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1、壓電器件壓電器件壓電器件壓電器件受力、表面形變受力、表面形變受力、表面形變受力、表面形變電荷電荷電荷電荷16-1 壓電效應(yīng)和壓電材料壓電效應(yīng)和壓電材料一、壓電效應(yīng)一、壓電效應(yīng)一、壓電效應(yīng)一、壓電效應(yīng) 某些晶體，在一定方向受到外力作用時(shí)，內(nèi)某些晶體，在一定方向受到外力作用時(shí)，內(nèi)部將產(chǎn)生極化現(xiàn)象，相應(yīng)地在晶體的兩個(gè)表面產(chǎn)部將產(chǎn)生極化現(xiàn)象，相應(yīng)地在晶體的兩個(gè)表面產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力作用除去時(shí)，又恢復(fù)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力作用除去時(shí)，又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)。當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷的極到不帶電狀態(tài)。當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷的極性也隨著改變，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。晶體受性也隨著改變，這種現(xiàn)象稱為壓電
2、效應(yīng)。晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)很多，如石英晶體、壓具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)很多，如石英晶體、壓電陶瓷、壓電半導(dǎo)體等。電陶瓷、壓電半導(dǎo)體等。21 1、正（順）壓電效應(yīng)、正（順）壓電效應(yīng)、正（順）壓電效應(yīng)、正（順）壓電效應(yīng)2 2、逆壓電效應(yīng)（電致伸縮）、逆壓電效應(yīng)（電致伸縮）、逆壓電效應(yīng)（電致伸縮）、逆壓電效應(yīng)（電致伸縮）壓電介質(zhì)壓電介質(zhì)壓電介質(zhì)壓電介質(zhì)正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)Q(E)Q(E)電能電能電能電能T(S)T(S)機(jī)械能機(jī)械能機(jī)械能機(jī)械能逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)3二、壓電材料簡(jiǎn)介二、壓電材料
3、簡(jiǎn)介二、壓電材料簡(jiǎn)介二、壓電材料簡(jiǎn)介壓電常數(shù)壓電常數(shù)壓電常數(shù)壓電常數(shù)彈性常數(shù)（剛度）彈性常數(shù)（剛度）彈性常數(shù)（剛度）彈性常數(shù)（剛度）介電常數(shù)介電常數(shù)介電常數(shù)介電常數(shù)機(jī)電耦合系數(shù)機(jī)電耦合系數(shù)機(jī)電耦合系數(shù)機(jī)電耦合系數(shù)電阻電阻電阻電阻居里點(diǎn)居里點(diǎn)居里點(diǎn)居里點(diǎn)壓電效應(yīng)強(qiáng)弱：靈敏度壓電效應(yīng)強(qiáng)弱：靈敏度壓電效應(yīng)強(qiáng)弱：靈敏度壓電效應(yīng)強(qiáng)弱：靈敏度固有頻率、動(dòng)態(tài)特性固有頻率、動(dòng)態(tài)特性固有頻率、動(dòng)態(tài)特性固有頻率、動(dòng)態(tài)特性固有電容、頻率下限固有電容、頻率下限固有電容、頻率下限固有電容、頻率下限機(jī)電轉(zhuǎn)換效率機(jī)電轉(zhuǎn)換效率機(jī)電轉(zhuǎn)換效率機(jī)電轉(zhuǎn)換效率泄漏電荷、改善低頻特性泄漏電荷、改善低頻特性泄漏電荷、改善低頻特性泄漏電荷、
4、改善低頻特性喪失壓電性的溫度喪失壓電性的溫度喪失壓電性的溫度喪失壓電性的溫度4常用壓電材料常用壓電材料常用壓電材料常用壓電材料5三、石英晶體的壓電特性三、石英晶體的壓電特性三、石英晶體的壓電特性三、石英晶體的壓電特性居里點(diǎn)居里點(diǎn)居里點(diǎn)居里點(diǎn)573573，六角晶系結(jié)構(gòu)，六角晶系結(jié)構(gòu)，六角晶系結(jié)構(gòu)，六角晶系結(jié)構(gòu)光軸光軸光軸光軸電軸電軸電軸電軸機(jī)械軸機(jī)械軸機(jī)械軸機(jī)械軸6 從從晶晶體體上上沿沿XYZXYZ軸軸線線切切下下一一片片平平行行六六面面體體的的薄薄片片稱稱為為晶晶體體切切片片。當(dāng)當(dāng)沿沿著著X X軸軸對(duì)對(duì)壓壓電電晶晶片片施施加加力力時(shí)時(shí)，將將在在垂垂直直于于X X軸軸的的表表面面上上產(chǎn)產(chǎn)生生電電
5、荷荷，這這種種現(xiàn)現(xiàn)象象稱稱為為縱縱向向壓壓電電效效應(yīng)應(yīng)。沿沿著著y y軸軸施施加加力力的的作作用用時(shí)時(shí)，電電荷荷仍仍出出現(xiàn)現(xiàn)在在與與X X軸軸垂垂直直的的表表面面上上，這這稱稱之之為為橫橫向向壓壓電電效效應(yīng)應(yīng)。當(dāng)當(dāng)沿沿著著Z Z軸軸方方向向受受力力時(shí)時(shí)不不產(chǎn)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。生壓電效應(yīng)?？v向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷為縱向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷為 q qx xd d1111f fx x 7橫向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷為橫向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷為 由上式可以看出，沿機(jī)械軸方向向晶片施加壓力由上式可以看出，沿機(jī)械軸方向向晶片施加壓力時(shí)，產(chǎn)生的電荷是與幾何尺寸有關(guān)的，式中的負(fù)號(hào)表時(shí)，產(chǎn)生的電荷是與幾何尺寸有關(guān)的，式中的負(fù)號(hào)
6、表示沿示沿Y軸的壓力產(chǎn)生的電荷與沿軸的壓力產(chǎn)生的電荷與沿X軸施加壓力所產(chǎn)生軸施加壓力所產(chǎn)生的電荷極性是相反的。的電荷極性是相反的。8x x軸方向受力：壓力軸方向受力：壓力軸方向受力：壓力軸方向受力：壓力x x軸方向受力：拉力軸方向受力：拉力軸方向受力：拉力軸方向受力：拉力y y軸方向受力：壓力軸方向受力：壓力軸方向受力：壓力軸方向受力：壓力y y軸方向受力：拉力軸方向受力：拉力軸方向受力：拉力軸方向受力：拉力9 石石英英晶晶體體的的每每一一個(gè)個(gè)晶晶體體單單元元中中，有有三三個(gè)個(gè)硅硅離離子子和和六六個(gè)個(gè)氧氧離離子子，正正負(fù)負(fù)離離子子分分布布在在正正六六邊邊形形的的頂頂角角上上，如如下下圖圖所所示
7、示。當(dāng)當(dāng)作作用用力力為為零零時(shí)時(shí)，正正負(fù)負(fù)電電荷荷相相互互平平衡衡，所所以以外部沒有帶電現(xiàn)象外部沒有帶電現(xiàn)象,而受力后破壞了平衡而受力后破壞了平衡,就帶電了。就帶電了。10四、壓電陶瓷的壓電現(xiàn)象四、壓電陶瓷的壓電現(xiàn)象四、壓電陶瓷的壓電現(xiàn)象四、壓電陶瓷的壓電現(xiàn)象人造多晶體：經(jīng)極化處理后的人工多晶鐵電體人造多晶體：經(jīng)極化處理后的人工多晶鐵電體人造多晶體：經(jīng)極化處理后的人工多晶鐵電體人造多晶體：經(jīng)極化處理后的人工多晶鐵電體電疇電疇電疇電疇未極化前：未極化前：未極化前：未極化前：不具壓電性不具壓電性不具壓電性不具壓電性撤銷外電場(chǎng)撤銷外電場(chǎng)撤銷外電場(chǎng)撤銷外電場(chǎng)加外電場(chǎng)加外電場(chǎng)加外電場(chǎng)加外電場(chǎng)E E11對(duì)
8、外不呈極性對(duì)外不呈極性對(duì)外不呈極性對(duì)外不呈極性加力加力加力加力F F：放電現(xiàn)象放電現(xiàn)象放電現(xiàn)象放電現(xiàn)象取消取消取消取消F F：充電現(xiàn)象充電現(xiàn)象充電現(xiàn)象充電現(xiàn)象機(jī)械能機(jī)械能機(jī)械能機(jī)械能 電能電能電能電能正壓電效應(yīng)：正壓電效應(yīng)：正壓電效應(yīng)：正壓電效應(yīng)：126-2 等效電路和測(cè)量電路等效電路和測(cè)量電路一、壓電晶片的連接方式一、壓電晶片的連接方式一、壓電晶片的連接方式一、壓電晶片的連接方式（1 1）并聯(lián)：）并聯(lián)：）并聯(lián)：）并聯(lián)：（2 2）串聯(lián)：）串聯(lián)：）串聯(lián)：）串聯(lián)：13二、壓電傳感器的等效電路二、壓電傳感器的等效電路二、壓電傳感器的等效電路二、壓電傳感器的等效電路只適宜動(dòng)態(tài)測(cè)量只適宜動(dòng)態(tài)測(cè)量只適宜動(dòng)
9、態(tài)測(cè)量只適宜動(dòng)態(tài)測(cè)量壓電晶片：壓電晶片：壓電晶片：壓電晶片：壓電傳感器：壓電傳感器：壓電傳感器：壓電傳感器：14壓電傳感器在實(shí)際測(cè)量壓電傳感器在實(shí)際測(cè)量壓電傳感器在實(shí)際測(cè)量壓電傳感器在實(shí)際測(cè)量系統(tǒng)中的等效電路系統(tǒng)中的等效電路系統(tǒng)中的等效電路系統(tǒng)中的等效電路15三、壓電傳感器的測(cè)量電路三、壓電傳感器的測(cè)量電路三、壓電傳感器的測(cè)量電路三、壓電傳感器的測(cè)量電路前置放大器的作用：前置放大器的作用：前置放大器的作用：前置放大器的作用：（1 1）放大）放大）放大）放大 （2 2）阻抗轉(zhuǎn)換）阻抗轉(zhuǎn)換）阻抗轉(zhuǎn)換）阻抗轉(zhuǎn)換電壓放大器電壓放大器電壓放大器電壓放大器電荷放大器電荷放大器電荷放大器電荷放大器1 1、電
10、壓放大器、電壓放大器、電壓放大器、電壓放大器16前置放大器輸入端電壓：前置放大器輸入端電壓：前置放大器輸入端電壓：前置放大器輸入端電壓：前置放大器輸入端電壓幅值前置放大器輸入端電壓幅值前置放大器輸入端電壓幅值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：輸入電壓與作用力間的相位差：輸入電壓與作用力間的相位差：輸入電壓與作用力間的相位差：17測(cè)量電路時(shí)測(cè)量電路時(shí)測(cè)量電路時(shí)測(cè)量電路時(shí)間常數(shù)間常數(shù)間常數(shù)間常數(shù)18輸入電壓與作用力間的相位差：輸入電壓與作用力間的相位差：輸入電壓與作用力間的相位差：輸入電壓與作用力間的相位差：19討論：討論：討論：討論：適合測(cè)量高頻交變力適合測(cè)量高頻交變力適合測(cè)
11、量高頻交變力適合測(cè)量高頻交變力202 2、電荷放大器、電荷放大器、電荷放大器、電荷放大器靈敏度靈敏度靈敏度靈敏度與電纜電容無關(guān)與電纜電容無關(guān)與電纜電容無關(guān)與電纜電容無關(guān)216-3 壓電傳感器的應(yīng)用壓電傳感器的應(yīng)用例例例例1 1：壓電式測(cè)力傳感器壓電式測(cè)力傳感器壓電式測(cè)力傳感器壓電式測(cè)力傳感器壓電式三向力傳感器壓電式三向力傳感器壓電式三向力傳感器壓電式三向力傳感器22例例例例2 2：打火機(jī)打火機(jī)打火機(jī)打火機(jī)23例例例例3 3：壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器電極結(jié)構(gòu)電極結(jié)構(gòu)電極結(jié)構(gòu)電極結(jié)構(gòu)預(yù)緊力預(yù)緊力預(yù)緊力預(yù)緊力24例例例例4 4：壓電引信：壓電引信：壓電引信：壓
12、電引信壓電陶瓷：彈丸起爆裝置壓電陶瓷：彈丸起爆裝置壓電陶瓷：彈丸起爆裝置壓電陶瓷：彈丸起爆裝置破甲彈破甲彈破甲彈破甲彈25例例例例5 5：壓電式加速度傳感器：壓電式加速度傳感器：壓電式加速度傳感器：壓電式加速度傳感器 重塊質(zhì)量重塊質(zhì)量重塊質(zhì)量重塊質(zhì)量 加速度加速度加速度加速度26例例例例6 6：汽車安全氣囊系統(tǒng)：汽車安全氣囊系統(tǒng)：汽車安全氣囊系統(tǒng)：汽車安全氣囊系統(tǒng)事故性碰撞：事故性碰撞：事故性碰撞：事故性碰撞：點(diǎn)火信號(hào)、電點(diǎn)火管、氣體發(fā)生劑、點(diǎn)火信號(hào)、電點(diǎn)火管、氣體發(fā)生劑、點(diǎn)火信號(hào)、電點(diǎn)火管、氣體發(fā)生劑、點(diǎn)火信號(hào)、電點(diǎn)火管、氣體發(fā)生劑、氣體、充氣、彈性體氣體、充氣、彈性體氣體、充氣、彈性體氣體、充氣、彈性體27例例例例7 7：壓電式血壓傳感器壓電式血壓傳感器壓電式血壓傳感器壓電式血壓傳感器例例例例8 8：指套式電子血壓計(jì)：指套式電子血壓計(jì)：指套式電子血壓計(jì)：指套式電子血壓計(jì)28例例例例9 9：玻璃破碎報(bào)警器：玻璃破碎報(bào)警器：玻璃破碎報(bào)警器：玻璃破碎報(bào)警器29例例例例1010：水深測(cè)量?jī)x：水深測(cè)量?jī)x：水深測(cè)量?jī)x：水深測(cè)量?jī)x30
課次5 壓電式傳感器
