壓電傳感器是基于壓電效應(yīng)的傳感器。它是一種自發(fā)電和機(jī)電轉(zhuǎn)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(chǎn)生電荷。這種電荷在電荷放大器和測(cè)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(cè)量力和可轉(zhuǎn)換為電的非電物理量。其優(yōu)點(diǎn)是頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、重量輕。缺點(diǎn)是一些壓電材料需要防潮措施，輸出DC響應(yīng)差，需要高輸入阻抗電路或電荷放大器來克服這一缺點(diǎn)。

壓電效應(yīng)。

壓電效應(yīng)可分為正壓效應(yīng)和逆壓效應(yīng)。正壓電效應(yīng)是指當(dāng)晶體受到固定方向外力的作用時(shí)，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生電極化，同時(shí)在某兩個(gè)表面產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力消除時(shí)，晶體恢復(fù)無電狀態(tài)；當(dāng)外力方向發(fā)生變化時(shí)，電荷的極性也發(fā)生變化；晶體受力產(chǎn)生的電荷與外力成正比。大多數(shù)壓電傳感器都是由正壓電效應(yīng)制成的。逆壓電效應(yīng)是指向晶體施加交變電場(chǎng)導(dǎo)致晶體機(jī)械變形的現(xiàn)象，也稱為電致伸縮效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生的變送器可用于電聲和超聲工程。壓電敏感元件的應(yīng)力變形有五種基本形式:厚度變形、長(zhǎng)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(chǎn)生壓電效應(yīng)。例如，晶體沒有體積變形壓電效應(yīng)，但具有良好的厚度變形和長(zhǎng)度變形壓電效應(yīng)。

壓電材料。

可分為壓電單晶、壓電多晶和有機(jī)壓電材料。壓電傳感器廣泛應(yīng)用于各種壓電陶瓷和壓電單晶中的應(yīng)時(shí)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(diǎn)。缺點(diǎn)是熱釋電性能和干擾力學(xué)測(cè)量。有機(jī)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(jī)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(dú)特的優(yōu)勢(shì)，是一種具有巨大發(fā)展?jié)摿Φ男滦碗娐暡牧?。?0世紀(jì)60年代以來，發(fā)現(xiàn)了具有半導(dǎo)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(cè)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(yīng)

一些物質(zhì)，當(dāng)向一定方向加力變形時(shí)，會(huì)在一定表面產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去除后，會(huì)回到正常的無電狀態(tài)，稱為正壓電效應(yīng)。

逆壓電效應(yīng)

如果在這些物質(zhì)的極化方向施加電場(chǎng)，這些物質(zhì)會(huì)在一定方向上產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械應(yīng)力。當(dāng)外部電場(chǎng)撤離時(shí)，這些變形或應(yīng)力也會(huì)消失。這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)或電致伸縮效應(yīng)。

壓電材料。

具有明顯壓電效應(yīng)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(yīng)用。

主要參數(shù)。

(1)壓電常數(shù)是衡量材料壓電效應(yīng)強(qiáng)度的參數(shù)，直接關(guān)系到壓電輸出的靈敏度。

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

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

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

(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(diǎn)溫度。

壓力轉(zhuǎn)換。

性能:Q=d*F，其中d:壓電常數(shù)。

一般表達(dá)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(chǎn)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(chǎn)生的電荷。

在x向(拉)力的作用下，表達(dá)式在z方向產(chǎn)生電荷：

在z向力的作用下，在z方向產(chǎn)生電荷:

石英(SiO2)形狀為六角形晶柱。兩端是一對(duì)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(jī)械軸。如果從晶體中切下一個(gè)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(huì)電。施加外力時(shí)，電場(chǎng)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(guān)。

SiO2是一種及時(shí)的化學(xué)風(fēng)格。晶體單元中有三個(gè)硅離子和六個(gè)氧離子，后者是成對(duì)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(shí)，正負(fù)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(jié)果表面A為負(fù)電荷，表面B為正電荷。這種現(xiàn)象稱為縱向壓電效應(yīng)。

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(nèi)移動(dòng)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(yīng)。從研究模型中也可以看出，如果是伸長(zhǎng)而不是壓縮，電荷的極性正好相反。綜上所述，單晶材料應(yīng)該是各向異性物體。X或Y軸向施力時(shí)，垂直于X軸表面產(chǎn)生電荷，電場(chǎng)方向與X軸平行，Z軸向施力時(shí)不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。

壓力分析。

晶體結(jié)構(gòu)為六方晶體系，化學(xué)SiO2。

定義:定義:

x:兩個(gè)平行柱面的夾角等分線，垂直軸壓電效應(yīng)最強(qiáng)，稱為電軸。

y:垂直于平行柱面，在電場(chǎng)的作用下變形最大，稱為機(jī)械軸。

z壓電效應(yīng)，中心軸，又稱光軸。

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

類型:d11-x壓電系數(shù)。

Fx-作用力。

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

類型:d12-y軸壓電系數(shù)。

d12=-d11。

晶體切片的長(zhǎng)度和厚度。

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

(2)當(dāng)晶體受到x軸方向的壓力時(shí)，晶體會(huì)沿x方向壓縮變形，正負(fù)電荷重心不再重合，正電荷出現(xiàn)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(dāng)晶體受到y(tǒng)軸方向的壓力時(shí)，x軸上出現(xiàn)電荷，其極性為x軸正負(fù)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(fù)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(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。

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(yīng)的壓電材料。

區(qū)別:適時(shí)性的優(yōu)點(diǎn)是介電和壓電常數(shù)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(chǎn)生電荷。壓電陶瓷的壓電系數(shù)是時(shí)間的幾十倍甚至幾百倍，但穩(wěn)定性不如時(shí)間，內(nèi)點(diǎn)低。

等效電路

電容效應(yīng)等效原理。

1)壓電傳感器結(jié)構(gòu)。

在壓電晶片的兩個(gè)工作面上，形成金屬膜和兩個(gè)電極。

2)等效電容。

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

3)等效電壓；

當(dāng)壓電晶體受到外力作用時(shí)，兩個(gè)表面產(chǎn)生等量的正負(fù)電荷Q可以獲得開路電壓(當(dāng)負(fù)載電阻無限時(shí))

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(rèn)為是并聯(lián)的；也可以認(rèn)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(cè)試系統(tǒng)等效電路壓電傳感器工作時(shí)，應(yīng)與二次儀器配合使用。

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

應(yīng)用程序。

壓力測(cè)力傳感器。

壓電測(cè)力傳感器是利用壓電元件直接實(shí)現(xiàn)力電轉(zhuǎn)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(cè)量范圍廣，線性和穩(wěn)定性高，動(dòng)態(tài)特性好。當(dāng)使用大時(shí)間常數(shù)電荷放大器時(shí)，可以測(cè)量準(zhǔn)靜態(tài)力。根據(jù)測(cè)力狀態(tài)，有單向、雙向和三向傳感器，結(jié)構(gòu)基本相同。

傳感器用于測(cè)量機(jī)床的動(dòng)態(tài)切削力。絕緣用于絕緣和定位。底座內(nèi)外底部對(duì)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(yán)格的要求，否則會(huì)增加橫向靈敏度或因應(yīng)力集中而過早破碎。為提高絕緣阻抗，傳感器在組裝前應(yīng)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(yīng)用電子束密封焊接。

壓力傳感器的結(jié)構(gòu)類型很多，但其基本原理和結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(gè)表面鍍銀，在銀層上焊接輸出導(dǎo)線，或者在兩個(gè)壓電片之間夾一塊金屬，導(dǎo)線焊接在金屬片上，輸出端的另一根導(dǎo)線直接與傳感器底座連接。將重量較大的質(zhì)量塊放在壓電片上，然后用硬彈簧或螺栓和螺母預(yù)裝質(zhì)量塊。整個(gè)部件安裝在厚底座的金屬外殼中。為隔離試件的任何應(yīng)變，傳輸?shù)綁弘娫?，避免假信?hào)輸出，通常需要加厚底座或使用剛度較高的材料。

測(cè)量時(shí)，將傳感器底座與試件的剛度固定在一起。當(dāng)傳感器感覺到振動(dòng)時(shí)，由于彈簧的剛度相當(dāng)大，質(zhì)量塊的質(zhì)量相對(duì)較小，可以認(rèn)為質(zhì)量塊的慣性很小，所以質(zhì)量塊感覺到與傳感器底座相同的振動(dòng)，受到與加速方向相反的慣性力。因此，質(zhì)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(yīng)，交變電荷(電壓)產(chǎn)生在兩個(gè)表面。當(dāng)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于傳感器的固有頻率時(shí)，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(cè)量器測(cè)量試件的加速度。如在放大器中加入適當(dāng)?shù)姆e分電路，可測(cè)量試件的振動(dòng)加速度或位移。

深圳市力準(zhǔn)傳感技術(shù)有限公司是各種高精度三維力傳感器、三軸力傳感器、扭矩傳感器、稱重傳感器、柱式傳感器的專業(yè)制造商，也是集生產(chǎn)、銷售、售后為一體的綜合性技術(shù)創(chuàng)新企業(yè)。

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