【正文】 等 )等家石家莊學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 電產(chǎn)品中。 （ 3）壓電晶體拾音、發(fā)聲器件。晶體話筒、電唱頭是拾音器件 ,它們是利用晶體的壓電效應(yīng)制作出來的。對于話筒 ,聲波使話筒內(nèi)的壓電晶體振動(dòng) ,由于壓電效應(yīng) ,表面上的兩個(gè)電極便出現(xiàn)微弱的音頻電壓。對于晶體電唱頭 (又稱晶體拾音器 ),當(dāng)唱片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) ,唱片中的音紋起伏通過唱針傳到唱頭中的壓電晶體 ,其電極便出現(xiàn)音頻電壓。即利用晶體的壓電效應(yīng)可以把音頻信號變成音頻電信號。而晶體揚(yáng)聲器 (晶體喇叭 )和晶體耳機(jī)則是壓電發(fā)聲器件。它們是利用壓電晶體的逆效應(yīng)制 作出來的 ,即把變化的電信號還原為晶體的機(jī)械振動(dòng)。晶體再把這種振動(dòng)傳給一塊金屬薄片 ,發(fā)出聲音。 壓電式傳感器的介紹 （ 1）壓電式測力傳感器。 壓電式測力傳感器結(jié)構(gòu)如下圖所示： 壓電式測力傳感器是利用壓電元件直接實(shí)現(xiàn)力 電轉(zhuǎn)換的傳感器，在拉、壓場合，通常較多采用雙片或多片石英晶體作為壓電元件。其剛度大，測量范圍寬，線性及穩(wěn)定性高，動(dòng)態(tài)特性好。當(dāng)采用大時(shí)間常數(shù)的電荷放大器時(shí)，可測量準(zhǔn)靜態(tài)力。按測力狀態(tài)分，有單向、雙向和三向 傳感器，它們在結(jié)構(gòu)上基本一樣。 如上 圖所示為壓電式單向測力傳感器的結(jié)構(gòu)圖。傳感器用于機(jī)床動(dòng)態(tài)切削力的測量。絕緣套用來絕緣和定位?；鶅?nèi)外底面對其中心線的垂直度、上蓋及晶片、電極的上下底面的平行度與表面光潔度都有極嚴(yán)格的要求，否則會使橫向靈敏度增加或使片子因應(yīng)力集中而過早破碎。為提高絕緣阻抗，傳感器裝配前要經(jīng)過多次凈化（包括超聲波清洗），然后在超凈工作環(huán)境下進(jìn)行裝配，加蓋之后用電子束封焊。 壓電式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)類型很多，但它們的基本原理與結(jié)構(gòu)仍與壓電式加速度和力傳感器大同小異。突出的不同點(diǎn)是，它必須通過彈性膜 、盒等，把壓力收集、轉(zhuǎn)換成力，再傳遞給壓電元件。為保證靜態(tài)特性及其穩(wěn)定性，通常多采用石英晶體作為壓電元件 。 基座 上蓋 石英晶片 F 絕緣套 壓電效應(yīng)的原理及應(yīng)用 14 （ 2）壓電式加速傳感器。 壓電式加速傳感器結(jié)構(gòu)如下圖所示： 如上圖 所示為壓縮式壓電加速度傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖，壓電元件一般由兩片壓電片組成。在壓電片的兩個(gè)表面上鍍銀層，并在銀層上焊接輸出引線，或在兩個(gè)壓電片之間夾一片金屬，引線就焊接在金屬片上，輸出端的另一根引線直接與傳感器基座相連。在壓電片上放置一個(gè)比重較大的質(zhì)量塊 ，然后用一硬彈簧或螺栓、螺帽對質(zhì)量塊預(yù)加載荷。整個(gè)組件裝在一個(gè)厚基座的金屬殼體中，為了隔離試件的任何應(yīng)變傳遞到壓電元件上去，避免產(chǎn)生假信號輸出，所以一般要加厚基座或選用剛度較大的材料來制造。測量時(shí)，將傳感器基座與試件剛性固定在一起。當(dāng)傳感器感受到振動(dòng)時(shí)，由于彈簧的剛度相當(dāng)大，而質(zhì)量塊的質(zhì)量相對較小，可以認(rèn)為質(zhì)量塊的慣性很小，因此質(zhì)量塊感受到與傳感器基座相同的振動(dòng)，并受到與加速度方向相反的慣性力作用。這樣，質(zhì)量塊就有一正比于加速度的交變力作用在壓電片上。由于壓電片具有壓電效應(yīng)，因此在它的兩個(gè)表面上就產(chǎn)生了交變 電荷（電壓），當(dāng)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于傳感器固有頻率時(shí)，傳感器的輸出電荷（電壓）與作用力成正比，即與試件的加速度成正比。輸出電量由傳感器輸出端引出，輸入到前置放大器后就可以用普通的測量器測出試件的加速度，如在放大器中加進(jìn)適當(dāng)?shù)姆e分電路，就可以測出試件的振動(dòng)加速度或位移 。 壓電式傳感電路 當(dāng)壓電晶片受力時(shí)，在晶片的兩個(gè)表面上分別聚集等量的正、負(fù)電荷，因此，晶片的兩表面相當(dāng)于一個(gè)電容的兩個(gè)極板，兩極板間的物質(zhì)等效于一種介質(zhì)，于是，壓電晶片相當(dāng)于一只平行板介質(zhì)電容器，如下圖所示，其電容量為 0ra S SC dd?? ???，其中 S 為極板面積， r? 為壓電材料的相對介電常數(shù)， 0? 為真空介電常數(shù)， d 為壓電元件的厚度。 外殼 質(zhì)量塊 預(yù) 壓 彈簧 基座 壓電元件 螺栓 石家莊學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 壓電傳感器可以等效為一個(gè)電壓源 / aU q C? 和一只電容 aC 的串聯(lián)，如下圖（ a）所示，由圖可知，只有在外電 路負(fù)載 LR 無窮大，且內(nèi)部無漏電時(shí)，受力產(chǎn)生的電壓 U才能長期保持不變，如果負(fù)載不是無窮大，則電路就要以時(shí)間常數(shù) LaRC 按指數(shù)規(guī)律放電。因此，必須在壓電傳感器上加交變力，電荷才能不斷得到補(bǔ)充，供給測量電路一定的電流，故壓電傳感器只適宜作動(dòng)態(tài)測量。U LReqU C?eCq eC eq C U? （ a）電壓源 （ b）電荷源 壓電傳感器也可以等效為一個(gè)電荷源與一個(gè) 電容并聯(lián)，此時(shí)，電路被視為一個(gè)電荷發(fā)生器，如上圖（ b）所示。 壓電式傳感器在實(shí)際使用中，總要與測量儀器或電路相連接，因此還必須考慮連接電纜的等效電容 cC 、放大器的輸入阻抗 iR 和輸入電容 iC ，這樣，壓電式傳感器在測量系統(tǒng)中的等效電路如下圖所示，圖中 eC 和 dR 分別為傳感器的電 容和漏電阻。 Ce Ci Ri Rd U C? 電壓源 壓電器件 電壓 放大器 電纜 壓電效應(yīng)的原理及應(yīng)用 16 結(jié)論 本文旨在介紹和論述壓電效應(yīng)的原理以及有關(guān)壓電效應(yīng)在材料科學(xué)方面的應(yīng)用情況。壓電效應(yīng)是新興技術(shù)的典型代表，在材料科學(xué)電子技術(shù)和傳感器研發(fā)等領(lǐng)域都具有巨大的科學(xué)研發(fā)潛力和市場效益。本文也對一些壓電材料的種類和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)概述，包括壓電單晶體材料、壓電多晶體材料和雅典聚合物等。在對壓電效應(yīng)的進(jìn)一步研究方面我們也可以借鑒電磁場基本理論的研究方法和固體物理學(xué)中的晶體結(jié)構(gòu)模型等作為研究依據(jù) ,為開辟壓電 效應(yīng)嶄新的應(yīng)用領(lǐng)域奠定理論基礎(chǔ) 。 參考文獻(xiàn) 【 1】 孫 慷 ,等．壓電學(xué) [M]．北京：國防工業(yè)出版社， 1984： 116— 185． 【 2】張萬鯤 .壓電晶體材料的應(yīng)用及發(fā)展 [M]．電子質(zhì)量， 1995， (3)： 10— 14． 【 3】 Bechmanm And Piezoelectric Constants of Alphaquartz[J]． ， 1958,110(6)： 1060． 【 4】趙凱華，陳熙謀 .電磁學(xué)：第二版 [M].北京：高等教育出版社， 1985： 783— 891． 【 5】浙江大學(xué)電工 學(xué)教研室．電工學(xué) [J]．北京：人民教育出版社， ． 【 6】靳洪允 .壓電材料的結(jié)構(gòu)與性能 [J].陶瓷科學(xué)與藝術(shù) ,2022,3:2632． 【 7】 宋道仁 .壓電效應(yīng)及其應(yīng)用 [M].科學(xué)普及出版社． 【 8】徐 毅，等 .壓電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) [M]．物理實(shí)驗(yàn)， 1995 第 16 卷第 6 期． 【 9】 朱建國，孫小松 .電子與光電子材料 [M].北京：國防工業(yè)出版社， 4749,63.【 10】 朱 自勤 .傳感器與檢測技術(shù) [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2022． 【 11】蓋學(xué)周 .壓電材料的研究發(fā)展方向和現(xiàn)狀 [J].中 國陶瓷 ， 2022,5:913． 【 12】胡南 ,等 .聚合物壓電智能材料研究新進(jìn)展 [J].高分子通報(bào)， 2022,(5):7581． 【 13】郁有文．傳感器原理及工程應(yīng)用 [M]．西安：西安電子科技大學(xué)出版社， 2022． 【 14】馮慈章 .電磁場 :第二版 [M].北京 :高等教育出版社 ,1983： 7283. 【 15】《無線電》 編輯部 .電子愛好者實(shí)用資料大全 [M].北京 :電子工業(yè)出版社 ,1989,395411． 太陽能地暖系統(tǒng)的原理及應(yīng)用 17 附錄 1 石英的切型和聲表面波特性 晶體名稱 切型 傳播方向 速度 m/s 耦合系數(shù) % 溫度系 數(shù) ppm/C176。 傳播損耗 石英晶體 ST X 3158 0 Y X 3159 22 附錄 2 石英晶體的壓電系數(shù)、介電常數(shù)分布圖 壓電效應(yīng)的原理及應(yīng)用 致謝 本文是在 高永華 老師精心指導(dǎo)和大力支持下完成的。 高永華 老師以其嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的治學(xué)態(tài)度、高度的敬業(yè)精神、兢兢業(yè)業(yè)、孜孜以求的工作作風(fēng)和大膽創(chuàng)新的進(jìn)取精神對我產(chǎn)生重要影響。 他 淵博的知識、開闊的視野和敏銳的思維給了我深深的啟發(fā) 。同時(shí)，在此次畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中我也學(xué)到了許多關(guān)于 壓電效應(yīng)及其應(yīng)用等 方面的知識 。 最后，再次對 為本論文的完成所付出的艱辛努力及其給予幫助和關(guān)心 的 老師，同學(xué)和提供文獻(xiàn)的編著們 表示衷心地感謝 。 17