力準為您介紹壓電式傳感器的基本知識。

壓電傳感器是基于壓電效應的傳感器。它是一種自發(fā)電和機電轉換傳感器。其敏感元件由壓電材料制成。壓電材料受力后，表面產生電荷。這種電荷在電荷放大器和測量電路放大和變換阻抗后成為與外力相比的輸出。壓電傳感器用于測量力和可轉換為電的非電物理量。其優(yōu)點是頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結構簡單、工作可靠、重量輕。缺點是一些壓電材料需要防潮措施，輸出DC響應差，需要高輸入阻抗電路或電荷放大器來克服這一缺點。

壓電效應。

壓電效應可分為正壓效應和逆壓效應。正壓電效應是指當晶體受到固定方向外力的作用時，內部會產生電極化，同時在某兩個表面產生符號相反的電荷；當外力消除時，晶體恢復無電狀態(tài)；當外力方向發(fā)生變化時，電荷的極性也發(fā)生變化；晶體受力產生的電荷與外力成正比。大多數壓電傳感器都是由正壓電效應制成的。逆壓電效應是指向晶體施加交變電場導致晶體機械變形的現象，也稱為電致伸縮效應。逆壓電效應產生的變送器可用于電聲和超聲工程。壓電敏感元件的應力變形有五種基本形式:厚度變形、長度變形、體積變形、厚度切割變形和平面切割變形。壓電晶體是各向異性的，并不是所有的晶體都能在這五種狀態(tài)下產生壓電效應。例如，晶體沒有體積變形壓電效應，但具有良好的厚度變形和長度變形壓電效應。

壓電材料。

可分為壓電單晶、壓電多晶和有機壓電材料。壓電傳感器廣泛應用于各種壓電陶瓷和壓電單晶中的應時晶體。其它壓電單晶還包括適用于高溫輻射環(huán)境的鈮酸鋰、鉭酸鋰、鎵酸鋰、鍺酸鉍等。壓電陶瓷包括鈦酸鋇陶瓷、鋯鈦酸鉛陶瓷、鈮酸鹽陶瓷和鈮鎂酸鉛陶瓷。壓電陶瓷具有燒制方便、易成型、耐濕、耐高溫等優(yōu)點。缺點是熱釋電性能和干擾力學測量。有機壓電材料包括聚二氟乙烯、聚氟乙烯、尼龍等十多種聚合物材料。有機壓電材料可制成大面積壓電材料。它與空氣的聲阻匹配具有獨特的優(yōu)勢，是一種具有巨大發(fā)展?jié)摿Φ男滦碗娐暡牧?。?0世紀60年代以來，發(fā)現了具有半導體和壓電特性的晶體，如硫化鋅、氧化鋅和硫化鈣。該材料可制成集敏感元件和電子線路于一體的新型壓電傳感器，具有很大的發(fā)展前景。

壓電傳感器大致可以分為四種，即壓電測力傳感器、壓電壓力傳感器、壓電加速度傳感器和聚合物壓力傳感器。

正壓電效應

一些物質，當向一定方向加力變形時，會在一定表面產生電荷，當外力去除后，會回到正常的無電狀態(tài)，稱為正壓電效應。

逆壓電效應

如果在這些物質的極化方向施加電場，這些物質會在一定方向上產生機械變形或機械應力。當外部電場撤離時，這些變形或應力也會消失。這種現象稱為逆壓電效應或電致伸縮效應。

壓電材料。

具有明顯壓電效應的敏感功能材料稱為壓電材料。

壓電單晶體如石英、酒石酸鉀鈉；

鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛、鈮鎂酸鉛等多晶壓電陶瓷，又稱壓電陶瓷。此外，聚偏二氟乙烯作為一種新型聚合物傳感材料得到了廣泛的應用。

主要參數。

(1)壓電常數是衡量材料壓電效應強度的參數，直接關系到壓電輸出的靈敏度。

(2)壓電材料的彈性常數和剛度決定了壓電器件的固有頻率和動態(tài)特性。

(3)對于一定形狀和尺寸的壓電元件，其固有電容器與介電常數有關；固有電容器影響壓電傳感器的頻率下限。

(4)在壓電效應中，機械耦合系數等于輸出能量(如電能)與輸入能量(如機械能)之比的平方根；它是衡量壓電材料電能轉換效率的重要參數。

(5)壓電材料的絕緣電阻可以減少電荷泄漏，從而改善壓電傳感器的低頻特性。

(6)壓電材料開始失去壓電特性的溫度稱為居里點溫度。

壓力轉換。

性能:Q=d*F，其中d:壓電常數。

一般表達式:電荷密度q(用單位面積受力表示)

其中，i=1、2、3表示晶體極化方向，垂直于產生電荷的表面j=1、2、3、4、5、6表示受力方向，1~3表示x、y.z表示受力，4~6表示剪切力方向。

例如，q1表示法向矢量為x的兩面產生的電荷。

在x向(拉)力的作用下，表達式在z方向產生電荷：

在z向力的作用下，在z方向產生電荷:

石英(SiO2)形狀為六角形晶柱。兩端是一對稱的棱錐，六棱柱是其基本組織。縱軸z-z稱為光軸，通過六角棱線垂直于光軸的軸x-x稱為電軸，垂直于棱面的軸y-y稱為機械軸。如果從晶體中切下一個平行的六面體，晶面分別平行于z-z、y-y和x-x軸，晶片在正常狀態(tài)下不會電。施加外力時，電場沿x-x方向形成，電荷分布在垂直于x-x軸的平面上。

和石英有關。

SiO2是一種及時的化學風格。晶體單元中有三個硅離子和六個氧離子，后者是成對的，所以列出來了。

硅離子和氧離子在垂直于晶體Z軸的XY平面上的投影等效為正六邊形。此時，正負離子正好分布在正六邊形的頂角，呈電中性。硅離子1被擠壓在氧離子2和6之間，而氧離子4被擠壓在硅離子3和5之間。結果表面A為負電荷，表面B為正電荷。這種現象稱為縱向壓電效應。

如果沿Y方向壓縮，硅離子3和氧離子2、硅離子5和氧離子6向內移動相同的值，因此電荷不顯示在電極C和D上，電荷顯示在表面A和B上，即X軸端面，但與之前的極性正好相反，稱為橫向壓電效應。從研究模型中也可以看出，如果是伸長而不是壓縮，電荷的極性正好相反。綜上所述，單晶材料應該是各向異性物體。X或Y軸向施力時，垂直于X軸表面產生電荷，電場方向與X軸平行，Z軸向施力時不產生壓電效應。

壓力分析。

晶體結構為六方晶體系，化學SiO2。

定義:定義:

x:兩個平行柱面的夾角等分線，垂直軸壓電效應最強，稱為電軸。

y:垂直于平行柱面，在電場的作用下變形最大，稱為機械軸。

z壓電效應，中心軸，又稱光軸。

在電軸方向施加作用力時，在垂直于電軸x的平面上產生電荷，其大小為Qx=d11Fx。

類型:d11-x壓電系數。

Fx-作用力。

若在同一切片上沿機械軸y方向施加力Fy，電荷qy仍會在垂直于x軸的平面上產生，其尺寸為Qy=d12Fya/b。

類型:d12-y軸壓電系數。

d12=-d11。

晶體切片的長度和厚度。

(1)當晶體不受外力作用時，正負離子正好分布在正六邊形的頂角，形成三個電偶極矩P1、P2、P3、P1+P2+P3=0，因此晶體表面不產生電荷，即中性。

(2)當晶體受到x軸方向的壓力時，晶體會沿x方向壓縮變形，正負電荷重心不再重合，正電荷出現在x軸方向，電偶極矩在y方向的重量仍然為零，沒有電荷。

(3)當晶體受到y(tǒng)軸方向的壓力時，x軸上出現電荷，其極性為x軸正負電荷。y軸方向沒有電荷。

(4)如果沿z軸向施力，由于晶體在x方向和y方向的變形完全相同，正負電荷重心保持重合，電偶極矩矢量等于零。這說明晶體沿z軸向施加力不會產生壓電效應。

壓電陶瓷。

壓電晶體與壓電陶瓷的比較:

相似之處:都是有壓電效應的壓電材料。

區(qū)別:適時性的優(yōu)點是介電和壓電常數溫度穩(wěn)定性好，適用于工作溫度范圍廣的傳感器。外力變形后，極化壓電陶瓷由于電極矩的重新定位而產生電荷。壓電陶瓷的壓電系數是時間的幾十倍甚至幾百倍，但穩(wěn)定性不如時間，內點低。

等效電路

電容效應等效原理。

1)壓電傳感器結構。

在壓電晶片的兩個工作面上，形成金屬膜和兩個電極。

2)等效電容。

當壓電傳感器沿其敏感軸向受到外力作用時，兩個電極產生相反極性的電荷，相當于一個電荷源(靜電發(fā)生器)。由于壓電晶體是絕緣體，當電荷聚集在其兩極表面時，相當于一個電容器。其電容器沿x軸方向產生縱向壓電效應，沿y軸產生橫向壓電效應，沿相對兩平面產生切向壓電效應。

3)等效電壓；

當壓電晶體受到外力作用時，兩個表面產生等量的正負電荷Q可以獲得開路電壓(當負載電阻無限時)

1)壓電傳感器可以等效為電荷源和電容器，其等效電路可以認為是并聯(lián)的；也可以認為是電壓源和電容器的串聯(lián)，Ra是壓電元件的漏電阻。

2)壓電傳感器測試系統(tǒng)等效電路壓電傳感器工作時，應與二次儀器配合使用。

單個壓電晶片很難產生足夠的表面電荷，壓電傳感器經常使用兩個或兩個以上的壓電晶片。由于壓電晶體的極性，由兩個壓電晶體組成的傳感器有串聯(lián)和并聯(lián)。

應用程序。

壓力測力傳感器。

壓電測力傳感器是利用壓電元件直接實現力電轉換的傳感器。雙片或多片晶體通常用雙片或多片晶體作為壓電元件。剛度大，測量范圍廣，線性和穩(wěn)定性高，動態(tài)特性好。當使用大時間常數電荷放大器時，可以測量準靜態(tài)力。根據測力狀態(tài)，有單向、雙向和三向傳感器，結構基本相同。

傳感器用于測量機床的動態(tài)切削力。絕緣用于絕緣和定位。底座內外底部對中心線的垂直度、上蓋和晶片以及電極上下底部的平行度和表面光潔度有非常嚴格的要求，否則會增加橫向靈敏度或因應力集中而過早破碎。為提高絕緣阻抗，傳感器在組裝前應多次凈化(包括超聲波清洗)，然后在超凈工作環(huán)境中組裝，蓋上后應用電子束密封焊接。

壓力傳感器的結構類型很多，但其基本原理和結構類似于壓力加速度和力傳感器。不同的是，壓力必須通過彈性膜和盒子收集并轉換成力，然后傳遞給壓電元件。晶體通常用作壓電元件，以保證靜態(tài)特性和穩(wěn)定性。

壓電加速度傳感器。

在壓電片的兩個表面鍍銀，在銀層上焊接輸出導線，或者在兩個壓電片之間夾一塊金屬，導線焊接在金屬片上，輸出端的另一根導線直接與傳感器底座連接。將重量較大的質量塊放在壓電片上，然后用硬彈簧或螺栓和螺母預裝質量塊。整個部件安裝在厚底座的金屬外殼中。為隔離試件的任何應變，傳輸到壓電元件，避免假信號輸出，通常需要加厚底座或使用剛度較高的材料。

測量時，將傳感器底座與試件的剛度固定在一起。當傳感器感覺到振動時，由于彈簧的剛度相當大，質量塊的質量相對較小，可以認為質量塊的慣性很小，所以質量塊感覺到與傳感器底座相同的振動，受到與加速方向相反的慣性力。因此，質量塊具有與加速度相比的交變力作用于壓電片。由于壓電片具有壓電效應，交變電荷(電壓)產生在兩個表面。當振動頻率遠低于傳感器的固有頻率時，傳感器的輸出電荷(電壓)與作用力成正比，即與試件的加速度成正比。傳感器輸出端引出輸出電。輸入前置放大器后，可以用普通測量器測量試件的加速度。如在放大器中加入適當的積分電路，可測量試件的振動加速度或位移。

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