傳感器原理與應(yīng)用-資料下載頁(yè)
2025-01-15 00:56本頁(yè)面
【正文】 不具有壓電性質(zhì)。在陶瓷上施加外電場(chǎng)時(shí)，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，趨向于按外電場(chǎng)方向的排列，從而使材料得到極化。外電場(chǎng)愈強(qiáng)，就有更多的電疇更完全地轉(zhuǎn)向外電場(chǎng)方向。讓外電場(chǎng)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(chǎng)方向一致時(shí)，當(dāng)外電場(chǎng)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(shí)的材料才具有壓電特性。 對(duì)于壓電陶瓷，通常取它的極化方向?yàn)閦軸，垂直于z軸的平面上任何直線都可作為x或y軸，在是和石英晶體的不同之處。當(dāng)壓電陶瓷在沿極化方向受力時(shí)，則在垂直于z軸的上、下兩表面上將會(huì)出現(xiàn)電荷，其電荷量q與作用力Fz成正比。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(shí)間變化，從而使其壓電特性減弱。 壓電材料應(yīng)具備以下幾個(gè)主要特性：①轉(zhuǎn)換性能。要求具有較大的壓電常數(shù)。②機(jī)械性能。機(jī)械強(qiáng)度高、剛度大。③電性能。高電阻率和大介電常數(shù)。④環(huán)境適應(yīng)性。溫度和濕度穩(wěn)定性要好，要求具有較高的居里點(diǎn)，獲得較寬的工作溫度范圍。⑤時(shí)間穩(wěn)定性。要求壓電性能不隨時(shí)間變化。 石英晶體在幾百攝氏度的溫度范圍內(nèi)，其介電常數(shù)和壓電系數(shù)幾乎不隨溫度而變化。但是當(dāng)溫度升高到573℃時(shí)，石英晶體將完全喪去壓電特性，這就是它的居里點(diǎn)。石英晶體的突出優(yōu)點(diǎn)是性能非常穩(wěn)定，它有很大的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定的機(jī)械性能。但石英材料價(jià)格昂貴，且壓電系數(shù)比壓電陶瓷低得多。因此一般僅用于標(biāo)準(zhǔn)儀器或要求較高的傳感器中。石英晶體有天然和人工培養(yǎng)兩種類型。人工培養(yǎng)的石英晶體的物理和化學(xué)性質(zhì)幾乎與天然石英晶體沒(méi)有區(qū)別，因此目前廣泛應(yīng)用成本較低的人造石英晶體。因?yàn)槭⑹且环N各向異性晶體，因此，按不同方向切割的晶片，其物理性質(zhì)（如彈性、壓電效應(yīng)、溫度特性等）相差很大。在設(shè)計(jì)石英傳感器時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同使用要求正確地選擇石英片的切型。 壓電陶瓷壓電陶瓷主要有以下幾種：1. 鈦酸鋇壓電陶瓷鈦酸鋇（BaTiO3）是由碳酸鋇（BaCO3）和二氧化鈦（TiO2）按1：1分子比例在高溫下合成的壓電陶瓷。它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）。不足之處是居里點(diǎn)溫度低（120℃），溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度不如石英晶體。2. 鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷（PZT）鋯鈦酸鉛是由PbTiO3和PbZrO3組成的固溶體Pb（Zr、Ti）O3。它與鈦酸鋇相比，壓電系數(shù)更大，居里點(diǎn)溫度在300℃以上，各項(xiàng)機(jī)電參數(shù)受溫度影響小，時(shí)間穩(wěn)定性好。此外，在鋯鈦酸中添加一種或兩種其它微量元素（如鈮、銻、錫、錳、鎢等）還可以獲得不同性能的PZT材料。因此鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷是目前壓電式傳感器中應(yīng)用最廣泛的壓電材料。 新型壓電材料1. 壓電半導(dǎo)體材料壓電半導(dǎo)體材料有ZnO、CdS 、ZnO 、CdTe等，這種力敏器件具有靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。此外用ZnO作為表面聲波振蕩器的壓電材料，可檢測(cè)力和溫度等參數(shù)2. 高分子壓電材料某些合成高分子聚合物薄膜經(jīng)延展拉伸和電場(chǎng)極化后，具有一定的壓電性能，這類薄膜稱為高分子壓電薄膜。目前出現(xiàn)的壓電薄膜有聚二氟乙烯PVF聚氟乙烯PVF、聚氯乙烯PVC等。高分子壓電材料是一種柔軟的壓電材料，不易破碎，可以大量生產(chǎn)和制成較大的面積。 等效電路和測(cè)量電路 等效電路一、理想等效電路相對(duì)介電常數(shù)為εr，極化面積為A，兩極面間距離(壓電片厚度)為t。將壓電器件視為具有電容Ca的電容器，有 Ca =ε0εrA/t當(dāng)需壓電器件輸出電壓時(shí)，可把它等效成一壓電器件的理想等效電路與電容串聯(lián)的電壓源，如圖9(a)所示。在開路狀態(tài)，其輸出端電壓和電壓靈敏度分別為 Ua=Q/Ca Kｕ=Ua/F= Q/CaF當(dāng)需要壓電器件輸出電荷時(shí)，則可把它等效成一個(gè)與電容相并聯(lián)的電荷源，如圖9(b)所示。同樣，在開路狀態(tài)，輸出端電荷 Q=CaUa 式中Ua即極板電荷形成的電壓。這時(shí)的輸出電荷靈敏度為Kq=Q/F=UaCa/F Ku與Kq之間有如下關(guān)系： Ku =Kq/Ca二 實(shí)際等效電路一、電壓放大器電壓放大器又稱阻抗變換器。它的主要作用是把壓電器件的高輸出阻抗變換為傳感器的低輸出阻抗，并保持輸出電壓與輸入電壓成正比。(1)壓電輸出特性(即放大器輸入特性): 二、電荷放大器總結(jié):電荷放大器的輸出電壓僅于輸入電容量和反饋電容有關(guān)，若保持CF數(shù)值不變，輸出電壓正比于輸入電荷量。 壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器可用于力、壓力、速度、加速度、振動(dòng)等許多非電量的測(cè)量，可做成力傳感器、壓力傳感器、振動(dòng)傳感器等等。 一、壓電式測(cè)力傳感器 二、壓電式加速度傳感器三、壓電式金屬加工切削力測(cè)量四、壓電式玻璃破碎報(bào)警器
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