電壓比較器的同相端 。 若在輸出端與電源 +US間接入負(fù)載 ,負(fù)載中將有電流流過 。 ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級 ? 第三級 ? 第四級 ? 第五級 74 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 ? 這種系統(tǒng)可方便地做成常閉型和常開型兩種形式 。如果各儀器（或測量裝置）和傳感器各自接地 ,由于不同的接地點(diǎn)之間存在電位差 ΔU,這樣就會在接地回路中形成回路電流 ,導(dǎo)致在測量系統(tǒng)中產(chǎn)生噪聲信號。 由上式可知 ,如使晶片的涂層具有吸附某種氣體成分的功能 ,則可通過測量共振頻率的變化 ,得知該氣體成分是多少 。 實(shí)驗(yàn)裝置的框圖 ,如圖 示 。 兩片壓電陶瓷晶片 ,一片激勵(lì)叉臂產(chǎn)生振蕩 ,另一片接收信號 。 該系統(tǒng)能連續(xù)測量流動液體的密度 ,測量迅速方便 。m－3? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級 ? 第三級 ? 第四級 ? 第五級 84 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 聲表面波傳感器 ? SAW傳感器的基本原理 ? SAW傳感器的基本原理是 ,在壓電材料表面形成叉指換能器 ,構(gòu)成 SAW振蕩器或諧振器 ,適當(dāng)設(shè)計(jì) SAW振蕩器或諧振器 ,使其對微細(xì)的待測量敏感 。 叉指換能器是由若干條淀積在壓電材料襯底上的金屬膜電極組成 ,基本結(jié)構(gòu)如圖 。 當(dāng)用作發(fā)射換能器時(shí) ,在電極上施加適當(dāng)頻率的交變電信號 ,壓電基片內(nèi)的電場分布如圖(a)所示 。 接收的信號經(jīng)放大器放大 ,再反饋到發(fā)射換能器構(gòu)成振蕩回路 。 柵格反射器是在壓電基片表面上設(shè)置的柵陣和溝槽等 ,其聲阻抗不連續(xù) 。 圖 ,即雙端對 (圖(a))和單端對 (圖 (b))。 ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級 ? 第三級 ? 第四級 ? 第五級 93 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 圖 (a)雙端對 。 所有零部件都采用相同方向切割的壓電石英 ,把它們?nèi)酆冈谝黄?,由于它們的溫度系數(shù)都相同 ,故減小了溫度變化時(shí)熱膨脹引起的額外應(yīng)