第6章壓電式傳感器第6章壓電式傳感器1主要內容6.1

工作原理6.2壓電式傳感器測量電路6.3壓電式傳感器的應用主要內容6.1工作原理26.1.1壓電效應壓電效應：是對某些電介質沿一定方向施以外力使其變形時，其內部將產生極化現象而使其表面出現電荷集聚的現象。在外力去除后又重新恢復到不帶電狀態，是機械能轉變為電能。正壓電效應，逆壓電效應特點：結構簡單、體積小、重量輕；工作頻帶寬；靈敏度高；信噪比高；工作可靠；測量范圍廣等。用途：主要用于與力相關的動態參數測試，如動態力、機械沖擊、振動等，它可以把加速度、壓力、位移、溫度等許多非電量轉換為電量。6.1.1壓電效應壓電效應：是對某些電介質沿一定方向施以外36.1.2壓電材料X軸向受力：Y軸向受力：Z軸向受力：無石英晶體（單晶體）6.1.2壓電材料X軸向受力：石英晶體（單晶體）4現象：現象：5機理：機理：6機理：機理：7壓電陶瓷（多晶體）壓電陶瓷（多晶體）8壓電機理：壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。材料內部的晶粒有許多自發極化的電疇，它有一定的極化方向，從而存在電場。在無外電場作用時，電疇在晶體中雜亂分布，它們各自的極化效應被相互抵消，壓電陶瓷內極化強度為零。因此原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質。在陶瓷上施加外電場時，電疇的極化方向發生轉動，趨向于按外電場方向的排列，從而使材料得到極化。外電場愈強，就有更多的電疇更完全地轉向外電場方向。讓外電場強度大到使材料的極化達到飽和的程度，即所有電疇極化方向都整齊地與外電場方向一致時，當外電場去掉后，電疇的極化方向基本變化，即剩余極化強度很大，這時的材料才具有壓電特性。壓電機理：9

極化處理后陶瓷材料內部存在有很強的剩余極化，當陶瓷材料受到外力作用時，電疇的界限發生移動，電疇發生偏轉，從而引起剩余極化強度的變化，因而在垂直于極化方向的平面上將出現極化電荷的變化。這種因受力而產生的由機械效應轉變為電效應，將機械能轉變為電能的現象，就是壓電陶瓷的正壓電效應。電荷量的大小與外力成如下的正比關系：式中：d33——壓電陶瓷的壓電系數；

F——作用力。極化處理后陶瓷材料內部存在有很強的剩余極化，10壓電陶瓷的壓電系數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度和特性與溫度有關，它的參數也隨時間變化，從而使其壓電特性減弱。最早使用的壓電陶瓷材料是鈦酸鋇（BaTiO3）。它的壓電系數約為石英的50倍，但居里點溫度只有115℃，使用溫度不超過70℃，溫度穩定性和機械強度都不如石英。目前使用較多的壓電陶瓷材料是鋯鈦酸鉛（PZT）系列，它是鈦酸鉛（PbTiO2）和鋯酸鉛（PbZrO3）組成的（Pb（ZrTi）O3）。居里點在300℃以上，性能穩定，有較高的介電常數和壓電系數壓電陶瓷的壓電系數比石英晶體的大得多，所以采11壓電高分子材料高分子材料屬于有機分子半結晶或結晶聚合物，其壓電效應較復雜，不僅要考慮晶格中均勻的內應變對壓電效應的貢獻，還要考慮高分子材料中作非均勻內應變所產生的各種高次效應以及同整個體系平均變形無關的電荷位移而表現出來的壓電特性。目前已發現的壓電系數最高、且已進行應用開發的壓電高分子材料是聚偏氟乙烯，其壓電效應可采用類似鐵電體的機理來解釋。這種聚合物中碳原子的個數為奇數，經過機械滾壓和拉伸制作成薄膜之后，帶負電的氟離子和帶正電的氫離子分別排列在薄膜的對應上下兩邊上，形成微晶偶極矩結構，經過一定時間的外電場和溫度聯合作用后，晶體內部的偶極矩進一步旋轉定向，形成垂直于薄膜平面的碳－氟偶極矩固定結構。正是由于這種固定取向后的極化和外力作用時的剩余極化的變化，引起了壓電效應。壓電高分子材料高分子材料屬于有機分子半結晶或結晶聚合物，其壓12壓電材料的特性參數壓電系數彈性系數介電常數機電耦合系數電阻居里點壓電材料的特性參數壓電系數13壓電材料的選取選用合適的壓電材料是設計、制作高性能傳感器的關鍵。一般應考慮：轉換性能機械性能電性能溫度、濕度穩定性好時間穩定性壓電材料的選取選用合適的壓電材料是設計、制作高性能傳感器的關146.2壓電式傳感器的等效電路6.2壓電式傳感器的等效電路15壓電式傳感器的測量電路壓電式傳感器的測量電路16電荷放大器電荷放大器17電壓放大器電壓放大器18傳感器與檢測技術第6章重點196.2.3壓電元件的連接與變形壓電元件的連接6.2.3壓電元件的連接與變形壓電元件的連接20

單片壓電元件產生的電荷量甚微，為了提高壓電傳感器的輸出靈敏度，在實際應用中常采用兩片（或兩片以上）同型號的壓電元件粘結在一起。從作用力看，元件是串接的，因而每片受到的作用力相同，產生的變形和電荷數量大小都與單片時相同。圖a）從電路上看，這是并聯接法，類似兩個電容的并聯。所以，外力作用下正負電極上的電荷量增加了1倍，電容量也增加了1倍，輸出電壓與單片時相同。圖b）從電路上看是串聯的，兩壓電片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1倍。

單片壓電元件產生的電荷量甚微，