1、壓電壓電式傳感器式傳感器 壓電式傳感器的工作原理是基于某些物質的壓電式傳感器的工作原理是基于某些物質的壓壓電效應電效應，是一種典型的，是一種典型的有源有源傳感器，即傳感器，即發電型發電型傳感傳感器器。 壓電傳感器具有使用頻帶寬、靈敏度高、機械壓電傳感器具有使用頻帶寬、靈敏度高、機械阻抗大、信噪比高、工作可靠、測量范圍廣等優點，阻抗大、信噪比高、工作可靠、測量范圍廣等優點，它可以把它可以把力力、壓力壓力、加速度加速度等許多非電量轉化為等許多非電量轉化為電電量量，因此在機械、聲學、力學、醫學和航空航天等，因此在機械、聲學、力學、醫學和航空航天等領域得到了廣泛的應用領域得到了廣泛的應用。 9.1 壓

2、電效應及壓電材料壓電效應及壓電材料 9.2 壓電傳感器的等效電路和測量電路壓電傳感器的等效電路和測量電路 9.3 壓電傳感器的應用壓電傳感器的應用壓電壓電式傳感器式傳感器壓電壓電式傳感器式傳感器9.1 壓電效應及壓電材料壓電效應及壓電材料一、壓電效應一、壓電效應 某些物質沿某一方向受到外力作用時，會產生變形，某些物質沿某一方向受到外力作用時，會產生變形，同時其內部產生同時其內部產生極化現象極化現象，此時在這種材料的兩個表面，此時在這種材料的兩個表面產生符號相反的電荷，當外力去掉后，它又重新恢復到產生符號相反的電荷，當外力去掉后，它又重新恢復到不帶電的狀態，這種現象被稱為不帶電的狀態，這種現象被

3、稱為壓電效應壓電效應。當作用力方。當作用力方向改變時，電荷極性也隨之改變。這種機械能轉化為電向改變時，電荷極性也隨之改變。這種機械能轉化為電能的現象稱為能的現象稱為“正壓電效應正壓電效應”或或“順壓電效應順壓電效應”。壓電壓電式傳感器式傳感器石英晶體的壓電效應演示石英晶體的壓電效應演示四、壓電式傳感器：四、壓電式傳感器：壓電壓電式傳感器式傳感器 反之，當在某些物質的極化方向上施加電場，這些反之，當在某些物質的極化方向上施加電場，這些材料在某一方向上產生機械變形或機械壓力；當外加電材料在某一方向上產生機械變形或機械壓力；當外加電場撤去時，這些變形或應力也隨之消失。這種電能轉化場撤去時，這些變形或

4、應力也隨之消失。這種電能轉化為機械能的現象稱為為機械能的現象稱為“逆壓電效應逆壓電效應”或或“電致伸縮效電致伸縮效應應”。壓電效應的可逆性壓電效應的可逆性壓電壓電式傳感器式傳感器二、壓電材料二、壓電材料機械性能機械性能電性能電性能溫度穩定性溫度穩定性時間穩定性時間穩定性壓電壓電式傳感器式傳感器壓電壓電式傳感器式傳感器二、壓電材料二、壓電材料1. 石英晶體石英晶體 如圖所示為天然石英如圖所示為天然石英晶體，其結構形狀為一個晶體，其結構形狀為一個六角形晶柱，兩端為一對六角形晶柱，兩端為一對稱棱錐。稱棱錐。 在在晶體學中，可以用晶體學中，可以用三根互相垂直的軸表示，三根互相垂直的軸表示，其中，其中，

5、縱軸縱軸Z稱為光軸稱為光軸，通，通過六棱線而垂直于光鈾的過六棱線而垂直于光鈾的X鈾稱為電軸鈾稱為電軸，與，與X-X軸和軸和Z-Z軸垂直的軸垂直的Y-Y軸軸 (垂直于六垂直于六棱柱體的棱面棱柱體的棱面)稱為機械軸稱為機械軸。壓電壓電式傳感器式傳感器1. 石英晶體石英晶體 如果從石英晶體中切下一個平行六面體并使其晶面分如果從石英晶體中切下一個平行六面體并使其晶面分別平行于別平行于Z-Z、Y-Y、X-X軸線。晶片在正常情況下呈現電軸線。晶片在正常情況下呈現電性。通常把沿性。通常把沿電軸電軸(X軸軸)方向的作用力產生的壓電效應稱為方向的作用力產生的壓電效應稱為“縱向壓電效應縱向壓電效應”，把沿，把沿機

6、械軸機械軸(Y軸軸)方向的作用力產生的方向的作用力產生的壓電效應稱為壓電效應稱為“橫向壓電效應橫向壓電效應”，沿，沿光軸光軸(Z軸軸)方向的作用方向的作用力力不產生壓電效應不產生壓電效應。沿相對兩棱加力時，則產生切向效應。沿相對兩棱加力時，則產生切向效應。壓電式傳感器主要是利用壓電式傳感器主要是利用縱向壓電效應縱向壓電效應。壓電壓電式傳感器式傳感器1. 石英晶體石英晶體壓電壓電式傳感器式傳感器 當在電軸方向施加作用力時當在電軸方向施加作用力時, 在與電軸在與電軸 x 垂直的平面上將產生電荷垂直的平面上將產生電荷qx, 其大小為：其大小為： qx = d11 Fx 式中式中: d11x方向受力的

7、壓電系數方向受力的壓電系數; Fx作用力作用力 若在同一切片上若在同一切片上, 沿機械軸沿機械軸y方向施加作方向施加作用力用力Fy, 則仍在與則仍在與x軸垂直的平面上產生電荷軸垂直的平面上產生電荷qy, 其大小為：其大小為： qy=d12Fya/b d12y軸方向受力的壓電系數軸方向受力的壓電系數, d12= - d11 a, b晶體切片長度和厚度。晶體切片長度和厚度。石英晶體切片石英晶體切片壓電壓電式傳感器式傳感器“”代表硅離子代表硅離子Si4+， “”代表氧離子代表氧離子O2-。壓電壓電式傳感器式傳感器 當石英晶體未受外力作用時，正、負離子正好分布在正六當石英晶體未受外力作用時，正、負離子

8、正好分布在正六邊形的頂角上，形成三個互成邊形的頂角上，形成三個互成120夾角的電偶極矩夾角的電偶極矩1、2、3。 如圖如圖(a)所示。所示。 因為因為= qL（q為電荷量，為電荷量，L為為正負電荷之間的距離），此時正負電荷之間的距離），此時正負電荷中心重合，電偶極矩正負電荷中心重合，電偶極矩的矢量和等于零，即：的矢量和等于零，即： 1+2+30 所以晶體表面不產生電荷，呈所以晶體表面不產生電荷，呈電中性。電中性。壓電壓電式傳感器式傳感器 當晶體受到沿當晶體受到沿x方向受到方向受到壓力壓力x 作用時，晶體沿作用時，晶體沿x方向將方向將產生收縮，正、負離子的相對位置隨之發生變化，如圖產生收縮，正、

9、負離子的相對位置隨之發生變化，如圖(b)所所示。此時正、負電荷中心不再重合，電偶極矩示。此時正、負電荷中心不再重合，電偶極矩1減小，減小，2、3增大，它們在增大，它們在x 方向上的分量不再等于零，即在方向上的分量不再等于零，即在x軸的正向軸的正向出現正電荷出現正電荷: (1+2+3)x0在在y、z方向上的分量為方向上的分量為: (1+2+3)y = 0 (1+2+3)z= 0壓電壓電式傳感器式傳感器當晶體受到沿當晶體受到沿x方向的方向的拉力拉力x 作用作用時，其變化情況如圖（時，其變化情況如圖（c）所示。電）所示。電偶極矩偶極矩1增大，增大， 2、 3減小，此時減小，此時它們在它們在x、y、z

10、三個方向上的分量為三個方向上的分量為 (1 +2 +3) x(Ca+Cc+Ci) 一般認為一般認為(1+K)Cf 10(Ca+Cc+Ci)時，傳感器的輸出靈敏度可以認為和電纜時，傳感器的輸出靈敏度可以認為和電纜電容等無關。電容等無關。壓電壓電式傳感器式傳感器9.3 壓電式傳感器的應用壓電式傳感器的應用一、一、壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器壓縮式壓電加速度傳感器結構壓縮式壓電加速度傳感器結構壓電壓電式傳感器式傳感器壓電壓電式傳感器式傳感器二、二、壓電式測力傳感器：壓電式測力傳感器：壓電壓電式傳感器式傳感器Fdq11SPF壓電壓電式傳感器式傳感器壓電壓電式傳感器式傳感器壓電壓電式傳感器式傳感

11、器沖擊試驗臺的標定和檢測沖擊試驗臺的標定和檢測產品過載沖擊試驗產品過載沖擊試驗跌落高度跌落高度h被沖擊介質：鋼、橡膠、塑料、木塊被沖擊介質：鋼、橡膠、塑料、木塊加速度加速度壓電壓電式傳感器式傳感器汽車安全氣囊系統汽車安全氣囊系統事故性碰撞：點火信號、電點火管、氣體發生劑、事故性碰撞：點火信號、電點火管、氣體發生劑、 氣體、充氣、彈性體氣體、充氣、彈性體壓電壓電式傳感器式傳感器氣體發生器輸出特性測試氣體發生器輸出特性測試壓電壓電式傳感器式傳感器密封容器壓力測試法密封容器壓力測試法振動測量儀振動測量儀amadFdq壓電壓電式傳感器式傳感器壓電式血壓傳感器壓電式血壓傳感器指套式電子血壓計指套式電子血壓計壓電壓電式傳感器式傳感器壓電壓電式傳感器式傳感器壓電壓電式傳感器式傳感器壓電壓電式傳感器式傳感器3、能否用壓電傳感器測量靜態壓力？為什么？、能否用壓電傳感器測量靜態壓力？為什么？壓電壓電式傳感器習題式傳感器習題1簡述正、逆壓電效應。簡述正、逆壓電效應。2、壓電式傳感器的前置放大器兩個作用？、壓電式傳感器的前置放大器兩個作用？4、用石英晶體加速度計測