2022年醫(yī)用傳感器-6資料

1、第第6章章 壓電式傳感器壓電式傳感器第一頁(yè)，共八十二頁(yè)。等效電路及測(cè)量等效電路及測(cè)量(cling)(cling)電路電路1.2第第6章章 壓電式傳感器壓電式傳感器壓電效應(yīng)及材料壓電效應(yīng)及材料6.16.26.3壓電傳感器的應(yīng)用壓電傳感器的應(yīng)用(yngyng)第二頁(yè)，共八十二頁(yè)。第一節(jié)第一節(jié) 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)(y din xio (y din xio yng)yng) 某些電介質(zhì)某些電介質(zhì), , 當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí)當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí), , 其內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象（內(nèi)部正負(fù)電荷中心相對(duì)位移）其內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象（內(nèi)部正負(fù)電荷中心相對(duì)位移）, , 同時(shí)同時(shí)(tngsh)(

2、tngsh)在它的兩個(gè)表面上便產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷在它的兩個(gè)表面上便產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷, , 當(dāng)外力去掉后當(dāng)外力去掉后, , 其又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，其又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)， 這種現(xiàn)這種現(xiàn)象稱象稱壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力方向改變時(shí)。當(dāng)作用力方向改變時(shí), , 電荷的極性也電荷的極性也隨之改變。隨之改變。 這種機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的現(xiàn)象這種機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的現(xiàn)象, , 稱為稱為“正壓正壓電效應(yīng)電效應(yīng)” ” 。v壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)(y din xio yng)(y din xio yng)第三頁(yè)，共八十二頁(yè)。v壓電效應(yīng)(y din xio yng)-定義v某些電介質(zhì)（晶體），當(dāng)沿著一定(ydng)方向

3、對(duì)其施力而使它變形時(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面上便產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱壓電效應(yīng)。第四頁(yè)，共八十二頁(yè)。壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)(y din xio (y din xio yng)yng)-分類分類正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)：當(dāng)作用力當(dāng)作用力方向改變方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之時(shí)，電荷的極性也隨之 改變，常把這種改變，常把這種機(jī)械能機(jī)械能轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換(zhunhun)(zhunhun)為為電能電能的現(xiàn)象的現(xiàn)象 稱正壓電效應(yīng)稱正壓電效應(yīng)（或（或順壓電效應(yīng)順壓電效應(yīng)）。）。逆壓電效應(yīng)：逆壓電效應(yīng)：當(dāng)在電介質(zhì)極化方向當(dāng)在電介質(zhì)極化方向(fngxing)(fngx

4、ing)上施加上施加電場(chǎng)，電場(chǎng)，這些這些 電介質(zhì)也會(huì)在產(chǎn)生電介質(zhì)也會(huì)在產(chǎn)生幾何變形幾何變形，當(dāng)外加電場(chǎng)，當(dāng)外加電場(chǎng) 撤去撤去時(shí)，這些變形也隨之時(shí)，這些變形也隨之消失消失，這種將，這種將電電 能能轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)化成機(jī)械能機(jī)械能的現(xiàn)象稱逆壓電效應(yīng)（或的現(xiàn)象稱逆壓電效應(yīng)（或 稱電致伸縮效應(yīng)）。稱電致伸縮效應(yīng)）。 第五頁(yè)，共八十二頁(yè)。壓電效應(yīng)具有壓電效應(yīng)具有可逆性，可逆性，利用這一特性利用這一特性(txng)(txng)可以實(shí)現(xiàn)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械能機(jī)械能和和電能電能 的相互轉(zhuǎn)換。的相互轉(zhuǎn)換。 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)(y din xio yng)(y din xio yng)-特性特性壓電元件壓電元件機(jī)械能機(jī)械能電能電能

5、逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)第六頁(yè)，共八十二頁(yè)。第七頁(yè)，共八十二頁(yè)。第八頁(yè)，共八十二頁(yè)。第九頁(yè)，共八十二頁(yè)。第十頁(yè)，共八十二頁(yè)。壓電晶體：如石英等；壓電晶體：如石英等；壓電陶瓷：如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等；壓電陶瓷：如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等；新型新型(xnxng)壓電材料：壓電半導(dǎo)體壓電材料：壓電半導(dǎo)體( (如硫化鋅、碲化鎘等如硫化鋅、碲化鎘等) ) 高分子壓電材料。高分子壓電材料。自然界中大多數(shù)晶體都具有壓電效應(yīng)自然界中大多數(shù)晶體都具有壓電效應(yīng)(y din xio yng), 但但壓電效應(yīng)十壓電效應(yīng)十分微弱分微弱 壓電材料壓電材料(cilio)(cilio)-分分類類分類分類具有壓電效應(yīng)的

6、材料稱為具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料。壓電材料。第十一頁(yè)，共八十二頁(yè)。 石英是單晶體，具有規(guī)則的幾何石英是單晶體，具有規(guī)則的幾何(j h)外形，其形狀為外形，其形狀為六角形晶柱，兩端呈六棱錐形狀。六角形晶柱，兩端呈六棱錐形狀。二、石英二、石英(shyng)(shyng)晶體晶體第十二頁(yè)，共八十二頁(yè)。vZ Z軸軸 ( (光軸光軸），是晶體的對(duì)稱軸，用光學(xué)方法確定，作為是晶體的對(duì)稱軸，用光學(xué)方法確定，作為基準(zhǔn)軸?；鶞?zhǔn)軸。vX X軸軸 ( (電軸電軸) )，經(jīng)過(guò)正六棱柱相對(duì)的兩個(gè)棱線，且垂直于經(jīng)過(guò)正六棱柱相對(duì)的兩個(gè)棱線，且垂直于光軸，該軸壓電效應(yīng)最顯著。光軸，該軸壓電效應(yīng)最顯著。vY Y軸軸 (

7、(機(jī)械軸機(jī)械軸) )，垂直于兩個(gè)相對(duì)的表面，在此軸上加力產(chǎn)生垂直于兩個(gè)相對(duì)的表面，在此軸上加力產(chǎn)生(chnshng)(chnshng)的變形最大。的變形最大。第十三頁(yè)，共八十二頁(yè)。石英晶體石英晶體(jngt)(jngt)壓電效應(yīng)機(jī)理壓電效應(yīng)機(jī)理石英石英(shyng)(shyng)晶體：晶體：SiO2代表代表(dibio)硅離子硅離子 Si4+“ ”代表硅離子代表硅離子 2O2_“ ”當(dāng)石英晶體沒(méi)有受到外力作當(dāng)石英晶體沒(méi)有受到外力作用時(shí)：用時(shí)：1230P PP正負(fù)電荷中心重合正負(fù)電荷中心重合晶體表面不產(chǎn)生電荷，呈電晶體表面不產(chǎn)生電荷，呈電中性。中性。第十四頁(yè)，共八十二頁(yè)。1.1.當(dāng)石英晶體在當(dāng)石

8、英晶體在X X軸方向軸方向(fngxing)上受到壓上受到壓力時(shí)：力時(shí)：結(jié)果結(jié)果(ji gu)：123()0 xP PP123()0yP PPA面上面上(min shn)呈現(xiàn)負(fù)呈現(xiàn)負(fù)電荷電荷B面上呈現(xiàn)正電荷面上呈現(xiàn)正電荷這種沿這種沿X軸施加力，而在垂直于軸施加力，而在垂直于X軸軸的晶面上產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象，就是的晶面上產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象，就是“縱向壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng)”。123()0zP PP第十五頁(yè)，共八十二頁(yè)。2.2.當(dāng)石英晶體當(dāng)石英晶體(jngt)在在Y Y軸方向上受到壓力時(shí)：軸方向上受到壓力時(shí)： 結(jié)果結(jié)果(ji gu)：123()0 xP PP123()0yP PPA面上面上(min shn)

9、呈現(xiàn)正呈現(xiàn)正電荷電荷B面上呈現(xiàn)負(fù)電荷面上呈現(xiàn)負(fù)電荷這種沿這種沿Y軸施加力，而在垂直于軸施加力，而在垂直于X軸軸的晶面上產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象，就是的晶面上產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象，就是“橫向壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng)”。123()0zP PP第十六頁(yè)，共八十二頁(yè)。3.3.當(dāng)石英晶體在當(dāng)石英晶體在Z Z軸方向軸方向(fngxing)上受到壓力上受到壓力時(shí)：時(shí)： 123()0 xP PP123()0yP PP123()0zP PP正負(fù)電荷始終中心重合，所以晶體表面正負(fù)電荷始終中心重合，所以晶體表面(biomin)無(wú)電荷產(chǎn)無(wú)電荷產(chǎn)生。生。沿沿Z軸方向施加外力，石英晶體不產(chǎn)生軸方向施加外力，石英晶體不產(chǎn)生(chnshng)壓

10、電效應(yīng)壓電效應(yīng)。第十七頁(yè)，共八十二頁(yè)?？v向縱向(zn(zn xin xin) )壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)橫向橫向(hn(hn xin xin) )壓壓電效應(yīng)電效應(yīng)第十八頁(yè)，共八十二頁(yè)。表面電荷表面電荷(dinh)的計(jì)算問(wèn)題的計(jì)算問(wèn)題有一石英晶體，其長(zhǎng)度為有一石英晶體，其長(zhǎng)度為5mm，寬度為，寬度為4mm，厚度為，厚度為10mm，當(dāng)受到壓力，當(dāng)受到壓力P=10MPa作用時(shí)，求在縱向壓電效應(yīng)的壓縮力作用時(shí)，求在縱向壓電效應(yīng)的壓縮力作用下產(chǎn)生作用下產(chǎn)生(chnshng)的電荷量。（的電荷量。（d=2.31PC/N）zc第十九頁(yè)，共八十二頁(yè)。zcv當(dāng)沿當(dāng)沿X X軸軸施加作用力時(shí)，晶片產(chǎn)生厚度變形施加作用力時(shí)，

11、晶片產(chǎn)生厚度變形(bin xng)(bin xng)，并在與并在與x軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷，且軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷，且電荷密度電荷密度與與應(yīng)力應(yīng)力成正成正比：比：11xxQdFx軸軸方向方向(fngxing)(fngxing)受力的壓電系數(shù)受力的壓電系數(shù)；11d第二十頁(yè)，共八十二頁(yè)。zcv沿沿y軸軸施加作用力時(shí)，晶片產(chǎn)生長(zhǎng)度變形，并在與施加作用力時(shí)，晶片產(chǎn)生長(zhǎng)度變形，并在與x軸垂直軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷的平面上產(chǎn)生電荷(dinh)，且，且電荷密度電荷密度與與應(yīng)力應(yīng)力成正比：成正比：12yyaQdFby軸軸方向方向(fngxing)(fngxing)受力的壓電系受力的壓電系數(shù)；數(shù)；12d121

12、1dd 第二十一頁(yè)，共八十二頁(yè)。xxFdq11yyyFbadFbadq1112結(jié)論：結(jié)論： 當(dāng)晶片受到當(dāng)晶片受到x方向的壓力作用時(shí)，方向的壓力作用時(shí)，qx只與作用力只與作用力Fx 成成正比正比，而與晶片的，而與晶片的尺寸無(wú)關(guān)尺寸無(wú)關(guān)； 沿機(jī)械軸沿機(jī)械軸y方向向晶片施加壓力時(shí)，產(chǎn)生的電荷與方向向晶片施加壓力時(shí)，產(chǎn)生的電荷與 幾何尺寸有關(guān)幾何尺寸有關(guān)； 石英晶體石英晶體不是在任何方向不是在任何方向都存在都存在(cnzi)壓電效應(yīng)的；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 一定存在一定存在逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)； 無(wú)論是正或逆壓電效應(yīng)無(wú)論是正

13、或逆壓電效應(yīng)(y din xio yng)，其作用力（或應(yīng)變），其作用力（或應(yīng)變）與與 電荷之間皆呈電荷之間皆呈線性關(guān)系線性關(guān)系。第二十二頁(yè)，共八十二頁(yè)。v壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它比石英晶體的壓電壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它比石英晶體的壓電靈敏度高得多，而制造成本卻較低，因此目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的靈敏度高得多，而制造成本卻較低，因此目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的壓電元件絕大多數(shù)都采用壓電元件絕大多數(shù)都采用(ciyng)(ciyng)壓電陶瓷。常用的壓電陶壓電陶瓷。常用的壓電陶瓷材料有鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（瓷材料有鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（PZTPZT）及非鉛系壓電陶瓷（如）及非鉛系壓電陶瓷（如Ba

14、TiOBaTiO3 3等）。等）。壓電陶瓷產(chǎn)品壓電陶瓷產(chǎn)品v壓電陶瓷壓電陶瓷(toc)(toc)的壓電效應(yīng)的壓電效應(yīng)第二十三頁(yè)，共八十二頁(yè)。壓電陶瓷壓電陶瓷(toc)：屬于鐵電體一類的物質(zhì)屬于鐵電體一類的物質(zhì), ,是人工制造的多晶體壓是人工制造的多晶體壓 電材料電材料, , 具有類似鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)的具有類似鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)的電疇電疇結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 電疇電疇: 分子自發(fā)形成的區(qū)域分子自發(fā)形成的區(qū)域, ,有一定的極化方向有一定的極化方向, ,從而存電場(chǎng)從而存電場(chǎng) 未加電場(chǎng)未加電場(chǎng)(din chng)原始原始(yunsh)(yunsh)的壓電陶瓷內(nèi)的壓電陶瓷內(nèi)呈中呈中性性 不具有壓電性質(zhì)。不具有壓電性質(zhì)

15、。 在無(wú)電場(chǎng)作用時(shí)在無(wú)電場(chǎng)作用時(shí)，電疇在晶體中，電疇在晶體中雜亂分布雜亂分布它們的極化效應(yīng)被相互抵消，壓電陶瓷內(nèi)它們的極化效應(yīng)被相互抵消，壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零。極化強(qiáng)度為零。第二十四頁(yè)，共八十二頁(yè)。 壓電陶瓷是人工多晶鐵電體，原始的壓電陶瓷呈現(xiàn)各向同性不壓電陶瓷是人工多晶鐵電體，原始的壓電陶瓷呈現(xiàn)各向同性不具有壓電性。在具有壓電性。在無(wú)外電場(chǎng)無(wú)外電場(chǎng)作用作用(zuyng)時(shí)，電疇在晶體中雜亂分布時(shí)，電疇在晶體中雜亂分布，它們各自的極化效應(yīng)被，它們各自的極化效應(yīng)被相互抵消相互抵消，壓電陶瓷內(nèi)，壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為極化強(qiáng)度為零零。因此原始的壓電陶瓷呈。因此原始的壓電陶瓷呈中性中性，不具有壓電性質(zhì)

16、不具有壓電性質(zhì)。 伸長(zhǎng)直流電橋剩余伸長(zhǎng)剩余極化a)極化(j hu)前 b)極化 c)極化后第二十五頁(yè)，共八十二頁(yè)。 加電場(chǎng)加電場(chǎng)(din chng) 施加外電場(chǎng)時(shí)，電疇的施加外電場(chǎng)時(shí)，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)(zhun dng)(zhun dng)，趨向，趨向外電場(chǎng)方向排列外電場(chǎng)方向排列。從而使材料得到極化。外電場(chǎng)愈強(qiáng)，。從而使材料得到極化。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。就有更多的電疇更完全地轉(zhuǎn)向外電場(chǎng)方向。 當(dāng)外電場(chǎng)強(qiáng)度大到使材料的極化達(dá)到當(dāng)外電場(chǎng)強(qiáng)度大到使材料的極化達(dá)到飽和程度飽和程度，即，即極化方向都整齊地極化方向都整齊地與外電場(chǎng)方向一致與外電場(chǎng)方向一致

17、，當(dāng)外電場(chǎng)去掉后當(dāng)外電場(chǎng)去掉后電疇的極化方向基本不變電疇的極化方向基本不變，即剩余極化強(qiáng)度很大。，即剩余極化強(qiáng)度很大。壓電陶瓷極化后壓電陶瓷極化后 具有壓電特性具有壓電特性(txng)(txng) 未極化時(shí)是非壓電體未極化時(shí)是非壓電體第二十六頁(yè)，共八十二頁(yè)。(a)極化處理前極化處理前剩余極化強(qiáng)度剩余極化強(qiáng)度剩余伸長(zhǎng)剩余伸長(zhǎng)(c)極化處理后極化處理后 直流電場(chǎng)直流電場(chǎng)E電場(chǎng)作用下的伸長(zhǎng)電場(chǎng)作用下的伸長(zhǎng)(b)極化處理中極化處理中第二十七頁(yè)，共八十二頁(yè)。由于經(jīng)過(guò)極化處理的壓電陶瓷其內(nèi)部極化強(qiáng)度不為由于經(jīng)過(guò)極化處理的壓電陶瓷其內(nèi)部極化強(qiáng)度不為0 0，即在陶，即在陶瓷的瓷的一端出現(xiàn)正束縛電荷一端出現(xiàn)正束

18、縛電荷，另一端出現(xiàn)負(fù)束縛電荷另一端出現(xiàn)負(fù)束縛電荷。由。由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的電極面上吸附了一層來(lái)于束縛電荷的作用，在陶瓷片的電極面上吸附了一層來(lái)自外界的自外界的自由電荷自由電荷。這些自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電荷。這些自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電荷符號(hào)相反而數(shù)量相等符號(hào)相反而數(shù)量相等(xingdng)(xingdng)。所以整體上表現(xiàn)為。所以整體上表現(xiàn)為電中性電中性。 自由電荷束縛電荷電極電極極化方向陶瓷片內(nèi)束縛電荷與電極上吸附的自由電荷示意圖第二十八頁(yè)，共八十二頁(yè)。如果在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向平行的壓力如果在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向平行的壓力F，如圖，陶瓷片，如圖，陶瓷片將產(chǎn)生將產(chǎn)生壓

19、縮形變壓縮形變，片內(nèi)的正、負(fù)束縛電荷之間的，片內(nèi)的正、負(fù)束縛電荷之間的距離變小距離變小，極化強(qiáng)極化強(qiáng)度也變小度也變小。因此，原來(lái)吸附在電極上的自由電荷，有一部分被。因此，原來(lái)吸附在電極上的自由電荷，有一部分被釋放釋放，而出現(xiàn)放電荷現(xiàn)象，而出現(xiàn)放電荷現(xiàn)象(xinxing)(xinxing)。當(dāng)壓力撤消后，陶瓷片恢復(fù)原狀，片內(nèi)的正、負(fù)電荷之當(dāng)壓力撤消后，陶瓷片恢復(fù)原狀，片內(nèi)的正、負(fù)電荷之 極化方向正壓電效應(yīng)示意圖（實(shí)線代表形變前的情況，虛線代表形變后的情況）F 間的間的距離變大距離變大，極化強(qiáng)度也變大，因，極化強(qiáng)度也變大，因此電極上又此電極上又吸附吸附一部分自由電荷而一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。

20、出現(xiàn)充電現(xiàn)象。 這種由機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，就這種由機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，就是是(jish)(jish)正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)。 第二十九頁(yè)，共八十二頁(yè)。 33qd F=d33 壓電陶瓷壓電陶瓷(toc)的壓電系的壓電系數(shù)數(shù) F作用力作用力晶體極化后，沿極化方向晶體極化后，沿極化方向(fngxing)(fngxing)（垂直極化平面）作用力時(shí)，引（垂直極化平面）作用力時(shí)，引起剩余極化強(qiáng)度變化，在極化面上產(chǎn)生電荷，起剩余極化強(qiáng)度變化，在極化面上產(chǎn)生電荷，電荷量的大小與外電荷量的大小與外力成正比關(guān)系：力成正比關(guān)系：d33 d11、d12第三十頁(yè)，共八十二頁(yè)。第三十一頁(yè)，共八十二頁(yè)。同樣，若在陶瓷

21、片上加一個(gè)與極化方向相同的電場(chǎng)，如圖，由于同樣，若在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向相同的電場(chǎng)，如圖，由于(yuy)(yuy)電場(chǎng)的方向與極化強(qiáng)度的方向相同，所以電場(chǎng)的作用使電場(chǎng)的方向與極化強(qiáng)度的方向相同，所以電場(chǎng)的作用使極化強(qiáng)極化強(qiáng)度增大度增大。這時(shí)，陶瓷片內(nèi)的正負(fù)束縛電荷之間。這時(shí)，陶瓷片內(nèi)的正負(fù)束縛電荷之間距離也增大距離也增大，就是，就是說(shuō)，陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生說(shuō)，陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生伸長(zhǎng)形變伸長(zhǎng)形變。同理，如果外加電場(chǎng)的方向與極化方向相反，則陶瓷片沿極化方向同理，如果外加電場(chǎng)的方向與極化方向相反，則陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生產(chǎn)生縮短形變縮短形變。 極化(j h u )方向電場(chǎng)( d i n chng

22、)方向 這種將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能這種將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的現(xiàn)象，就是的現(xiàn)象，就是逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)。第三十二頁(yè)，共八十二頁(yè)。第三十三頁(yè)，共八十二頁(yè)。種類種類：v壓電單晶體壓電單晶體，如石英等；，如石英等；v壓電陶瓷壓電陶瓷，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等；，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等；v壓電半導(dǎo)體壓電半導(dǎo)體，如硫化鋅、碲化鎘等。，如硫化鋅、碲化鎘等。 對(duì)壓電材料特性要求：對(duì)壓電材料特性要求： 轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換(zhunhun)性能性能。要求具有較大壓電常數(shù)。要求具有較大壓電常數(shù)。 機(jī)械性能機(jī)械性能。希望它的機(jī)械強(qiáng)度高、剛度大，以期獲得寬的線性范。希望它的機(jī)械強(qiáng)度高、剛度大，以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動(dòng)頻率。圍和高

23、的固有振動(dòng)頻率。 電性能電性能。希望具有高電阻率和大介電常數(shù)，以減弱外部分布電容。希望具有高電阻率和大介電常數(shù)，以減弱外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性。的影響并獲得良好的低頻特性。 環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。溫度和濕度穩(wěn)定性要好，要求具有較高的居里點(diǎn)，。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。獲得較寬的工作溫度范圍。 時(shí)間穩(wěn)定性時(shí)間穩(wěn)定性。要求壓電性能不隨時(shí)間變化。要求壓電性能不隨時(shí)間變化。 v壓電材料壓電材料(cilio)(cilio)第三十四頁(yè)，共八十二頁(yè)。一、一、等效電路等效電路 壓電傳感器在受外力作用時(shí)，在兩個(gè)電極表面壓電傳感器在受外力作用時(shí)，在兩個(gè)電

24、極表面(biomin)將要聚將要聚集電荷，且電荷量相等，極性相反。這時(shí)它相當(dāng)于一個(gè)以壓電集電荷，且電荷量相等，極性相反。這時(shí)它相當(dāng)于一個(gè)以壓電材料為電介質(zhì)的材料為電介質(zhì)的電容器電容器，其電容量為，其電容量為 式中：式中：0為真空介電常數(shù)；為真空介電常數(shù)；為壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)；為壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)；d 為壓電元件的厚度；為壓電元件的厚度；A 為壓電元件極板面積。為壓電元件極板面積。 dACa0第二節(jié)第二節(jié) 等效電路和測(cè)量等效電路和測(cè)量(cling)(cling)電路電路第三十五頁(yè)，共八十二頁(yè)。當(dāng)壓電晶體在當(dāng)壓電晶體在外力外力作用作用(zuyng)(zuyng)下，其兩個(gè)極面上將出現(xiàn)下，其

25、兩個(gè)極面上將出現(xiàn)極性相反極性相反電量相等的電荷電量相等的電荷壓電傳感器可以看作壓電傳感器可以看作電荷發(fā)生器電荷發(fā)生器, ,圖圖(a)同時(shí)同時(shí), ,它也是一個(gè)它也是一個(gè)電容器電容器, , 晶體上聚集正、負(fù)電荷的兩表面相當(dāng)于晶體上聚集正、負(fù)電荷的兩表面相當(dāng)于電容的兩個(gè)電容的兩個(gè)極板極板, , 極板間物質(zhì)極板間物質(zhì)(wzh)(wzh)等效于一種等效于一種介質(zhì)介質(zhì), ,圖圖(b) q電極電極壓電晶體壓電晶體(a) 壓電傳感器的等效原理壓電傳感器的等效原理qCa(b)第三十六頁(yè)，共八十二頁(yè)。當(dāng)兩極板聚集當(dāng)兩極板聚集異性電荷異性電荷時(shí)時(shí), 則兩極板呈現(xiàn)一定的則兩極板呈現(xiàn)一定的電壓電壓(diny), 大小為

26、大小為aaquC q電極電極壓電晶體壓電晶體(a) 壓電傳感器的等效原理壓電傳感器的等效原理qCa(b)0raAACdde ee= A、d -壓電片的面積壓電片的面積(min j)、厚度、厚度 0(=1/3.6 )、r -真空、壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)真空、壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)電容量電容量第三十七頁(yè)，共八十二頁(yè)。（a）等效）等效(dn xio)電壓源電壓源aaquC=一 個(gè) 與 電 容一 個(gè) 與 電 容(dinrng)相相串聯(lián)串聯(lián)的電的電壓源壓源（b）等效）等效(dn xio)電荷電荷源源 Caua（a）電壓源）電壓源aaqu C=qCa（b）電荷源）電荷源 一個(gè)與電容相一個(gè)與電容相并并聯(lián)聯(lián)電

27、荷源電荷源電壓靈敏度電壓靈敏度 auuKF電荷靈敏度電荷靈敏度 qqKF/uqaKKCquaKK C兩者的關(guān)系兩者的關(guān)系第三十八頁(yè)，共八十二頁(yè)。壓電傳感器的完整壓電傳感器的完整(wnzhng)(wnzhng)等效電路等效電路 （a a） 電壓源電壓源; ; （b b） 電荷源電荷源 UaCaRaCcRiCiqRaCcRiCiCe(a)(b)壓電傳感器與測(cè)量?jī)x表聯(lián)接時(shí)，還必須考慮壓電傳感器與測(cè)量?jī)x表聯(lián)接時(shí)，還必須考慮電纜電容電纜電容CC，前置，前置放大器的放大器的輸入電阻輸入電阻Ri和和輸入電容輸入電容Ci以及傳感器的以及傳感器的絕緣絕緣(juyun)電電阻阻Ra。壓電傳感器完整的等效電路可表示

28、成圖所示。壓電傳感器完整的等效電路可表示成圖所示。第三十九頁(yè)，共八十二頁(yè)。 只有當(dāng)壓電傳感器只有當(dāng)壓電傳感器內(nèi)部信號(hào)電荷無(wú)漏損內(nèi)部信號(hào)電荷無(wú)漏損或或外接電路負(fù)載外接電路負(fù)載RL無(wú)窮無(wú)窮大大時(shí)時(shí),壓電傳感器受力后產(chǎn)生的壓電傳感器受力后產(chǎn)生的電壓電壓或或電荷電荷才能長(zhǎng)期保存才能長(zhǎng)期保存,否則否則電路將以某時(shí)間常數(shù)按指數(shù)規(guī)律放電電路將以某時(shí)間常數(shù)按指數(shù)規(guī)律放電 對(duì)于對(duì)于靜態(tài)、低頻測(cè)量靜態(tài)、低頻測(cè)量極為不利極為不利(bl),必然帶來(lái)誤差必然帶來(lái)誤差 只有只有外力不斷以較高頻率作用外力不斷以較高頻率作用,傳感器的電荷才能得以補(bǔ)充傳感器的電荷才能得以補(bǔ)充, 壓電晶體不適合于靜態(tài)測(cè)量壓電晶體不適合于靜態(tài)測(cè)量

29、 在實(shí)際使用時(shí)壓電傳感器總要與測(cè)量?jī)x器或測(cè)量電路在實(shí)際使用時(shí)壓電傳感器總要與測(cè)量?jī)x器或測(cè)量電路 相連接，需考慮壓電傳感器的泄漏電阻、連接電纜的相連接，需考慮壓電傳感器的泄漏電阻、連接電纜的 等效電容、前置放大器的輸入電阻和輸入電容等等效電容、前置放大器的輸入電阻和輸入電容等思考思考(sko)：壓電晶體不適合于靜態(tài)測(cè)量？：壓電晶體不適合于靜態(tài)測(cè)量？第四十頁(yè)，共八十二頁(yè)。二、二、測(cè)量測(cè)量(cling)(cling)電電路路 壓電傳感器要求測(cè)量電路的前級(jí)輸入端要有壓電傳感器要求測(cè)量電路的前級(jí)輸入端要有足夠高的阻抗足夠高的阻抗，這，這樣才能樣才能(cinng)(cinng)防止電荷迅速泄漏而使測(cè)量誤差

30、變大。壓電傳防止電荷迅速泄漏而使測(cè)量誤差變大。壓電傳感器的感器的前置放大器前置放大器有兩個(gè)用處：有兩個(gè)用處： 一是把傳感器的一是把傳感器的高阻抗輸出高阻抗輸出變換為變換為低阻抗輸出低阻抗輸出； 二是把傳感器的二是把傳感器的微弱信號(hào)進(jìn)行放大微弱信號(hào)進(jìn)行放大。 傳感器的傳感器的內(nèi)阻很大內(nèi)阻很大, , 而而輸出信號(hào)輸出信號(hào)(xnho)(xnho)較小較小, , 一般不能直接取用一般不能直接取用需要接入高輸入阻抗的需要接入高輸入阻抗的前置放大器前置放大器第四十一頁(yè)，共八十二頁(yè)。根據(jù)壓電傳感器等效電路可知，傳感器的輸出可以是根據(jù)壓電傳感器等效電路可知，傳感器的輸出可以是電壓信號(hào)，也可以是電荷電壓信號(hào)，也

31、可以是電荷(dinh)(dinh)信號(hào)信號(hào)有相應(yīng)兩種形式有相應(yīng)兩種形式（1）電壓放大器：）電壓放大器：也稱作阻抗變換器，其輸出電壓也稱作阻抗變換器，其輸出電壓 與輸入電壓（傳感器的輸出電壓）與輸入電壓（傳感器的輸出電壓） 成正比成正比（2）電荷放大器：）電荷放大器：其輸出電壓與輸入電荷成正比其輸出電壓與輸入電荷成正比 第四十二頁(yè)，共八十二頁(yè)。（一）（一） 電壓電壓(diny)(diny)放大器放大器（1）電路）電路(dinl)原理原理圖圖等效電阻等效電阻/eieieiRRRRRRR=+等效電容等效電容eiCCC=+圖6-9 電壓放大器電路原理及其等效電路圖AuoCiRiCeReCaua(a)C

32、RCauaui(b) 等效電路等效電路放大器電路放大器電路傳感器的泄漏傳感器的泄漏(xilu)電阻電阻Re；連接電纜的等效電容；連接電纜的等效電容Ce；前置放大器的輸入電阻；前置放大器的輸入電阻Ri ；輸入電容；輸入電容Ci 電容器上的電壓電容器上的電壓 ua= q / Ca第四十三頁(yè)，共八十二頁(yè)。f= Fmsint（Fm為幅值）為幅值）如果如果(rgu)(rgu)壓電元件沿電軸為壓電元件沿電軸為正弦作用力正弦作用力變化，產(chǎn)生變化，產(chǎn)生的的電荷與電壓也按正弦變化，即電荷與電壓也按正弦變化，即Um= dFm/Ca 壓電元件輸出壓電元件輸出(shch)電壓幅值電壓幅值 d壓電系數(shù)壓電系數(shù)sinsi

33、nmamaaadFtqdfUUtCCCww=AuoCiRiCeReCaua(a)CRCauaui(b)等效電路等效電路放大器電路放大器電路第四十四頁(yè)，共八十二頁(yè)。1/1()1()11/aiaaaaaRj RCj Rj CUUUdfj R C Cj R C CRj Cj CUi的的幅值幅值Uim為為 .222)(1)(ieamimCCCRRdFUAuoCiRiCeReCaua(a)CRCauaui(b)等效電路等效電路放大器電路放大器電路（2）放大器輸入）放大器輸入(shr)端的電壓端的電壓Ui分析分析第四十五頁(yè)，共八十二頁(yè)。輸入輸入(shr)電壓和作用力之間電壓和作用力之間相位差相位差為為 )

34、(arctan2)(RCCCieaUi的的幅值幅值Uim為為 .222)(1)(ieamimCCCRRdFU當(dāng)作用于壓電元件的力為當(dāng)作用于壓電元件的力為靜態(tài)力靜態(tài)力（=0）時(shí)，）時(shí)， 前置放大器前置放大器的的輸出電壓等于零輸出電壓等于零， 因?yàn)殡姾梢驗(yàn)殡姾?dinh)會(huì)通過(guò)放大器輸入電阻會(huì)通過(guò)放大器輸入電阻和傳感器本身漏電阻漏掉，和傳感器本身漏電阻漏掉， 所以所以壓電傳感器不能用于靜態(tài)壓電傳感器不能用于靜態(tài)力的測(cè)量力的測(cè)量。 第四十六頁(yè)，共八十二頁(yè)。 由上式可以看出放大器輸入電壓幅度與由上式可以看出放大器輸入電壓幅度與被測(cè)頻率無(wú)關(guān)被測(cè)頻率無(wú)關(guān)，當(dāng)改變，當(dāng)改變(gibin)連接傳感器與前置放大器

35、的連接傳感器與前置放大器的電纜長(zhǎng)度電纜長(zhǎng)度時(shí)，時(shí)，Cc將改變將改變，從而，從而引起放大器的引起放大器的輸出電壓也發(fā)生變化輸出電壓也發(fā)生變化。在設(shè)計(jì)時(shí)，通常把電纜長(zhǎng)度定。在設(shè)計(jì)時(shí)，通常把電纜長(zhǎng)度定為一常數(shù)，使用時(shí)如要為一常數(shù)，使用時(shí)如要改變電纜長(zhǎng)度改變電纜長(zhǎng)度，則必須，則必須重新校正電壓靈敏度重新校正電壓靈敏度值值。電壓電壓(diny)(diny)靈敏度靈敏度eimumiaUdKFCCC理想情況理想情況(qngkung)(qngkung)下，傳感器的電阻值下，傳感器的電阻值ReRe與前置放大器輸入電阻與前置放大器輸入電阻RiRi都為無(wú)限大，都為無(wú)限大，即即 (Ca+Ce+Ci )R1，則，則輸入

36、電壓幅值輸入電壓幅值Uim ：ieamimCCCdFU第四十七頁(yè)，共八十二頁(yè)。結(jié)論結(jié)論(jiln)：理想情況理想情況(qngkung)下，輸入電壓幅下，輸入電壓幅值值 ieamimCCCdFU（a）當(dāng)）當(dāng)Uim與與F的的無(wú)關(guān)，高頻無(wú)關(guān)，高頻(o pn)響應(yīng)特性較好響應(yīng)特性較好（c）當(dāng)）當(dāng)(Ca+Ce+Ci)R1，改變壓電傳感器的引線電纜，改變壓電傳感器的引線電纜 長(zhǎng)度時(shí)，其電纜電容長(zhǎng)度時(shí)，其電纜電容Ce的變化將引起放大器的變化將引起放大器Uim的變的變 化化測(cè)量中通常測(cè)量中通常電纜長(zhǎng)度需固定電纜長(zhǎng)度需固定( (Ce=常數(shù)常數(shù)) )， 否則將否則將 引入測(cè)量誤差引入測(cè)量誤差（d）電壓靈敏度）電壓

37、靈敏度Ku imumaeiUdKFCCC=+（b）當(dāng)為靜態(tài)力時(shí)）當(dāng)為靜態(tài)力時(shí)(=0)時(shí)，前置放大器的輸出電壓時(shí)，前置放大器的輸出電壓=0 所以所以壓電傳感器不能測(cè)量靜態(tài)物理量壓電傳感器不能測(cè)量靜態(tài)物理量第四十八頁(yè)，共八十二頁(yè)。（二）（二） 電荷電荷(dinh)(dinh)放大器放大器為解決電纜分布電容對(duì)傳感器靈敏度的影響和低頻響應(yīng)為解決電纜分布電容對(duì)傳感器靈敏度的影響和低頻響應(yīng)(xingyng)(xingyng)差差的缺點(diǎn)，可采用的缺點(diǎn)，可采用電荷放大器電荷放大器。 電荷放大器具有深度負(fù)反饋的高增益放大器，常作為壓電荷放大器具有深度負(fù)反饋的高增益放大器，常作為壓電傳感器的輸入電路，由一個(gè)電傳感

38、器的輸入電路，由一個(gè)反饋反饋(fnku)電容電容Cf和和高增益運(yùn)算高增益運(yùn)算放大器放大器A構(gòu)成。構(gòu)成。由于放大器的開(kāi)環(huán)增益由于放大器的開(kāi)環(huán)增益A足夠大，足夠大，并且并且輸入端阻抗輸入端阻抗很高，放大器輸入端很高，放大器輸入端幾乎幾乎沒(méi)有分流，運(yùn)算電流沒(méi)有分流，運(yùn)算電流僅僅流入反饋回路流入反饋回路Cf 。 AuoCiqCaCeCr圖6-10 電荷放大器等效電路f第四十九頁(yè)，共八十二頁(yè)。輸入到放大器的電荷量為輸入到放大器的電荷量為ifqqq=-A: 放大器的開(kāi)環(huán)增益倍數(shù)放大器的開(kāi)環(huán)增益倍數(shù)ioiicaquAuACCC= -= -+輸出電壓輸出電壓 oiaciuqCCCA=- （+ ）放大器輸入電荷

39、放大器輸入電荷而反饋電容而反饋電容Cf上的電荷上的電荷oofiofoffuuquuCuCACAA=(-)=(-)= （1+ ）-ooacifofuuC C CqACAAuqACA輊犏- -犏臌+- ( + + )=（ 1+ ）= （ 1+ ）有有 代代入入第五十頁(yè)，共八十二頁(yè)。oooaciffuuuC C CqACqACAAA- ( + + )=（1+ ）= （1+ ）輊犏- -+犏臌foCqu當(dāng)當(dāng)A1，而，而(1+A)CfCa+Cc+Ci時(shí)，上式簡(jiǎn)化時(shí)，上式簡(jiǎn)化(jinhu)為為 q：傳感器電荷：傳感器電荷(dinh)(1)oacifAquCCCA C整理整理, 得得放大器的輸出電壓放大器的

40、輸出電壓第五十一頁(yè)，共八十二頁(yè)。(a)當(dāng)當(dāng)A足夠大時(shí)，輸出電壓與足夠大時(shí)，輸出電壓與A無(wú)關(guān)，電荷放大器的輸出無(wú)關(guān)，電荷放大器的輸出 電壓電壓uo取決于傳感器產(chǎn)生的電荷量取決于傳感器產(chǎn)生的電荷量q及反饋電容及反饋電容(dinrng)Cf ，與，與 電纜電容電纜電容Cc無(wú)關(guān)，改變無(wú)關(guān)，改變Cf的大小便可得到所需的電壓的大小便可得到所需的電壓 輸出（輸出（Cf =100104pF；）；） foCqu(b)傳感器本身傳感器本身(bnshn)的電容的電容Ca和電纜電容和電纜電容Cc將不影響電荷放大器將不影響電荷放大器 的輸出，故電纜引線長(zhǎng)度變化的輸出，故電纜引線長(zhǎng)度變化不會(huì)帶來(lái)測(cè)量誤差不會(huì)帶來(lái)測(cè)量誤差輸

41、出輸出(shch)電壓電壓uo第五十二頁(yè)，共八十二頁(yè)。 使用電壓放大器時(shí)，測(cè)量系統(tǒng)對(duì)電纜電容的變化使用電壓放大器時(shí)，測(cè)量系統(tǒng)對(duì)電纜電容的變化很敏感，連接很敏感，連接(linji)電纜長(zhǎng)度的變化明顯影響測(cè)量電纜長(zhǎng)度的變化明顯影響測(cè)量系統(tǒng)的輸出；系統(tǒng)的輸出； 使用電荷放大器時(shí)，使用電荷放大器時(shí)，電纜長(zhǎng)度變化的影響幾乎可忽電纜長(zhǎng)度變化的影響幾乎可忽略不計(jì)。略不計(jì)。 但與電壓放大器相比，電荷放大器價(jià)格要高很多但與電壓放大器相比，電荷放大器價(jià)格要高很多，電路也較復(fù)雜，調(diào)整起來(lái)也較困難。，電路也較復(fù)雜，調(diào)整起來(lái)也較困難。電壓放大器和電壓放大器和電荷電荷(dinh)(dinh)放大器的主要區(qū)別：放大器的主要

42、區(qū)別：第五十三頁(yè)，共八十二頁(yè)?！纠咳鐖D所示電荷如圖所示電荷(dinh)前置放大器電路。已知前置放大器電路。已知Ca=100pFRa=，CF=10pF。若考慮引線。若考慮引線Cc的影響，當(dāng)?shù)挠绊懀?dāng)A0104時(shí)時(shí)要求輸出信號(hào)衰減小于要求輸出信號(hào)衰減小于1。求：使用。求：使用90pF/m的電纜其的電纜其最大允許長(zhǎng)度為多少最大允許長(zhǎng)度為多少?第五十四頁(yè)，共八十二頁(yè)。在實(shí)際應(yīng)用中，由于單片的輸出電荷很小，因此，組成壓電式在實(shí)際應(yīng)用中，由于單片的輸出電荷很小，因此，組成壓電式傳感器的晶片不止一片傳感器的晶片不止一片(y pin)，常常將兩片或兩片以上的晶片粘，常常將兩片或兩片以上的晶片粘結(jié)在一起。粘

43、結(jié)的方法有兩種，即結(jié)在一起。粘結(jié)的方法有兩種，即并聯(lián)和串聯(lián)并聯(lián)和串聯(lián)。（三）（三） 壓電傳感器的級(jí)聯(lián)方式壓電傳感器的級(jí)聯(lián)方式(fngsh)(fngsh)第五十五頁(yè)，共八十二頁(yè)。CCUUqq22 ；第五十六頁(yè)，共八十二頁(yè)。CCUUqq212 ；第五十七頁(yè)，共八十二頁(yè)。v并聯(lián)并聯(lián)(bnglin)(bnglin)連連接接v串聯(lián)串聯(lián)(chunlin)(chunlin)連連接接UU 2CC 2UU 2QQ QQ 12CC 第五十八頁(yè)，共八十二頁(yè)。 壓電式傳感器可用于力、壓力、速度、加速度、振動(dòng)壓電式傳感器可用于力、壓力、速度、加速度、振動(dòng)(zhndng)(zhndng)等等許多非電量的測(cè)量，可做成力傳感

44、器、壓力傳感器、振動(dòng)許多非電量的測(cè)量，可做成力傳感器、壓力傳感器、振動(dòng)(zhndng)(zhndng)傳傳感器等等。感器等等。 一、壓電式測(cè)力一、壓電式測(cè)力(c l)(c l)傳感器傳感器 壓電式測(cè)力傳感器是利用壓電元件直壓電式測(cè)力傳感器是利用壓電元件直接實(shí)現(xiàn)力接實(shí)現(xiàn)力電轉(zhuǎn)換的傳感器。目前，測(cè)力電轉(zhuǎn)換的傳感器。目前，測(cè)力傳感器已組成傳感器已組成(z chn(z chn) )各種錘頭型測(cè)力錘各種錘頭型測(cè)力錘，可測(cè)量動(dòng)態(tài)力、準(zhǔn)靜態(tài)力和沖擊力等。，可測(cè)量動(dòng)態(tài)力、準(zhǔn)靜態(tài)力和沖擊力等。壓電式力傳感器外形圖壓電式力傳感器外形圖第三節(jié)第三節(jié) 壓電傳感器的應(yīng)用壓電傳感器的應(yīng)用第五十九頁(yè)，共八十二頁(yè)?；遄w

45、板壓電晶體絕緣體壓電式力傳感器結(jié)構(gòu)壓電式力傳感器結(jié)構(gòu)(jigu) 傳感器上蓋為傳力元件，它的外緣壁厚為傳感器上蓋為傳力元件，它的外緣壁厚為0.10.10.5mm0.5mm，外力作，外力作用用(wi l zu yn(wi l zu yn) )使它產(chǎn)生彈性變形，將力傳遞到石英晶片上。利用使它產(chǎn)生彈性變形，將力傳遞到石英晶片上。利用其縱向壓電效應(yīng)，通過(guò)其縱向壓電效應(yīng)，通過(guò)d d1111實(shí)現(xiàn)力實(shí)現(xiàn)力電轉(zhuǎn)換。電轉(zhuǎn)換。第六十頁(yè)，共八十二頁(yè)。 通過(guò)彈性膜、盒等，把壓力收集，轉(zhuǎn)換成力，再傳遞通過(guò)彈性膜、盒等，把壓力收集，轉(zhuǎn)換成力，再傳遞(chund)(chund)給壓電元件。為保證靜態(tài)特性及其穩(wěn)定性，通常多采

46、用石給壓電元件。為保證靜態(tài)特性及其穩(wěn)定性，通常多采用石英晶體作壓電元件。英晶體作壓電元件。引線引線殼體殼體基座基座壓電晶片壓電晶片受壓膜片受壓膜片導(dǎo)電片導(dǎo)電片p p第六十一頁(yè)，共八十二頁(yè)。二、壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)二、壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)(jigu)(jigu) 當(dāng)加速度傳感器和被測(cè)物一起受到?jīng)_擊振動(dòng)時(shí)，壓當(dāng)加速度傳感器和被測(cè)物一起受到?jīng)_擊振動(dòng)時(shí)，壓電元件電元件(yunjin)(yunjin)受質(zhì)量塊慣性力受質(zhì)量塊慣性力的作用，產(chǎn)生電荷。的作用，產(chǎn)生電荷。 q=d11F=d11ma 第六十二頁(yè)，共八十二頁(yè)。例例1 1：在體育：在體育(ty)(ty)動(dòng)態(tài)測(cè)量中的應(yīng)用動(dòng)態(tài)測(cè)量中的應(yīng)用壓電式步態(tài)壓

47、電式步態(tài)(b (b ti)ti)分析跑臺(tái)分析跑臺(tái)壓電式縱跳訓(xùn)練分析壓電式縱跳訓(xùn)練分析(fnx)(fnx)裝置裝置壓電傳感器測(cè)量雙腿跳壓電傳感器測(cè)量雙腿跳的動(dòng)態(tài)力的動(dòng)態(tài)力第六十三頁(yè)，共八十二頁(yè)。例例2 2： 壓電式血壓壓電式血壓(xuy)(xuy)傳傳感器感器例例3 3：指套式電子：指套式電子(dinz)(dinz)血血壓計(jì)壓計(jì)第六十四頁(yè)，共八十二頁(yè)。 測(cè)量時(shí)將心音測(cè)量時(shí)將心音(xnyn)(xnyn)傳感器底傳感器底座用橡皮膏與人體體表粘結(jié)，傳感器座用橡皮膏與人體體表粘結(jié)，傳感器感受與人體體表相同頻率的振動(dòng)，質(zhì)感受與人體體表相同頻率的振動(dòng)，質(zhì)量塊便有正比于加速度的交變力作用量塊便有正比于加速度的

48、交變力作用在壓電晶體上，壓電晶體便產(chǎn)生電荷在壓電晶體上，壓電晶體便產(chǎn)生電荷。 心音是一種生物機(jī)械振動(dòng)現(xiàn)心音是一種生物機(jī)械振動(dòng)現(xiàn)象象(xinxing)(xinxing)，加速度型心音傳感，加速度型心音傳感器是將一個(gè)質(zhì)量塊以一定的預(yù)應(yīng)器是將一個(gè)質(zhì)量塊以一定的預(yù)應(yīng)力安裝在雙壓電晶體上，壓電晶力安裝在雙壓電晶體上，壓電晶體和導(dǎo)線都用導(dǎo)電膠粘結(jié)在底座體和導(dǎo)線都用導(dǎo)電膠粘結(jié)在底座上。上。 例例4 4：加速度型心音加速度型心音(xnyn)(xnyn)傳感器傳感器第六十五頁(yè)，共八十二頁(yè)。石英石英(shyng)晶振晶振v晶振一般叫做晶體諧振器，由壓電效應(yīng)制成的一種諧振器件，是用電損耗很小的石英晶振經(jīng)精密切割磨削

49、(m xio)并鍍上電極焊上引線做成。第六十六頁(yè)，共八十二頁(yè)。石英石英(shyng)晶振晶振第六十七頁(yè)，共八十二頁(yè)。0F MF 例例5 5：微重力壓電晶體：微重力壓電晶體(jngt)(jngt)生物傳生物傳感器感器 石英晶體的諧振頻率極大地依賴于晶體以及涂層的組合質(zhì)石英晶體的諧振頻率極大地依賴于晶體以及涂層的組合質(zhì)量。石英傳感器，其表面吸附的被分析量。石英傳感器，其表面吸附的被分析(fnx)物質(zhì)而引起的諧振物質(zhì)而引起的諧振頻率變化關(guān)系為：頻率變化關(guān)系為： 利用這一原理可對(duì)溶液中許多化合物，通過(guò)電極上的電解利用這一原理可對(duì)溶液中許多化合物，通過(guò)電極上的電解沉淀進(jìn)行沉淀進(jìn)行(jnxng)測(cè)量，例如

50、監(jiān)測(cè)微生物的生長(zhǎng)率，該方法當(dāng)濃測(cè)量，例如監(jiān)測(cè)微生物的生長(zhǎng)率，該方法當(dāng)濃度在范圍內(nèi)，有很好的線性。度在范圍內(nèi)，有很好的線性。第六十八頁(yè)，共八十二頁(yè)。例例6 6：超聲診斷儀探頭：超聲診斷儀探頭(tn tu)(tn tu) 如果換能器中壓電陶瓷如果換能器中壓電陶瓷的振蕩頻率在超聲波范圍，的振蕩頻率在超聲波范圍，則其發(fā)射或接收的聲頻信號(hào)則其發(fā)射或接收的聲頻信號(hào)即為超聲波，這樣即為超聲波，這樣(zhyng)的的換能器稱為壓電超聲換能器換能器稱為壓電超聲換能器。第六十九頁(yè)，共八十二頁(yè)。v壓電式超聲波探頭主要有壓電晶體和壓電陶瓷壓電式超聲波探頭主要有壓電晶體和壓電陶瓷(toc)，利用壓電材料，利用壓電材料的

51、壓電效應(yīng)工作，分為發(fā)射、接收兩部分的壓電效應(yīng)工作，分為發(fā)射、接收兩部分v發(fā)射元件：利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，將高頻電振動(dòng)發(fā)射元件：利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，將高頻電振動(dòng)(zhndng)轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)(zhndng)產(chǎn)生超聲波，將電能產(chǎn)生超聲波，將電能機(jī)械能；機(jī)械能；v接收元件：利用壓電材料正壓電效應(yīng)，將超聲波振動(dòng)轉(zhuǎn)換為接收元件：利用壓電材料正壓電效應(yīng)，將超聲波振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)， 將機(jī)械能將機(jī)械能電能。電能。第七十頁(yè)，共八十二頁(yè)。第七十一頁(yè)，共八十二頁(yè)。第七十二頁(yè)，共八十二頁(yè)。 轉(zhuǎn)動(dòng)凸輪開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)動(dòng)凸輪開(kāi)關(guān)1，利用凸輪凸出部分推動(dòng)沖擊塊，利用凸輪凸出部分推動(dòng)沖擊塊3，并壓縮沖，

52、并壓縮沖擊塊后的彈簧擊塊后的彈簧2。當(dāng)凸輪凸出部分脫離沖擊塊后。由于彈簧彈力作。當(dāng)凸輪凸出部分脫離沖擊塊后。由于彈簧彈力作用，沖擊塊給陶瓷壓電元件用，沖擊塊給陶瓷壓電元件4一個(gè)沖擊力，便在壓電元一個(gè)沖擊力，便在壓電元 件兩端產(chǎn)生高壓，件兩端產(chǎn)生高壓， 并從中間電極并從中間電極(dinj)5輸輸 出高壓，產(chǎn)生電火出高壓，產(chǎn)生電火 花點(diǎn)燃?xì)怏w?；c(diǎn)燃?xì)怏w。 壓電陶瓷壓電陶瓷(toc)(toc)點(diǎn)火器點(diǎn)火器第七十三頁(yè)，共八十二頁(yè)。 轉(zhuǎn)動(dòng)凸輪開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)動(dòng)凸輪開(kāi)關(guān)1，利用凸輪凸出部分推動(dòng)沖擊塊，利用凸輪凸出部分推動(dòng)沖擊塊3，并壓縮沖擊，并壓縮沖擊塊后的彈簧塊后的彈簧2。當(dāng)凸輪凸出部分脫離沖擊塊后。由于彈簧彈力作。當(dāng)凸輪凸出部分脫離沖擊塊后。由于彈簧彈力作用，沖擊塊給陶瓷壓電元件用，沖擊塊給陶瓷壓電元件4一個(gè)沖擊力，便在壓電元一個(gè)沖擊力，便在壓電元 件兩端產(chǎn)生件兩端產(chǎn)生(chnshng)高壓，高壓， 并從中間電極并從中間電極5輸輸