【文章內(nèi)容簡介】 則陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生 縮短形變 。 逆壓電效應示意圖 － － － － － － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ － － － － － － 極化方向 電場方向 Ｅ 實線 形變前的情況， 虛線 形變后的情況電效應 → 機械效應或者 電能 → 機械能的現(xiàn)象 就是 逆壓電效應 （ 2）壓電陶瓷 逆壓電效應 49 （ 3）壓電陶瓷力與電荷的關(guān)系 33q d F=d33— 壓電陶瓷的壓電系數(shù) F— 作用力 晶體極化后 ， 沿極化方向 （ 垂直極化平面 ） 作用力時 ，引起剩余極化強度變化 ， 在極化面上產(chǎn)生電荷 ， 電荷量的大小與外力成正比關(guān)系： d33 d1 d12 ∴ 壓電陶瓷制作傳感器靈敏度比壓電晶體高 50 鈦酸鋇壓電陶瓷 具有很高的介電常數(shù)和較大的壓電系數(shù) （ 約為石英 晶體的 50倍 ） 。 不足之處是居里溫度低 （ 120℃ ） ， 溫度穩(wěn)定性和機械強度不如石英晶體 。 鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷 （ PZT） 與鈦酸鋇相比 ， 壓電系數(shù)更大 ， 居里溫度在 300℃ 以上各項機電參數(shù)受溫度影響小 ， 時間穩(wěn)定性好 。 是目前壓電式傳感器中應用最廣泛的壓電材料 。 （ 4）壓電陶瓷材料 51 （ 4）壓電陶瓷材料 壓電半導體材料 如 ZnO、 CdS 、 CdTe, 具有靈敏度高， 響應時間短等優(yōu)點 壓電聚合物 不存在壓電效應 ， 但是它們具有 “ 平面鋸齒 ” 結(jié)構(gòu) ， 存在抵消不了的偶極子 。 耐沖擊 、 不易破碎 、 穩(wěn)定性好 、 頻帶寬 。 52 （ 1） 基本原理和適用范圍 （ 2） 壓電元件的連接方式 （ 3） 壓電元件的變形方式 壓電式傳感器 53 (a) 不適用于靜態(tài)測量 (b) 適用于動態(tài)測量 壓電式傳感器基本原理： 利用壓電材料的 壓電效應 特性 即當有 力 作用在壓電材料上時傳感器就有 電荷 (或電壓 )輸出 （ 1）基本原理和適用范圍 由于外力作用而在壓電材料上產(chǎn)生的電荷只有在 無泄漏 的情況下才能保存 ， 即需要測量回路具有 無限大的輸入阻抗 ， 這實際上是不可能的 ， 因此 壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測量 。 壓電材料在 交變力 的作用下 ， 電荷不斷補充 ， 供給 測量回路一定的電流 ， 故適用于動態(tài)測量 。 54 由于單片壓電元件產(chǎn)生的電荷量甚微，制作壓電傳感器時，為了提高其 輸出靈敏度 ，通常采用 增加壓電片的數(shù)目和適當?shù)倪B接方式 。 （ 2）壓電元件的連接方式 壓電元件的連接方式 并聯(lián) 串聯(lián) ?+ 串聯(lián) + 并聯(lián) F + q=DF 55 兩個壓電片的負端粘結(jié)在一起，中間插入的金屬電極成為壓電片的負極，正電極在兩邊的電極上。 （ 2）壓電元件 并聯(lián)方式 39。39。39。22CCqqUU===特點： 輸出電荷大、時間常數(shù)大 適宜測慢速信號以電荷為輸出的場合 + 并聯(lián) F + q=DF 56 兩壓電片 不同極性端 粘結(jié)在一起， 中間粘接處正負電荷中和，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 2倍，即 39。39。39。22CCUUqq===特點： 輸出電壓大、時間常數(shù)小 適宜以電壓為輸出信號輸入阻抗很高的場合 （ 3）壓電元件 — 串聯(lián)方式 + 串聯(lián) F + q=DF 57 壓電式傳感器中的壓電元件 ， 按其受力和變形 方式不同 ， 分為： 厚度變形 （ TE） 長度變形 （ LE） 體積變形 （ VE） 面切變形（ FS） 厚度剪切變形 （ TS） （ 4）壓電元件的變形方式 58 （ a）厚度變形 （ TE） 1 11 1q d F?（ b）長度變形 （ LE） 利用石英晶體的 橫向壓電效應 表面電荷為 1 1 2 2q d F?（ 4）壓電元件的變形方式 利用石英晶體的 縱向壓電效應 產(chǎn)生的表面電荷為 59 （ c）體積變形 （ VE） 它不是基本變形方式 而是 拉、壓、切 應力共同作用的結(jié)果 根據(jù)具體情況選擇合適的壓電常數(shù)。 （ 4）壓電元件的變形方式 60 （ d）面切變形 （ FS） 1 1 4 42 2 5 5q d Fq d F??x 切晶片 y 切晶片 （ e）厚度剪切變形 （ TS） 2 2 6 6q d F?y 切晶片 （ 4）壓電元件的變形方式 61 壓電式傳感器在測量 低壓力 時 線性度不好 , 傳遞損失 較大 , 主要是傳感器受力系統(tǒng)中力傳遞系數(shù)為非線性所致 采取的措施： 為使壓電片 電荷與力之間呈線性關(guān)系 在力傳遞系統(tǒng)中加入 預加力 ， 稱 預載 。 （ 1） 消除低壓力中的非線性 （ 2） 消除傳感器內(nèi)外接觸表面的間隙 ， 提高剛度 （ 3） 只有在加預載后才能用壓電傳感器測量拉力 和拉交變力 、 壓交變力及剪力和扭矩 注意： 壓電式傳感器 62 【 例 1】 有一壓電晶體，其面積 S=3cm2，厚度 t=，在零度 x切型縱向石英晶體壓電系數(shù) d11=。求 :受到壓力 p=10MPa作用時產(chǎn)生的電荷 q及輸出電壓 Uo 63 例 2： 某壓電式壓力傳感器為兩片石英晶片并聯(lián)，每片厚度 t=, 圓片半徑 r=1cm, εr =， x切型 d11= 當 px平面時 求：傳感器輸出電荷 q和電極間電壓 Ux的值。 64 壓電式傳感器測量電路 壓電式傳感器的等效電路 壓電式傳感器的測量電路 壓電式傳感器的應用 第 6章 壓電式傳感器 65 當壓電晶體在 外力 作用下 ， 其兩個極面上將出現(xiàn) 極性相反 電量相等的電荷 ∴ 壓電傳感器可以看作 電荷發(fā)生器 ,圖 (a) 壓電式傳感器的等效原理 同時 ,它也是一個 電容器 , 晶體上聚集正 、 負電荷的兩表面相當于電容的兩個 極板 , 極板間物質(zhì)等效于一種 介質(zhì) ,圖 (b) ＋＋＋＋ ―――― q 電極 壓電晶體 (a) 壓電傳感器的等效原理 q Ca (b) 66 當兩極板聚集 異性電荷 時 , 則兩極板呈現(xiàn)一定的 電壓 , 大小為 aaquC?壓電式傳感器的等效原理 ＋＋＋＋ ―――― q 電極 壓電晶體 (a) 壓電傳感器的等效原理 q Ca (b) 0raAACddeee== A、 d 壓電片的面積、厚度 ε0(=1/ π)、 εr 真空、壓電材料的相對介電常數(shù) 電容量 67 （ a） 等效電壓源 aaquC=壓電式傳感器的等效電路 一個與電容相串聯(lián) 的電壓源 （ b） 等效電荷源 Ca ua （ a）電壓源 aaq u C=q Ca （ b）電荷源 一個與電容相并聯(lián) 電荷源 電壓靈敏度 auuKF?電荷靈敏度 qqKF?/u q aK K C? q u aK K C?兩者的關(guān)系 68 ? 只有當壓電傳感器 內(nèi)部信號電荷無漏損 或 外接電路負載RL無窮大 時 ,壓電傳感器受力后產(chǎn)生的 電壓 或 電荷 才能長期保存 ,否則電路將以某時間常數(shù)按指數(shù)規(guī)律放電 ? 對于 靜態(tài)、低頻測量 極為不利 ,必然帶來誤差 ? 只有 外力不斷以較高頻率作用 ,傳感器的電荷才能得以補充 , 壓電晶體不適合于靜態(tài)測量 ? 在實際使用時壓電傳感器總要與測量儀器或測量電路 相連接，需考慮壓電傳感器的泄漏電阻、連接電纜的 等效電容、前置放大器的輸入電阻和輸入電容等 注意：壓電晶體不適合于靜態(tài)測量 壓電式傳感器的等效電路 69 壓電式傳感器的測量電路 壓電式傳感器前置放大器的作用 前置放大器的形式 電壓放大器（阻抗變換器） 電荷放大器 70 ∵ 傳感器的 內(nèi)阻很大 , 而 輸出信號較小 , 一般不能直接取用 ∴ 需要接入高輸入阻抗的 前置放大器 壓電式傳感器前置放大器的作用 前置放大器的作用 （ 1） 將傳感器的高輸出阻抗變換為放大器的低輸出阻抗 （ 2） 放大傳感器輸出的微弱信號 7