第5章-压电式传感器ppt课件.ppt

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1、第五章　压电式传感器第一节压电效应和压电材料第二节压电传感器的连接方式第三节、压电式传感器等效电路第四节压电式传感器的测量电路第五节压电式传感器的应用第一节压电效应和压电材料一、压电效应当某些物质沿其某一方向施加压力或拉力时、会产生变形，此时这种材料的两个表面特产生符号相反的电荷。当去掉外力后，它又重新回到不带电状态，这种现象被称为压电效应.反之．在某些物质的极化方向上施加电场，它会产生机械变形，当去掉外加电扬后，该物质的变形随之消失．把这种电能转变为机械能的现象，称为“逆压电效应”。由于压电转换元件具有自发电和可逆两种重要性能，加上它的

2、体积小、重量轻、结构简单、工作可靠、固有频率高、灵敏度和信嗓比高等优点，因此30多年来压电式传感器的应用获得飞跃的发展。利用正压电效应研制成压电电源、煤气炉和汽车发动机的自动点火装置等多种电压发生器，在测试技术个，压电转换元件是一种典型的力敏元件，能测量最终可变换为力的那些物理量，例如压力、加速度、机械冲击和振动等，因此在声学、力学、医学和宇航等广阔领域中都可见到压电式传感器的应用。正、逆压电效应的应用利用逆压电效应可制成多种超声波发生器和压电扬声器,如电子手表就要压电谐振器。利用正、逆压电效应可制成压电陀螺、压电线性加速度计、压电变压器

3、、声纳和压电声表面波器件等。更有意义的是：根据研究生物压电学的结果认识到生物都具有压电性，人的各种感觉器官实际上是生物压电传感器。如根据正压电效应治疗骨折，可加速疮愈，用逆压电效应，对骨头通电具有矫正畸形骨等功能。二、压电材料简介压电材料可以分为两大类：压电晶体和压电陶瓷.具有较好特性：具有较大的压电常数．机械性能优良(强度高，固有振荡频率稳定)，时间稳定性好，温度稳定性也很好等，所以它们是较理想的压电材料。1压电晶体常见压电晶体有天然和人造石英晶体。石英晶体，其化学成分为二氧化硅。2．压电陶瓷压电陶瓷是人造多晶系压电材料。常用的压电陶瓷

4、有钛酸钡、锆钛酸铅、铌酸盐系压电。1.石英晶体结晶形状是六角晶柱，它是一个正六面体，我们用直角坐标三个轴来表示：纵轴线z光轴穿过棱线且z轴的x轴电轴棱面的y轴力轴（机械轴）现象：沿电轴x方向施力，在x轴表面产生电荷纵向压电效应沿力轴y方向施力，也在x轴表面产生电荷横向压电效应沿光轴z方向施力，表面不产生电荷；若改变受力方向，表面极性也相应改变；分别使x、y方向都受压或受拉，极性也相反。2、压电陶瓷的压电现象压电陶瓷是人造多晶体，它的压电机理与石英晶体并不相同。压电陶瓷材料内的晶体有许多自发极化的电畴。在极化处理

5、以前．各晶粒内电畴任意方向排列，自发极化的作用相互抵消，陶瓷内极化强度为零，如图所示。压电陶瓷的极化在陶瓷上施加外电场时，电畴自发极化方向转到与外加电场方向一致，如图(b)所示。既然已极化，此时压电陶瓷具有一定极化强度。当外电场撤销后，各电畴的自发极化在一定程度上按原外加电场方向取向，陶瓷极化强度并不立即恢复到零．如图5—4(c)所示，此时存在剩余极化强度。同时陶瓷片极化的两端出现束缚电荷，一端为正，另一端为负，如图5—5所示。由于柬缚电荷的作用、在陶瓷片的极化两端很快吸附一层来自外界的自由电荷，这时束缚电荷与自由电荷数值相等，极性相反，

6、因此陶瓷片对外不呈现极性。图5-5束缚电荷和自由电荷排列的示意图如果在压电陶瓷片上加一个与极化方向平行的外力，陶瓷片产生压缩变形．片内的束缚电荷之间距离变小，电畴发生偏转、极化强度变小,因此，吸附其表面的自由电荷，有一部分被释放而呈现放电现象.这种因受力而产生的机械效应转变为电效应，将机械能转变为电能．就是压电陶瓷的正压电效应。放电电荷的多少与外力成正比例关系。即------压电陶瓷的压电系数；-------作用力。生物传感器技术应用领域及未来发展特点(一)Sensor有人把21世纪称为生命科学的世纪，也有人把21世纪称为信息科学的世纪。

7、生物传感器正是在生命科学和信息科学之间发展起来的一门交叉学科。生物传感器研究的全面展开是在20世纪80年代,20多年来发展迅速,在食品工业、环境监测、发酵工业、医学等方面得到了高度重视和广泛应用。生物传感器正进入全面深入研究开发时期，各种微型化、集成化、智能化、实用化的生物传感器与系统越来越多。1.食品工业生物传感器在食品分析中的应用包括食品成分、食品添加剂、有害毒物及食品鲜度等的测定分。食品成分分析：在食品工业中，葡萄糖的含量是衡量水果成熟度和贮藏寿命的一个重要指标。已开发的酶电极型生物传感器可用来分析白酒、苹果汁、果酱和蜂蜜中的葡萄糖

8、等。食品添加剂的分析：亚硫酸盐通常用作食品工业的漂白剂和防腐剂，采用亚硫酸盐氧化酶为敏感材料制成的电流型二氧化硫酶电极可用于测定食品中的亚硫酸含量。此外，也有用生物传感器测定色素和乳化剂的报道