傳感器技術(shù)及其應用 第2版 教學課件 ppt 作者 陳黎敏 3 力傳感器

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1、1 Technology & Application of Sensor機械工業(yè)出版社傳感器技術(shù)及其應用2 常見力傳感器3 * 第3章 力傳感器4 第第3章章 力傳感器力傳感器3.1 彈性敏感元件彈性敏感元件3.2 應變式電阻傳感器應變式電阻傳感器3.3 壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器3.4 壓電式傳感器壓電式傳感器3.5 電容式傳感器電容式傳感器3.6 電感式傳感器電感式傳感器3.7 綜合應用技能實訓綜合應用技能實訓5 力是物理基本量之一，因此各種動態(tài)、靜態(tài)力的大小的測量十分重要。 力的測量需要通過力傳感器間接完成，力傳感器是將各種力學量轉(zhuǎn)換為電信號的器件。 力敏感元件轉(zhuǎn)換元件顯示設(shè)備F力

2、傳感器的測量示意圖 6 3.1 彈性敏感元件彈性敏感元件 彈性敏感元件彈性敏感元件把力或壓力轉(zhuǎn)換成了應變或位移，然后再由傳感器將應變或位移轉(zhuǎn)換成電信號。 彈性敏感元件是一個非常重要的傳感器部件，應具有： 良好的彈性 足夠的精度 應保證長期使用和溫度變化時的穩(wěn)定性。7 3.1.1 彈性敏感元件的特性彈性敏感元件的特性1. 1. 剛度剛度 剛度是彈性元件在外力作用下變形大小的量度,一般用k表示。 dxdFk 2. 2. 靈敏度靈敏度 靈敏度是指彈性敏感元件在單位力作用下產(chǎn)生變形的大小，在彈性力學中稱為彈性元件的柔度。它是剛度的倒數(shù)，用K表示。 dFdxK 8 3. 3. 彈性滯后彈性滯后 實際的彈

3、性元件在加卸載的正反行程中變形曲線是不重合的,這種現(xiàn)象稱為彈性滯后現(xiàn)象,它會給測量帶來誤差。4. 4. 彈性后效彈性后效 當載荷從某一數(shù)值變化到另一數(shù)值時,彈性元件變形不是立即完成相應的變形，而是經(jīng)一定的時間間隔逐漸完成變形的，這種現(xiàn)象稱為彈性后效。9 5. 5. 固有振蕩頻率固有振蕩頻率 彈性敏感元件都有自己的固有振蕩頻率f0，它將影響傳感器的動態(tài)特性。 傳感器的工作頻率應避開彈性敏感元件的固有振蕩頻率。 往往希望f0較高。10 3.1.2 彈性敏感元件的分類彈性敏感元件的分類 彈性敏感元件在形式上可分為兩大類： 變換力的彈性敏感元件。 變換壓力的彈性敏感元件。1.1.變換力的彈性敏感元件變

4、換力的彈性敏感元件有：（1）等截面圓柱式 （2）圓環(huán)式 （3）等截面薄板式 （4）懸臂梁式 （5）扭轉(zhuǎn)軸11 一些變換力的彈性敏感元件形狀一些變換力的彈性敏感元件形狀 12 2 .變換壓力的彈性敏感元件變換壓力的彈性敏感元件（1）彈簧管變換壓力的彈性敏感元件 (a)彈簧管；(b)波紋管；(c)等截面薄板；(d)膜盒；(e)薄壁圓筒；(f)薄壁半球 13 （2）波紋管）波紋管 波紋管是有許多同心環(huán)狀皺紋的薄壁圓管.14 （3）波紋膜片和膜盒 平膜片在壓力或力作用下位移量小，因而常把平膜片加工制成具有環(huán)狀同心波紋的圓形薄膜，這就是波紋膜片。 波紋管膜片波紋的形狀 15 （4）薄壁圓筒 薄壁圓筒的壁

5、厚一般小于圓筒直徑的二十分之一。 薄壁圓筒彈性敏感元件的靈敏度取決于圓筒的半徑和壁厚，與圓筒長度無關(guān)。 薄壁圓筒彈性敏感元件的結(jié)構(gòu) 16 3.2 電阻應變片傳感器電阻應變片傳感器 電阻應變片的分類電阻應變片的分類 電阻應變片主要分為金屬電阻應變片和半導體應變片兩類。 金屬電阻應變片分體型和薄膜型。屬于體型的有電阻絲柵應變片、箔式應變片、應變花等。 半導體應變片是用鍺或硅等半導體材料作為敏感柵。 17 半導體應變片半導體應變片及金屬絲式應變及金屬絲式應變片的結(jié)構(gòu)片的結(jié)構(gòu)半導體應變片外半導體應變片外形形金屬絲式應變片的內(nèi)部結(jié)金屬絲式應變片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)18 箔式應變片的外形箔式應變片的外形19 在平

6、面力場中，為測量某一點上主應力的大小和方向在平面力場中，為測量某一點上主應力的大小和方向，常需測量該點上兩個或三個方向的應變。，常需測量該點上兩個或三個方向的應變。 為此需要把兩個或三個應變片逐個粘結(jié)成應變花，或為此需要把兩個或三個應變片逐個粘結(jié)成應變花，或直接通過光刻技術(shù)制成。直接通過光刻技術(shù)制成。 應變花分互成應變花分互成45的直角形應變花和互成的直角形應變花和互成60的等角的等角形應變花兩種基本形式。形應變花兩種基本形式。20 a絲式應變花；b箔式應變花應變花的基本形式應變花的基本形式21 應變應變片的工作原理的工作原理 2llRAr金屬絲受拉時，金屬絲受拉時，l變長、變長、r變小，導致

7、變小，導致R變大變大 。22 金屬電阻絲應變效應 23 3.2.1 電阻應變片的結(jié)構(gòu)及工作原理電阻應變片的結(jié)構(gòu)及工作原理1.結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 電阻應變片（簡稱應變片）的作用是把導體的機械應變轉(zhuǎn)換成電阻應變片（簡稱應變片）的作用是把導體的機械應變轉(zhuǎn)換成電阻應變，以便進一步電測。電阻應變，以便進一步電測。電阻應變片的結(jié)構(gòu) 24 2.應變效應應變效應 金屬和半導體材料的電阻值隨它承受的機械變形大小而發(fā)生變金屬和半導體材料的電阻值隨它承受的機械變形大小而發(fā)生變化的現(xiàn)象就稱為化的現(xiàn)象就稱為“應變效應應變效應”。 應變片的工作原理應變片的工作原理 設(shè)有一長度為l、截面積為A、半徑為r 、電阻率為 的金屬單絲，它的

8、電阻值R可表示為、2llRAr25 當沿金屬絲的長度方向作用均勻拉力（或壓力）時，上式中當沿金屬絲的長度方向作用均勻拉力（或壓力）時，上式中 、r、l都將發(fā)生變化，從而導致電阻值都將發(fā)生變化，從而導致電阻值R發(fā)生變化。例如金屬絲受拉時，發(fā)生變化。例如金屬絲受拉時，l將變將變長、長、r變小，均導致變小，均導致R變大；又如，某些半導體受拉時，變大；又如，某些半導體受拉時， 將變大，導致將變大，導致R變大。變大。 實驗證明，電阻絲及應變片的電阻相對變化量實驗證明，電阻絲及應變片的電阻相對變化量 R R與材料力學中與材料力學中的軸向應變的軸向應變 x的關(guān)系在很大范圍內(nèi)是線性的，即的關(guān)系在很大范圍內(nèi)是線

9、性的，即 2-1xRKRK電阻應變片的靈敏度電阻應變片的靈敏度26 3. 測量電路測量電路不平衡電橋不平衡電橋 3i124o1234() 2-34RURRRURRRR)(44321KUUio由于KRR 根據(jù)應用要求的不同，可接入不同數(shù)目的電阻應變片，一般分為下面幾種形式的電橋：27 單臂電橋 全橋四臂工作方全橋四臂工作方式的靈敏度最高，雙式的靈敏度最高，雙臂半橋次之，單臂半臂半橋次之，單臂半橋靈敏度最低。橋靈敏度最低。28 雙臂電橋 R1、 R2為應變片，為應變片， R3、R4為固定電阻為固定電阻 。應變片。應變片R1 、R2 感受到的應變感受到的應變 1 2以及產(chǎn)以及產(chǎn)生的電阻增量正負號相間

10、，生的電阻增量正負號相間，可以使輸出電壓可以使輸出電壓Uo成倍地增成倍地增大。大。29 四臂全橋 全橋的四個橋臂都為應變片，如果設(shè)法使全橋的四個橋臂都為應變片，如果設(shè)法使試件受力后，應變片試件受力后，應變片R1 R4產(chǎn)生的電阻增量產(chǎn)生的電阻增量（或感受到的應變（或感受到的應變 1 4）正負號相間，就可）正負號相間，就可以使輸出電壓以使輸出電壓Uo成倍地增大。上述三種工作成倍地增大。上述三種工作方式中，全橋四臂工作方式的靈敏度最高，方式中，全橋四臂工作方式的靈敏度最高，雙臂半橋次之，單臂半橋靈敏度最低。采用雙臂半橋次之，單臂半橋靈敏度最低。采用全橋（或雙臂半橋）還能實現(xiàn)溫度自補償。全橋（或雙臂半

11、橋）還能實現(xiàn)溫度自補償。30 3.2.2 應變式電阻傳感器使用注意事項應變式電阻傳感器使用注意事項 1.應變片的粘貼： (1) 去污：采用手持砂輪工具除去去污：采用手持砂輪工具除去構(gòu)件表面的油污、漆、銹斑等，構(gòu)件表面的油污、漆、銹斑等，并用細紗布交叉打磨出細紋以增并用細紗布交叉打磨出細紋以增加粘貼力加粘貼力 ，用浸有酒精或丙酮的，用浸有酒精或丙酮的紗布片或脫脂棉球擦洗。紗布片或脫脂棉球擦洗。31 (2)貼片：在應變片的表面和處貼片：在應變片的表面和處理過的粘貼表面上，各涂一層理過的粘貼表面上，各涂一層均勻的粘貼膠均勻的粘貼膠 ，用鑷子將應變，用鑷子將應變片放上去，并調(diào)好位置，然后片放上去，并調(diào)

12、好位置，然后蓋上塑料薄膜，用手指揉和滾蓋上塑料薄膜，用手指揉和滾壓，排出下面的氣泡壓，排出下面的氣泡 。32 (3)測量測量 ：從分開的端子處，預：從分開的端子處，預先用萬用表測量應變片的電阻，先用萬用表測量應變片的電阻，發(fā)現(xiàn)端子折斷和壞的應變片。發(fā)現(xiàn)端子折斷和壞的應變片。33 (4)焊接：焊接： 將引線和端子用烙將引線和端子用烙鐵焊接起來，注意不要鐵焊接起來，注意不要把端子扯斷。把端子扯斷。 34 (5)固定：固定： 焊接后用膠焊接后用膠布將引線和被測布將引線和被測對象固定在一起對象固定在一起，防止損壞引線，防止損壞引線和應變片。和應變片。 35 2.實際應用中電橋電路的調(diào)零 調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)RP，

13、最終可以使，最終可以使R1 /R2 =R4/R3（ R1 、R2 是是R1、R2并聯(lián)并聯(lián)RP后的等效電阻），電后的等效電阻），電橋趨于平衡，橋趨于平衡，Uo被預調(diào)到零位，被預調(diào)到零位，這一過程稱為調(diào)零。圖中的這一過程稱為調(diào)零。圖中的R5是是用于減小調(diào)節(jié)范圍的用于減小調(diào)節(jié)范圍的限流電阻限流電阻。 36 當環(huán)境溫度升高時，橋當環(huán)境溫度升高時，橋臂上的應變片溫度同時升高，臂上的應變片溫度同時升高，溫度引起的電阻值漂移數(shù)值溫度引起的電阻值漂移數(shù)值一致，可以相互抵消，所以一致，可以相互抵消，所以全橋的溫漂較??；半橋也同全橋的溫漂較小；半橋也同樣能克服溫漂。樣能克服溫漂。 3傳感器的溫度補償37 3.2.

14、3 應變式電阻荷重傳感器及其應用應變式電阻荷重傳感器及其應用 應變效應的應用十分廣泛。它可以測量應變應力、彎矩、扭矩應變效應的應用十分廣泛。它可以測量應變應力、彎矩、扭矩、加速度、位移等物理量。、加速度、位移等物理量。電阻應變片的應用可分為兩大類：電阻應變片的應用可分為兩大類：第一第一類是將應變片粘貼于某些彈性體上，并將其接到測量轉(zhuǎn)換電路，類是將應變片粘貼于某些彈性體上，并將其接到測量轉(zhuǎn)換電路，這這樣就構(gòu)成測量各種物理量的專用應變式傳感器。樣就構(gòu)成測量各種物理量的專用應變式傳感器。 第二類是將應變片貼于被測試件上，第二類是將應變片貼于被測試件上，然后將其接到應變儀上就然后將其接到應變儀上就可直

15、接從應變儀上讀取被測試件的應變量?？芍苯訌膽儍x上讀取被測試件的應變量。 38 應變式力傳感器 FFFF39 各種懸臂梁 FF固定點固定點固定點固定點電纜40 應變片在懸臂梁上的粘貼及變形 41 應變式荷重傳感器的外形及應變片的粘貼位置FR1R2 R442 應變式荷重傳感器外形及受力位置（續(xù)）FF43 荷重傳感器原理演示 荷重傳感器荷重傳感器上的應變片在重上的應變片在重力作用下產(chǎn)生變力作用下產(chǎn)生變形。軸向變短，形。軸向變短，徑向變長。徑向變長。 44 汽車衡汽車衡45 汽車衡（以下參考（以下參考北京遠亞興業(yè)商貿(mào)有限公司資料 ）46 汽車衡稱重系統(tǒng)47 荷重傳感器計算公式 當當KF 為常數(shù)時，橋

16、路所加的激勵源電壓為常數(shù)時，橋路所加的激勵源電壓Ui 越高，滿量越高，滿量程輸出電壓程輸出電壓Uom也越高。也越高。 思考：綜合考慮靈敏度與功耗發(fā)熱，思考：綜合考慮靈敏度與功耗發(fā)熱， Ui 的取值范圍多少的取值范圍多少為好？為好？ioommmFK UFUUFFF48 荷重傳感器應用估算荷重傳感器應用估算 例例：現(xiàn)用現(xiàn)用銘牌指標為銘牌指標為F= 100 103N，KF= 2mV/V的荷重傳感器稱重。當橋的荷重傳感器稱重。當橋路電壓路電壓6V時，測得橋路的輸出電壓為時，測得橋路的輸出電壓為24mV，求被測荷重為多少噸。，求被測荷重為多少噸。 解解 由由荷重傳感器銘牌上得到，荷重傳感器銘牌上得到，U

17、om=24mV。被測荷重。被測荷重 ioommmFK UFUUFFF333O3Fi100 106 1012.5 10 N1.3t2 1024mF UFKU 49 荷重傳感器應用估算荷重傳感器應用估算 在上面介紹過的汽車衡示意圖中，共使用了在上面介紹過的汽車衡示意圖中，共使用了4個荷重傳感器，量個荷重傳感器，量程程Fm =20t， 靈敏度靈敏度KF =2.5mV/V，使用，使用4個獨立的橋路電源，每一個電個獨立的橋路電源，每一個電源電壓均相等，源電壓均相等， Ui =12V，四個荷重傳感器的輸出串聯(lián)，總的輸出電壓，四個荷重傳感器的輸出串聯(lián)，總的輸出電壓Uo =24mV， 請估算汽車的質(zhì)量。請估算

18、汽車的質(zhì)量。 汽車在鋼板上有少許的前、后、左、右偏位，是否會影響測量結(jié)汽車在鋼板上有少許的前、后、左、右偏位，是否會影響測量結(jié)果？為什么？果？為什么？ ioommmFK UFUUFFF50 荷重傳感器用于構(gòu)件的稱重 荷重傳感器荷重傳感器（共（共 3個，個，120度分布，以達到均衡度分布，以達到均衡目的，另兩個未拍出）目的，另兩個未拍出）底座底座墊塊墊塊電纜電纜51 電子秤 磅秤磅秤超市打印秤超市打印秤遠距離顯遠距離顯示示52 電子天平電子天平的精度可達十電子天平的精度可達十萬分之一萬分之一53 人體秤 54 吊鉤秤 便攜式55 應變式數(shù)顯扭矩扳手 可用于汽車、摩托車、飛機、內(nèi)燃機、機械制造和家

19、用可用于汽車、摩托車、飛機、內(nèi)燃機、機械制造和家用電器等領(lǐng)域，準確控制緊固螺紋的裝配扭矩。量程電器等領(lǐng)域，準確控制緊固螺紋的裝配扭矩。量程2500N.m，耗電量，耗電量10mA，有公制，有公制/英制單位轉(zhuǎn)換、峰值保英制單位轉(zhuǎn)換、峰值保持、自動斷電等功能。持、自動斷電等功能。56 圖示應變式電阻加速度傳感器由基座圖示應變式電阻加速度傳感器由基座(用來固定在被測物體上用來固定在被測物體上)、等截面懸、等截面懸臂梁、質(zhì)量塊和臂梁、質(zhì)量塊和4個電阻應變片組成，以等截面懸臂梁為彈性敏感元件。個電阻應變片組成，以等截面懸臂梁為彈性敏感元件。加速度傳感器加速度傳感器l一基座；一基座； 2一質(zhì)量塊；一質(zhì)量塊；

20、3一應變片；一應變片； 4一懸臂梁一懸臂梁3.2.4 應變式加速度傳感器及其應用應變式加速度傳感器及其應用57 測量時，根據(jù)所測振動體加速度的方向，把傳感器固定在被測測量時，根據(jù)所測振動體加速度的方向，把傳感器固定在被測部位。當被測點的加速度沿圖中箭頭所示方向，部位。當被測點的加速度沿圖中箭頭所示方向， 輸出信號大小與加速度成正比。輸出信號大小與加速度成正比。 應變式電阻加速度傳感器具有靈敏度高、靜態(tài)和動態(tài)特性好等應變式電阻加速度傳感器具有靈敏度高、靜態(tài)和動態(tài)特性好等優(yōu)點，廣泛應用于汽車安全氣囊的控制、油箱和電梯疲勞強度的測優(yōu)點，廣泛應用于汽車安全氣囊的控制、油箱和電梯疲勞強度的測試以及電腦游

21、戲控制桿的傾角感應器中。試以及電腦游戲控制桿的傾角感應器中。aEbmllFEbll2020)(6)(658 3.33.3壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器是利用硅的壓阻效應和微電子技術(shù)制成的，是一種新的物性型傳感器。靈敏度高、動態(tài)響應好、精度高、易于微型化和集成化等。 壓阻效應壓阻效應 單晶硅材料在受到應力作用后，其電阻率發(fā)生明顯變化，這種現(xiàn)象被稱單晶硅材料在受到應力作用后，其電阻率發(fā)生明顯變化，這種現(xiàn)象被稱為壓阻效應。為壓阻效應。21 dRdR21 RdREd2121ERdR對半導體材料對金屬材料電阻相對變化量59 擴散硅壓力傳感器擴散硅壓力傳感器1一引出線；一引出線；2一電極；一電極；3一擴

22、散電阻引線；一擴散電阻引線；4一擴散型應變片一擴散型應變片5 單晶硅膜片；單晶硅膜片；6硅環(huán)；硅環(huán)；7一玻璃粘接劑；一玻璃粘接劑；8一玻璃基板一玻璃基板 根據(jù)結(jié)構(gòu)不同，擴散硅型傳感器可用來測量壓力、力、壓力差、加速度等，其根據(jù)結(jié)構(gòu)不同，擴散硅型傳感器可用來測量壓力、力、壓力差、加速度等，其中應用最廣的是擴散硅壓力傳感器。中應用最廣的是擴散硅壓力傳感器。60 壓阻式固態(tài)壓力傳感器的隔離、承壓膜片壓阻式固態(tài)壓力傳感器的隔離、承壓膜片 隔離、承壓膜片可以隔離、承壓膜片可以將腐蝕性的氣體、液體將腐蝕性的氣體、液體與硅膜片與硅膜片 隔離開來。隔離開來。 61 壓阻式固態(tài)壓阻式固態(tài) 壓壓力傳感器力傳感器

23、內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)信號處理電路信號處理電路62 小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器高壓進氣口高壓進氣口低壓進氣口低壓進氣口絕對壓力傳感器絕對壓力傳感器63 小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器（續(xù)）小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器（續(xù)）呼吸、透析和注射泵設(shè)備中用的壓力傳感器呼吸、透析和注射泵設(shè)備中用的壓力傳感器p1進氣管進氣管p2進氣管進氣管固態(tài)壓力傳感固態(tài)壓力傳感器器pKuoK傳感器的靈敏度系數(shù) 64 小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器（續(xù)）小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器（續(xù)）表壓壓力傳感器表壓壓力傳感器p1進氣管進氣管65 投入式液位計投入式液位計 壓阻式固態(tài)壓力傳感器用于投入式液位計：壓阻式固態(tài)壓力傳感器用于投

24、入式液位計：p1的進氣孔用的進氣孔用柔性不銹鋼隔離膜片隔離，并用硅油傳導壓力而與液體相通。柔性不銹鋼隔離膜片隔離，并用硅油傳導壓力而與液體相通。 66 投入式液位計外形（續(xù)）投入式液位計外形（續(xù)） 壓阻式固態(tài)壓力壓阻式固態(tài)壓力傳感器傳感器光柱光柱 顯示顯示器器 橡膠橡膠 背壓背壓管管 67 投入式液位傳感器投入式液位傳感器 投入式液位傳感器安投入式液位傳感器安裝方便，適應于深度為裝方便，適應于深度為 幾幾米米 至至 幾十米，且混有幾十米，且混有 大大 量量 污物、雜質(zhì)的水或其他污物、雜質(zhì)的水或其他液體的液位測量。液體的液位測量。 68 投入式液位計液位的計算投入式液位計液位的計算： 安裝高度安

25、裝高度h0處水的表壓處水的表壓 p1= gh1 h=h0+h1=h0+p1 /（ g） 例：液位計安裝高度為例：液位計安裝高度為1m，測得壓力為，測得壓力為98kPa，求，求水的深度。水的深度。69 是以某些電介質(zhì)的壓電效應為基礎(chǔ)，在外力作用下，在電介質(zhì)的表面是以某些電介質(zhì)的壓電效應為基礎(chǔ)，在外力作用下，在電介質(zhì)的表面上產(chǎn)生電荷，從而實現(xiàn)非電量測量。上產(chǎn)生電荷，從而實現(xiàn)非電量測量。 壓電傳感元件是力敏感元件，所以它能測量最終能變換為力的那些物壓電傳感元件是力敏感元件，所以它能測量最終能變換為力的那些物理量，例如力、壓力、加速度等。理量，例如力、壓力、加速度等。 壓電式傳感器具有響應頻帶寬、靈敏

26、度高、信噪比大、結(jié)構(gòu)簡單、工壓電式傳感器具有響應頻帶寬、靈敏度高、信噪比大、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、重量輕等優(yōu)點。在工程力學、生物醫(yī)學、石油勘探、聲波測井、作可靠、重量輕等優(yōu)點。在工程力學、生物醫(yī)學、石油勘探、聲波測井、電聲學等許多技術(shù)領(lǐng)域中獲得了廣泛的應用。電聲學等許多技術(shù)領(lǐng)域中獲得了廣泛的應用。 3.4 3.4 壓電式傳感器壓電式傳感器70 壓電效應壓電效應正壓電效應正壓電效應（順壓電效應順壓電效應）：某些電介質(zhì)，當沿著某些電介質(zhì)，當沿著一定方向一定方向?qū)ζ涫┝Χ鴮ζ涫┝Χ顾冃螘r，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的使它變形時，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的一定表面一定表面上產(chǎn)生電荷，當上產(chǎn)生電

27、荷，當外力去掉后，又重新恢復不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象。當作用力方向改變時，電荷外力去掉后，又重新恢復不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象。當作用力方向改變時，電荷極性也隨著改變。極性也隨著改變。逆壓電效應逆壓電效應（電致伸縮效應電致伸縮效應）：當在電介質(zhì)的）：當在電介質(zhì)的極化方向極化方向施加電場，這施加電場，這些電介質(zhì)就在些電介質(zhì)就在一定方向一定方向上產(chǎn)生機械變形或機械壓力，當外加電場撤去時，上產(chǎn)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的現(xiàn)象。這些變形或應力也隨之消失的現(xiàn)象。電能電能機械能機械能正壓電效應正壓電效應逆壓電效應逆壓電效應71 天然結(jié)構(gòu)石英晶體的理想外形是一個正六面體，在晶體學中它可用

28、三天然結(jié)構(gòu)石英晶體的理想外形是一個正六面體，在晶體學中它可用三根互相垂直的軸來表示，其中根互相垂直的軸來表示，其中ZZ稱為稱為光軸光軸；XX軸稱為軸稱為電軸電軸；與；與XX軸和軸和ZZ軸同時垂直的軸同時垂直的YY軸（垂直于正六面體的棱面）稱為軸（垂直于正六面體的棱面）稱為機械軸機械軸。ZXY(a)(b)石英晶體石英晶體(a)理想石英晶體的外形理想石英晶體的外形 (b)坐標系坐標系ZYX 通常把沿電軸通常把沿電軸XX方向的力方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應稱為作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應稱為“縱向壓電效應縱向壓電效應”，而把沿機械，而把沿機械軸軸YY方向的力作用下產(chǎn)生電荷方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電

29、效應稱為的壓電效應稱為“橫向壓電效應橫向壓電效應”，沿光軸，沿光軸ZZ方向受力則不產(chǎn)方向受力則不產(chǎn)生壓電效應。生壓電效應。3.4.1 石英晶體的壓電效應石英晶體的壓電效應72 石英晶體具有壓電效應，是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的。組成石英晶體的硅石英晶體具有壓電效應，是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的。組成石英晶體的硅離子離子Si4+和氧離子和氧離子O2-在在Z平面投影，如圖平面投影，如圖(a)。為討論方便，將這些硅、氧。為討論方便，將這些硅、氧離子等效為圖離子等效為圖(b)中正六邊形排列，圖中中正六邊形排列，圖中“”代表代表Si4+，“”代表代表2O2-。 (b)(a)+-YXXY硅氧離子的排列示意圖(a) 硅氧離

30、子在Z平面上的投影（b）等效為正六邊形排列的投影+73 當作用力當作用力FX=0時，正、負離子（即時，正、負離子（即Si4+和和2O2-）正好分布在正六邊形頂角上，形成三個互成正好分布在正六邊形頂角上，形成三個互成120夾夾角的偶極矩角的偶極矩P1、P2、P3，如圖（，如圖（a）所示。此時正負）所示。此時正負電荷中心重合，電電荷中心重合，電偶極矩的矢量和等于零，即偶極矩的矢量和等于零，即 P1P2P30 當晶體受到沿當晶體受到沿X方向的壓力（方向的壓力（FX0在在Y、Z方向上的分量為方向上的分量為（P1+P2+P3）Y=0 （P1+P2+P3）Z=0由上式看出，在由上式看出，在X軸的正向出現(xiàn)正

31、電荷，在軸的正向出現(xiàn)正電荷，在Y、Z軸軸方向則不出現(xiàn)電荷。方向則不出現(xiàn)電荷。Y+-X(a) FX=0P1P2P3FXXY+FX(b) FX0+-P1P2P374 可見，當晶體受到沿可見，當晶體受到沿X(電軸電軸)方向的力方向的力FX作用時，它在作用時，它在X方向產(chǎn)生正壓方向產(chǎn)生正壓電效應，而電效應，而Y、Z方向則不產(chǎn)生壓電效應。方向則不產(chǎn)生壓電效應。晶體在晶體在Y軸方向力軸方向力FY作用下的情作用下的情況與況與FX相似。由此可見，晶體在相似。由此可見，晶體在Y（即機械軸）方向的力（即機械軸）方向的力FY作用下，使它作用下，使它在在X方向產(chǎn)生正壓電效應，在方向產(chǎn)生正壓電效應，在Y、Z方向則不產(chǎn)生

32、壓電效應。方向則不產(chǎn)生壓電效應。 （P1+P2+P3）X0Y+-X-+FXFXP2P3P1+ 當晶體受到沿當晶體受到沿X方向的拉力（方向的拉力（FX0）作用時，其變化情況）作用時，其變化情況如圖（如圖（c）。此時電極矩的三個分量為）。此時電極矩的三個分量為在在X軸的正向出現(xiàn)負電荷，在軸的正向出現(xiàn)負電荷，在Y、Z方向則不出現(xiàn)電荷。方向則不出現(xiàn)電荷。75 a石英晶體結(jié)構(gòu)；石英晶體結(jié)構(gòu)；b、c、d、e壓電效應示意圖壓電效應示意圖石英晶體結(jié)構(gòu)及壓電效應石英晶體結(jié)構(gòu)及壓電效應 76 假設(shè)從石英晶體上切下一片平行六面體假設(shè)從石英晶體上切下一片平行六面體晶體切片，晶體切片，使它的晶面分別平行于使它的晶面分別

33、平行于X、Y、Z軸，并在垂直軸，并在垂直X軸方向兩面軸方向兩面用真空鍍膜或沉銀法得到電極面。用真空鍍膜或沉銀法得到電極面。 當晶片受到沿當晶片受到沿X軸方向的壓縮應軸方向的壓縮應力力XX作用時，晶片將產(chǎn)生厚度變形作用時，晶片將產(chǎn)生厚度變形，并發(fā)生極化現(xiàn)象。在晶體線性彈性，并發(fā)生極化現(xiàn)象。在晶體線性彈性范圍內(nèi)，范圍內(nèi)，極化強度極化強度PXX與應力與應力XX成正成正比比ZYXca垂直于電軸垂直于電軸X石英晶體切片石英晶體切片b77 沿方向施加作用力沿方向施加作用力x時，在與電軸垂直的表面上產(chǎn)生電荷時，在與電軸垂直的表面上產(chǎn)生電荷xx為：為： XXXFdQ11 式中式中d11石英晶體的縱向壓電系數(shù)石

34、英晶體的縱向壓電系數(shù) 在覆以金屬極面間產(chǎn)生的電壓為：在覆以金屬極面間產(chǎn)生的電壓為：XXXXXXXCFdCQu11 78 如果在同一切片上，沿機械軸Y方向施加作用力Fy時，則在與X軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷為：YXYFbadQ12 式中 d12石英晶體的橫向壓電系數(shù)。根據(jù)石英晶體的軸對稱條件可得d12=-d11,所以 YXYFbadQ11 產(chǎn)生電壓為： xYxXYXYCFbadCQu11 79 3.4.2 壓電陶瓷的壓電效應壓電陶瓷的壓電效應 當壓電陶瓷極化處理后，陶瓷材料內(nèi)部存有很強的剩余場極化。 當陶瓷材料受到外力作用時，電疇的界限發(fā)生移動，引起極化強度變化，產(chǎn)生了壓電效應。 經(jīng)極化處理的壓電陶

35、瓷具有非常高的壓電系數(shù)，約為石英晶體的幾百倍，但機械強度較石英晶體差。 80 3.4.2 壓電陶瓷的壓電效應壓電陶瓷的壓電效應 壓電陶瓷屬于鐵電體一類的物質(zhì)，是人工制造的多晶壓電材料，它具壓電陶瓷屬于鐵電體一類的物質(zhì)，是人工制造的多晶壓電材料，它具有類似鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)的電疇結(jié)構(gòu)。電疇是分子自發(fā)形成的區(qū)域，它有有類似鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)的電疇結(jié)構(gòu)。電疇是分子自發(fā)形成的區(qū)域，它有一定的極化方向，從而存在一定的電場。在無外電場作用時，各個電疇在一定的極化方向，從而存在一定的電場。在無外電場作用時，各個電疇在晶體上雜亂分布，它們的極化效應被相互抵消，因此原始的壓電陶瓷內(nèi)極晶體上雜亂分布，它們的極化效應被

36、相互抵消，因此原始的壓電陶瓷內(nèi)極化強度為零，見圖（化強度為零，見圖（a）。）。 直流電場E剩余極化強度剩余伸長電場作用下的伸長(a)極化處理前(b)極化處理中(c)極化處理后 81 但是，當把電壓表接到陶瓷片的兩個電極上進行測量時，卻無法測出但是，當把電壓表接到陶瓷片的兩個電極上進行測量時，卻無法測出陶瓷片內(nèi)部存在的極化強度。這是因為陶瓷片內(nèi)的極化強度總是以陶瓷片內(nèi)部存在的極化強度。這是因為陶瓷片內(nèi)的極化強度總是以電偶極電偶極矩矩的形式表現(xiàn)出來，即在陶瓷的一端出現(xiàn)正束縛電荷，另一端出現(xiàn)負束縛的形式表現(xiàn)出來，即在陶瓷的一端出現(xiàn)正束縛電荷，另一端出現(xiàn)負束縛電荷。由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的電極面

37、上吸附了一層來自外界的電荷。由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的電極面上吸附了一層來自外界的自由電荷。這些自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電荷符號相反而數(shù)量相等，它自由電荷。這些自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電荷符號相反而數(shù)量相等，它起著屏蔽和抵消陶瓷片內(nèi)極化強度對外界的作用。所以電壓表不能測出陶起著屏蔽和抵消陶瓷片內(nèi)極化強度對外界的作用。所以電壓表不能測出陶瓷片內(nèi)的極化程度，如圖。瓷片內(nèi)的極化程度，如圖。 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82 如果在陶瓷片上加一個與極化方向平行的壓力如果在陶瓷片上加一個與極化方向平行的壓力F，如圖，陶瓷片將產(chǎn)，如圖，陶瓷片將產(chǎn)生壓縮形

38、變（圖中虛線），片內(nèi)的正、負束縛電荷之間的距離變小，極化生壓縮形變（圖中虛線），片內(nèi)的正、負束縛電荷之間的距離變小，極化強度也變小。因此，原來吸附在電極上的自由電荷，有一部分被釋放，而強度也變小。因此，原來吸附在電極上的自由電荷，有一部分被釋放，而出現(xiàn)放電荷現(xiàn)象。當壓力撤消后，陶瓷片恢復原狀出現(xiàn)放電荷現(xiàn)象。當壓力撤消后，陶瓷片恢復原狀( (這是一個膨脹過程這是一個膨脹過程) )，片內(nèi)的正、負電荷之間的距離變大，極化強度也變大，因此電極上又吸附片內(nèi)的正、負電荷之間的距離變大，極化強度也變大，因此電極上又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。這種由機械效應轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?，或者由一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)

39、象。這種由機械效應轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?，或者由機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，就是正壓電效應。機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，就是正壓電效應。 極化方向正壓電效應示意圖（實線代表形變前的情況，虛線代表形變后的情況）F83 同樣，若在陶瓷片上加一個與極化方向相同的電場，如圖，由于電場同樣，若在陶瓷片上加一個與極化方向相同的電場，如圖，由于電場的方向與極化強度的方向相同，所以電場的作用使極化強度增大。這時，的方向與極化強度的方向相同，所以電場的作用使極化強度增大。這時，陶瓷片內(nèi)的正負束縛電荷之間距離也增大，就是說，陶瓷片沿極化方向產(chǎn)陶瓷片內(nèi)的正負束縛電荷之間距離也增大，就是說，陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生伸長形變（圖中虛線）。同

40、理，如果外加電場的方向與極化方向相反，生伸長形變（圖中虛線）。同理，如果外加電場的方向與極化方向相反，則陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生縮短形變。這種由于電效應而轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械效應或則陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生縮短形變。這種由于電效應而轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械效應或者由電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的現(xiàn)象，就是逆壓電效應。者由電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的現(xiàn)象，就是逆壓電效應。逆壓電效應示意圖（實線代表形變前的情況，虛線代表形變后的情況） 極 化方向電場方向84 由此可見，壓電陶瓷所以具有壓電效應，是由于陶瓷內(nèi)部存在由此可見，壓電陶瓷所以具有壓電效應，是由于陶瓷內(nèi)部存在自發(fā)極自發(fā)極化化。這些自發(fā)極化經(jīng)過極化工序處理而被迫取向排列后，陶瓷內(nèi)即存在剩。這些自

41、發(fā)極化經(jīng)過極化工序處理而被迫取向排列后，陶瓷內(nèi)即存在剩余極化強度。如果外界的作用（如壓力或電場的作用）能使此極化強度發(fā)余極化強度。如果外界的作用（如壓力或電場的作用）能使此極化強度發(fā)生變化，陶瓷就出現(xiàn)壓電效應。此外，還可以看出，陶瓷內(nèi)的生變化，陶瓷就出現(xiàn)壓電效應。此外，還可以看出，陶瓷內(nèi)的極化電荷是極化電荷是束縛電荷束縛電荷，而不是自由電荷，這些束縛電荷不能自由移動。所以在陶瓷中，而不是自由電荷，這些束縛電荷不能自由移動。所以在陶瓷中產(chǎn)生的放電或充電現(xiàn)象，是通過陶瓷內(nèi)部極化強度的變化，引起電極面上產(chǎn)生的放電或充電現(xiàn)象，是通過陶瓷內(nèi)部極化強度的變化，引起電極面上自由電荷的釋放或補充的結(jié)果。自由電

42、荷的釋放或補充的結(jié)果。85 當壓電陶瓷在極化面上受到沿極化方向（當壓電陶瓷在極化面上受到沿極化方向（Z向）的作用力向）的作用力Fz時（即作用時（即作用力垂直于極化面），則在兩個鍍銀（或金）的極化面上分別出現(xiàn)正負電荷，力垂直于極化面），則在兩個鍍銀（或金）的極化面上分別出現(xiàn)正負電荷，電荷量電荷量Qzz與力與力Fz成比例，即成比例，即 :ZZZZZFdQ式中式中 dzz壓電陶瓷的縱向壓電系數(shù)。壓電陶瓷的縱向壓電系數(shù)。 輸出電壓為輸出電壓為: 壓電陶瓷的壓電效應壓電陶瓷的壓電效應 ZZZZZZFCdu86 當沿當沿X軸方向施加作用力軸方向施加作用力Fx時，在鍍銀極化面上產(chǎn)生電荷時，在鍍銀極化面上產(chǎn)生

43、電荷Qzx為為: XXZZZXFSSdQ1 同理同理 YYZZZYFSSdQ2 式中的式中的dz1、dz2是壓電陶瓷在橫向力作用時的壓電系數(shù)，且是壓電陶瓷在橫向力作用時的壓電系數(shù)，且均為負值；均為負值； 電荷除以壓電陶瓷片電容電荷除以壓電陶瓷片電容Cz可得電壓輸出?？傻秒妷狠敵?。 87 3.4.3 壓電材料壓電材料種類種類：n壓電晶體，如石英等；壓電晶體，如石英等；n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；n壓電半導體，如硫化鋅、碲化鎘等。壓電半導體，如硫化鋅、碲化鎘等。 對壓電材料特性要求：對壓電材料特性要求： 轉(zhuǎn)換性能。轉(zhuǎn)換性能。 機械性能。機械性能。 電性能。電性

44、能。 環(huán)境適應性強。環(huán)境適應性強。 時間穩(wěn)定性。要求壓電性能不隨時間變化。時間穩(wěn)定性。要求壓電性能不隨時間變化。 88 （一）（一） 石英晶體石英晶體 石英（石英（SiO2）是一種具有良好壓電特性的壓電晶體。其介電常數(shù)和壓電）是一種具有良好壓電特性的壓電晶體。其介電常數(shù)和壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性相當好，在常溫范圍內(nèi)這兩個參數(shù)幾乎不隨溫度變化，系數(shù)的溫度穩(wěn)定性相當好，在常溫范圍內(nèi)這兩個參數(shù)幾乎不隨溫度變化，如下兩圖。如下兩圖。 由圖可見，在由圖可見，在20200范圍內(nèi)，溫度每升高范圍內(nèi)，溫度每升高1，壓電系數(shù)僅減少，壓電系數(shù)僅減少0.016。但是當?shù)健５钱數(shù)?73時，它完全失去了壓電特性，這就是它

45、的時，它完全失去了壓電特性，這就是它的居里點居里點。 1.000.990.980.970.960.9520406080100120140160180200dt/d20斜率：0.016/t石英的d11系數(shù)系數(shù)相對于20的d11溫度變化特性6543210100200300400500600t/相對介電常數(shù)居里點石英在高溫下相對介電常數(shù)相對介電常數(shù)的溫度特性89 石英晶體的突出優(yōu)點是性能非常穩(wěn)定，機械強度高，絕緣性能也相石英晶體的突出優(yōu)點是性能非常穩(wěn)定，機械強度高，絕緣性能也相當好。但石英材料價格昂貴，且壓電系數(shù)比壓電陶瓷低得多。因此一當好。但石英材料價格昂貴，且壓電系數(shù)比壓電陶瓷低得多。因此一般僅

46、用于般僅用于標準儀器標準儀器或要求較高的傳感器中?；蛞筝^高的傳感器中。 因為石英是一種各向異性晶體，因此，按不同方向切割的晶片，因為石英是一種各向異性晶體，因此，按不同方向切割的晶片，其物理性質(zhì)（如彈性、壓電效應、溫度特性等）相差很大。為了在設(shè)其物理性質(zhì)（如彈性、壓電效應、溫度特性等）相差很大。為了在設(shè)計石英傳感器時，根據(jù)不同使用要求正確地選擇石英片的切型。計石英傳感器時，根據(jù)不同使用要求正確地選擇石英片的切型。 90 天然形成的石英晶體外形天然形成的石英晶體外形91 天然形成的石英晶體外形（續(xù)）天然形成的石英晶體外形（續(xù)） 92 石英晶體切片及封裝石英晶體切片及封裝石英晶體薄片石英晶體薄片

47、雙面鍍銀并封裝雙面鍍銀并封裝93 石英晶體振蕩器（晶振）石英晶體振蕩器（晶振） 石英晶體在振蕩電路中工作石英晶體在振蕩電路中工作時，壓電效應與逆壓電效應交替時，壓電效應與逆壓電效應交替作用，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩輸出作用，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩輸出頻率。頻率。晶振晶振94 （二）（二） 壓電陶瓷壓電陶瓷 1 1、 鈦酸鋇壓電陶瓷鈦酸鋇壓電陶瓷 鈦酸鋇（鈦酸鋇（BaTiO3）具有很高的介電常數(shù)和較大的壓電系數(shù)（約為石英）具有很高的介電常數(shù)和較大的壓電系數(shù)（約為石英晶體的晶體的50倍）。不足之處是居里溫度低（倍）。不足之處是居里溫度低（120），溫度穩(wěn)定性和機械強），溫度穩(wěn)定性和機械強度不如石英晶體。度不

48、如石英晶體。2 2、 鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷（鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷（PZT） 鋯鈦酸鉛是由鋯鈦酸鉛是由PbTiO3和和PbZrO3組成的固溶體組成的固溶體Pb（Zr、Ti）O3。它與。它與鈦酸鋇相比，壓電系數(shù)更大，居里溫度在鈦酸鋇相比，壓電系數(shù)更大，居里溫度在300以上，各項機電參數(shù)受溫以上，各項機電參數(shù)受溫度影響小，時間穩(wěn)定性好。此外，在鋯鈦酸中添加一種或兩種其它微量元度影響小，時間穩(wěn)定性好。此外，在鋯鈦酸中添加一種或兩種其它微量元素（如鈮、銻、錫、錳、鎢等）還可以獲得不同性能的素（如鈮、銻、錫、錳、鎢等）還可以獲得不同性能的PZT材料。因此鋯材料。因此鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷是目前壓電式傳感器中應用最

49、廣泛的壓電材料。鈦酸鉛系壓電陶瓷是目前壓電式傳感器中應用最廣泛的壓電材料。 95 壓電陶瓷外形壓電陶瓷外形 96 無鉛壓電陶瓷及其換能器外形無鉛壓電陶瓷及其換能器外形 （上海硅酸鹽研究所研制）上海硅酸鹽研究所研制） 97 （四）（四）壓電半導體材料壓電半導體材料 如如ZnO、CdS 、ZnO 、CdTe，這種力敏器件具有靈敏度高，響應時間短，這種力敏器件具有靈敏度高，響應時間短等優(yōu)點。此外用等優(yōu)點。此外用ZnO作為表面聲波振蕩器的壓電材料，可測取力和溫度等作為表面聲波振蕩器的壓電材料，可測取力和溫度等參數(shù)。參數(shù)。（三）壓電聚合物（三）壓電聚合物 聚二氟乙烯（聚二氟乙烯（PVF2）是目前發(fā)現(xiàn)的壓

50、電效應較強的）是目前發(fā)現(xiàn)的壓電效應較強的聚合物薄膜聚合物薄膜，這種，這種合成高分子薄膜就其對稱性來看，不存在壓電效應，但是它們具有合成高分子薄膜就其對稱性來看，不存在壓電效應，但是它們具有“平面平面鋸齒鋸齒”結(jié)構(gòu)，存在抵消不了的結(jié)構(gòu)，存在抵消不了的偶極子偶極子。經(jīng)延展和拉伸后可以使分子。經(jīng)延展和拉伸后可以使分子鏈軸鏈軸成成規(guī)則排列，并在與分子軸垂直方向上產(chǎn)生規(guī)則排列，并在與分子軸垂直方向上產(chǎn)生自發(fā)極化偶極子自發(fā)極化偶極子。當在膜厚方向。當在膜厚方向加直流高壓電場極化后，就可以成為具有壓電性能的高分子薄膜。這種薄加直流高壓電場極化后，就可以成為具有壓電性能的高分子薄膜。這種薄膜有可撓性，并容易制

51、成大面積壓電元件。這種元件耐沖擊、不易破碎、膜有可撓性，并容易制成大面積壓電元件。這種元件耐沖擊、不易破碎、穩(wěn)定性好、頻帶寬。為提高其壓電性能還可以摻入壓電陶瓷粉末，制成混穩(wěn)定性好、頻帶寬。為提高其壓電性能還可以摻入壓電陶瓷粉末，制成混合復合材料合復合材料( (PVF2PZT) )。 98 高分子壓電薄膜及拉制高分子壓電薄膜及拉制 99 壓電式腳踏報警器壓電式腳踏報警器 100 3.4.4 壓電式傳感器的測量電路壓電式傳感器的測量電路壓電傳感器可等效為如圖壓電傳感器可等效為如圖 (a)所示的電壓源所示的電壓源,也可等效為一個電荷源，也可等效為一個電荷源，如圖如圖 (b)所示。所示。 壓電傳感器

52、電壓源與電荷源等效電路壓電傳感器電壓源與電荷源等效電路 101 壓電傳感器與測量電路連接時，還應考慮連接線路的分布電容壓電傳感器與測量電路連接時，還應考慮連接線路的分布電容Cc，放大電路的輸入電阻放大電路的輸入電阻Ri，輸入電容，輸入電容Ci及壓電傳感器的內(nèi)阻及壓電傳感器的內(nèi)阻Ra。 壓電傳感器實際等效電路壓電傳感器實際等效電路102 1.電壓放大器電壓放大器 壓電傳感器本身的內(nèi)阻抗很高，而輸出能量較小，因此它的測量壓電傳感器本身的內(nèi)阻抗很高，而輸出能量較小，因此它的測量電路通常需要接入一個高輸入阻抗的前置放大器。電路通常需要接入一個高輸入阻抗的前置放大器。電壓放大器（阻抗變換器）電壓放大器（

53、阻抗變換器） 電壓放大器等效電路圖電壓放大器等效電路圖 icamiCCCdFuaCcCiC放大器的輸出與、放大器的輸出與放大器的輸出與 ， ，有關(guān)，而與輸入信號的頻有關(guān)，而與輸入信號的頻率無關(guān)。率無關(guān)。 aCcCiC 103 電荷放大器電荷放大器 電荷放大器是一種輸出電壓與輸入電荷量成正比的放大器。電荷放大器是一種輸出電壓與輸入電荷量成正比的放大器。電荷放大器等效電路 ffoCQCAAQU)1 ( 電荷放大器的輸出電壓只與電荷放大器的輸出電壓只與反饋電容有關(guān)，而與連接電纜反饋電容有關(guān)，而與連接電纜無關(guān)。放大器的輸出靈敏度取無關(guān)。放大器的輸出靈敏度取決于決于 。fC104 3.4.5 壓電式傳感

54、器的應用壓電式傳感器的應用 1. YDS-7811. YDS-781型壓電式單向傳感器型壓電式單向傳感器 壓電測力傳感器的結(jié)構(gòu)通常為荷重墊圈式。圖示為壓電測力傳感器的結(jié)構(gòu)通常為荷重墊圈式。圖示為YDS-781型壓電式單向型壓電式單向傳感器結(jié)構(gòu)，它由底座、傳力上蓋、片式電極、石英晶片、絕緣件及電極引出傳感器結(jié)構(gòu)，它由底座、傳力上蓋、片式電極、石英晶片、絕緣件及電極引出插座等組成。插座等組成。1-傳力上蓋；傳力上蓋；2-壓電片；壓電片；3-片式電極；片式電極；4-電極引出插頭；電極引出插頭；5-絕緣材料；絕緣材料；6-底座底座YDS-781型壓電式單向力傳感器結(jié)構(gòu)型壓電式單向力傳感器結(jié)構(gòu)105 當

55、傳感器感受振動時，因為質(zhì)量塊相對被測體質(zhì)量較小，因此質(zhì)量塊感受與傳感當傳感器感受振動時，因為質(zhì)量塊相對被測體質(zhì)量較小，因此質(zhì)量塊感受與傳感器基座相同的振動，并受到與加速度方向相反的慣性力，此力器基座相同的振動，并受到與加速度方向相反的慣性力，此力Fma。同時慣性力作。同時慣性力作用在壓電陶瓷片上產(chǎn)生電荷為用在壓電陶瓷片上產(chǎn)生電荷為 運動方向21345縱向效應型加速度縱向效應型加速度傳感器的截面圖傳感器的截面圖2. 2. 壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器 其結(jié)構(gòu)一般有縱向效應型、橫向效應型和剪切效其結(jié)構(gòu)一般有縱向效應型、橫向效應型和剪切效應型三種?？v向效應是最常見的應型三種?？v向效應是最常見

56、的, ,如圖。壓電陶瓷如圖。壓電陶瓷4和和質(zhì)量塊質(zhì)量塊2為環(huán)型，通過螺母為環(huán)型，通過螺母3對質(zhì)量塊預先加載，使之對質(zhì)量塊預先加載，使之壓緊在壓電陶瓷上。測量時將傳感器基座壓緊在壓電陶瓷上。測量時將傳感器基座5與被測對象與被測對象牢牢地緊固在一起。輸出信號由電極牢牢地緊固在一起。輸出信號由電極1引出。引出。qd33Fd33ma106 3. 3. 用壓電式傳感器測表面粗糙度用壓電式傳感器測表面粗糙度 圖示為壓電式傳感器在輪廓儀上應用時的結(jié)構(gòu)示意圖。傳感器由驅(qū)動箱拖動使其圖示為壓電式傳感器在輪廓儀上應用時的結(jié)構(gòu)示意圖。傳感器由驅(qū)動箱拖動使其觸針在工件表面以恒速滑行。工件表面的起伏不平使觸針上下運動，

57、通過針桿使壓電觸針在工件表面以恒速滑行。工件表面的起伏不平使觸針上下運動，通過針桿使壓電晶體隨之變形，這樣，在壓電晶體表面就產(chǎn)生電荷，由引線輸出與觸針位移成正比的晶體隨之變形，這樣，在壓電晶體表面就產(chǎn)生電荷，由引線輸出與觸針位移成正比的電信號。電信號。 壓電式傳感器表面粗糙度測試示意圖壓電式傳感器表面粗糙度測試示意圖107 4. 4. 煤氣灶電子點火裝置煤氣灶電子點火裝置 煤氣灶電子點火裝置原理是利用高壓跳火來點燃煤氣。當使用者將開關(guān)往里壓時，煤氣灶電子點火裝置原理是利用高壓跳火來點燃煤氣。當使用者將開關(guān)往里壓時，把氣閥打開；將開關(guān)旋轉(zhuǎn)，則使彈簧往左壓；此時，彈簧有一很大的力撞擊壓電晶體，把氣

58、閥打開；將開關(guān)旋轉(zhuǎn)，則使彈簧往左壓；此時，彈簧有一很大的力撞擊壓電晶體，則產(chǎn)生高壓放電，導致燃燒盤點火。則產(chǎn)生高壓放電，導致燃燒盤點火。 在工程和機械加工中，壓電力傳感在工程和機械加工中，壓電力傳感器可用于測量各種機械設(shè)備及部件所受器可用于測量各種機械設(shè)備及部件所受的沖擊力。例如鍛造工作中的鍛錘、打的沖擊力。例如鍛造工作中的鍛錘、打夯機、打樁機、振動給料機的激振器、夯機、打樁機、振動給料機的激振器、地質(zhì)鉆機鉆探?jīng)_擊器、船舶、地質(zhì)鉆機鉆探?jīng)_擊器、船舶、 車輛碰撞車輛碰撞等機械設(shè)備沖擊力的測量，均可采用壓等機械設(shè)備沖擊力的測量，均可采用壓電力傳感器。電力傳感器。煤氣灶電子點火裝置煤氣灶電子點火裝置

59、108 優(yōu)點：優(yōu)點：測量范圍大、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、適應性強、動態(tài)響應時間測量范圍大、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、適應性強、動態(tài)響應時間短、易實現(xiàn)非接觸測量等。短、易實現(xiàn)非接觸測量等。 應用：應用：壓力、位移、厚度、加速度、液位、物位、濕度和成分含量等壓力、位移、厚度、加速度、液位、物位、濕度和成分含量等測量之中。測量之中。3.5 電容式傳感器及其應用電容式傳感器及其應用109 3.5.1 電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu) 用兩塊金屬平板作電極可構(gòu)成電容器，當忽略邊緣效應時，其電容用兩塊金屬平板作電極可構(gòu)成電容器，當忽略邊緣效應時，其電容C為為 S極板相對覆蓋面積；極板相對覆蓋

60、面積；極板間距離；極板間距離；r相對介電常數(shù)；相對介電常數(shù)；0 真空介電常數(shù)，真空介電常數(shù)，0 8.85p pF/m； 電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。SSSCr0 上式中，哪幾個參量是變量？可以做成哪幾種類型的電容傳感器？上式中，哪幾個參量是變量？可以做成哪幾種類型的電容傳感器？ 110 、S和和r中的某一項或幾項有變化時，就改變了電容中的某一項或幾項有變化時，就改變了電容C0?；蚧騍的的變化可以反映線位移或角位移的變化，也可以間接反映壓力、加速變化可以反映線位移或角位移的變化，也可以間接反映壓力、加速度等的變化；度等的變化；r的變化則可反映液面高度、材料厚度等的變化。的

61、變化則可反映液面高度、材料厚度等的變化。 三種基本類型：三種基本類型：l變極距變極距(變間隙變間隙)()型型l變面積型變面積型(S)型型l變介電常數(shù)變介電常數(shù)(r)型型111 1. 1. 變極距型電容傳感器變極距型電容傳感器 平行板電容器的平行板電容器的和和S不變，只改變電容器兩極板之間距離不變，只改變電容器兩極板之間距離d。該類型傳感器常用。該類型傳感器常用于壓力的測量。于壓力的測量。 設(shè)初始極距為，當動極板有位移，使極板間距減小值后，其電容值變大。設(shè)初始極距為，當動極板有位移，使極板間距減小值后，其電容值變大。C0為為初始電容值。初始電容值。)1(xdxCxdACooox2)(xdAdxd

62、CKox電容量電容量Cx與位移與位移x不是線性關(guān)系。其靈敏不是線性關(guān)系。其靈敏度不為常數(shù)度不為常數(shù) 112 為了提高傳感器靈敏度，減小非線性誤差，為了提高傳感器靈敏度，減小非線性誤差，實際應用中大都采用差動式結(jié)構(gòu)。實際應用中大都采用差動式結(jié)構(gòu)。 如圖示如圖示(1為動片、為動片、2為定片為定片)，中間電極若，中間電極若受力向上位移受力向上位移d，則，則C1容量增加，容量增加，C2容量減容量減小，兩電容差值為：小，兩電容差值為： 00000020021=+-+=-=ddCddCddCCCCCC 002=ddCC電容傳感器做成差動型后之后，靈敏度提高一倍。電容傳感器做成差動型后之后，靈敏度提高一倍。

63、 得到：得到：113 2. 2. 變面積型傳感器變面積型傳感器 變面積式差動電容結(jié)構(gòu)原理圖變面積式差動電容結(jié)構(gòu)原理圖 114 圖（圖（a）所示平板形位移）所示平板形位移x后，電容量由初始值變?yōu)椋汉?，電容量由初始值變?yōu)椋?0)-()-1(=CCaxdbxax電容量變化：電容量變化： 00-=-=CCCCaxx靈敏度為：靈敏度為： dbxCx-k=115 圓柱形電容式位移傳感器，圖（圓柱形電容式位移傳感器，圖（b），設(shè)內(nèi)外電極長度為），設(shè)內(nèi)外電極長度為L，起始，起始電容量為電容量為C0，動極向上位移，動極向上位移y后，電容量變?yōu)楹?，電容量變?yōu)镃y： 00-CCCLyy 電容量變化電容量變化 ：0-

64、=CCLyy 靈敏度為靈敏度為 ：LCyCyyk0-=116 對于角位移傳感器，圖（對于角位移傳感器，圖（c），設(shè)兩片極板全重合（），設(shè)兩片極板全重合（=0）時的電）時的電容量為容量為C0，動片轉(zhuǎn)動角度，動片轉(zhuǎn)動角度后，電容量變?yōu)椋汉?，電容量變?yōu)椋?0C-C=C 電容量變化：0-=CC 靈敏度為： CCk0-= 117 3. 3. 變介電常數(shù)式變介電常數(shù)式 在電容器兩極板間插入不同介質(zhì)，電容器的電容量就不同，利用這種原在電容器兩極板間插入不同介質(zhì)，電容器的電容量就不同，利用這種原理制作的變介電常數(shù)型電容式傳感器常被用來測量液體的液位和材料的厚度。理制作的變介電常數(shù)型電容式傳感器常被用來測量液體

65、的液位和材料的厚度。 電容液位計原理圖電容液位計原理圖 118 xxKhArrhrrhC)/ln()(2)/ln(2120120可見，傳感器電容量可見，傳感器電容量C C與被測液位高度與被測液位高度h hx x成線性關(guān)系。成線性關(guān)系。 )/ln(2120rrhA)/ln()(2120rrK119 3.5.2 電容式傳感器測量電路電容式傳感器測量電路1 1橋式電路橋式電路 單臂接法的橋式測量轉(zhuǎn)換電路。當交流電橋平衡時有：單臂接法的橋式測量轉(zhuǎn)換電路。當交流電橋平衡時有： 當當Cx改變時，改變時， ，有電壓信號輸出。圖，有電壓信號輸出。圖(b)為差動電容為差動電容式傳感器，其空載輸出電壓為：式傳感器

66、，其空載輸出電壓為： 321CCCCx0oU0oU120 電容式傳感器橋式轉(zhuǎn)換電路電容式傳感器橋式轉(zhuǎn)換電路 222121UCCUCCCCUoxxxxooCC 式中，式中， 為傳感器的初始電容值；為傳感器的初始電容值； 為傳感器的電容變化值。需要注意的是，為傳感器的電容變化值。需要注意的是，該轉(zhuǎn)換電路的輸出需經(jīng)過相敏檢波電路處理才能分辨。該轉(zhuǎn)換電路的輸出需經(jīng)過相敏檢波電路處理才能分辨。121 2. 2.調(diào)頻電路調(diào)頻電路 調(diào)頻電路將電容式傳感器作為調(diào)頻電路將電容式傳感器作為 LC 振蕩器諧振回路的一部分，當電容振蕩器諧振回路的一部分，當電容傳感器工作時，電容傳感器工作時，電容Cx 發(fā)生變化，就使振蕩器的頻率發(fā)生變化，就使振蕩器的頻率 f 產(chǎn)生相應的變化。產(chǎn)生相應的變化。01 5-22fL C122 3. 3. 脈沖調(diào)制電路脈沖調(diào)制電路 脈沖寬度調(diào)制電路是利用傳感器電容的充放電使電路輸出脈沖脈沖寬度調(diào)制電路是利用傳感器電容的充放電使電路輸出脈沖的寬度隨電容式傳感器的電容量變化而變化，通過低通濾波器得到的寬度隨電容式傳感器的電容量變化而變化，通過低通濾波器得到對應于被測量變化的直流信號。對應于