昆明冶金高等专科学校《自动检测技术》第06章.ppt

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自动检测技术自动检测技术清华大学出版社出版清华大学出版社出版主编：

刘小波主编：

刘小波第第6章章压电式传感器压电式传感器本章要点本章要点u压电元件及其压电效应压电元件及其压电效应u压电式传感器的等效电路及测量电路压电式传感器的等效电路及测量电路u压电传感器的应用压电传感器的应用任务一任务一任务一任务一压电式金属加工切削力测量压电式金属加工切削力测量压电式金属加工切削力测量压电式金属加工切削力测量对对金金属属切切削削加加工工过过程程中中的的切切削削力力进进行行实实时时测测量量，是是研研究究切切削削机机理理的的基基本本实实验验手手段段和和主主要要研研究究方方法法。

通通过过对对实实测测的的切切削削力力进进行行分分析析处处理理，可可以以推推断断切切削削过过程程中中的的切切削削变变形形、刀刀具具磨磨损损、工工件件表表面面质质量量的的变变化化机机理理。

在在此此基基础础上上，可可进进一一步步为为切切削削用用量量优优化化，提提高高零零件件加加工工精精度度等等提提供供实实验验数数据据支持。

支持。

压电式刀具切削力测量示意图压电式刀具切削力测量示意图切削力测量实际工作状态切削力测量实际工作状态压压电电式式传传感感器器位位于于车车刀刀前前部部的的下下方方，它它如如同同一一把把普普通通的的外外圆圆车车刀刀，当当进进行行切切削削加加工工时时，切切削削力力通通过过刀刀具具传传递递给给压压电电陶陶瓷瓷元元件件。

压压电电传传感感器器将将切切削削力力转转换换为为电电荷荷信信号号经经电电荷荷放放大大器器输输出出，记记录录下下电电信信号号的的变变化化，便便测测得得切切削力的变化。

削力的变化。

6.1压电式传感器的工作原理压电式传感器的工作原理压压电电式式传传感感器器的的工工作作原原理理是是基基于于某某些些物物质质的的压压电电效效应应，它它是是一一种种典典型型的的有有源源传传感感器器，即即自自发发电电式式传传感感器器。

压压电电式式传传感感器器是是力力敏敏感感元元件件，可可以以测测量量最最终终能能转转换换为为力力的的物物理理量量，例例如如动动态态力力、动动态态压压力力、振振动动、加加速速度度等等，但但不不能能用用于于静态参数的测量。

静态参数的测量。

各种类型的压电式传感器各种类型的压电式传感器6.1.1压电效应压电效应某某些些电电介介质质，在在一一定定方方向向受受到到压压力力或或拉拉力力作作用用而而发发生生变变形形时时，内内部部将将产产生生极极化化现现象象，其其表表面面上上会会产产生生符符号号相相反反的的电电荷荷，当当外外力力去去掉掉时时，又又重重新新恢恢复复到到不不带带电电的的状状态态，这这种现象称为压电效应。

种现象称为压电效应。

相相反反，在在电电介介质质极极化化方方向向施施加加电电场场，这这些些电电介介质质就就在在一一定定方方向向产产生生机机械械变变形形或或应应力力，当当外外电电场场撤撤除除，变变形形或或应应力力也也随随之之消消失失，这这种种现现象象称称为为逆逆压压电电效效应应，又又称称为为电电致致伸缩效应伸缩效应。

人们把这种机械能转变成电能的现象称为正压电效应。

人们把这种机械能转变成电能的现象称为正压电效应。

6.1.2石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应天然石英晶体天然石英晶体石英晶体切片及封装石英晶体切片及封装石英晶体薄片石英晶体薄片双面镀银并封装双面镀银并封装石英晶体振荡器（晶振）石英晶体振荡器（晶振）石石英英晶晶体体在在振振荡荡电电路路中中工工作作时时，压压电电效效应应与与逆逆压压电电效效应交替作用，从而产生稳定的振荡输出频率。

应交替作用，从而产生稳定的振荡输出频率。

晶体的外形晶体的外形坐标系坐标系切片切片从从晶晶体体上上沿沿xyz轴轴线线切切下下的的一一片片平平行行六六面面体体的的薄薄片片称称为为晶晶体体切切片片。

它它有有3个个晶晶轴轴，其其中中z轴轴与与晶晶体体纵纵向向轴轴一一致致，称称为为光光轴轴。

x轴轴通通过过两两个个相相对对的的棱棱线线，称称为为电电轴轴。

垂垂直直于于此此轴轴的的晶晶面面上上有有最最强强的的压压电电效效应应。

垂垂直直于于xOz平平面面的的y轴轴为为机机械械轴轴，在在电电场场作作用用下下，y轴轴方方向向有有最最明明显显的的机机械械变变形。

它的形。

它的6个面分别垂直于光轴、电轴和机械轴。

个面分别垂直于光轴、电轴和机械轴。

1.纵向压电效应纵向压电效应当当沿沿着着x轴轴对对晶晶片片施施加加力力Fx时时，将将在在x面面上上产产生生电电荷荷Qx，它它产产生生的的电电荷荷量量Qx正正比比于于作作用用力力Fx，与与晶晶体体切切面面尺尺寸寸无关，其大小为无关，其大小为2.横向压电效应横向压电效应若若在在同同一一切切片片上上，沿沿着着y轴轴施施加加力力Fy时时，电电荷荷Qy仍仍出出现现在在x面面上上，产产生生的的电电荷荷与与作作用用力力的的大大小小成成正正比比，与与晶晶片片尺寸有关。

其大小为尺寸有关。

其大小为电荷电荷Qx和和Qy的符号是由受压力还是受拉力所决定。

的符号是由受压力还是受拉力所决定。

（a）x轴方向受压力轴方向受压力（b）x轴方向受拉力轴方向受拉力（c）y轴方向受压力轴方向受压力（d）y轴方向受拉力轴方向受拉力晶体切片上电荷极性与受力方向的关系晶体切片上电荷极性与受力方向的关系3.石英晶体压电效应的产生机理石英晶体压电效应的产生机理未受力的石英晶体未受力的石英晶体受受y向压力时的石英晶体向压力时的石英晶体受受x向压力时的石英晶体向压力时的石英晶体当当石石英英晶晶体体未未受受外外力力作作用用时时，正正、负负离离子子正正好好分分布布在在正正六边形的顶角上。

六边形的顶角上。

此此时时，正正、负负电电荷荷中中心心重重合合。

这这时时晶晶体体表表面面不不产产生生电电荷荷，整个石英晶体从整体上说不呈现带电现象。

整个石英晶体从整体上说不呈现带电现象。

当晶体沿当晶体沿x轴方向受到压力时，晶格产生压缩变形轴方向受到压力时，晶格产生压缩变形。

硅硅离离子子的的正正电电荷荷中中心心上上移移，氧氧离离子子的的负负电电荷荷中中心心下下移移，正正负负电电荷荷中中心心分分离离，造造成成上上表表面面带带了了正正电电荷荷，下下表表面面带带了了负负电电荷荷而而形形成成电电场场。

反反之之，如如果果受受到到拉拉力力作作用用时时，则则上上下下表表面面出出现现电电荷荷的的极极性性正正好好相相反反。

如如果果受受到到的的是是交交变变力力，则则在在x面面的的上上下下表表面面间间将将产产生生交交变变电电场场。

如如果果在在x上上下下表表面面镀镀上银电极，就能测出所产生电荷的大小上银电极，就能测出所产生电荷的大小。

当晶体的当晶体的y轴方向受到压力时，也会产生晶格变形轴方向受到压力时，也会产生晶格变形。

正正、负负电电荷荷中中心心不不重重合合。

硅硅离离子子的的正正电电荷荷中中心心下下移移，氧氧离离子子的的负负电电荷荷中中心心上上移移，则则在在上上下下表表面面出出现现的的电电荷荷。

施施加加拉拉力力时时，上上下下表表面面出出现现电电荷荷的的极极性性相相反反。

这这个个过过程程恰好与恰好与x轴方向受压力时的情况相反。

轴方向受压力时的情况相反。

当当沿沿z轴轴施施加加作作用用力力时时，由由于于正正负负离离子子平平移移，故故在在表表面面没有电荷出现。

因此沿没有电荷出现。

因此沿z轴方向不产生压电效应。

轴方向不产生压电效应。

4.性能特点性能特点压电常数小，时间和温度稳定性好；压电常数小，时间和温度稳定性好；机机械械强强度度和和品品质质因因数数高高，刚刚度度大大，固固有有频频率率高高，动动态态特性好；特性好；重复性、绝缘性好。

对于天然石英上述性能尤佳重复性、绝缘性好。

对于天然石英上述性能尤佳。

6.1.3压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应压压电电陶陶瓷瓷是是人人工工制制造造的的多多晶晶压压电电材材料料，在在未未进进行行极极化化处处理理时时，不不具具有有压压电电效效应应；经经过过极极化化处处理理后后，压压电电陶陶瓷瓷的的压压电电效效应应非非常常明明显显，具具有有很很高高的的压压电电系系数数，是是石石英英晶体的几百倍。

晶体的几百倍。

为为了了使使压压电电陶陶瓷瓷具具有有压压电电效效应应，必必须须进进行行极极化化处处理理。

极极化化处处理理就就是是在在一一定定温温度度下下对对压压电电陶陶瓷瓷施施加加强强直直流流电电场场，使使电电畴畴规规则则排排列列，从从而而使使得得压压电电陶陶瓷瓷具具有有压压电电性性能能的的过过程。

程。

经经过过极极化化处处理理的的压压电电陶陶瓷瓷，在在极极化化电电场场去去除除后后，电电畴畴方方向向基基本本不不变变，留留下下了了很很强强的的剩剩余余极极化化。

极极化化过过的的压压电电陶陶瓷瓷受受外外力力作作用用时时，其其表表面面能能产产生生电电荷荷，所所以以压压电电陶陶瓷也具有压电效应。

瓷也具有压电效应。

6.2压电材料及压电元件的结构压电材料及压电元件的结构6.2.1压电材料压电材料应应用用于于压压电电式式传传感感器器中中的的压压电电材材料料主主要要有有两两种种：

一一种种是是压压电电晶晶体体，如如石石英英等等；另另一一种种是是压压电电陶陶瓷瓷，如如钛钛酸酸钡钡、锆锆钛钛酸酸铅铅等等。

选选取取合合适适的的压压电电材材料料是是压压电电式式传传感感器器的关键。

的关键。

转换性能。

要求具有较大的压电常数；转换性能。

要求具有较大的压电常数；机械性能。

压电元件作为受力元件，压电材料应该机械强机械性能。

压电元件作为受力元件，压电材料应该机械强度高、机械刚度大，并具有较高的固有振动频率；度高、机械刚度大，并具有较高的固有振动频率；电电性性能能。

应应该该具具有有高高电电阻阻率率和和大大介介电电常常数数，以以期期减减少少电电荷荷的泄漏以及外部分布电容的影响，获得良好的低频特性；的泄漏以及外部分布电容的影响，获得良好的低频特性；环境适应性强。

温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的环境适应性强。

温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的居里点，以获得较宽的工作温度范围；居里点，以获得较宽的工作温度范围；时间稳定性。

要求压电性能不随时间变化时间稳定性。

要求压电性能不随时间变化。

考虑以下主要特性进行选择考虑以下主要特性进行选择1.压电材料的外形压电材料的外形（a）石英晶体石英晶体（b）压电陶瓷压电陶瓷（c）高分子压电薄高分子压电薄膜膜2.石英晶体石英晶体石石英英是是一一种种具具有有良良好好压压电电特特性性的的压压电电晶晶体体，有有天天然然和人工培养两种类型和人工培养两种类型。

它它的的介介电电常常数数和和压压电电系系数数的的温温度度稳稳定定性性相相当当好好，在在常常温温范范围围内内这这两两个个参参数数几几乎乎不不随随温温度度变变化化，性性能能非非常常稳稳定，机械强度高，绝缘性能也相当好。

定，机械强度高，绝缘性能也相当好。

3.压电陶瓷压电陶瓷压压电电陶陶瓷瓷由由于于具具有有很很高高的的压压电电系系数数，具具有有烧烧制制方方便便、耐耐湿湿、耐耐高高温温、易易于于成成形形等等特特点点，因因此此在在压压电电式式传传感感器器中中应用最广泛。

应用最广泛。

（1）钛酸钡压电陶瓷钛酸钡压电陶瓷

（2）锆钛酸铅系压电陶瓷锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT）主要有：

主要有：

4压电半导体压电半导体有有些些晶晶体体既既具具有有半半导导体体特特性性又又同同时时具具有有压压电电性性能能，如如ZnS、CaS、GaAs等等。

因因此此既既可可利利用用它它的的压压电电特特性性研研制制传传感感器器，又又可可利利用用半半导导体体特特性性以以微微电电子子技技术术制制成成电电子子器器件件。

将将两两者者结结合合起起来来，研研制制成成集集转转换换元元件件和和电电子子线线路路为为一一体体的的新新型型集集成成压压电电传传感感器器测测试试系系统统。

它它的的应应用用前前景景非常好。

非常好。

5.高分子压电材料高分子压电材料某某些些合合成成高高分分子子聚聚合合物物薄薄膜膜经经延延展展拉拉伸伸和和电电场场极极化化后后，具具有有一一定定的的压压电电性性能能，这这类类薄薄膜膜称称为为高高分分子子压压电电薄薄膜膜。

目目前前出出现现的的压压电电薄薄膜膜有有聚聚