傳感器第五章學(xué)習(xí)課程

1、第四章 壓電式傳感器一、一、壓電效應(yīng)和壓電材料壓電效應(yīng)和壓電材料二、二、等效電路和測量電路等效電路和測量電路三、三、壓電傳感器的應(yīng)用壓電傳感器的應(yīng)用五、五、第三次作業(yè)第三次作業(yè)四、四、小結(jié)小結(jié)第1頁/共43頁第一頁，編輯于星期日：九點(diǎn) 二十八分。第2頁/共43頁第二頁，編輯于星期日：九點(diǎn) 二十八分。第3頁/共43頁第三頁，編輯于星期日：九點(diǎn) 二十八分。 類類 別別 材材 料料 成成 分分 特特 性性 石石英英晶晶體體 單單晶晶體體、水水晶晶 （人人造造、 天天然然） SiO2 d11=2.3110-12C/N， 壓壓電電系系數(shù)數(shù)穩(wěn)穩(wěn)定定，固固有有頻頻率率穩(wěn)穩(wěn)定定 承承受受壓壓力力700-100

2、0Kg/cm2 壓壓電電陶陶瓷瓷 人人造造多多晶晶體體 鈦鈦酸酸鋇鋇、鋯鋯鈦鈦酸酸鋇鋇、鈮鈮酸酸鹽鹽系系 壓壓電電系系數(shù)數(shù)高高d33=19010-11C/N 品品種種多多、性性能能各各異異 新新型型壓壓電電材材料料 壓壓電電半半導(dǎo)導(dǎo)體體 壓壓電電特特性性 半半導(dǎo)導(dǎo)體體特特性性 集集成成壓壓電電傳傳感感器器 有有機(jī)機(jī)高高分分子子 壓壓電電材材料料 質(zhì)質(zhì)輕輕柔柔軟軟、抗抗拉拉強(qiáng)強(qiáng)度度高高、 機(jī)機(jī)電電耦耦合合系系數(shù)數(shù)高高 第4頁/共43頁第四頁，編輯于星期日：九點(diǎn) 二十八分。石英xxfdq11xfyyyfbadfbadq1112yf第5頁/共43頁第五頁，編輯于星期日：九點(diǎn) 二十八分。xyxyxyx

3、y圖 5-3 5-3 晶片上電荷極性與受力方向的關(guān)系( (a a ) )( (b b ) )( (c c ) )( (d d ) )1P2P3Pxy1P2P3Pxy xFxF1P2P3Pxy yFyF不受力圖 5-2 5-2 石英晶體壓電模型第6頁/共43頁第六頁，編輯于星期日：九點(diǎn) 二十八分。第7頁/共43頁第七頁，編輯于星期日：九點(diǎn) 二十八分。Fdq33返回第8頁/共43頁第八頁，編輯于星期日：九點(diǎn) 二十八分。UUqqCC,2,2UUqqCC2,21第9頁/共43頁第九頁，編輯于星期日：九點(diǎn) 二十八分。dSCeeCQU 第10頁/共43頁第十頁，編輯于星期日：九點(diǎn) 二十八分。Cc -連接電

4、纜的等效電容Ri -放大器的輸入電阻 Ci -放大器的輸入電容 Ra-壓電傳感器的泄漏電阻第11頁/共43頁第十一頁，編輯于星期日：九點(diǎn) 二十八分。icCCCididRRRRR tsinFFmtsinCFdCFdCqUemee第12頁/共43頁第十二頁，編輯于星期日：九點(diǎn) 二十八分。)(1CCRjRjFdeRCjRCjRCjRCjCjCFdUeei111111222)(1icemiCCCRRFdU)(2iceCCCRarctg第13頁/共43頁第十三頁，編輯于星期日：九點(diǎn) 二十八分。時(shí)，1)(222iceCCCRicemiCCCFdU理想211)(11)(11iceCCCR)(iceCCCR2

5、22)(1)(iceiceiiCCCRCCCRUU理想222)(1icemiCCCRRFdU第14頁/共43頁第十四頁，編輯于星期日：九點(diǎn) 二十八分。12arctg)(2iceCCCRarctg211)(1|理想iiUU1)(11iceCCCR)(iceCCCR第15頁/共43頁第十五頁，編輯于星期日：九點(diǎn) 二十八分。01）（時(shí)）（31 , 31211,331理想時(shí)）（iiUU0第16頁/共43頁第十六頁，編輯于星期日：九點(diǎn) 二十八分。ffCqUU0ficeCACCCAqU)1 (0fCqfCqUK10)(21cecHCCRfffLCRf21第17頁/共43頁第十七頁，編輯于星期日：九點(diǎn) 二十

6、八分。第18頁/共43頁第十八頁，編輯于星期日：九點(diǎn) 二十八分。Fdq11SPF第19頁/共43頁第十九頁，編輯于星期日：九點(diǎn) 二十八分。第20頁/共43頁第二十頁，編輯于星期日：九點(diǎn) 二十八分。第21頁/共43頁第二十一頁，編輯于星期日：九點(diǎn) 二十八分。madFdqCdmaCqUmaF ma第22頁/共43頁第二十二頁，編輯于星期日：九點(diǎn) 二十八分。第23頁/共43頁第二十三頁，編輯于星期日：九點(diǎn) 二十八分。第24頁/共43頁第二十四頁，編輯于星期日：九點(diǎn) 二十八分。第25頁/共43頁第二十五頁，編輯于星期日：九點(diǎn) 二十八分。mMPa/01. 0第26頁/共43頁第二十六頁，編輯于星期日：九

7、點(diǎn) 二十八分。vLlvf2第27頁/共43頁第二十七頁，編輯于星期日：九點(diǎn) 二十八分。執(zhí)行機(jī)構(gòu)比較帶通濾波放大傳感器玻璃第28頁/共43頁第二十八頁，編輯于星期日：九點(diǎn) 二十八分。返回1 1、了解石英及壓電陶瓷材料的壓電效應(yīng)及特點(diǎn)；、了解石英及壓電陶瓷材料的壓電效應(yīng)及特點(diǎn)；2、掌握壓電式傳感器電路的特點(diǎn)，分析電壓前置放大器與電荷前置放大器的區(qū)別及特點(diǎn)；掌握壓電式傳感器電路的特點(diǎn)，分析電壓前置放大器與電荷前置放大器的區(qū)別及特點(diǎn)；3 3、了解壓電式傳感器的應(yīng)用；、了解壓電式傳感器的應(yīng)用；第29頁/共43頁第二十九頁，編輯于星期日：九點(diǎn) 二十八分。返回何謂壓電效應(yīng)?正壓電效應(yīng)傳感器能否測靜態(tài)信號?為

8、什么?石英晶體的壓電效應(yīng)有何特點(diǎn)?畫圖說明什么叫縱向壓電效應(yīng)?什么叫橫向壓電效應(yīng)? 壓電式傳感器的前置放大器作用是什么?比較電壓式和電荷式前置放大器各有何特點(diǎn)? 有一壓電晶體，其面積S=3cm2，厚度t=0.3mm，在零度，x切型縱向石英晶體壓電系數(shù)d11=2.3110-12CN。求受到壓力p=10MPa作用時(shí)產(chǎn)生的電荷q及輸出電壓U0?第30頁/共43頁第三十頁，編輯于星期日：九點(diǎn) 二十八分。晶體的壓電效應(yīng) 晶體壓電效應(yīng)的說明 當(dāng)某些晶體沿一定方向伸長或壓縮時(shí),在其表面上會產(chǎn)生電荷(束縛電荷),這種效應(yīng)稱為壓電效應(yīng)。晶體的這一性質(zhì)稱為壓電性。具有壓電效應(yīng)的晶體稱為壓電晶體。壓電效應(yīng)是可逆的,

9、即晶體在外電場的作用下要發(fā)生形變,這種效應(yīng)稱為反向壓電效應(yīng)。第31頁/共43頁第三十一頁，編輯于星期日：九點(diǎn) 二十八分。 晶體的壓電效應(yīng)可用圖來加以說明。圖是說明晶體具有壓電效應(yīng)的示意圖。一些晶體當(dāng)不受外力作用時(shí),晶體的正負(fù)電荷中心相重合,單位體積中的電矩(即極化強(qiáng)度)等于零,晶體對外不呈現(xiàn)極性,而在外力作用下晶體形變時(shí),正負(fù)電荷的中心發(fā)生分離,這時(shí)單位體積的電矩不再等于零,晶體表現(xiàn)出極性。圖6.1(b)中,另外一些晶體由于具有中心對稱的結(jié)構(gòu),無論外力如何作用,晶體正負(fù)電荷的中心總是重合在一起,因此這些晶體不會出現(xiàn)壓電效應(yīng)。第32頁/共43頁第三十二頁，編輯于星期日：九點(diǎn) 二十八分。 圖 晶體

10、的壓電效應(yīng)(a)具有壓電效應(yīng)的晶體;(b)不具有壓電效應(yīng)的晶體 第33頁/共43頁第三十三頁，編輯于星期日：九點(diǎn) 二十八分。 壓電方程 晶體的壓電效應(yīng)是一種機(jī)電耦合效應(yīng)。它是由力學(xué)量應(yīng)力T和應(yīng)變S與電學(xué)量電場強(qiáng)度E和電位移D之間互相耦合產(chǎn)生的。對于具有壓電效應(yīng)的晶體,不僅電學(xué)量E和D以及力學(xué)量T和S存在著直接的關(guān)系,同時(shí)還存在力學(xué)量和電學(xué)量之間的耦合效應(yīng)。壓電方程就是描寫力學(xué)量間、電學(xué)量間以及力學(xué)量和電學(xué)量相互之間互相聯(lián)系的關(guān)系式。實(shí)際上力學(xué)量和電學(xué)量之間的關(guān)系式還和熱學(xué)量(溫度和熵)有關(guān)。但對于較快的變化,例如聲頻或更高的頻率,可認(rèn)為是等熵(絕熱)過程。下面的壓電方程假定均適合絕熱情況。對于

11、等溫情況需另加說明。第34頁/共43頁第三十四頁，編輯于星期日：九點(diǎn) 二十八分。 在電場強(qiáng)度、電位移和應(yīng)力、應(yīng)變這四組變量中,可以任選一組力學(xué)量和一組電學(xué)量作自變量,這就有四種情況,有四組壓電方程。 (1)選取應(yīng)變分量Sk和電位移分量Dj為獨(dú)立變量,得到h型壓電方程2,1,2,3,1,2,3,6DAhkkjhjiikkijjTc Sh Di jEh SDh k 第35頁/共43頁第三十五頁，編輯于星期日：九點(diǎn) 二十八分。 式中,cDhk是電位移不變(恒電位移)時(shí)的彈性常數(shù)或開路彈性常數(shù);Sij是應(yīng)變不變(恒應(yīng)變)時(shí)的介質(zhì)隔離率(也稱倒介電常數(shù))或受夾介質(zhì)隔離率;hjh、hik稱為壓電剛度常數(shù),

12、簡稱壓電常數(shù)。 (2)選取電場強(qiáng)度分量Ej和應(yīng)力分量Tk為獨(dú)立變量,得到d型壓電方程 ,1,2,3,1,2,6EhhkkjhjTiikkijjSs Td Ei jDd TEh k第36頁/共43頁第三十六頁，編輯于星期日：九點(diǎn) 二十八分。 式中,sEhk是恒電場下的柔性常數(shù),也稱短路柔性常數(shù);Tij是恒應(yīng)力下的介電常數(shù),也稱自由介電常數(shù);djh、dik稱為壓電應(yīng)變常數(shù),簡稱壓電常數(shù)。 (3)選取應(yīng)力分量Tk與電位移Dj為獨(dú)立變量,得到g型壓電方程,1,2,3,1,2,6DhhkkjhjTiikkijjSs Tg Ei jEg TDh k 式中,sDhk是恒電位移下的柔性常數(shù),或稱開路柔性常數(shù);

13、Tij是恒應(yīng)力下介電隔離率,也稱自由介電隔離率;gjh、gik稱為壓電電壓常數(shù),簡稱壓電常數(shù)。第37頁/共43頁第三十七頁，編輯于星期日：九點(diǎn) 二十八分。 (4)選取應(yīng)變分量Sk與電場強(qiáng)度分量Ej為獨(dú)立變量,得到e型壓電方程,1,2,3,1,2,6EhhkkjhjSiikkijjTc Se Ei jDe Se Eh k 式中,cEhk是恒電場下的彈性常數(shù),或稱短路彈性常數(shù);Sij是應(yīng)變不變時(shí)的介電常數(shù)或稱受夾介電常數(shù);ejh、eik稱為壓電應(yīng)力常數(shù),簡稱壓電常數(shù)。 第38頁/共43頁第三十八頁，編輯于星期日：九點(diǎn) 二十八分。 在壓電方程中,彈性常數(shù)、柔性常數(shù)各有36個,壓電常數(shù)有18個,介電常

14、數(shù)、介電隔離率各有9個。由于晶體的對稱性,獨(dú)立的常數(shù)將有不同程度的減少。例如常用的壓電材料,石英晶體和壓電陶瓷的壓電方程如下: 石英晶體屬32點(diǎn)群(三角晶系),由其常數(shù)矩陣可寫出其d型壓電方程,即第39頁/共43頁第三十九頁，編輯于星期日：九點(diǎn) 二十八分。111 1122133144111212 111 2133144111313 1132333414 11424441415445146142614511126112111 111 214422()2EEEEEEEEEEEEEEEEEEEESs Ts Ts Ts Td ESs Ts Ts Ts Td ESs Ts Ts TSs Ts Ts Ts ESs Ts Td ESs TssTd EDd Td Td T111214511 611233332TTTEDd Td TEDE (縱向振動) (橫向振動) (輪廓切變) (輪廓切變) (厚度切變) 第40頁/共43頁第四十頁，編輯于星期日：九點(diǎn) 二十八分。111 1122133144313212 111 2133313313 11323333334444152544515161112611551112154112331 131 23333332()EEEEEEEEEEEEEETTTSs Ts Ts Ts Td ESs Ts Ts Td ESs