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傳感器有很多種，其中“壓電式傳感器”是一種基于壓電效應(yīng)的傳感器，是一種自發(fā)電式和機(jī)電轉(zhuǎn)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電的非電物理量。它的優(yōu)點(diǎn)是頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡單、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(yīng)差，需要采用高輸入阻抗電路或電荷放大器來克服這一缺陷。
傳感器的組成
一、工作原理
壓電式傳感器的工作原理就是基于某些晶體在受力后，在晶體表面產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)，可分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。
正壓電效應(yīng)是指：當(dāng)晶體受到某固定方向外力的作用時(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生電極化現(xiàn)象，同時(shí)在某兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力撤去后，晶體又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)；當(dāng)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(yīng)制成的。
逆壓電效應(yīng)是指：對(duì)晶體施加交變電場引起晶體機(jī)械變形的現(xiàn)象，又稱電致伸縮效應(yīng)。用逆壓電效應(yīng)制造的變送器可用于電聲和超聲工程。
二、壓電材料的分類
為使壓電傳感器的壓電元件同時(shí)起著敏感力/壓力和力電轉(zhuǎn)換的功能，其制作需要使用壓電材料。應(yīng)用于壓電式傳感器中的壓電元件材料一般有三類：壓電晶體、經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷、新型壓電材料。
1.壓電晶體
石英單晶化學(xué)成分為SiO2，為天然單晶壓電材料；其機(jī)械強(qiáng)度高，莫氏硬度為7；熔點(diǎn)高達(dá)1750℃，居里溫度高；絕緣性好，其性能如介電常數(shù)和壓電特性非常穩(wěn)定，轉(zhuǎn)換效率和轉(zhuǎn)換精度高、重復(fù)性好、線性范圍寬、動(dòng)態(tài)特性好；另外鈮酸鋰（LiNbO3）、鉭酸鋰（LiTaO）也屬于壓電晶體。壓電晶體Q值較大，有良好的溫度特性，但存在壓電常數(shù)較弱、制作加工困難的缺點(diǎn)。
2.壓電陶瓷
壓電陶瓷屬于鐵電體一類的物質(zhì)，是人工制造合成的多晶塊狀壓電材料，具有制備簡單、工藝可靠、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)；含有類似鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)的電疇結(jié)構(gòu)，可按需制成任意形狀和按任意方向極化、壓電性能可調(diào)；極化后的成品具有顯著的壓電效應(yīng)，壓電系數(shù)可達(dá)到石英晶體的數(shù)百倍。
其中鈦酸鋇材料（BaTiO，）是人工制造和應(yīng)用較早的壓電陶瓷，首先由鈦酸鋇粉末和二氧化鈦（TiO，）粉末等比例摩爾量配制，然后高溫?zé)Y(jié);得到的鈦酸鋇陶瓷d，較大，比石英提高約50 倍;但鈦酸鋇壓電陶瓷居里溫度Tc不到120℃，導(dǎo)致工作溫度不能超過60℃，應(yīng)用溫度范圍小，其機(jī)械性能也弱于石英。
現(xiàn)今普遍使用的是鋯鈦酸鉛（PZT）系列壓電陶瓷，工藝和制造技術(shù)成熟、可靠，其居里溫度Tc在300℃以上，性能非常穩(wěn)定，且壓電性能較鈦酸鋇壓電陶瓷又有大幅提高，具有較高的介電常數(shù)和壓電系數(shù)。而20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的鈮鎂酸鉛PMN（PbMg，NbO，）壓電陶瓷，也具有較高的壓電常數(shù)和工作溫度，而且能承受較高的縱向壓力；可由鈮鎂酸鉛、鋯酸鉛和鈦酸鉛混合按不同比例配出不同性能的多元系PMN-PZT壓電陶瓷，滿足應(yīng)用需求。
3.新型壓電材料
①壓電半導(dǎo)體材料：ZnO、CdS（硫化鎘）、CdTe（碲化鎘）等都屬于壓電半導(dǎo)體材料，這種力敏器件具有靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。此外用ZnO作為表面聲波振蕩器的壓電材料，可檢測力和溫度等參數(shù)。
②高分子壓電材料：某些合成高分子聚合物薄膜經(jīng)延展拉伸和電場極化后，具有一定的壓電性能，這類薄膜稱為高分子壓電薄膜。目前出現(xiàn)的壓電薄膜有聚二氟乙烯PVF2、聚氟乙烯PVF、聚氯乙烯PVC、聚γ甲基-L谷氨酸脂PMG等。高分子壓電材料是一種柔軟的壓電材料，不易破碎，可以大量生產(chǎn)和制成較大的面積。
三、壓電傳感器的應(yīng)用
壓電式傳感器有著結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、靈敏度高、可靠性高、測量范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，因此比較適合一些動(dòng)態(tài)力學(xué)的測量，主要使用在跟力相關(guān)的一些動(dòng)態(tài)參數(shù)的測量，如動(dòng)態(tài)力機(jī)械沖擊震動(dòng)，在聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、導(dǎo)航方面都有得到廣泛的應(yīng)用。
1.壓電式測力傳感器
壓電式測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，在拉、壓場合，通常較多采用雙片或多片石英晶體作為壓電元件。其剛度大，測量范圍寬，線性及穩(wěn)定性高，動(dòng)態(tài)特性好。當(dāng)采用大時(shí)間常數(shù)的電荷放大器時(shí)，可測量準(zhǔn)靜態(tài)力。按測力狀態(tài)分，有單向、雙向和三向傳感器，它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)上基本一樣。
圖所示為壓電式單向測力傳感器的結(jié)構(gòu)圖。傳感器用于機(jī)床動(dòng)態(tài)切削力的測量。絕緣套用來絕緣和定位。基座內(nèi)外底面對(duì)其中心線的垂直度、上蓋及晶片、電極的上下底面的平行度與表面光潔度都有嚴(yán)格的要求，否則會(huì)使橫向靈敏度增加或使片子因應(yīng)力集中而過早破碎。為提高絕緣阻抗，傳感器裝配前要經(jīng)過多次凈化（包括超聲波清洗），然后在超凈工作環(huán)境下進(jìn)行裝配，加蓋之后用電子束封焊。
壓電式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)類型很多，但它們的基本原理與結(jié)構(gòu)仍與壓電式加速度和力傳感器大同小異。突出的不同點(diǎn)是，它必須通過彈性膜、盒等，把壓力收集、轉(zhuǎn)換成力，再傳遞給壓電元件。為保證靜態(tài)特性及其穩(wěn)定性，通常多采用石英晶體作為壓電元件。
2.壓電式加速度傳感器
圖所示為壓縮式壓電加速度傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖，壓電元件一般由兩片壓電片組成。在壓電片的兩個(gè)表面上鍍銀層，并在銀層上焊接輸出引線，或在兩個(gè)壓電片之間夾一片金屬，引線就焊接在金屬片上，輸出端的另一根引線直接與傳感器基座相連。在壓電片上放置一個(gè)比重較大的質(zhì)量塊，然后用一硬彈簧或螺栓、螺帽對(duì)質(zhì)量塊預(yù)加載荷。整個(gè)組件裝在一個(gè)厚基座的金屬殼體中，為了隔離試件的任何應(yīng)變傳遞到壓電元件上去，避免產(chǎn)生假信號(hào)輸出，所以一般要加厚基座或選用剛度較大的材料來制造。
測量時(shí)，將傳感器基座與試件剛性固定在一起。當(dāng)傳感器感受到振動(dòng)時(shí)，由于彈簧的剛度相當(dāng)大，而質(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，因此質(zhì)量塊感受到與傳感器基座相同的振動(dòng)，并受到與加速度方向相反的慣性力作用。這樣，質(zhì)量塊就有一正比于加速度的交變力作用在壓電片上。由于壓電片具有壓電效應(yīng)，因此在它的兩個(gè)表面上就產(chǎn)生了交變電荷（電壓），當(dāng)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于傳感器固有頻率時(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。輸出電量由傳感器輸出端引出，輸入到前置放大器后就可以用普通的測量器測出試件的加速度，如在放大器中加進(jìn)適當(dāng)?shù)姆e分電路，就可以測出試件的振動(dòng)加速度或位移。
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