1、1.1.壓電效應及壓電材料壓電效應及壓電材料2.2.等效電路等效電路3.3.測量電路測量電路4.4.應用應用 第第6 6章章 壓電式傳感器壓電式傳感器以下傳感器的工作原理分別是。以下傳感器的工作原理分別是。 電阻傳感器電阻傳感器 電感傳感器電感傳感器 霍爾傳感器霍爾傳感器 光電傳感器光電傳感器 壓電傳感器壓電傳感器壓阻效應壓阻效應電磁感應電磁感應霍爾效應霍爾效應壓電效應壓電效應光電效應光電效應 ？ 什么是壓電效應？什么是壓電效應？ 哪些材料具有壓電效應？哪些材料具有壓電效應？引言。引言。石英晶體的壓電效應早在石英晶體的壓電效應早在18801880年即已發現，年即已發現，19481948年制作出

2、第一個年制作出第一個石英傳感器。在此之后，一系列的單晶、多晶陶瓷材料和有機高石英傳感器。在此之后，一系列的單晶、多晶陶瓷材料和有機高分子聚合物的壓電效應也被發現了。分子聚合物的壓電效應也被發現了。18801880年，年，皮埃爾皮埃爾. .居里居里與雅克斯與雅克斯. .居里。石英晶體的壓居里。石英晶體的壓電效應。電效應。老師李普曼。熱力學方法。能量守恒和電量守恒。老師李普曼。熱力學方法。能量守恒和電量守恒。石英在電場下的形變。億分之一到百萬分之一厘米。石英在電場下的形變。億分之一到百萬分之一厘米。嚴濟慈。中國現代物理學研究的開創者。單色光干涉法嚴濟慈。中國現代物理學研究的開創者。單色光干涉法測量

3、形變。測量形變。石英在電場下的形變和光學特性變化的實驗研石英在電場下的形變和光學特性變化的實驗研究究壓壓 電電 效效 應應正壓電效應正壓電效應某些晶體或多晶陶瓷，當沿著一定方向某些晶體或多晶陶瓷，當沿著一定方向對其施力而使其變形時，內部就產生極化現象，同時在某兩個對其施力而使其變形時，內部就產生極化現象，同時在某兩個表面上產生符號相反的電荷，當外力去掉后，又重新恢復到不表面上產生符號相反的電荷，當外力去掉后，又重新恢復到不帶電狀態；當作用力的方向改變時，電荷的極性也隨之改變。帶電狀態；當作用力的方向改變時，電荷的極性也隨之改變。壓電元件機械量電量壓電效應具有可逆性壓電效應具有可逆性逆壓電效應逆

4、壓電效應反之，對晶體或多晶陶瓷在電軸方向上反之，對晶體或多晶陶瓷在電軸方向上施加一定的交變電場，這些晶體或多晶陶瓷也會產生機械變形；施加一定的交變電場，這些晶體或多晶陶瓷也會產生機械變形；外電場撤離，變形也隨著消失。外電場撤離，變形也隨著消失。（電致伸縮效應）（電致伸縮效應） 具有壓電效應的材料稱為壓電材料，壓電材料能夠實具有壓電效應的材料稱為壓電材料，壓電材料能夠實 現現“機機電電”能量的相互轉換。壓電式傳感器是有源能量的相互轉換。壓電式傳感器是有源 的雙向機電傳感器，的雙向機電傳感器，一般都是利用正壓電效應一般都是利用正壓電效應制成的制成的常見的壓電材料可分為三大類：常見的壓電材料可分為三

5、大類：壓電晶體、壓電陶瓷壓電晶體、壓電陶瓷 與高分子壓電材料與高分子壓電材料。在自然界中大多數晶體都具有壓在自然界中大多數晶體都具有壓 電效應，但壓電效應十分微弱。電效應，但壓電效應十分微弱。石英晶體（石英晶體（SiOSiO2 2）、）、 鈦酸鋇陶瓷（鈦酸鋇陶瓷（BaTiOBaTiO3 3）、鋯鐵酸鉛系壓電陶瓷，即）、鋯鐵酸鉛系壓電陶瓷，即 PZTPZT系壓電陶瓷系壓電陶瓷等是性能優良的壓電材料。等是性能優良的壓電材料。 壓壓 電電 材材 料料 石英晶體是單晶體結構。天然結石英晶體是單晶體結構。天然結構的石英晶體是一個正六面體。石英構的石英晶體是一個正六面體。石英晶體各個方向的特性是不同的晶體

6、各個方向的特性是不同的（各向（各向異性）異性）。其中縱向軸。其中縱向軸z z稱為光軸稱為光軸，它是，它是晶體的對稱軸，光線沿晶體的對稱軸，光線沿z z軸通過晶體時軸通過晶體時不產生折射現象，因而以它作為基準不產生折射現象，因而以它作為基準軸；經過六面體棱線并垂直于光軸的軸；經過六面體棱線并垂直于光軸的x x稱為電軸稱為電軸，該軸壓電效應最顯著；與，該軸壓電效應最顯著；與x x和和z z軸同時垂直的軸軸同時垂直的軸y y稱為機械軸（力稱為機械軸（力軸）軸），在此軸上加力產生的變形最大。，在此軸上加力產生的變形最大。1. 石英晶體石英晶體SiO2的壓電效應的壓電效應天然石英晶體的結構外形天然石英晶

7、體的結構外形1.石英晶體石英晶體SiO2的壓電效應的壓電效應(b) 切割方向切割方向(c) 晶片晶片 (a) 結構外形結構外形1.石英晶體石英晶體SiO2的壓電效應的壓電效應yxP1P2P3(a) (b)(c)xyAFxP1P2P3oFxBxAFyyCBDP1P2P3ooFy不受力時不受力時x軸方向受力軸方向受力y軸方向受力軸方向受力石英晶體在石英晶體在Z平面上的投影等效為正六邊形排列。平面上的投影等效為正六邊形排列。(a) 不受力時不受力時，si2+ 和和 o2- 分布在正六邊形的頂點上，形成三個互成分布在正六邊形的頂點上，形成三個互成1200夾角的電夾角的電偶極矩偶極矩p1、p2、p3，矢

8、量和等于零，晶體表面無帶電現象，矢量和等于零，晶體表面無帶電現象(b) X軸或者軸或者Y軸方向受到壓力時，軸方向受到壓力時，晶體受壓縮變形，晶體受壓縮變形， p1、p2、p3的矢量和大于的矢量和大于零，在零，在X軸方向的某一表面出現負電荷，反向表面出現正電荷。軸方向的某一表面出現負電荷，反向表面出現正電荷。 當沿當沿X軸方向軸方向或或Y軸方向軸方向受到拉力作用時受到拉力作用時，產生電荷的極性正好相反。，產生電荷的極性正好相反。(d) Z(d) Z軸方向受力時，軸方向受力時， sisi+ + 和和 o o2-2-沿著沿著Z Z軸平移，因此電偶極矩軸平移，因此電偶極矩p p1 1、p p2 2、p

9、 p3 3矢量和等于零，并矢量和等于零，并無壓電效應。無壓電效應。(e) (e) 在各個方向作用大小相等的力時，也在各個方向作用大小相等的力時，也無壓電效應。無壓電效應。通常把沿電軸通常把沿電軸x x方向的力作用下產生電荷的壓電效應稱為方向的力作用下產生電荷的壓電效應稱為“縱向壓電縱向壓電效應效應”； 而把沿機械軸而把沿機械軸y y方向的力作用下產生電荷的壓電效應稱為方向的力作用下產生電荷的壓電效應稱為“橫向壓電效應橫向壓電效應”；而沿光軸；而沿光軸z z方向的力作用時不產生壓電效應。方向的力作用時不產生壓電效應。 1.石英晶體石英晶體SiO2的壓電效應的壓電效應壓電陶瓷是人工制造的多晶鐵電體

10、。壓電陶瓷是人工制造的多晶鐵電體。材料內部的晶粒有許多自發材料內部的晶粒有許多自發極化的極化的電疇電疇，它有一定的極化方向，從而存在電場。無外電場作用，它有一定的極化方向，從而存在電場。無外電場作用時，電疇在晶體中雜亂分布，它們各自的極化效應被相互抵消，因時，電疇在晶體中雜亂分布，它們各自的極化效應被相互抵消，因此此原始的壓電陶瓷呈中性，并不具有壓電效應原始的壓電陶瓷呈中性，并不具有壓電效應。2.壓電陶瓷的壓電效應壓電陶瓷的壓電效應極化前極化后極化處理極化處理在在壓電壓電陶瓷上陶瓷上施加強電場施加強電場時，電疇的極化方向發生時，電疇的極化方向發生轉動，趨向于按外電場的方向轉動，趨向于按外電場的

11、方向規則排列規則排列，若，若外電場強度足夠大，外電場強度足夠大，所所有電疇極化方向都整齊地與外電場方向一致，去掉外電場后，電疇有電疇極化方向都整齊地與外電場方向一致，去掉外電場后，電疇的極化方向基本無變化，即的極化方向基本無變化，即剩余極化強度很大剩余極化強度很大，從而呈現出壓電性。，從而呈現出壓電性。當極化后的鐵電體當極化后的鐵電體受到外力作用時，其剩余極化強度將隨受到外力作用時，其剩余極化強度將隨之發生變化，之發生變化，從而使一定表面分別產生正、負電荷。壓電從而使一定表面分別產生正、負電荷。壓電陶瓷在極化方向上壓電效應最明顯。鐵電體的參數會隨時陶瓷在極化方向上壓電效應最明顯。鐵電體的參數會

12、隨時間發生變化，即間發生變化，即老化老化，鐵電體老化將使壓電效應減弱。，鐵電體老化將使壓電效應減弱。高分子材料屬于有機分子半結晶或結晶的聚合物，其壓高分子材料屬于有機分子半結晶或結晶的聚合物，其壓電效應比較復雜。目前應用的電效應比較復雜。目前應用的聚偏氟乙烯聚偏氟乙烯，其，其壓電效應壓電效應類似鐵電體類似鐵電體：原始材料經過機械滾壓和拉伸成為薄膜，：原始材料經過機械滾壓和拉伸成為薄膜，再經過外電場和溫度的聯合作用之后，晶體內部的再經過外電場和溫度的聯合作用之后，晶體內部的偶極偶極矩矩進一步旋轉定向，產生了壓電效應。進一步旋轉定向，產生了壓電效應。3.高分子材料的壓電效應高分子材料的壓電效應壓電

13、轉換元件受力變形的幾種基本形式壓電轉換元件受力變形的幾種基本形式壓電方程壓電方程Q dF壓電方程壓電方程:壓電元件產生的表面電荷壓電元件產生的表面電荷作用力作用力壓電系數，通常為一個矩陣，不壓電系數，通常為一個矩陣，不同材料的壓電系數矩陣不一樣同材料的壓電系數矩陣不一樣1.相對于空間一定的幾何切型，只有在某些方向受到作用力時相對于空間一定的幾何切型，只有在某些方向受到作用力時 才能產生壓電效應。才能產生壓電效應。2.可以將不同方向的機械力轉化為電效應（正壓電效應）；也可以將不同方向的機械力轉化為電效應（正壓電效應）；也 可以將電效應轉化為不同模式的振動（逆壓電效應）。可以將電效應轉化為不同模式

14、的振動（逆壓電效應）。3.根據壓電常數的大小，可以判斷在哪些方向應力作用時，壓根據壓電常數的大小，可以判斷在哪些方向應力作用時，壓 電效應最顯著。電效應最顯著。壓電式傳感器的壓電式傳感器的工作原理：壓電材料的壓電效應，工作原理：壓電材料的壓電效應，即當有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。力作用在壓電材料上時，傳感器就有電荷（或電壓）輸出。因為因為壓電效應壓電效應的可逆性，所以也稱其為的可逆性，所以也稱其為雙向機電傳感器雙向機電傳感器。壓電式傳感器壓電式傳感器由于外力作用而在壓電材料上由于外力作用而在壓電材料上產生的電荷只有在無泄漏的產生的電荷只有在無泄漏的情況下才能保存

15、情況下才能保存，即需要測量回路具有無限大的輸入阻抗，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，這實際上是不可能的， 因此壓電式傳感器因此壓電式傳感器不能用于靜態測量。不能用于靜態測量。壓電材料在壓電材料在交變力交變力的作用下，電荷可以不斷補充，以供給測的作用下，電荷可以不斷補充，以供給測量回路一定的電流，故量回路一定的電流，故適用于動態測量。適用于動態測量。 等效電路等效電路壓電式傳感器對被測量的變化是通過其產生的電荷量的大壓電式傳感器對被測量的變化是通過其產生的電荷量的大 小來反映的，所以壓電式傳感器可以看作一個小來反映的，所以壓電式傳感器可以看作一個電荷發生器電荷發生器。電荷

16、等效電路0raSC 同時，壓電元件也是一個同時，壓電元件也是一個電容器電容器，晶體上聚集正負電荷的，晶體上聚集正負電荷的兩表面相當于電容的兩個極板，壓電材料本身就是極板間的兩表面相當于電容的兩個極板，壓電材料本身就是極板間的電介質，其電容量為電介質，其電容量為 電壓等效電路aaquC壓電傳感器在實際使用時總要與測量儀器或測量電路相連接，因此壓電傳感器在實際使用時總要與測量儀器或測量電路相連接，因此還需考慮還需考慮連接電纜的等效電容連接電纜的等效電容Cc，放大器的輸入電阻放大器的輸入電阻Ri , 輸入電容輸入電容Ci以及壓電傳感器的以及壓電傳感器的泄漏電阻泄漏電阻Ra。等效電路（續）等效電路（續

17、）UaCaRaCcRiCiqRaCcRiCiCe(a)(b)壓電傳感器在測量系統中的實際等效電路壓電傳感器在測量系統中的實際等效電路 壓電傳感器本身的內阻抗很高，而輸出能量較小，壓電傳感器本身的內阻抗很高，而輸出能量較小，因此它的測量電路通常需要接入一個高輸入阻抗前置放因此它的測量電路通常需要接入一個高輸入阻抗前置放大器。其作用為：大器。其作用為：一是把它的高輸出阻抗變換為低輸出一是把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗；二是放大傳感器輸出的微弱信號。阻抗；二是放大傳感器輸出的微弱信號。壓電傳感器的壓電傳感器的輸出可以是電壓信號，也可以是電荷信號，輸出可以是電壓信號，也可以是電荷信號， 因此前置放因

18、此前置放大器也有兩種形式：大器也有兩種形式：電壓放大器電壓放大器和和電荷放大器。電荷放大器。電壓放電壓放大器：其輸出電壓與輸入電壓大器：其輸出電壓與輸入電壓(壓電元件的輸出電壓壓電元件的輸出電壓)成成正比。電荷放大器：其輸出電壓與輸入電荷成正比。正比。電荷放大器：其輸出電壓與輸入電荷成正比。測量電路測量電路 電壓放大器（阻抗變換器，高變低）：電壓放大器（阻抗變換器，高變低）： 輸出電壓輸出電壓uo與壓電元件的電壓與壓電元件的電壓ua成正比。成正比。電壓放大器（阻抗變換器）電路原理及其等效電路圖電壓放大器（阻抗變換器）電路原理及其等效電路圖放大器電路放大器電路等效電路等效電路注意：此類傳感器的靈

19、敏度將隨電纜分布電容及傳感器自身電容的變化而變注意：此類傳感器的靈敏度將隨電纜分布電容及傳感器自身電容的變化而變化，而且更換電纜需要重新標定。此類傳感器在實際使用時，不能隨意更換化，而且更換電纜需要重新標定。此類傳感器在實際使用時，不能隨意更換傳感器出廠時的連接電纜，否則，會給測量帶來誤差！傳感器出廠時的連接電纜，否則，會給測量帶來誤差！電壓放大器電壓放大器作用在壓電元件上的力為交變力：作用在壓電元件上的力為交變力： sinmFFt在壓電元件上產生的電荷：在壓電元件上產生的電荷：33qd F壓電式傳感器不能測量靜態量壓電式傳感器不能測量靜態量!電壓放大器輸出端電壓電壓放大器輸出端電壓ui的幅值

20、的幅值:3321()mimdFRURC若作用力是靜態力（若作用力是靜態力（w=0），則），則Uim0電荷放大器：電荷放大器： 輸出電壓輸出電壓uo與壓電元件的電荷與壓電元件的電荷q成正比。成正比。電荷放大器等效電路電荷放大器等效電路 AuoCiqCaCeCrf反饋電容反饋電容Cf具有深度電容負反饋的具有深度電容負反饋的高增益運算放大器高增益運算放大器由于運算放大器輸入阻由于運算放大器輸入阻抗極高，抗極高， 放大器輸入端放大器輸入端幾乎沒有分流，故可略幾乎沒有分流，故可略去前端并聯的電阻。去前端并聯的電阻。電荷放大器的輸出電壓只與反饋電容有關，而與電荷放大器的輸出電壓只與反饋電容有關，而與連接電

21、纜無關，更換連接電纜時不會影響傳感器連接電纜無關，更換連接電纜時不會影響傳感器的靈敏度，這是電荷放大器的最大優點。的靈敏度，這是電荷放大器的最大優點。 ofquC輸出電壓：輸出電壓：應用應用壓電式測力傳感器壓電式測力傳感器壓電元件是典型的壓電元件是典型的力敏感元件力敏感元件。可用來測量最終能轉換為。可用來測量最終能轉換為力的多種物理量。在檢測技術中，常用來測量力和加速度。力的多種物理量。在檢測技術中，常用來測量力和加速度。 工作原理：工作原理：整個部件裝在外殼內，并由螺栓加以固定。傳感器整體整個部件裝在外殼內，并由螺栓加以固定。傳感器整體與被測試件具有相同頻率的振動，質量塊產生正比于加速度的交

22、變與被測試件具有相同頻率的振動，質量塊產生正比于加速度的交變力作用在晶片上。晶片由于壓電效應，產生相應數量的表面電荷。力作用在晶片上。晶片由于壓電效應，產生相應數量的表面電荷。應用應用壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器由于壓電陶瓷元件的自由于壓電陶瓷元件的自振頻率高，特別適合測振頻率高，特別適合測量變化劇烈的載荷。圖量變化劇烈的載荷。圖中壓電傳感器位于車刀中壓電傳感器位于車刀前部的下方，當進行切前部的下方，當進行切削加工時，削加工時， 切削力通過切削力通過刀具傳給壓電傳感器，刀具傳給壓電傳感器，壓電傳感器將切削力轉壓電傳感器將切削力轉換為電信號輸出，記錄換為電信號輸出，記錄下電信號的變化便可

23、測下電信號的變化便可測得切削力的變化。得切削力的變化。 應用應用金屬加工切削力測量金屬加工切削力測量利用壓電陶瓷傳感器測量刀具切削力利用壓電陶瓷傳感器測量刀具切削力壓電傳感器輸出信號刀具玻璃破碎時會產生玻璃破碎時會產生10k15k的高頻聲音信號，該信號可使壓電的高頻聲音信號，該信號可使壓電傳感器的壓電元件產生正向的壓電效應。利用壓電元件對振動傳感器的壓電元件產生正向的壓電效應。利用壓電元件對振動敏感的特性來感知玻璃受撞擊和破碎時產生的振動波。傳感器敏感的特性來感知玻璃受撞擊和破碎時產生的振動波。傳感器把振動波轉換成電壓輸出，再經放大、濾波、比較等處理后提把振動波轉換成電壓輸出，再經放大、濾波、

24、比較等處理后提供給報警系統。供給報警系統。應用應用壓電式玻璃破碎報警器壓電式玻璃破碎報警器執行機構比較帶通濾波放大傳感器玻璃壓電振動傳感器壓電振動傳感器 MS118.50 RMB某些晶體當沿著一定方向受某些晶體當沿著一定方向受到機械力作用發生變形時，到機械力作用發生變形時，就產生了極化效應；當機械就產生了極化效應；當機械力撤掉之后，又會重新回到力撤掉之后，又會重新回到不帶電的狀態不帶電的狀態只能夠測量動態的應力。只能夠測量動態的應力。 超聲波傳感器超聲波傳感器 SZW-R40-10P1SZW-R40-10P1 10.0010.00元元/ /對對 RMBRMB超聲波傳感器的原理超聲波傳感器的原理

25、 人能聽到的聲音頻率為：人能聽到的聲音頻率為：20Hz20kHz20Hz20kHz，即為可聽聲波，即為可聽聲波，超出此頻率范圍的聲音，即超出此頻率范圍的聲音，即20Hz20Hz以下的聲音稱為低頻聲以下的聲音稱為低頻聲波，波，20kHz20kHz以上的聲音稱為超聲波。超聲波為直線傳播方以上的聲音稱為超聲波。超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強。壓電式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強。壓電式超聲波傳感器的探頭常用材料是式超聲波傳感器的探頭常用材料是壓電晶體和壓電陶瓷壓電晶體和壓電陶瓷，是利用壓電材料的，是利用壓電材料的壓電效應壓電效應來工作的。逆壓電效應將來工作的。逆壓電效應將高頻電振動轉換成高頻機械振動，從而產生超聲波，可高頻電振動轉換成高頻機械振動，從而產生超聲波，可作為作為發射探頭發射探頭；而利