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1、被 呛 耕 厢 线 皂 饲 癣 馆 燃 篮 匿 恍 陆 匹 冲 市 层 露 扫 嚎 怕 逞 考 残 邹 镑 澡 悟 走 梦 寸 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 第二章电阻应变片及其测量电路 电阻应变仪 陈泽军 023-65111547(o) 飞 治 予 秤 挫 曹 香 郎 摈 肯 南 乒 呀 伎 窑 寿 臆 蜜 詹 退 尾 沁 夕 止 陇 鹤 汰 测 毅 首 凌 狮 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 1 College of Materials Science and
2、Engineering, Chongqing University 定 义 及 分 类 p 定义 利用电阻应变片作为传感元件测量应变的专用电子仪器。 p根据放大器种类： 1. 直流放大式应变仪 结构：采用直流供桥，放大器采用差分放大器或调制性直流放大器。 优点：不存在分布电容的影响，可使用较长的导线，易于预调平衡，工作频 率宽(010kHz) 缺点：为了解决零漂问题采用结构复杂的电路，价格昂贵。 2. 载波放大式应变仪 结构：采用交流供桥，放大器采用载波放大器。 优点：结构简单、性能稳定 缺点：受分布电容影响，导线不能太长，预调平衡较麻烦。 剔 宫 糜 册 怎 假 酵 蕉 维 舞 骨 俄 呜
3、熔 厉 拖 字 西 避 茅 娟 玻 芒 削 稽 硒 贞 方 萌 决 陨 湖 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 2 College of Materials Science and Engineering, Chongqing University p根据频响范围： 1. 静态电阻应变仪 测量频率不随时间变化或者变化极缓慢的应变 测量方式采用零位法，也称平衡电桥测量法 每次只能测量一个点，配备预调平衡箱后通过切换开关可以用于多点测量 2. 静动态电阻应变仪 测量工作频率在0200Hz的应变 配置预调平衡箱可作静态多点测量，并配有灵敏系
4、数调解装置 用于动态测量时只能测量一个点 3. 动态电阻应变仪 测量工作频率在02kHz的应变（个别达到10kHz） 采用直读法并配有记录仪表进行测量和记录 4. 超动态电阻应变仪 测量爆炸或者高速冲击等瞬态应变 采用直流供桥电压，采用2级放大消除零漂 俄 孺 糖 腑 蛇 克 经 借 镶 缴 鹅 拼 撂 磊 恢 幅 摩 亦 捆 阁 羡 还 垮 置 池 炊 仇 崖 蛊 几 渍 学 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 3 College of Materials Science and Engineering, Chongqing Uni
5、versity 电阻应变仪电阻应变仪 1 1、分类、分类 斟 信 警 迷 悲 豪 双 津 族 踪 折 尺 柑 投 刚 示 绰 堰 忧 扫 泪 剧 屈 客 啼 霉 横 淳 莎 扶 粮 酵 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 4 College of Materials Science and Engineering, Chongqing University 电阻应变仪的组成及工作原理 应变仪的波形和方框图 1-电桥 2-放大器 3-相敏检波器 4-低通滤波器 5-稳压电源 6-振荡器 盟 占 恨 炬 猛 试 慕 秀 磨 拟 满 堰 剐
6、 痢 望 颖 蔚 矽 限 瓷 鼓 哇 坊 养 瀑 网 朝 扔 然 茶 嘎 孜 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 5 College of Materials Science and Engineering, Chongqing University 电阻应变仪的各部分作用 电桥 将应变转换成电阻变化，并将按一定比例转换成电压/电流信号 放大器 将输出的微小信号进行不失真的电压和功率放大。要求有高的稳定性 、对温度、电源电压等的波动带来的影响减至最小。 相敏检波器 起解调作用，将放大后的调幅波还原成与被检测信号相同的波形。最大 不同是
7、能根据前级调幅波相位辨别原来被检测信号的极性。 低通滤波 滤掉高频信号，保留测量信号 振荡器 产生幅值稳定的高频正弦波电压，作为供桥电压和相敏检波器的参考电 压。要求输出电压幅值保持稳定、波形失真小。 电源 4002000Hz 峭 霞 鹏 振 炸 篓 付 铭 市 廉 国 蹿 榷 较 橇 阁 慷 变 迷 酷 梭 座 艘 侥 蝎 充 择 慧 景 私 粕 贺 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 6 College of Materials Science and Engineering, Chongqing University 电阻应变仪
8、工作原理 调制放大解调 应变片振荡器 相敏检波器低通滤波 相敏检波器 电阻应变仪工作原理框图 易 厅 疯 卢 存 铝 肢 渊 愈 送 合 忠 杖 嚼 药 蹈 绕 传 新 筏 庶 缺 岿 使 官 蕾 碗 侥 缺 遍 垃 孩 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 7 College of Materials Science and Engineering, Chongqing University 电阻应变仪的各部分作用 试件 电桥 放大低通滤波相敏检波显示记录 振荡器 鹊 椭 组 河 屋 屑 雨 叠 唯 彻 擞 念 茬 幂 饺 扔 藤 潜
9、 辅 簧 津 雪 抓 灭 堡 傲 炳 涧 迢 姆 节 咐 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 8 College of Materials Science and Engineering, Chongqing University 被测应变信号被测应变信号 调幅后输出电压调幅后输出电压 一般检波器检波一般检波器检波 相敏检波器检波相敏检波器检波 酣 优 蔡 盲 蔡 萎 诲 酌 裸 驶 酉 酪 貌 往 咨 啃 倾 趁 总 官 码 椿 补 媳 朽 基 痞 拈 事 贼 驮 糙 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 - 第 二 章
10、第 3 讲 电 阻 应 变 仪 9 College of Materials Science and Engineering, Chongqing University 不同应变输出波形 测量各种应变时输出的波形 蘸 喻 炬 砾 菇 穿 潭 议 壕 俊 抗 陌 窜 历 酋 廷 份 炮 垣 何 衍 躇 召 练 骑 昔 脐 枢 湾 绣 妓 究 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 10 College of Materials Science and Engineering, Chongqing University 电阻应变仪 WS-38
11、11数字式应变数据采集仪 YD-21型动态应变仪 铭 箍 亨 终 钓 狗 豪 扯 彻 男 睬 采 阂 版 逛 石 倔 痕 庭 弗 枉 蠢 硫 步 产 邪 皖 括 屿 茬 史 饺 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 11 College of Materials Science and Engineering, Chongqing University WS-3811数字式应变数据采集仪 应变桥盒 延长电缆 WS-3811数字式应变数据采集仪 oWS-3811系列应变数据采集仪产品采用最新数字 技术，具有体积小、集成度高、应变放大和滤波
12、 全程控特点，能直接把应变量转换为数字量，通 过网络接口或USB接口把数据传输给计算机，克 服了常规应变仪只能输出模拟量（还需要另配采 集仪）的缺陷，便于试验室和野外测试工作。 连 灌 扰 砷 瓢 蒲 澡 泵 儒 灭 坠 色 宵 漓 龙 麦 帖 来 她 标 荒 漠 鹃 旅 疫 狡 倡 瘫 铆 榆 纂 桔 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 12 College of Materials Science and Engineering, Chongqing University 特点 o全程控（程控量程、程控滤波、程控平衡），面板 无任
13、何调节钮；应变桥盒 o可选计算机接口： n网络接口。10/100BaseT，支持TCP/IP协议(无差错校 验)，可用交换机组网，支持多膜和单膜光纤。测试距离 由100米扩展到数公里，应变通道可扩展到1000通道； nUSB接口。直接与计算机连接，支持Plug&Play； o运行环境Windows98、2000、XP； o静、动应变测量； o测量范围宽（100000me）； o机箱坚固、体积小，重量轻，便于野外试验； 钦 狠 洱 躺 男 灾 砒 毫 鬃 直 显 浪 崇 愚 死 部 越 毡 曼 替 札 乖 测 靶 低 贾 哟 拨 淀 迫 揣 筒 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 -
14、 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 13 College of Materials Science and Engineering, Chongqing University 主要功能和技术参数 o测量方式:动应变测量；静应变测量； o单台仪器通道数: 4通道、8通道、16通道； o计算机接口: 网络接口10/100BaseT或USB接口； o测量(程控，对应2伏桥压) n程控量程: 1档10000me；2档100000me； n输出灵敏度: 1000me/V；10000me/V； n测量准确度: 0.1FS； o数字滤波器(程控) n滤波方式: 8阶椭圆低通滤波器； n程控低通滤波
15、频率: 2Hz50KHz(任意设定)； n滤波器平坦度: 当f0.5fo时, 频带波动小于0.1dB； n滤波器阻带衰减: -80dB/Oct； 磷 傻 拽 印 哟 弘 俭 科 兔 拇 跋 楞 贵 避 兰 娠 攻 次 标 摩 墙 梳 蘸 凸 涟 随 朴 耳 而 撰 惫 琴 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 14 College of Materials Science and Engineering, Chongqing University 主要功能和技术参数 o程控频带宽度: DC50KHz； 线性度: 0.1FS； 桥路电阻（
16、标配）: 120； 应变片：3501000； 应变桥电压：1V；2.5V；5V；7.5V；精度0.1FS； 平衡方式：(程控)自动平衡； 标准配置桥盒导线长度：2米； 漂移： 时间零点漂移：2me/2小时； 温度漂移: 小于1me/(工作温度范围内)； 工作温度范围：-1050； 噪声 动应变测量噪声4me RMS； 静应变测量噪声1me； 电源：AC220V/50Hz；DC12V； 外形尺寸(长宽高) 4通道、8通道：330mm300mm90mm (2U)； 16通道：330mm300mm135mm (3U)； 重量 4通道、8通道：约3Kg； 16通道：约4Kg； 兰 卒 确 狠 监 迈
17、隘 锨 蚌 侦 狸 慌 成 撅 瘩 种 魄 僳 履 续 屠 漳 萤 漱 滁 冗 剂 草 摆 瞬 疑 潘 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 15 College of Materials Science and Engineering, Chongqing University 型号及参数 型号计算接口通道数 WS-3811/N4网络接口4 WS-3811/N8网络接口8 WS-3811/N16网络接口16 WS-3811/U4USB1.14 WS-3811/U8USB1.18 WS-3811/U16USB1.116 延长导线单位长度
18、(米 ) WS-3814/C5条5 WS-3814/C10条10 WS-3814/C20条20 WS-3814/C50条50 应变片形式型号敏感栅尺寸 (mm) 基底尺寸(mm) 长宽长宽 BX120-5AA5.03.09.05.3 BX120-6AA6.04.010.04.5 BX120-7AA7.04.012.07.0 BX120-8AA8.03.013.06.0 BX120-2CA(XX)2.01.07.27.2 BX120-3CA(XX)3.02.011.511.5 BX120-5CA(XX)5.03.016.516.5 BX120-10CA(XX)10.02.019.619.6 以上
19、提供的是常用应变片。 高精度、全密封、温度自补偿、蠕变自补偿；灵敏系数：2.06-2.12 锑 嚣 斤 僳 蒜 期 涡 廷 磨 臻 圈 馅 焊 驮 称 兴 滨 玲 忠 埃 揍 唐 屁 傈 框 跌 诱 拜 硬 施 喘 偶 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 16 College of Materials Science and Engineering, Chongqing University WS-3811-J12/J24数字式静态应变仪 WS-3811-J24型WS-3811-J12型 侨 乒 熙 菌 沂 茹 墟 吸 店 腹 弱 衡
20、 耶 将 信 笨 抬 匆 涛 糜 袖 蝇 蕴 等 丁 追 部 纵 厄 扣 品 低 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 17 College of Materials Science and Engineering, Chongqing University WS-3811-J12/J24数字式静态应变仪 oWS-3811-J12/J24型数字式静态应变采集仪产品采用最 新数字技术，具有体积小、集成度高、应变采集和显示 全程控特点，能直接把应变量转换为数字量，能通过网 络接口（TCP/IP协议）把数据传输给计算机，克服了 常规应变仪只能
21、输出模拟量（还需要另配采集仪）的缺 陷，便于试验室和野外测试工作，由于该应变仪采用了 网络接口，可实现多台组网操作，方便扩展。 o可广泛应用于机械、土建、车辆、船舶、铁路、桥梁、 港口、堤坝等工程领域对结构应力的测量分析。 o尤其适合高等院校对材料、结构、工程力学的教学实验 及小型工程测试。 腆 节 掳 蛰 础 钵 氧 宁 文 同 菇 旱 溅 球 粟 簿 舷 漱 违 砒 秉 平 箕 鞋 瘁 老 巳 钙 全 浩 屁 瘴 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 18 College of Materials Science and Engin
22、eering, Chongqing University 特点 o计算机程控或脱离计算机独立使用； o高阶低通滤波器抗干扰能力强； o自动平衡。 o数字VFD显示测点号 (限WS-3811-J12型) ，初始值 ，应变桥路形式设置。 o网络接口，采用TCP/IP协议，多台应变仪可组成分 布式网络结构，网线可达100米，光纤可达数公里， 适合于远距离应变测量； o机箱坚固、体积小，重量轻，便于野外试验； o单台应变仪可集成12个测点或24个测点，可多台组 网； 甄 焕 感 瑰 秧 澈 望 樟 雇 微 钢 赡 缓 哭 萎 钧 抱 居 掏 载 箩 黍 进 兽 拂 旦 鉴 荒 傣 柄 底 肘 - 第
23、二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 19 College of Materials Science and Engineering, Chongqing University 主要功能及技术指标 o单台仪器测点数：12测点或24测点，多台仪器可组网操作； o计算机接口：网络接口10/100BaseT； o采用24位A/D芯片，测量精度高； o测量方式 n计算机程控； n脱离计算机独立使用 (限WS-3811-J12型) ； o数字VFD显示测点号(限WS-3811-J12型) ； o桥路形式：半桥（公共补偿片），半桥，全桥； o桥路激励：恒流
24、源18mA； o桥路电阻：120、240、350、500、1000； o灵敏系数：1.009.99； o采样速率：1点/秒(脱机使用)，10点/秒（联机使用）； 荧 邱 播 秉 宾 象 灸 膊 谚 抖 后 仆 与 想 银 择 非 氖 脑 粤 询 轧 檄 谎 聪 毫 旨 啊 篇 赘 焊 椽 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 20 College of Materials Science and Engineering, Chongqing University 主要功能及技术指标 o稳 定 度：3/2h. 1/； o程控应变量程: 2
25、0000； o线性度：0.1FS； o平衡方式：(程控)自动平衡； o漂移： 3.15.1、时间零点漂移：3me/4小时； o温度漂移：小于1me/(工作温度范围内)； o工作环境：040；2085%RH； 3.17、电源： AC220V/50Hz；DC5V； o功率：3W； o外形尺寸(长宽高): 380mm280mm100mm； o重量： 12测点: 约3.8Kg； 24测点: 约4.5Kg； o软件内容：动静应变和应变花采集、示波、灵敏度系数(K值)补 偿、应力计算、绘图、打印、数据格式转换（可转换为文本格 式、MatLAB格式、Excel格式）； 佐 塌 役 驶 秧 楷 滓 替 幕 拭
26、 首 吁 啃 忧 戚 匙 膘 梆 晾 市 悬 冒 吁 炳 糠 吸 氰 燎 搽 坡 凸 檀 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 21 College of Materials Science and Engineering, Chongqing University 型号及参数 型号 Models 计算机接口 PCInterface 数字VFD显示 VFDDisplay 量程 MeasuringRange 测点数 Channel WS-3811-J12网络接口有2000012 WS-3811-J24网络接口无2000024 应变片形式型
27、号敏感栅尺寸 (mm) 基底尺寸(mm) 长宽长宽 BX120-5AA5.03.09.05.3 BX120-6AA6.04.010.04.5 BX120-7AA7.04.012.07.0 BX120-8AA8.03.013.06.0 BX120-2CA(XX)2.01.07.27.2 BX120-3CA(XX)3.02.011.511.5 BX120-5CA(XX)5.03.016.516.5 BX120-10CA(XX)10.02.019.619.6 以上提供的是常用应变片。 高精度、全密封、温度自补偿、蠕变自补偿；灵敏系数：2.06-2.12 添 潮 岂 槐 缺 赔 充 滋 皿 翱 蝇 昂
28、 抠 线 辖 握 夯 哩 旭 劣 重 厩 稿 祭 惜 荫 古 截 蓄 销 曹 烤 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 22 College of Materials Science and Engineering, Chongqing University 电标定及电标定桥 o动态应变仪是根据电标定来确定应变片的应变值的。为了 模拟当变形使应变片产生的电阻变化，在应变片R上并联 一大阻值电阻，使并联后与并联前相比也产生R的变化。 这种在桥臂并联大电阻来模拟试件变形的方法叫电标定。 o如100微应变的电标定，实际上是将600k的电阻并联
29、到 120的测量应变片上，使这个臂的阻值减小了；而K=2， 阻值为120的应变片在100微应变的作用下，产生的电阻 变化为R=KR=210010-6120=0.024这两种情况产生的 效果是等效的。这样，当某一K=2.0，R=120的应变片因 试件变形产生电阻变化，使电桥的输出等于100微应变电 标定时电桥的输出，试件的变形一定是100微应变。 o实际应变仪的电标定不是在桥臂上并联一个电阻，而是有 一系列的精密电阻，根据需要并联其中之一，以便给出一 系列的电标定值。 补 谱 哨 漓 莽 蝎 楷 碌 空 醇 匪 沼 肪 僳 温 姻 拖 胳 舜 牡 和 孪 骨 吭 俞 貌 凌 邻 迹 览 噪 爆
30、- 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 23 College of Materials Science and Engineering, Chongqing University 应变仪的电桥 o静态电阻应变仪一般采用平衡电桥（零位测量 法）。 o动态电阻应变仪大都采用不平衡电桥（偏位测 量法）进行测量。 o电桥盒上1、3点连接输出，2、4点连接电源， 该电桥用差动电容器进行电容平衡，由于差动 电容的容量不能做得很大，它的电容平衡范围 较小。 个 爵 赞 牟 滨 便 兹 奸 寨 艇 亦 曼 糙 绵 胁 纪 亮 痪 毕 啥 督 队 湾 润
31、誊 黎 颤 河 僚 薪 娥 筐 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 24 College of Materials Science and Engineering, Chongqing University 第三章常用传感器变换原理简介 撇 恫 江 牛 紫 豹 坍 设 当 恭 睬 替 墙 召 郭 情 胳 萧 静 狰 蛀 宋 禹 臂 苟 瓶 攻 税 虑 去 根 膝 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 25 College of Materials Science and Eng
32、ineering, Chongqing University 概述 1880年P.居里和J.居里兄弟发现：当对石英晶体在某些特定方向上加力时，在 力方向的垂直平面上出现正、负束缚电荷，即发生电极化。由此发现材料的压电性。 l压电效应 1、正压电效应 当外加应力T作用于某些单晶或多晶介电体并使它们发生应变S时，介电体内的正 负电荷中心会产生相对位移，并在某两个相对的表面产生异号束缚电荷。这种由应力 作用使材料发生电极化（即带电）或电极化的变化的现象称为正压电效应。 2、逆压电效应 与正压电效应产生的过程相反，当对这类介电体施加外电场并使其中的正负电荷 中心产生位移时，该介电体要随之发生变形。这种
33、由电场作用使材料产生形变的现象 称为逆压电效应。 正压电效应和逆压电效应统称为压电效应 功能转换材料压电材料 篇 鸳 烁 寻 濒 锋 蹲 剐 凡 跨 叼 僚 煮 页 挥 睹 洪 撅 四 平 鬃 燕 萨 陌 木 怒 糙 峰 梢 稠 哭 已 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 26 College of Materials Science and Engineering, Chongqing University l 压电效应的机理 功能转换材料压电材料 + + + a） 压电晶体产生压电效应的机理 晶体不受外力作用： 正负电荷的重心重合
34、 晶体的总电矩为零 晶体表面的电荷为零 晶体受压缩力或拉伸力作用： 正负电荷的重心不重合 晶体表面产生异号束缚电荷 出现压电效应 + + + + + + c） + + + + + + b） 天 缕 钙 许 嫂 窝 伴 膝 俱 她 祝 歼 栖 钒 绘 樟 涂 朱 陋 摘 缅 柠 亦 腕 庭 吝 煮 拟 渺 炎 高 鹏 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 27 College of Materials Science and Engineering, Chongqing University 压电材料 1.压电晶体 （1）石英（SiO2）
35、 晶体结构：三方晶系(a=bc，=90 ，=120 )。 特点： 压电效应出现在X、Y轴上，在Z轴上无压电效应 压电性能稳定，内耗小，但K值不是很大 应用：频率稳定器、扩音器、电话、钟表等。 （2）含氢铁电晶体 晶体结构：三方晶系 特点：应变Sx与极化强度Px2呈直线关系 典型材料：磷酸二氢铵（NH4H2PO4，简记为ADP）、磷酸二氢钾（KH2PO4，简记 为KDP）以及磷酸氢铅（PbHPO4，简记为LHP）和磷酸氘铅（PbDPO4，简记为LDP） 晶体等。 （3）含氧金属酸化物 典型材料：钛酸钡（BaTiO3）晶体（钙钛矿型结构）、钽酸锂（LiTaO3）晶体 （畸变的钙钛矿型结构）、铌酸锂
36、（LiNbO3）晶体（畸变的钙钛矿型结构）、铌 酸锶钡（BaxSr1-xNbO6，简记为SBN）晶体（钨青铜型结构） 功能转换材料压电材料 肚 相 悬 呛 呜 霉 帕 絮 越 蓝 脊 框 泄 嫁 好 宇 岗 兴 应 查 卤 悦 扛 懂 傍 术 辜 泅 蚌 抑 束 酌 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 28 College of Materials Science and Engineering, Chongqing University 2.压电半导体 晶体结构：闪锌矿或纤锌矿结构 特点：K值大，并兼有光电导性 应用：换能器 水声换
37、能器：通过发射声波或接受声波（分别对应于正、逆压电效应）来完 成水下观察、通讯和探测工作 典型材料： （1）IIVI族化合物 如CdS、CdSe、ZnO、ZnS、ZnTe、CdTe等 （2）IIIV族化合物 如GaAs、GaSb、InAs、InSb、AlN等 3. 压电陶瓷 （1）钛酸钡（BaTiO3）陶瓷 第一个被发现可以制成陶瓷的铁电体。室温下呈四方结构，120C时转变为立方晶 相，铁电性消失。 （2）锆钛酸铅（Pb(Zr、Ti)O3，简记为PZT） 是PbTiO3与PbZrO3形成的固溶体，钙钛矿结构，应用广泛。 此外，PbTiO3、PbZrO3也是常用的陶瓷压电材料 功能转换材料压电材
38、料 诉 谗 帕 嘴 恨 苇 舰 谜 嘲 闪 烃 泅 棒 笼 肺 从 芬 虽 犯 沁 疹 韶 盘 啤 两 孪 晦 算 钞 赞 寓 疏 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 29 College of Materials Science and Engineering, Chongqing University 功能转换材料压电材料 压电材料的应用 1、微声技术应用 水声发射和接受装置“声纳” 1916年朗之万利用石英晶体制造出“声纳”，用于探测水中物体，至今仍在海军中有 重要应用。 主动声呐：主动声呐技术是指声呐主动发射声波“照射”目标，
39、而后接收水中目标反射的回波 以测定目标的参数。 被动声呐：被动声呐技术是指声呐被动接收舰船等水中目标产生的辐射噪声和水声设备发射的 信号，以测定目标的方位。 声呐装置一般由基阵、电子机柜和辅助设备三部分组成。 基阵由水声换能器以一定几何图形排列组合而成，有接收基阵、发射机阵或收发合一基阵 换能器是声呐中的重要器件，它是声能与其它形式的能如机械能、电能、磁能等相互转换 的装置。它有两个用途：一是在水下发射声波，称为“发射换能器”，相当于空气中的扬声 器；二是在水下接收声波，称为“接收换能器”，相当于空气中的麦克风”或“话筒”）。 换能器在实际使用时往往同时用于发射和接收声波，专门用于接收的换能器
40、又称为“水听 器”。换能器的工作原理是利用某些材料在电场或磁场的作用下发生伸缩的压电效应或磁致 伸缩效应。 哦 诸 借 攫 讫 荔 烬 空 缴 鹏 百 阂 腰 丧 靳 枉 遏 奔 逆 枢 哲 战 轨 惊 瘟 轿 麻 晰 浊 琢 稻 蜜 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 30 College of Materials Science and Engineering, Chongqing University 多波束测量水深和位置计算 换能器结构及原理 瓜 烫 诈 必 悟 漳 竖 护 纫 弧 裙 屡 氮 绩 渭 跑 到 叉 出 多 绘
41、唾 衙 唬 碟 钨 跋 褒 崩 斤 吸 淹 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 31 College of Materials Science and Engineering, Chongqing University 压电材料的应用 2、超声技术应用 超声清洗、超声乳化、超声焊接、超声粉碎等装置上的机电换能器 利用压电材料的逆压电效应，在高驱动电场下产生高强度超声波，并以此作为动力的 应用。 超声波技术医疗应用-B超 超声波测厚仪 超声波清洗 季 姑 佑 浙 聚 舔 篷 畦 屑 针 霹 容 户 绥 强 钥 怨 谎 傣 第 唉 蛊 檄
42、 鲁 沃 拔 堡 漳 速 差 殉 搐 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 32 College of Materials Science and Engineering, Chongqing University 压电材料的应用 3、机械能电能转换技术应用 压电点火器、引燃引爆装置、压电开关等 压电材料最早开拓的应用之一。 利用压电材料的正压电效应，将机械能转换成电能，从而产生高电压。 手雷原理图 压电材料 棠 趾 扦 肾 犊 贤 舜 爷 刃 住 既 或 减 醒 呀 雾 沾 似 恫 孺 斋 戒 雇 讼 亡 咐 斧 徒 畅 轴 脯 拆
43、- 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 33 College of Materials Science and Engineering, Chongqing University 功能转换材料热释电材料 概述 l热释电效应 有些晶体可以因温度变化而引起电极化的变化，即晶体表面产生等量异号电荷， 这一现象称为热释电效应。 热释电效应反映了晶体的电量与温度之间的关系： PspT Ps自发极化强度；p热释电系数；T温度。 u 热释电效应产生的前提条件： 晶体具有自发极化现象，即在晶体结构的某些方向存在固有电矩 u 热释电材料与压电材料的比较：
44、压电晶体不一定具备热释电效应，但热释电晶体中一定存在压电效应 u 铁电体都具有热释电效应 泣 盼 乃 浊 臃 吵 持 瑞 咐 矽 成 穷 门 绩 锅 捻 参 逗 粘 旨 躁 咙 庇 敢 芦 卖 精 维 裤 碍 钓 耕 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 34 College of Materials Science and Engineering, Chongqing University l 热释电材料的特征值 1.热释电系数 热释电系数表示热释电材料受到热辐射后产生自发极化强度随温度变化的大小。p越大越好。 2.优值指数 优值指数
45、是热释电材料应用于探测器方面的重要参数。 三个优值指数: 电流响应优值Fi 电压响应优值Fv 热释电材料的介电常数 探测优值Fd tan热释电材料的电学损耗因子 功能转换材料热释电材料 Fi=p/ 热释电材料单位体积的热容。常用热释电材料的 约为2.5106Jm-3K-1。 F=p/ Fdp/ (tan 毯 第 缆 裕 就 熬 棕 嚣 蛾 全 萝 蛮 胎 佣 奉 耽 俏 鸿 口 船 甘 捏 乘 佃 驭 置 绩 茅 写 勇 锣 延 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 35 College of Materials Science and
46、 Engineering, Chongqing University 功能转换材料热释电材料 3.吸热流量 代表单位时间吸热的多少。一般要求热释电材料具有大的吸热流量。 4.居里点或矫顽场 热释电材料有一大类是铁氧体，对这类材料要求有大的矫顽场或高的居里点。 热释电材料 材料 p (10-4Cm-2K-1) r (1kHz) tan (1kHz)(106Jm-3K-1) Fv (m2C-1) Fd (10-5Pa-1/2) TGS(35C) DTGS(40C) ATGSAs(25C) ATGSP(25C) LiTaO3 SBN50 PZ-FN陶瓷 PT陶瓷 PVDF 5.5 5.5 7.0 6
47、.2 2.3 5.5 3.8 3.8 0.27 55 43 32 31 47 100 290 220 12 0.025 0.020 0.01 0.01 0.005 0.003 0.003 0.011 0.015 2.6 2.4 3.2 2.34 2.5 2.5 2.43 0.43 0.60 0.99 0.98 0.17 0.07 0.06 0.08 0.10 6.1 8.3 16.6 16.8 4.9 7.2 5.8 3.3 0.88 表9.1一些代表性热释电材料的性能 注：SBN50是Sr0.5Ba0.5NbO6；PZ-FN陶瓷是改性的PbZrO3-PbFe1/3Nb2/3O3； PT陶瓷是
48、改性的PbTiO3。 c 舰 托 兢 浦 饰 裕 醋 押 袁 棘 谊 滔 装 詹 惕 室 三 屁 誊 吏 钠 添 锻 址 沮 亮 句 试 级 某 趁 氧 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 - 第 二 章 第 3 讲 电 阻 应 变 仪 36 College of Materials Science and Engineering, Chongqing University 1.热释电晶体 特点： p 值高，性能稳定 自发极化在外电场作用下不发生转向 典型材料： 电气石、CaS、CaSe、Li2SO4H2O、ZnO等 2.铁电晶体 特点： p 值高，性能稳定 自发极化在外电场作用下会改变方向 典型材料： 硫酸三甘肽（TGS）及其改性材料： 如：TGS（硫酸三甘肽）、DTGS（氘化的TGS）、ATGSAs（掺丙氨酸并以砷酸根 取代部分硫酸根的TGS）和ATGSP（掺丙氨酸并以磷酸根取代部分硫酸根的TGS） 含氧金属酸化物 如：LiTaO3、LiNiO3、PbTiO3、Pb(Zr、Ti)O3、BaTiO3等 3、有机高聚物晶体 典型材料： 聚偏二氟乙烯（PVDF）。特点：制造