第7章-壓電式傳感器

1、物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用第第7章章 壓電式壓電式傳感器傳感器點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用 壓電式傳感器是以具有壓電效應(yīng)的壓電元件為核心壓電式傳感器是以具有壓電效應(yīng)的壓電元件為核心組成的傳感器。壓電元件是力敏感元件，壓電式傳感器組成的傳感器。壓電元件是力敏感元件，壓電式傳感器也也是典型的有源傳感器。是典型的有源傳感器。點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)7.1壓電材料的主要特性壓電材料的主要特性7.2壓電式傳感器的等效電路和測量電路壓電式傳感器的等效電路和測量電路7.3壓電式傳感器應(yīng)用實例壓電式傳感器應(yīng)用實例7.4

2、物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)7.1物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用7.1.1 壓電效應(yīng)的現(xiàn)象壓電效應(yīng)的現(xiàn)象 1.壓電效應(yīng)壓電效應(yīng) 當沿著一定方向?qū)弘姴牧鲜┝κ顾冃螘r，壓電材料的當沿著一定方向?qū)弘姴牧鲜┝κ顾冃螘r，壓電材料的兩個表面上產(chǎn)生束縛電荷；當去掉外力，壓電材料又恢復(fù)到原來兩個表面上產(chǎn)生束縛電荷；當去掉外力，壓電材料又恢復(fù)到原來不帶電的狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)不帶電的狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映物

3、聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用壓電材料表面電荷的極性與受力的方向有關(guān)。當外力的方壓電材料表面電荷的極性與受力的方向有關(guān)。當外力的方向改變時，電荷的正負極性也隨之發(fā)生變化，如圖向改變時，電荷的正負極性也隨之發(fā)生變化，如圖7.1所示。所示。點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用2.電致伸縮效應(yīng)電致伸縮效應(yīng) 當在壓電材料的極化方向上施加電場時，它就會產(chǎn)生機械變當在壓電材料的極化方向上施加電場時，它就會產(chǎn)生機械變形；當去掉電場時，壓電材料的變形隨之消失。這種現(xiàn)象稱為電形；當去掉電場時，壓電材料的變形隨之消失。這種現(xiàn)象稱為電致伸縮效應(yīng)。致伸縮效應(yīng)。點擊此

4、處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用7.1.2 壓電效應(yīng)的工作原理壓電效應(yīng)的工作原理 1.石英晶體石英晶體 石英晶體是二氧化硅單晶，它是一個規(guī)則的六角棱柱。石英晶體是二氧化硅單晶，它是一個規(guī)則的六角棱柱。沿光軸（沿光軸（z軸）方向無壓電效應(yīng)軸）方向無壓電效應(yīng)。沿電軸（沿電軸（x軸）壓電效應(yīng)最強，軸）壓電效應(yīng)最強，稱為稱為“縱向壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng)”。沿機械軸（。沿機械軸（y軸）方向軸）方向有有“橫向壓電橫向壓電效應(yīng)效應(yīng)”。點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用 點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳

5、感器技術(shù)與應(yīng)用 點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映天然形成的石英晶體外形物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用 點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用 壓電材料的壓電特性常用壓電方程描述壓電材料的壓電特性常用壓電方程描述。對于石英晶體，對于石英晶體，壓電方程為壓電方程為點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映654321111414111132100000020000000dddddqqq物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用 當石英晶體受到當石英晶體受到x方向的外力時，晶面上產(chǎn)生的電荷為方向的外力時，晶面上產(chǎn)生的電荷為這就是這就是“縱向壓電效應(yīng)縱向壓電

6、效應(yīng)”。 此外，此外，石英晶體石英晶體還有還有“橫向壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng)”，剪切壓電效應(yīng)。，剪切壓電效應(yīng)。點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映1111dq 物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用 點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用2.壓電陶瓷壓電陶瓷 壓電陶瓷在沒有極化之前不具有壓電效應(yīng)，是非壓電體；壓電陶瓷在沒有極化之前不具有壓電效應(yīng)，是非壓電體；壓電陶瓷經(jīng)過極化處理后，有非常大的壓電常數(shù)，一般為石英晶壓電陶瓷經(jīng)過極化處理后，有非常大的壓電常數(shù)，一般為石英晶體的幾百倍。如果在陶瓷片上加一個與極化方向平行的壓力，原體的幾百倍。如果在陶瓷片上加一個與極

7、化方向平行的壓力，原來吸附在陶瓷片電極上的自由電荷出現(xiàn)放電現(xiàn)象。來吸附在陶瓷片電極上的自由電荷出現(xiàn)放電現(xiàn)象。點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用壓電陶瓷內(nèi)的束縛電荷和電極上吸附的自由電荷如圖壓電陶瓷內(nèi)的束縛電荷和電極上吸附的自由電荷如圖7.5 所示。所示。點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用 壓電材料的主要特性壓電材料的主要特性7.2點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用壓電材料一般應(yīng)從以下特性進行選擇。壓電材料一般應(yīng)從以下特性進行選擇。（1）機）機-電轉(zhuǎn)換性能。電轉(zhuǎn)換性能。（

8、2）電性能。）電性能。（3）機械性能。）機械性能。（4）溫度穩(wěn)定性。）溫度穩(wěn)定性。（5）時間穩(wěn)定性。）時間穩(wěn)定性。點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用7.2.1 壓電晶體壓電晶體 1.石英晶體（石英晶體（SiO2） 石英晶體是最典型的壓電晶體。石英晶體非常穩(wěn)定石英晶體是最典型的壓電晶體。石英晶體非常穩(wěn)定。石英晶石英晶體居里點高體居里點高。石英晶體機械強度和品質(zhì)因數(shù)高石英晶體機械強度和品質(zhì)因數(shù)高。石英晶體絕緣性石英晶體絕緣性能也相當好。石英晶體壓電常數(shù)較小，靈敏度較低能也相當好。石英晶體壓電常數(shù)較小，靈敏度較低。2. 其它壓電晶體其它壓電晶體點擊此處結(jié)束放

9、映點擊此處結(jié)束放映物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用7.2.2 壓電陶瓷壓電陶瓷1. 鈦酸鋇（鈦酸鋇（BaTiO3）壓電陶瓷）壓電陶瓷2. 鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷（鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷（PZT）點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用7.2.3 新型壓電材料新型壓電材料 1.壓電半導(dǎo)體壓電半導(dǎo)體 硫化鋅（硫化鋅（ZnS）、碲化鎘（）、碲化鎘（CdTe）等。這些材料既有半導(dǎo)體）等。這些材料既有半導(dǎo)體特性，又有壓電特性特性，又有壓電特性。2.有機高分子壓電材料有機高分子壓電材料 某些高分子聚合物某些高分子聚合物及及高分子化合物，既保持了高分子材料的高分子化合

10、物，既保持了高分子材料的柔軟性，又具有較高的壓電性和機電耦合系數(shù)。柔軟性，又具有較高的壓電性和機電耦合系數(shù)。點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用壓電式傳感器的等效電路和測量電路壓電式傳感器的等效電路和測量電路7.3點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用7.3.1壓電元件的結(jié)構(gòu)形式壓電元件的結(jié)構(gòu)形式 1.壓電元件的結(jié)構(gòu)形式壓電元件的結(jié)構(gòu)形式壓電元件如圖壓電元件如圖7.6所示，一般由壓電材料和電極（如銀電所示，一般由壓電材料和電極（如銀電極）構(gòu)成。極）構(gòu)成。點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感

11、器技術(shù)與應(yīng)用在壓電式傳感器中，壓電元件一般不用單片，為了提高靈在壓電式傳感器中，壓電元件一般不用單片，為了提高靈敏度，常用兩片或多片組合在一起使用。由于壓電材料是有極性敏度，常用兩片或多片組合在一起使用。由于壓電材料是有極性的，因此接法有并聯(lián)和串聯(lián)兩種。的，因此接法有并聯(lián)和串聯(lián)兩種。點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用7.3.2壓電式傳感器的等效電路壓電式傳感器的等效電路 可以把它等效成一個與電容相并聯(lián)的電荷源，可以把它等效可以把它等效成一個與電容相并聯(lián)的電荷源，可以把它等效成一

12、個與電容串聯(lián)的電壓源。成一個與電容串聯(lián)的電壓源。點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用7.3.3壓電式傳感器的壓電式傳感器的測量電路測量電路 1. 電壓放大器電壓放大器 點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用 點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用2. 電荷電荷放大器放大器 電荷放大器是壓電式傳感器的另一種前置放大器，能將高內(nèi)電荷放大器是壓電式傳感器的另一種前置放大器，能將高內(nèi)阻的電荷源轉(zhuǎn)換成低內(nèi)阻的電壓源，并同時保持輸出電壓與輸入阻的電荷源轉(zhuǎn)換成低內(nèi)阻的電壓源，并同時保持輸出電壓

13、與輸入電荷成正比。用電荷放大器的一個突出優(yōu)點是：在一定的條件下，電荷成正比。用電荷放大器的一個突出優(yōu)點是：在一定的條件下，傳感器的靈敏度與電纜長度無關(guān)。傳感器的靈敏度與電纜長度無關(guān)。點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用壓電式傳感器應(yīng)用實例壓電式傳感器應(yīng)用實例7.4點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用7.4.1壓電式傳感器的形式和特點壓電式傳感器的形式和特點 壓電元件是一種典型的力敏元件，特別適合對沖擊、振動壓電元件是一種典型的力敏元件，特別適合對沖擊、振動等的測量等的測量。壓電元件的結(jié)構(gòu)形式很多，有圓形、長方形、環(huán)

14、形和壓電元件的結(jié)構(gòu)形式很多，有圓形、長方形、環(huán)形和柱形等。柱形等。點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用7.4.2壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器 迄今在眾多的測振傳感器中，壓電加速度傳感器占迄今在眾多的測振傳感器中，壓電加速度傳感器占80%以上。以上。測量時，將傳感器基座與試件剛性固定在一起，傳感器與試件感測量時，將傳感器基座與試件剛性固定在一起，傳感器與試件感受到相同的振動。受到相同的振動。點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用7.4.3壓電式測力傳感器壓電式測力傳感器 壓電式測力傳感器是利用壓電元件直接實現(xiàn)力壓電式測力傳感器是利用壓電元件直接實現(xiàn)力-電轉(zhuǎn)換的傳電轉(zhuǎn)換的傳感器。感器。 點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用