傳感器與檢測技術(shù)教程壓電陶瓷

目錄壓電材料23測量電路雙擊添加標(biāo)題文字壓電效應(yīng)14壓電傳感器及其特點(diǎn)§1壓電效應(yīng)PiezoelectricEffect雅克·居里（JacquesCurie）（1856年10月29日-1941年），法國物理學(xué)家，蒙彼利埃大學(xué)教授。皮埃爾·居里(PierreCurie)(1859-1906)居里兄弟他們發(fā)現(xiàn)了一些晶體在某一特定方向上受壓時(shí)，在它們的表面上會(huì)出現(xiàn)正或負(fù)電荷，這些電荷與壓力的大小成正比，而當(dāng)壓力排除之后電荷也消失。1881年，他們發(fā)表了關(guān)于石英與電氣石中壓電效應(yīng)的精確測量。1882年，他們證實(shí)了李普曼(G．Lippmann)關(guān)于逆效應(yīng)的預(yù)言：電場引起壓電晶體產(chǎn)生微小的收縮。利用壓電現(xiàn)象，他們還設(shè)計(jì)了一種壓電石英靜電計(jì)——居里計(jì)。1.石英晶體的壓電效應(yīng)左旋石英晶體石英晶體的晶軸

X軸垂直的平面上產(chǎn)生的電荷Qx，它的大小為式中：

ｄ11為壓電系數(shù)，受力方向和變形不同時(shí)壓電系數(shù)也不同。石英晶體的正壓電效應(yīng)在這些電介質(zhì)的一定方向上施加機(jī)械力而產(chǎn)生變形時(shí)，就會(huì)引起它內(nèi)部正負(fù)電荷中心相對(duì)轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生電的極化，從而導(dǎo)致其兩個(gè)相對(duì)表面(極化面)上出現(xiàn)符號(hào)相反的束縛電荷Q當(dāng)外力消失，又恢復(fù)不帶電原狀；當(dāng)外力變向，電荷極性隨之而變。這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)，或簡稱壓電效應(yīng)。若對(duì)上述電介質(zhì)施加電場作用時(shí)，同樣會(huì)引起電介質(zhì)內(nèi)部正負(fù)電荷中心的相對(duì)位移而導(dǎo)致電介質(zhì)產(chǎn)生變形，且其應(yīng)變S

與外電場強(qiáng)度E成正比：式中：dt

—逆壓電常數(shù)矩陣。這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)，或稱電致伸縮。1、正（順）壓電效應(yīng)2、逆壓電效應(yīng)（電致伸縮）壓電常數(shù)彈性常數(shù)（剛度）介電常數(shù)機(jī)電耦合系數(shù)電阻居里點(diǎn)壓電效應(yīng)強(qiáng)弱：靈敏度固有頻率、動(dòng)態(tài)特性固有電容、頻率下限機(jī)電轉(zhuǎn)換效率泄漏電荷、改善低頻特性喪失壓電性的溫度§2壓電材料壓電材料的主要參數(shù)壓電材料可分為三大類：一是壓電晶體(單晶)，它包括壓電石英晶體和其他壓電單晶；二是壓電陶瓷(多晶半導(dǎo)瓷)；三是新型壓電材料，又可分為壓電半導(dǎo)體和有機(jī)高分子壓電材料兩種。在傳感器技術(shù)中，目前國內(nèi)外普遍應(yīng)用的是壓電單晶中的石英晶體和壓電多晶中的鈦酸鋇與鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷。壓電晶體(a)天然石英晶體；(b)人工石英晶體；(c)右旋石英晶體理想外形壓電陶瓷壓電陶瓷是一種經(jīng)極化處理后的人工多晶鐵電體。所謂“多晶”，它是由無數(shù)細(xì)微的單晶組成；所謂“鐵電體”，它具有類似鐵磁材料磁疇的“電疇”結(jié)構(gòu)。每個(gè)單晶形成一單個(gè)電疇，無數(shù)單晶電疇的無規(guī)則排列，致使原始的壓電陶瓷呈現(xiàn)各向同性而不具有壓電性BaTiO3壓電陶瓷的極化

新型壓電材料壓電半導(dǎo)體硫化鋅(ZnS)、碲化鎘(CeTe)、氧化鋅(ZnO)、硫化鎘(CdS)等，這些材料顯著的特點(diǎn)是：既具有壓電特性又具有半導(dǎo)體特性。因此既可用其壓電性研制傳感器，又可用其半導(dǎo)體特性制作電子器件；也可以兩者合一，集元件與線路于一體，研制成新型集成壓電傳感器測試系統(tǒng)。有機(jī)高分子壓電材料其一，是某些合成高分子聚合物，經(jīng)延展拉伸和電極化后具有壓電性的高分子壓電薄膜，如聚氟乙烯（PVF)等。其二，是高分子化合物中摻雜壓電陶瓷PZT或BaTiO3粉末制成的高分子壓電薄膜。壓電材料壓電陶瓷壓電晶體鈦酸鋇BaTiO3鋯鈦酸鉛系列鈮鎂酸鉛DMN鈮酸鋰LiNbO3石英SiO2PZT-4PZT-5PZT-8性能參數(shù)壓電系數(shù)(C/N)d152604106704102200d11=2.31d31-78-100-185-90-230-25.9d14=2.31d331902004.5200700487相對(duì)介電常數(shù)(

r)120010502100100025003.94.5居里點(diǎn)溫度(℃)1153102603002601210573密度(103kg/m3)5.57.457.57.457.64.642.65彈性模量(108Pa)11083.311712324.580機(jī)械品質(zhì)因數(shù)300250080≥800105105~106最大安全應(yīng)力(106N/m2)8176768395~10體電阻率(

m)101010101010>1012最高允許溫度(℃)80250250350常用壓電晶體和壓電陶瓷材料特性一、壓電晶片的連接方式（1）并聯(lián)：（2）串聯(lián)：§2等效電路和測量電路只適宜動(dòng)態(tài)測量壓電晶片：壓電傳感器：二、壓電傳感器的等效電路壓電傳感器在實(shí)際測量系統(tǒng)中的等效電路前置放大器的作用：

（1）放大（2）阻抗轉(zhuǎn)換電壓放大器電荷放大器1、電壓放大器三、壓電傳感器的測量電路前置放大器輸入端電壓：前置放大器輸入端電壓幅值：輸入電壓與作用力間的相位差：時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù)輸入電壓與作用力間的相位差：討論：適合測量高頻交變力(1)(2)(3)由運(yùn)算放大器構(gòu)成的電壓比例放大器2、電荷放大器電荷放大器原理圖靈敏度與電纜電容無關(guān)上限下限例1：壓電式測力傳感器壓電式三向力傳感器§3壓電傳感器的應(yīng)用電極結(jié)構(gòu)預(yù)緊力例2：壓電式壓力傳感器壓電陶瓷：彈丸起爆裝置——破甲彈例3：壓電引信發(fā)射藥在堂內(nèi)燃燒形成壓力完成炮彈的發(fā)射。堂內(nèi)壓力的大小，不僅決定著炮彈的飛行速度，而且與火炮、彈丸的設(shè)計(jì)有著密切關(guān)系。例4：火炮堂內(nèi)壓力測試——重塊質(zhì)量——加速度例5：壓電式加速度傳感器產(chǎn)品過載沖擊試驗(yàn)跌落高度h被沖擊介質(zhì)：鋼、橡膠、塑料、木塊加速度產(chǎn)品例6：沖擊試驗(yàn)臺(tái)的標(biāo)定和檢測事故性碰撞：點(diǎn)火信號(hào)、電點(diǎn)火管、氣體發(fā)生劑、氣體、充氣、彈性體例7：汽車安全氣囊系統(tǒng)密封容器壓力測試法例8：氣體發(fā)生器輸出特性測試加速度160ug~10g速度0.4~80cm/s振幅4um~8cm轉(zhuǎn)換開關(guān)SA：V：D：積分：振動(dòng)速度、幅值例9：振動(dòng)測量儀例10：壓電式血壓傳感器例11：指套式電子血壓計(jì)例12：玻璃破碎報(bào)警器例13：水深測量儀聲表面波傳感器延遲時(shí)間SAW振子：LC諧振回路振動(dòng)頻率例14：逆壓電效應(yīng)的應(yīng)用結(jié)冰現(xiàn)象的危害：鐵路電力機(jī)車接觸網(wǎng)導(dǎo)線上結(jié)冰影響機(jī)車正常行駛、冷庫物資防冰、飛機(jī)安全飛行結(jié)冰狀況監(jiān)測：是否結(jié)冰、冰層厚度基于壓電效應(yīng)的冰傳感器原理：三電極片式壓電器件：例15：用于結(jié)冰狀況監(jiān)測的冰傳感器電極1、2間加交變電壓：壓電晶體機(jī)械振動(dòng)，系統(tǒng)的諧振頻率：——等效剛度——等效質(zhì)量冰層檢測原理：極板1上無附加物：以自身的諧振頻率作機(jī)械振動(dòng)；極板1上有冰凍：冰層增加系統(tǒng)剛度，諧振頻率增大；冰層越厚：剛度增加越大，諧振頻率越大。三電極壓電元件：T型LC三端元件，構(gòu)成振蕩電路。1、“基于壓電器件的冰傳感器”，《儀表技術(shù)與傳感器》，2001年9期參考文獻(xiàn)：2、“壓電式