【正文】 106/176。 此外 ,它還有機(jī)械強(qiáng)度高 、 柔軟 、 不脆 、 耐沖擊 、 易加工成大面積元件和陣列元件 、 價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn) 。當(dāng)薄膜受外力作用時(shí) ,剩余極化強(qiáng)度改變 ,薄膜呈現(xiàn)出壓電效應(yīng)。 β晶型的碳 氟偶極矩在垂直分子鏈取向 ,形成自發(fā)極化強(qiáng)度。 α晶型沒(méi)有壓電效應(yīng)。 PVF2原料可制成薄膜、厚膜、管狀和粉狀等各種形狀。 因此 ,既可用其壓電特性研制傳感器 ,又可用其半導(dǎo)體特性制作電子器件；也可以?xún)烧呓Y(jié)合 ,集敏感元件與電子線(xiàn)路于一體 ,研制新型集成壓電傳感器測(cè)試 . ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級(jí) ? 第三級(jí) ? 第四級(jí) ? 第五級(jí) 54 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 ? 2. 有機(jī)高分子壓電材料 ? 某些合成高分子聚合物（如聚氟乙烯（ PVF）、聚偏二氟乙烯（ PVF2）、聚氯乙烯（ PVC）等） ,經(jīng)延展拉伸和電極化后可形成具有壓電性高分子的壓電材料。 ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級(jí) ? 第三級(jí) ? 第四級(jí) ? 第五級(jí) 53 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 新型壓電材料 ? 1. 壓電半導(dǎo)體 ? 壓電半導(dǎo)體材料有硫化鋅 （ ZnS） 、 碲化鎘 （ CdTe ） 、 氧化鋅 （ ZnO ） 、 硫化鎘（ CdS） 、 碲化鋅 （ ZnTe） 和砷化鎵 （ GaAs） 等 。 ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級(jí) ? 第三級(jí) ? 第四級(jí) ? 第五級(jí) 52 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 ? 當(dāng)電極上加上電激勵(lì)信號(hào)時(shí) , ? 利用逆壓電效應(yīng) ,振子將按其固有共振頻率或其泛音產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng) ,與此同時(shí)按照正壓電效應(yīng)電極板上又將出現(xiàn)交變電荷 ,通過(guò)與外電路連接的電極對(duì)振子予以適當(dāng)?shù)哪芰垦a(bǔ)充 ,便可構(gòu)成使電和機(jī)械的振蕩等幅地持續(xù)下去的振蕩電路。由于它是單晶體 ,所以時(shí)間穩(wěn)定性比壓電陶瓷的好得多。它是單晶但不是單疇結(jié)構(gòu)。 ? 在壓電材料中 ,除常用的石英晶體和 PZT壓電陶瓷外 ,人工制造的鈮酸鋰（ LiNbO3）單晶可稱(chēng)得上是一種性能良好的壓電材料。 ? 石英晶體的缺點(diǎn)是壓電常數(shù)較小 ,因此 ,它大多只在標(biāo)準(zhǔn)傳感器 、 高精度傳感器或使用溫度較高的傳感器中用作壓電元件 ，在一般要求測(cè)量用的壓電式傳感器中 ， 則基本上采用壓電陶瓷 。 但當(dāng)溫度超過(guò) 500 ℃ 時(shí) ,d11值急劇下降 ,當(dāng)溫度達(dá)到 573℃ (居里點(diǎn)溫度 )時(shí) ,石英晶體就完全失去壓電特性 。 它不需要人工極化處理 ,沒(méi)有熱釋電效應(yīng) ,介電常數(shù)和壓電常數(shù)的溫度穩(wěn)定性好 ,在常溫范圍內(nèi) ,這兩個(gè)參數(shù)幾乎不隨溫度變化 。 由于鋯鈦酸鉛壓電陶瓷在壓電性能和溫度穩(wěn)定性等方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于鈦酸鋇壓電陶瓷 ,因此 , 它是目前最普遍使用的一種壓電材料 。 ? 另一種著名的壓電陶瓷是鋯鈦酸鉛 （ PZT） 壓電陶瓷 ,它是由鈦酸鉛和鋯酸鉛組成的固熔體 。 ? 常用的一種壓電陶瓷是鈦酸鋇 ,它的壓電常數(shù) d33要比石英晶體的壓電常數(shù) d11大幾十倍 ,且介電常數(shù)和體電阻率也都比較高 。 ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級(jí) ? 第三級(jí) ? 第四級(jí) ? 第五級(jí) 48 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 圖 ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級(jí) ? 第三級(jí) ? 第四級(jí) ? 第五級(jí) 49 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 ? 壓電陶瓷的特點(diǎn)是： 壓電常數(shù)大 ,靈敏度高；制造工藝成熟 ,可通過(guò)合理配方和摻雜等人工控制方法來(lái)達(dá)到所要求的性能；成形工藝性好 ,成本低廉 ,利于廣泛應(yīng)用 。 ） 切型 ,表示晶片的厚度方向與 Y軸平行 ,晶片面與 Y軸垂直 ,不繞任何坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn) ,簡(jiǎn)稱(chēng) Y切 ,如圖 6. 9（ b） 所示 ,等等 。 ） 切型 ,表示晶體的厚度方向平行于 X軸 ,晶片面與 X軸垂直 ,不繞任何坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn) ,簡(jiǎn)稱(chēng) X切 ,如圖 (a)所示 。 ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級(jí) ? 第三級(jí) ? 第四級(jí) ? 第五級(jí) 47 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 ? 石英晶體在 XYZ直角坐標(biāo)中 ,沿不同方位進(jìn)行切割 ,可得到不同的幾何切型 ,而不同切型的晶片其壓電常數(shù) 、 彈性常數(shù) 、 介電常數(shù) 、 溫度特性等參數(shù)都不一樣 。而使用電荷放大器時(shí) ,電纜長(zhǎng)度變化的影響差不多可以忽略不計(jì) ,允許使用很長(zhǎng)的電纜 ,但它與電壓放大器比較 ,價(jià)格要高得多 ,電路也比較復(fù)雜 ,調(diào)整又比較困難 . ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級(jí) ? 第三級(jí) ? 第四級(jí) ? 第五級(jí) 46 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 壓電諧振式傳感器 ? 石英晶體諧振式溫度傳感器 ? ? 壓電諧振式傳感器是利用壓電晶體諧振器的共振頻率隨被測(cè)物理量變化而變化進(jìn)行測(cè)量的 。另一種是電荷放大器 ,其輸出電壓與輸入電荷成比例。 ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級(jí) ? 第三級(jí) ? 第四級(jí) ? 第五級(jí) 45 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 ?按照壓電式傳感器的工作原理及其等效電路 ,傳感器可看成電壓發(fā)生器 ,也可看成電荷生器。 前置放大器應(yīng)距傳感器盡量近 ,常將其與傳感器裝配在一起 ,或集成在一起 。 前置放大器的主要作用是將壓電傳感器的高阻抗輸出變換成低阻抗輸出 ,也起放大弱信號(hào)的作用 。壓電傳感器配用電荷放大器時(shí) ,低頻響應(yīng)比配用電壓放大器要好得多 ,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)的物理量進(jìn)行測(cè)量 。另外 ,考慮到電容負(fù)反饋支路在直流工作時(shí)相當(dāng)于開(kāi)路 ,對(duì)電纜噪聲比較敏感 ,放大器零漂較大 ,因此 ,為了提高放大器的工作穩(wěn)定性 ,一般在反饋電容的兩端并聯(lián)一個(gè)大電阻 Rf（約 1010～ 1014Ω） ,以提供直流反饋。 ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級(jí) ? 第三級(jí) ? 第四級(jí) ? 第五級(jí) 42 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 fSC CqU ??? 觀察上式 ,可以發(fā)現(xiàn)： 電荷放大器的 Usc與 q成正比；電荷放大器的 Usc與電纜電容 Cc無(wú)關(guān)。 ? ])(a r c t a n [2 RCCC icd ???? ???() ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級(jí) ? 第三級(jí) ? 第四級(jí) ? 第五級(jí) 41 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 2. 電荷放大器 電荷放大器是一個(gè)具有反饋電容 Cf的高增益運(yùn)算放大器。圖 （ b）為圖 (a)的簡(jiǎn)化電路。 (b)電壓等效電路 ＋－CdRdCcRiCiCdRdCcRiCiUq( a ) ( b )? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級(jí) ? 第三級(jí) ? 第四級(jí) ? 第五級(jí) 35 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 壓電傳感器的測(cè)量電路 ? 1. 電壓放大器 壓電傳感器相當(dāng)于一個(gè)靜電荷發(fā)生器或電容器 ,為了盡可能保持壓電傳感器的輸出電壓（或電荷）不變 ,要求電壓放大器應(yīng)具有很高的輸入阻抗（大于1000MΩ）和很低的輸出阻抗（小于 100Ω）。 這兩種等效電路是完全等效的 。 這樣在等效電路中就必須將前置放大器的輸入電阻 Ri、 輸入電容 Ci,以及低噪聲電纜的電容 Cc包括進(jìn)去 。 ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級(jí) ? 第三級(jí) ? 第四級(jí) ? 第五級(jí) 31 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 圖 壓電加速度傳感器的等效電路 (a)等效電荷源 。 當(dāng)它受到外力作用時(shí) ,就會(huì)在電極上產(chǎn)生電荷 ,因此 ,可以把壓電式傳感器等效為一個(gè)電荷源與一個(gè)電容并聯(lián)的電荷發(fā)生器 ,等效電路如圖 (a)所示 。 ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級(jí) ? 第三級(jí) ? 第四級(jí) ? 第五級(jí) 26 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 表 加速度傳感器的一般性能 ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級(jí) ? 第三級(jí) ? 第四級(jí) ? 第五級(jí) 27 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 ? 計(jì)算舉例 :一 96%鈦酸鋇 ,4%鈦酸鉛的混合壓電陶瓷作壓電元件的加速度計(jì) ,結(jié)構(gòu)如圖 (a)所示 。 ? 采用不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選用不同性能的壓電材料 ,可以得到滿(mǎn)足各種使用要求的壓電加速度傳感器。 彎曲式壓電加速度傳感器固有共振頻率低 ,靈敏度高 ,適用于低頻測(cè)量 。 振動(dòng)時(shí) ,懸臂梁彎曲 ,側(cè)面受到拉伸壓縮 ,使壓電元件發(fā)生形變 ,從而輸出電信號(hào) 。 ? 圖 (c)為彎曲式壓電加速度傳感器 。 ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級(jí) ? 第三級(jí) ? 第四級(jí) ? 第五級(jí) 25 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 ? 剪切式壓電傳感器容易小型化 ,有很高的固有頻率 ,所以頻響范圍寬 ,適于測(cè)量高頻振動(dòng) 。如果傳感器感受向下的運(yùn)動(dòng) ,則壓電元件內(nèi)外表面上的電荷極性相反 。 管式壓電元件 (極化方向平行于軸線(xiàn) ,電極面在內(nèi)外圓柱面上 )緊套在金屬圓柱上 ,在壓電元件外徑上再套上慣性質(zhì)量塊 ,相互之間用導(dǎo)電膠粘結(jié) 。 采用石英晶片時(shí)也有采用四片晶片并聯(lián)的方式 。 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ,裝配較為方便 。 則固有頻率 33A E AkS l l??12nkfM??? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級(jí) ? 第三級(jí) ? 第四級(jí) ? 第五級(jí) 18 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 壓電加速度傳感器的結(jié)構(gòu) ? 圖 (a)為常用的壓縮式壓電加速度傳感器 。 可以近似地把質(zhì)量塊看成一個(gè)純質(zhì)量 (忽略其彈性 ),晶片看成一純彈性元件 (忽略其質(zhì)量 )來(lái)計(jì)算傳感器的固有頻率 。 ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級(jí) ? 第三級(jí) ? 第四級(jí) ? 第五級(jí) 17 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 ? 由上面的靈敏度公式可見(jiàn) ,在低頻時(shí)靈敏度是一常數(shù) ,它和壓電常數(shù)成正比 ,和質(zhì)量塊的質(zhì)量成正比 。 上式為靈敏度的電荷表示法 。 由 于作用力沿著 z方向 ,故這時(shí)只有 T3不等于零 ,其平均值為 3 3 3 33 3 31()2D d TQ D A d M m a?? ? ?? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級(jí) ? 第三級(jí) ? 第四級(jí) ? 第五級(jí) 15 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 ? 式中 ,A為晶片電極面面積 。 圖 壓電加速度傳感器原理圖 質(zhì) 量 塊壓電元件支座輸出引線(xiàn)? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級(jí) ? 第三級(jí) ? 第四級(jí) ? 第五級(jí) 12 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 圖 作用于壓電元件兩邊的力 lF上F下Oz? 單擊此處編輯母版文本