1、壓電傳感器詳解演示文稿第一頁，共三十頁。（優選）壓電傳感器第二頁，共三十頁。石英晶體的壓電效應演示第三頁，共三十頁。 壓電效應的可逆性 逆壓電效應電能機械能正壓電效應反之，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；當外加電場撤去時，這些變形或應力也隨之消失。這種電能轉化為機械能的現象稱為“逆壓電效應”或“電致伸縮效應”。第四頁，共三十頁。石英晶體的壓電效應常見的壓電材料可分為兩類，即壓電單晶體和多晶體壓電陶瓷。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

2、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。第五頁，共三十頁。 如圖所示為天然石英晶體，其結構形狀為一個六角形晶柱，兩端為一對稱棱錐。在晶體學中，可以把將其用三根互相垂直的軸表示，其中，縱軸Z稱為光軸，通過六棱線而垂直于光鈾的X鈾稱為電軸，與X-X軸和Z-Z軸垂直的Y-Y軸 (垂直于六棱柱體的棱面)稱為機械軸。第六頁，共三十頁。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Z-Z、Y-Y、X-X軸線。晶片在正常情況下呈現電性。通常把沿電軸(X軸)方向的作用力產生的壓電效應稱為“縱向壓電效應”，把沿機械軸(Y軸)方向的作用力產生的壓電效應稱為“橫向壓電效應”，沿光軸(Z軸)方

3、向的作用力不產生壓電效應。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縱向壓電效應。第七頁，共三十頁。極化強度的計算 dmn m產生電荷的面的軸向 n施加作用力的軸向1）沿x方向施加力Fx ，產生厚度變形：極化強度： Px = d11x = d11Fx/lb = qx /lb 則： qx =d11Fx 與尺寸無關。2）沿y方向施加力Fy ，產生長度變形：極化強度： Py = d12y = d12Fy/hb = qy /lb則： qx = d12 Fy lb/ hb = d12 Fy l/ h 與尺寸相關 Sx = lb Sy = hb 由于：d11 = -d12 （各向異性）則：q

4、x = -d11 Fy l/ h 3）沿Z軸方向施加力，無變形，無極化。4）無體積變形，無極化。第八頁，共三十頁。第九頁，共三十頁。第十頁，共三十頁。1.并聯 q=2q U=U C=2C并聯接法輸出電荷大，本身電容也大，時間常數大，適用于測量慢變信號，并且適用于以電荷作為輸出量的地方。壓電元件的常有結構形式(a)并聯+第十一頁，共三十頁。2. 串聯 q=q U=2U C=C/2串聯接法輸出電壓大，本身電容小，適用于以電壓作為輸出信號，并且測量電路輸入阻抗很高的地方。壓電元件的常有結構形式(b)串聯+第十二頁，共三十頁。(a)并聯(b)串聯壓電元件的常有結構形式第十三頁，共三十頁。壓電傳感器既是

5、一個電荷發生器，又是一個電容器。因此可有兩種等效電路：1.電荷源：內部的電荷發生器對C充電； 2.電壓源：產生的電荷形成電壓源，對外供電時需通過對等效電容充放電進行。Ua = q/Ca壓電傳感器的等效電路第十四頁，共三十頁。第十五頁，共三十頁。第十六頁，共三十頁。一、測量特點：1.對象力及力的派生物理量（壓力、位移、加速度等）。2.靜態測量壓電材料上產生的電荷只有在無泄露的情況下才能長期保存。故它不宜做靜態測量，只能施加交變力，電荷才能得到不斷的補充，才能供給回路一定的電流，故只宜做靜態測量。3.高阻前置放大器減少晶片的漏電流以減少測量誤差。測量電路第十七頁，共三十頁。二、前置放大器由于壓電式

6、傳感器的輸出電信號很微弱，通常先把傳感器信號先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經過阻抗交換以后，方可用一般的放大檢波電路再將信號輸入到指示儀表或記錄器中。(其中，測量電路的關鍵在于高阻抗輸入的前置放大器。）前置放大器的作用：一是將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；二是放大傳感器輸出的微弱電信號。前置放大器電路有兩種形式：一是用電阻反饋的電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓(即傳感器的輸出)成正比；另一種是用帶電容板反饋的電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。由于電荷放大器電路的電纜長度變化的影響不大，幾乎可以忽略不計，故而電荷放大器應用日益廣泛。第十八頁，共三十頁。第十九頁，共三十頁。應用 一

7、、正壓電效應 1、作為則量元件，可測最終能變為力的物理量如壓力、加速度、沖擊（汽車的沖擊檢測）、振動等； 差動式加速度傳感器 彎曲型壓電加速度計第二十頁，共三十頁。 2、作為壓電電源，可作為煤氣爐或汽車的自動點火裝置、多種電壓發生器、計算機鍵盤等； 三向力傳感器YDS-III79B第二十一頁，共三十頁。二、逆壓電效應 超聲波發生器、壓電揚聲器、壓電諧振器（石英振蕩器）等。三、正、逆壓電效應 壓電變壓器、壓電陀螺、聲納、壓電聲表面波等四、生物壓電學 生物都具有壓電性，人的各種感覺實際上都是生物壓電傳感器。 正壓電效應治療骨折 逆壓電效應對骨頭通電具有矯正畸形等功能第二十二頁，共三十頁。高頻率強振

8、動類型超聲換能器High-frequency Harcl Oscillation Transducer 第二十三頁，共三十頁。 由于其結構簡單，價格低廉（國外最低售價每個單軸陀螺195美元），能承受惡劣環境，故大量用于航模飛機（微型遙控直升機）的增穩系統。 壓電陀螺 壓電陀螺在各種遙測和控制系統中有著廣泛的用途。壓電陀螺已成功地用于導彈的目標跟蹤平臺、飛機的增穩系統、艦船地雷達穩定伺服系統。第二十四頁，共三十頁。壓電點火栓 Piecoelectric Lighter 用途：適用于打火機、煤氣灶、熱水器、點火槍自動點火。 點火元件要求在承受一定的壓力下能放出較長的火花，并在至少一萬次力的作用下不

9、降低其發火能力，壓電電荷系數d33愈大，受力后產生的電壓愈大、電火花也會愈長。 第二十五頁，共三十頁。第二十六頁，共三十頁。第二十七頁，共三十頁。第二十八頁，共三十頁。如圖所示為用壓電式加速度傳感器探測橋墩水下部位裂紋的示意圖。通過放電炮的方式使水箱振動(激振器)，橋墩將承受垂直方向的激勵，用壓電式加速度傳感器測量橋墩的響應，將信號經電荷放大器進行放大后送入數據記錄儀，再將記錄下的信號輸入頻譜分析設備，經頻譜分析后就可判定橋墩有無缺陷。 探測橋墩水下部分裂紋示意圖圖 (a)為探測示意圖。沒有缺陷的橋墩為一堅固整體，加速度響應曲線為單峰，如圖 (b)所示。若橋墩有缺陷，其力學系統變得更為復雜，激勵后的加速度響應曲線將顯示出雙峰或多峰，如圖 (c)所示。 第二十九頁，共三十頁。煤氣灶電子點火裝置如圖2（b）所示。當按下手