什么是壓電式傳感器

什么是壓電式傳感器

是以某些電介質(zhì)的壓電效應為基礎，在外力作用下，在電介質(zhì)的表面上產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現非電量測量。

壓電傳感元件是力敏感元件，所以它能測量最終能變換為力的那些物理量，例如力、壓力、加速度等。

壓電式傳感器具有響應頻帶寬、靈敏度高、信噪比大、結構簡(jiǎn)單、工作可靠、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，由于電子技術(shù)的飛速發(fā)展，隨著(zhù)與之配套的二次儀表以及低噪聲、小電容、高絕緣電阻電纜的出現，使壓電傳感器的使用更為方便。因此，在工程力學(xué)、生物醫學(xué)、石油勘探、聲波測井、電聲學(xué)等許多技術(shù)領(lǐng)域中獲得了廣泛的應用。

一、壓電效應

正壓電效應（順壓電效應）：某些電介質(zhì)，當沿著(zhù)一定方向對其施力而使它變形時(shí)，內部就產(chǎn)生極化現象，同時(shí)在它的一定表面上產(chǎn)生電荷，當外力去掉后，又重新恢復不帶電狀態(tài)的現象。當作用力方向改變時(shí)，電荷極性也隨著(zhù)改變。

逆壓電效應（電致伸縮效應）：當在電介質(zhì)的極化方向施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)就在一定方向上產(chǎn)生機械變形或機械壓力，當外加電場(chǎng)撤去時(shí)，這些變形或應力也隨之消失的現象。

基于壓電效應的傳感器。是一種自發(fā)電式和機電轉換式傳感器。它的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。此電荷經(jīng)電荷放大器和測量電路放大和變換阻抗后就成為正比于所受外力的電量輸出。壓電式傳感器用于測量力和能變換為力的非電物理量，如壓力、加速度等(見(jiàn)壓電式壓力傳感器、加速度計)。它的優(yōu)點(diǎn)是頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結構簡(jiǎn)單、工作可靠和重量輕等。缺點(diǎn)是某些壓電材料需要防潮措施，而且輸出的直流響應差，需要采用高輸入阻抗電路或電荷放大器來(lái)克服這一缺陷。配套儀表和低噪聲、小電容、高絕緣電阻電纜的出現，使壓電傳感器的使用更為方便。它廣泛應用于工程力學(xué)、生物醫學(xué)、電聲學(xué)等技術(shù)領(lǐng)域。

　　壓電效應 　壓電效應可分為正壓電效應和逆壓電效應。正壓電效應是指：當晶體受到某固定方向外力的作用時(shí),內部就產(chǎn)生電極化現象,同時(shí)在某兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；當外力撤去后，晶體又恢復到不帶電的狀態(tài)；當外力作用方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。壓電式傳感器大多是利用正壓電效應制成的。逆壓電效應是指對晶體施加交變電場(chǎng)引起晶體機械變形的現象，又稱(chēng)電致伸縮效應。用逆壓電效應制造的變送器可用于電聲和超聲工程。壓電敏感元件的受力變形有厚度變形型、長(cháng)度變形型、體積變形型、厚度切變型、平面切變型 5種基本形式（見(jiàn)圖）。壓電晶體是各向異性的，并非所有晶體都能在這 5種狀態(tài)下產(chǎn)生壓電效應。例如石英晶體就沒(méi)有體積變形壓電效應，但具有良好的厚度變形和長(cháng)度變形壓電效應。

壓電材料 　它可分為壓電單晶、壓電多晶和有機壓電材料。壓電式傳感器中用得最多的是屬于壓電多晶的各類(lèi)壓電陶瓷和壓電單晶中的石英晶體。其他壓電單晶還有適用于高溫輻射環(huán)境的鈮酸鋰以及鉭酸鋰、鎵酸鋰、鍺酸鉍等。壓電陶瓷有屬于二元系的鈦酸鋇陶瓷、鋯鈦酸鉛系列陶瓷、鈮酸鹽系列陶瓷和屬于三元系的鈮鎂酸鉛陶瓷。壓電陶瓷的優(yōu)點(diǎn)是燒制方便、易成型、耐濕、耐高溫。缺點(diǎn)是具有熱釋電性，會(huì )對力學(xué)量測量造成干擾。有機壓電材料有聚二氟乙烯、聚氟乙烯、尼龍等十余種高分子材料。有機壓電材料可大量生產(chǎn)和制成較大的面積,它與空氣的聲阻匹配具有獨特的優(yōu)越性,是很有發(fā)展潛力的新型電聲材料。60年代以來(lái)發(fā)現了同時(shí)具有半導體特性和壓電特性的晶體，如硫化鋅、氧化鋅、硫化鈣等。利用這種材料可以制成集敏感元件和電子線(xiàn)路于一體的新型壓電傳感器，很有發(fā)展前途。