傳感器原理與應(yīng)用

1、.第一章 測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)檢測(cè)系統(tǒng)的基本概念 檢測(cè)系統(tǒng)（測(cè)試系統(tǒng)/測(cè)量系統(tǒng)）1、定義：確定被測(cè)對(duì)象的屬性和量值為目的的全部操作2、被測(cè)對(duì)象：宇宙萬(wàn)物（固液氣體、動(dòng)物、植物、天體 ）3、被測(cè)信息：物理量（光、電、力、熱、磁、聲、）化學(xué)量（PH、成份）生物量（酶、葡萄糖、）4檢測(cè)技術(shù)是實(shí)驗(yàn)科學(xué)的一部分，主要研究各種物理量的測(cè)量原理和信號(hào)分析處理方法。 檢測(cè)技術(shù)是信息技術(shù)的重要組成部分，它所研究的內(nèi)容是信息的提取與處理的理論、方法和技術(shù)。5信息與信號(hào)信息 是指客觀世界物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的內(nèi)容。 如：天氣較冷、某處地震、刀具發(fā)生了磨損、李四病了。信號(hào) 是指信息的表現(xiàn)形式。 如：刀具磨損，切削力會(huì)加大；李四病了，可能

2、會(huì)發(fā)燒；等等。6檢測(cè)技術(shù)是進(jìn)行各種科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究和生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)測(cè)量必不可少的手段，起著人的感官的作用。簡(jiǎn)單的檢測(cè)系統(tǒng)可以只有一個(gè)模塊，如玻璃管溫度計(jì)。它直接將被測(cè)溫度變化轉(zhuǎn)化為液面示值。沒(méi)有電量轉(zhuǎn)換和分析電路，很簡(jiǎn)單，但精度低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)測(cè)量自動(dòng)化。 為提高測(cè)量精度和自動(dòng)化程度，以便于和其它環(huán)節(jié)一起構(gòu)成自動(dòng)化裝置，通常先將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為電量，再對(duì)電信號(hào)進(jìn)行處理和輸出。B 在電工、電子等課程中講授，大多數(shù)不屬于本課程的范圍。）檢測(cè)系統(tǒng)的組成 一般說(shuō)來(lái)，檢測(cè)系統(tǒng)由傳感器、中間變換裝置和顯示記錄裝置三部分組成。傳感器將被測(cè)物理量(如噪聲,溫度) 檢出并轉(zhuǎn)換為電量，中間變換裝置對(duì)接收到的電信號(hào)用硬件電路

3、進(jìn)行分析處理或經(jīng)A/D變換后用軟件進(jìn)行信號(hào)分析，顯示記錄裝置則將測(cè)量結(jié)果顯示出來(lái)，提供給觀察者或其它自動(dòng)控制裝置。 第二章 傳感器概述傳感器的組成和分類(lèi)一 、傳感器定義 傳感器是一種以一定的精確度把被測(cè)量轉(zhuǎn)成與之有確定關(guān)系的，便于應(yīng)用的某種物理量的測(cè)量裝置。傳感器名稱(chēng)：變送器、變換器、探測(cè)器、敏感元件、換能器、一次儀表、探頭等二、傳感器的組成三、傳感器的分類(lèi)按被測(cè)參數(shù)分類(lèi)：溫度、壓力、位移、速度等按傳感器工作原理分類(lèi)：應(yīng)變式、電容式、壓電式、磁電式等傳感器的基本特性一、傳感器的靜態(tài)特性靜態(tài)特性：是指輸入的被測(cè)參數(shù)不隨時(shí)間而變化，或隨時(shí)間變化緩慢時(shí)，傳感器的輸出量和輸入量之間的關(guān)系。1、精確度：

4、指標(biāo)有三 精密度、準(zhǔn)確度和精確度（1）精密度：它說(shuō)明測(cè)量傳感器輸出值的分散性，即對(duì)某一穩(wěn)定的被測(cè)量，由同一個(gè)測(cè)量者，用同一個(gè)傳感器，在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)連續(xù)重復(fù)測(cè)量多次，以檢查測(cè)量結(jié)果的分散程度。（2）準(zhǔn)確度：它說(shuō)明傳感器輸出值與真值的偏離程度。（3）精確度：它是精密度和準(zhǔn)確度兩者之和，精確度高，表示精密度和準(zhǔn)確度都高。2、穩(wěn)定性：指標(biāo)有二 穩(wěn)定度和影響量（1）穩(wěn)定度：是指在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，測(cè)量條件不變的情況下，由于傳感器的隨機(jī)性被動(dòng)、周期性變動(dòng)和漂移等引起的輸出值的變化。一般用精密度和觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)短來(lái)表示。（2）影響量：測(cè)量傳感器由于外界環(huán)境變化引起輸出值變化的量。說(shuō)明影響量時(shí)，必須將影響因素與輸出

5、值偏差同時(shí)表示。3、傳感器的靜態(tài)輸入-輸出特性（1）線(xiàn)性度定義 ：是指?jìng)鞲衅鞯妮敵龊洼斎腙P(guān)系之間的數(shù)量關(guān)系的線(xiàn)性程度。表示方法 ：線(xiàn)性化處理：非線(xiàn)性補(bǔ)償電路或計(jì)算機(jī)軟件。特殊情況：如果傳感器的非線(xiàn)性方次不是很高，輸入量變化范圍較小，則可以有一條直線(xiàn)近似表示實(shí)際曲線(xiàn)的一段，來(lái)做線(xiàn)性化處理。所采用的直線(xiàn)稱(chēng)為擬合直線(xiàn)。實(shí)際的特性曲線(xiàn)與擬合直線(xiàn)之間的偏差為傳感器的非線(xiàn)性誤差（線(xiàn)性度），（2）靈敏度：是指?jìng)鞲衅鬏敵隽康脑隽颗c引起輸出量的增量的輸入量增量的比值。（3）遲滯：指?jìng)鞲衅髟谡ㄝ斎肓吭黾樱┓矗ㄝ斎肓繙p?。┬谐唐陂g，其輸出輸入特性不重合的現(xiàn)象。（4）重復(fù)性：指?jìng)鞲衅鞯妮斎肓堪赐环较蜃魅砍踢B續(xù)多

6、次變化時(shí)，所得曲線(xiàn)不一致的程度。傳感器的選用1、靈敏度通常在傳感器的線(xiàn)性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏度越高越好。因?yàn)橹挥徐`敏度高時(shí)，與被測(cè)量變化對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)的值才比較大，有利于信號(hào)處理。但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測(cè)量無(wú)關(guān)的外界噪聲也容易混入，也會(huì)被放大系統(tǒng)放大，影響測(cè)量精度。因此，要求傳感器本身應(yīng)具有較高的信噪比，盡員減少?gòu)耐饨缫氲膹S擾信號(hào)。2、精度精度是傳感器的一個(gè)重要的性能指標(biāo)，它是關(guān)系到整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精度的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。傳感器的精度越高，其價(jià)格越昂貴，因此，傳感器的精度只要滿(mǎn)足整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的精度要求就可以，不必選得過(guò)高。這樣就可以在滿(mǎn)足同一測(cè)量目的的諸多傳感器中選擇比較便宜和

7、簡(jiǎn)單的傳感器。如果測(cè)量目的是定性分析的，選用重復(fù)精度高的傳感器即可，不宜選用絕對(duì)量值精度高的；如果是為了定量分析，必須獲得精確的測(cè)量值，就需選用精度等級(jí)能滿(mǎn)足要求的傳感器。3、可靠性可靠性是指?jìng)鞲衅髟谝?guī)定的工作條件下和規(guī)定的工作時(shí)間內(nèi)，保持原有技術(shù)性能的能力。4、線(xiàn)性范圍傳感器的線(xiàn)形范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。以理論上講，在此范圍內(nèi)，靈敏度保持定值。傳感器的線(xiàn)性范圍越寬，則其量程越大，并且能保證一定的測(cè)量精度。在選擇傳感器時(shí)，當(dāng)傳感器的種類(lèi)確定以后首先要看其量程是否滿(mǎn)足要求。但實(shí)際上，任何傳感器都不能保證絕對(duì)的線(xiàn)性，其線(xiàn)性度也是相對(duì)的。當(dāng)所要求測(cè)量精度比較低時(shí)，在一定的范圍內(nèi)，可將非線(xiàn)性誤

8、差較小的傳感器近似看作線(xiàn)性。5、頻率響應(yīng)傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測(cè)量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測(cè)量條件，實(shí)際上傳感器的響應(yīng)總有一定延遲，希望延遲時(shí)間越短越好。傳感器的頻率響應(yīng)高，可測(cè)的信號(hào)頻率范圍就寬，而由于受到結(jié)構(gòu)特性的影響，機(jī)械系統(tǒng)的慣性較大，因有頻率低的傳感器可測(cè)信號(hào)的頻率較低。在動(dòng)態(tài)測(cè)量中，應(yīng)根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn)(穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、隨機(jī)等)響應(yīng)特性，以免產(chǎn)生過(guò)火的誤差。6、穩(wěn)定性傳感器使用一段時(shí)間后，其性能保持不變化的能力稱(chēng)為穩(wěn)定性。影響傳感器長(zhǎng)期穩(wěn)定性的因素除傳感器本身結(jié)構(gòu)外，主要是傳感器的使用環(huán)境。因此，要使傳感器具有良好的穩(wěn)定性，傳感器必須要有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。在選擇

9、傳感器之前，應(yīng)對(duì)其使用環(huán)境進(jìn)行調(diào)查，并根據(jù)具體的使用環(huán)境選擇合適的傳感器，或采取適當(dāng)?shù)拇胧?，減小環(huán)境的影響。傳感器的穩(wěn)定性有定量指標(biāo)，在超過(guò)使用期后，在使用前應(yīng)重新進(jìn)行標(biāo)定，以確定傳感器的性能是否發(fā)生變化。在某些要求傳感器能長(zhǎng)期使用而又不能輕易更換或標(biāo)定的場(chǎng)合，所選用的傳感器穩(wěn)定性要求更嚴(yán)格，要能夠經(jīng)受住長(zhǎng)時(shí)間的考驗(yàn)。第三章 電阻式傳感器電位器式傳感器一、定義：電位器是一種常用的電子元件，廣泛應(yīng)用于各種電器和電子設(shè)備中。它是一種把機(jī)械的線(xiàn)位移和角位移輸入量轉(zhuǎn)換為與它成一定函數(shù)關(guān)系的電阻和電壓輸出的傳感元件。 二、結(jié)構(gòu)：直滑式和旋轉(zhuǎn)式，旋轉(zhuǎn)式有單圈旋轉(zhuǎn)式和多圈旋轉(zhuǎn)式兩種，電刷有觸頭、臂、導(dǎo)向及牰

10、承等裝置組成。觸頭常用銀、鉑銥、鉑銠等金屬。電刷臂用磷青銅等彈性較好的材料。骨架常用陶瓷、酚醛樹(shù)脂及工程數(shù)料等絕緣材料。 三、原理分析應(yīng)變式傳感器一、組成：電阻絲應(yīng)變片是用直徑為0.025mm具有高電阻率的電阻絲制成的。為了獲得高的阻值，將電阻絲排列成柵網(wǎng)狀，稱(chēng)為敏感柵，并粘貼在絕緣的基片上，電阻絲的兩端焊接引線(xiàn)。敏感柵上面粘貼有保護(hù)用的覆蓋層。二、電阻的應(yīng)變效應(yīng)（一）、應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng)：金屬導(dǎo)體的電阻值隨著它受力所產(chǎn)生機(jī)械變形(拉伸或壓縮)的大小而發(fā)生變化的現(xiàn)象稱(chēng)之為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。 （二）、靈敏系數(shù)（三）測(cè)量原理當(dāng)外力作用到彈性元件（試件）上時(shí)，彈性元件被壓縮（或拉伸），即產(chǎn)生微小的機(jī)

11、械變形，粘貼在彈性元件上的應(yīng)變片感受到應(yīng)力的作用，根據(jù)胡克定律，應(yīng)變與應(yīng)力成正比，即 E又由應(yīng)變效應(yīng)可知，應(yīng)變片的應(yīng)變與電阻值的相對(duì)變化dR/R成正比，所以，實(shí)現(xiàn)了對(duì)微小機(jī)械變量的測(cè)量。四、應(yīng)用（一）柱式力傳感器（原理分析）荷重傳感器原理演示（二）梁式力傳感器（原理分析）（三）應(yīng)變式加速度傳感器壓阻式傳感器一、壓阻效應(yīng)及壓阻系數(shù)單晶硅材料在受到應(yīng)力作用后，其電阻率發(fā)生明顯變化，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為壓阻效應(yīng)。優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，比金屬絲式高5080倍、尺寸小，橫向效應(yīng)小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、精度高、易于微型化和集成化等。缺點(diǎn)：溫度系數(shù)大，應(yīng)變時(shí)非線(xiàn)性比較嚴(yán)重，穩(wěn)定性和可重復(fù)性不如金屬應(yīng)變片。二、應(yīng)用液位測(cè)量投入式

12、液位傳感器：1、支架；2、壓阻式壓力傳感器；3、背壓管。安裝方便，適應(yīng)于深度為幾米至幾十米，且混有大量污物、雜質(zhì)的水或其他液體的液位測(cè)量。壓阻式加速度傳感器優(yōu)點(diǎn)：具有高靈敏度，卓越的低頻感應(yīng)性能，使其加速度傳感器適用于長(zhǎng)期中低振動(dòng)頻率的測(cè)試。應(yīng)用范圍：汽車(chē)、工民建、鐵路、橋梁等振動(dòng)測(cè)試與檢測(cè)第四章 電容式傳感器第一節(jié) 電容式傳感器的工作原理由當(dāng)被測(cè)參數(shù)d、S、r 發(fā)生變化時(shí)，相應(yīng)的電容發(fā)生變化，如果保持其中兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變其中一個(gè)參數(shù)時(shí)，就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過(guò)測(cè)量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。故電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和變介質(zhì)（變介電常數(shù)）型三種。 一、變面積型

13、動(dòng)極板移動(dòng)時(shí)，兩極板間的相對(duì)有效面積S發(fā)生變化，引起電容C發(fā)生變化。二、變介電常數(shù)型兩平行極板固定不動(dòng)，極距為d0，相對(duì)介電常數(shù)r2為的電介質(zhì)以不同深度插入電容器中。傳感器的總電容相當(dāng)于兩個(gè)電容C1和C2的并聯(lián)，即： 三、變極距型一、基本結(jié)構(gòu)二、差動(dòng)結(jié)構(gòu)第二節(jié) 測(cè)量電路（一）交流不平衡橋（PPT演示）（二）二極管環(huán)形檢波電路其工作原理如下：線(xiàn)路接通后，在正半周時(shí)D1導(dǎo)通，D2截止，C1充電至U，在負(fù)半周D1截止,D2導(dǎo)通，C2充電至U，同時(shí)C1經(jīng)R1以電流I1向負(fù)載RL供電；第二周期,C1充電,C2經(jīng)R2向RL供電，由于C1=C2, R1=R2 ,通過(guò)RL的平均電流為零,其輸出電壓平均值也為零

14、。當(dāng)傳感器電容變化時(shí)， C1C2這時(shí)負(fù)載上平均電流I10，其輸出電壓的平均值為： 其特點(diǎn)：(1)電源、傳感器電容、負(fù)載均可同時(shí)在一點(diǎn)接地；(2)二極管D1、D2工作于高電平下，故非線(xiàn)性失真??；(3)其靈敏度與電源頻率有關(guān)，因此電源頻率需要穩(wěn)定；(4)將D1、D2、R1、R2安裝在C1、C2附近能消除電纜寄生電容影響，線(xiàn)路簡(jiǎn)單；(5)輸出電壓較高；(6)輸出阻抗與電容C1、C2無(wú)關(guān)，而僅與R1、R2 及RL有關(guān)；(7)輸出信號(hào)的上升沿時(shí)間取決于負(fù)載電阻RL，可用于動(dòng)態(tài)測(cè)量；(8)傳感器的頻率響應(yīng)取決于振蕩器的頻率。 第三節(jié)電容式傳感器應(yīng)用隨著電容式傳感器應(yīng)用問(wèn)題的完善解決，它的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)十分明顯：

15、(1)分辨力極高，能測(cè)量低達(dá)10-7的電容值0.01m 的絕對(duì)變化量和高達(dá)(C/C100%200%的相對(duì)變化量，因此尤適合微信息檢測(cè)；(2)動(dòng)極質(zhì)量小，可無(wú)接觸測(cè)量；自身的功耗、發(fā)熱和遲滯極小，可獲得高的靜態(tài)精度和好的動(dòng)態(tài)特性； (3)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不含有機(jī)材料或磁性材料，對(duì)環(huán)境(除高濕外)的適應(yīng)性較強(qiáng)；(4)過(guò)載能力強(qiáng)。一、電容式位移傳感器 (PPT演示)二、電容式加速度傳感器(PPT演示)三、電容式力和壓力傳感器(PPT演示)第五章 電感式傳感器1. 電感式傳感器是利用線(xiàn)圈自感和互感的變化實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的一種裝置。2. 可以用來(lái)測(cè)量位移、振動(dòng)、壓力、應(yīng)變、流量、密度等。3. 特點(diǎn)：（1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)

16、單可靠（2 分辨率高：能測(cè)量0.1mm（3 零點(diǎn)漂移?。? 線(xiàn)性度好5.1電感式傳感器一、工作原理（自感式傳感器工作原理）二. 輸出特性三、差動(dòng)螺管式電感傳感器測(cè)量范圍為（550）mm， 特點(diǎn)：1結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造裝配容易2.靈敏度低，但線(xiàn)性范圍大3.磁路大部分為空氣，易受外部磁場(chǎng)干擾五、 應(yīng)用當(dāng)壓力進(jìn)入膜盒時(shí)，膜盒的頂端在壓力P的作用下產(chǎn)生與壓力P大小成正比的位移，于是銜鐵也發(fā)生移動(dòng)， 從而使氣隙發(fā)生變化， 流過(guò)線(xiàn)圈的電流也發(fā)生相應(yīng)的變化，電流表A的指示值就反映了被測(cè)壓力的大小。 5.2 差動(dòng)變壓器式傳感器 一、 變隙式差動(dòng)變壓器1. 工作原理假設(shè)閉磁路變隙式差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)如下圖（PPT）（a

17、）所示， 在A、B兩個(gè)鐵芯上繞有W1a=W1b=W1的兩個(gè)初級(jí)繞組和W2a=W2b=W2兩個(gè)次級(jí)繞組。兩個(gè)初級(jí)繞組的同名端順向串聯(lián)， 而兩個(gè)次級(jí)繞組的同名端則反相串聯(lián)。 當(dāng)沒(méi)有位移時(shí)，銜鐵C處于初始平衡位置，它與兩個(gè)鐵芯的間隙有a0=b0=0，則繞組W1a和W2a間的互感Ma與繞組W1b和W2b的互感Mb相等，致使兩個(gè)次級(jí)繞組的互感電勢(shì)相等，即e2a=e2b。由于次級(jí)繞組反相串聯(lián)，因此，差動(dòng)變壓器輸出電壓Uo=e2a-e2b=0。 當(dāng)被測(cè)體有位移時(shí)，與被測(cè)體相連的銜鐵的位置將發(fā)生相應(yīng)的變化，使ab，互感MaMb，兩次級(jí)繞組的互感電勢(shì)e2ae2b，輸出電壓Uo=e2a-e2b0，即差動(dòng)變壓器有電

18、壓輸出， 此電壓的大小與極性反映被測(cè)體位移的大小和方向。 二、 螺線(xiàn)管式差動(dòng)變壓器兩個(gè)次級(jí)線(xiàn)圈反相串聯(lián)，并且在忽略鐵損、導(dǎo)磁體磁阻和線(xiàn)圈分布電容的理想條件下, 其等效電路如下圖所示。 當(dāng)初級(jí)繞組加以激勵(lì)電壓U時(shí), 根據(jù)變壓器的工作原理,在兩個(gè)次級(jí)繞組W2a和W2b中便會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)E2a和E2b。 如果工藝上保證變壓器結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱(chēng),則當(dāng)活動(dòng)銜鐵處于初始平衡位置時(shí), 必然會(huì)使兩互感系數(shù)M1=M2。根據(jù)電磁感應(yīng)原理, 將有E2a=E2b。由于變壓器兩次級(jí)繞組反相串聯(lián), 因而Uo=E2a-E2b=0, 即差動(dòng)變壓器輸出電壓為零。 當(dāng)活動(dòng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí),由于磁阻的影響，W2a中磁通將大于W2b，使M1

19、>M2，因而E2a增加，而E2b減小。反之，E2b增加，E2a減小。因?yàn)閁o=E2a-E2b，所以當(dāng)E2a、E2b 隨著銜鐵位移x變化時(shí)， Uo也必將隨x而變化。差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用可直接用于位移測(cè)量，也可以測(cè)量與位移有關(guān)的任何機(jī)械量，如振動(dòng)、加速度、應(yīng)變、比重、張力和厚度等。 5.3 電渦流式傳感器 一、 工作原理 PPT演示根據(jù)法拉第定律，當(dāng)傳感器線(xiàn)圈通以正弦交變電流I1時(shí)，線(xiàn)圈周?chē)臻g必然產(chǎn)生正弦交變磁場(chǎng)H1，使置于此磁場(chǎng)中的金屬導(dǎo)體中感應(yīng)電渦流I2，I2又產(chǎn)生新的交變磁場(chǎng)H2。根據(jù)愣次定律， H2的作用將反抗原磁場(chǎng)H1，由于磁場(chǎng)H2的作用，渦流要消耗一部分能量，導(dǎo)致傳感器線(xiàn)圈

20、的等效阻抗發(fā)生變化。 線(xiàn)圈阻抗的變化完全取決于被測(cè)金屬導(dǎo)體的電渦流效應(yīng)。測(cè)量方法： 如果保持上式中其它參數(shù)不變，而只改變其中一個(gè)參數(shù)， 傳感器線(xiàn)圈阻抗Z就僅僅是這個(gè)參數(shù)的單值函數(shù)。通過(guò)與傳感器配用的測(cè)量電路測(cè)出阻抗Z的變化量，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)該參數(shù)的測(cè)量。 二、 基本特性 PPT演示電渦流傳感器簡(jiǎn)化模型中，把在被測(cè)金屬導(dǎo)體上形成的電渦流等效成一個(gè)短路環(huán)，即假設(shè)電渦流僅分布在環(huán)體之內(nèi)， 模型中h（電渦流的貫穿深度）可由下式求得： 三、 電渦流傳感器測(cè)量電路（ 主要有調(diào)頻式、 調(diào)幅式電路兩種） 四、電渦流傳感器的應(yīng)用PPT演示1. 低頻透射式渦流厚度傳感器2. 高頻反射式渦流厚度傳感器 3. 電渦流式轉(zhuǎn)

21、速傳感器第6章 壓電式傳感器 6.1 壓電效應(yīng) 6.1.1壓電效應(yīng)基本概念某些物質(zhì)沿某一方向受到外力作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生變形，同時(shí)其內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，此時(shí)在這種材料的兩個(gè)表面產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，它又重新恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷極性也隨之改變。這種機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的現(xiàn)象稱(chēng)為“正壓電效應(yīng)”或“順壓電效應(yīng)”。反之，當(dāng)在某些物質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)，這些材料在某一方向上產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械壓力；當(dāng)外加電場(chǎng)撤去時(shí)，這些變形或應(yīng)力也隨之消失。這種電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的現(xiàn)象稱(chēng)為“逆壓電效應(yīng)”或“電致伸縮效應(yīng)”。常見(jiàn)的壓電材料可分為兩類(lèi)，即壓電單晶體和多晶體壓電陶

22、瓷。壓電單晶體有石英(包括天然石英和人造石英)、水溶性壓電晶體(包括酒石酸鉀鈉、酒石酸乙烯二銨、酒石酸二鉀、硫酸錘等)；多晶體壓電陶瓷有鈦酸鋇壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷、鈮酸鹽系壓電陶瓷和鈮鎂酸鉛壓電陶瓷等。6.1.2 石英晶體的壓電效應(yīng)1、石英晶體特性天然石英晶體，其結(jié)構(gòu)形狀為一個(gè)六角形晶柱，兩端為一對(duì)稱(chēng)棱錐。在晶體學(xué)中，可以把將其用三根互相垂直的軸表示，其中，縱軸Z稱(chēng)為光軸，通過(guò)六棱線(xiàn)而垂直于光鈾的X鈾稱(chēng)為電軸，與X-X軸和Z-Z軸垂直的Y-Y軸 (垂直于六棱柱體的棱面)稱(chēng)為機(jī)械軸。 如果從石英晶體中切下一個(gè)平行六面體并使其晶面分別平行于Z-Z、Y-Y、X-X軸線(xiàn)。晶片在正常情況下呈現(xiàn)電

23、性。通常把沿電軸(X軸)方向的作用力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱(chēng)為“縱向壓電效應(yīng)”，把沿機(jī)械軸(Y軸)方向的作用力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱(chēng)為“橫向壓電效應(yīng)”，沿光軸(Z軸)方向的作用力不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。沿相對(duì)兩棱加力時(shí)，則產(chǎn)生切向效應(yīng)。壓電式傳感器主要是利用縱向壓電效應(yīng)。 2. 石英晶體產(chǎn)生壓電效應(yīng)的微觀機(jī)理石英晶體具有壓電效應(yīng)，是由其內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)決定的。圖是一個(gè)單元組體中構(gòu)成石英晶體的硅離子和氧離子，在垂直于z軸的xy平面上的投影，等效為一個(gè)正六邊形排列。 圖中“”代表硅離子Si4+， “”代表氧離子O2-。 當(dāng)石英晶體未受外力作用時(shí)，正、負(fù)離子正好分布在正六邊形的頂角上，形成三個(gè)互成120°夾角的電偶

24、極矩P1、P2、P3。因?yàn)镻 = qL（q為電荷量，L為正負(fù)電荷之間的距離），此時(shí)正負(fù)電荷中心重合，電偶極矩的矢量和等于零，即 P1+P2+P30所以晶體表面不產(chǎn)生電荷，呈電中性。當(dāng)晶體受到沿x方向的壓力（F x < 0）作用時(shí)，晶體沿x方向?qū)a(chǎn)生收縮，正、負(fù)離子的相對(duì)位置隨之發(fā)生變化，此時(shí)正、負(fù)電荷中心不再重合，電偶極矩P1減小，P2、P3增大，它們?cè)趚 方向上的分量不再等于零: (P1+P2+P3)x>0 在y、z方向上的分量為: (P1+P2+P3)y = 0 (P1+P2+P3)z= 0當(dāng)晶體受到沿x方向的拉力（Fx 0）作用時(shí)，其變化情況如圖5（c）所示。電偶極矩P1增大

25、， P2、 P3減小，此時(shí)它們?cè)趚、y、z三個(gè)方向上的分量為 (P1 +P2 +P3) x<0 (P1+ P2+ P3)y =0 (P1 +P2 +P3)z =0在x軸的正向出現(xiàn)負(fù)電荷，在y、z方向依然不出現(xiàn)電荷?？梢?jiàn)，當(dāng)晶體受到沿x(電軸)方向的力Fx 作用時(shí)，它在x方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，而y、z方向則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。晶體在y軸方向受力Fy作用下的情況與Fx 相似。當(dāng)Fy 0時(shí)，晶體的形變與圖5（b）相似；當(dāng)Fy 0時(shí)，則與圖5（c）相似。由此可見(jiàn)，晶體在y（即機(jī)械軸）方向的力 Fy作用下，在x方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，在y、z方向同樣不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 晶體在z軸方向受力Fz的作用時(shí)，因?yàn)榫w

26、沿x方向和沿y方向所產(chǎn)生的正應(yīng)變完全相同，所以，正、負(fù)電荷中心保持重合，電偶極矩矢量和等于零。這就表明，在沿z(即光軸)方向的力Fz 作用下，晶體不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。3. 作用力與電荷的關(guān)系若從晶體上沿y方向切下一塊如圖6（a）所示的晶片，當(dāng)沿電軸x方向施加應(yīng)力x時(shí)，晶片將產(chǎn)生厚度變形，并發(fā)生極化現(xiàn)象。在晶體線(xiàn)性彈性范圍內(nèi)，極化強(qiáng)度P11與應(yīng)力x 成正比。 d11壓電系數(shù)。下標(biāo)的意義為產(chǎn)生電荷的面的軸向及施加作用力的軸向；b、c石英晶片的長(zhǎng)度和寬度。而P11在數(shù)值上等于晶面上的電荷密度 將以上兩式聯(lián)立，得 當(dāng)晶片受到x方向的壓力作用時(shí)，qx只與作用力Fx成正比，而與晶片的幾何尺寸無(wú)關(guān)； 沿機(jī)械軸y

27、方向向晶片施加壓力時(shí)，產(chǎn)生的電荷是與幾何尺寸有關(guān)的； 石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應(yīng)的； 晶體在哪個(gè)方向上有正壓電效應(yīng)，則在此方向上一定存在逆壓電效應(yīng)； 無(wú)論是正或逆壓電效應(yīng)，其作用力（或應(yīng)變）與電荷（或電場(chǎng)強(qiáng)度）之間皆呈線(xiàn)性關(guān)系6.1.3 壓電陶瓷的壓電效應(yīng)壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。材料內(nèi)部的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇，它有一定的極化方向，從而存在電場(chǎng)。 在無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí)，電疇在晶體中雜亂分布，它們各自的極化效應(yīng)被相互抵消，壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零。因此原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質(zhì)。在陶瓷上施加外電場(chǎng)時(shí)，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，趨向于按外電場(chǎng)方向的排列，從而使材料得到極化

28、。外電場(chǎng)愈強(qiáng)，就有更多的電疇更完全地轉(zhuǎn)向外電場(chǎng)方向。讓外電場(chǎng)強(qiáng)度大到使材料的極化達(dá)到飽和的程度，即所有電疇極化方向都整齊地與外電場(chǎng)方向一致時(shí)，當(dāng)外電場(chǎng)去掉后，電疇的極化方向基本變化，即剩余極化強(qiáng)度很大，這時(shí)的材料才具有壓電特性。 對(duì)于壓電陶瓷，通常取它的極化方向?yàn)閦軸，垂直于z軸的平面上任何直線(xiàn)都可作為x或y軸，在是和石英晶體的不同之處。當(dāng)壓電陶瓷在沿極化方向受力時(shí)，則在垂直于z軸的上、下兩表面上將會(huì)出現(xiàn)電荷，其電荷量q與作用力Fz成正比。壓電陶瓷的壓電系數(shù)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(qiáng)度和特性與溫度有關(guān)，它的參數(shù)也隨時(shí)

29、間變化，從而使其壓電特性減弱。 6.2壓電材料壓電材料應(yīng)具備以下幾個(gè)主要特性：轉(zhuǎn)換性能。要求具有較大的壓電常數(shù)。機(jī)械性能。機(jī)械強(qiáng)度高、剛度大。電性能。高電阻率和大介電常數(shù)。環(huán)境適應(yīng)性。溫度和濕度穩(wěn)定性要好，要求具有較高的居里點(diǎn)，獲得較寬的工作溫度范圍。時(shí)間穩(wěn)定性。要求壓電性能不隨時(shí)間變化。 6.2.1 石英晶體在幾百攝氏度的溫度范圍內(nèi)，其介電常數(shù)和壓電系數(shù)幾乎不隨溫度而變化。但是當(dāng)溫度升高到573時(shí)，石英晶體將完全喪去壓電特性，這就是它的居里點(diǎn)。石英晶體的突出優(yōu)點(diǎn)是性能非常穩(wěn)定，它有很大的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定的機(jī)械性能。但石英材料價(jià)格昂貴，且壓電系數(shù)比壓電陶瓷低得多。因此一般僅用于標(biāo)準(zhǔn)儀器或要求較高

30、的傳感器中。石英晶體有天然和人工培養(yǎng)兩種類(lèi)型。人工培養(yǎng)的石英晶體的物理和化學(xué)性質(zhì)幾乎與天然石英晶體沒(méi)有區(qū)別，因此目前廣泛應(yīng)用成本較低的人造石英晶體。因?yàn)槭⑹且环N各向異性晶體，因此，按不同方向切割的晶片，其物理性質(zhì)（如彈性、壓電效應(yīng)、溫度特性等）相差很大。在設(shè)計(jì)石英傳感器時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同使用要求正確地選擇石英片的切型。6.2.2 壓電陶瓷壓電陶瓷主要有以下幾種：1. 鈦酸鋇壓電陶瓷鈦酸鋇（BaTiO3）是由碳酸鋇（BaCO3）和二氧化鈦（TiO2）按1：1分子比例在高溫下合成的壓電陶瓷。它具有很高的介電常數(shù)和較大的壓電系數(shù)（約為石英晶體的50倍）。不足之處是居里點(diǎn)溫度低（120），溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度不如石英晶體。2. 鋯鈦酸鉛系