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壓電傳感器的工作原理是什么?

來(lái)源：金洛鑫瀏覽：- 發(fā)布日期：2025-09-02 09:17:21【大中小】

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壓電傳感器的工作原理是什么?
根據(jù)基本的壓電方程,當(dāng)力平行于極化方向施加時(shí),壓電元件會(huì)產(chǎn)生電荷.對(duì)于一個(gè)極化的壓電陶瓷,電荷Q與輸入力F成正比,根據(jù)方程Q=d33F,其中d33是壓電電荷系數(shù).
或者,對(duì)于某些壓電傳感器可以使用撓曲模式設(shè)計(jì),在這種情況下傳感器內(nèi)的所謂雙壓電元件被輸入力所偏轉(zhuǎn).雙壓電元件由兩個(gè)壓電板組成,要么以相反方向極化(串聯(lián)配置),要么以相同方向極化(并聯(lián)配置).反應(yīng)扭矩傳感器也可能依賴于壓電效應(yīng),使用多個(gè)剪切模式壓電元件,而旋轉(zhuǎn)軸上的扭矩測(cè)量通常是用應(yīng)變計(jì)完成的.
壓電應(yīng)變傳感器可以被視為一種強(qiáng)調(diào)應(yīng)變的力傳感器.它們相對(duì)于應(yīng)變計(jì)的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)是它們非常適合動(dòng)態(tài)測(cè)量.這些傳感器中的大多數(shù)旨在測(cè)量設(shè)備晶振內(nèi)部應(yīng)變,無(wú)論是縱向還是橫向,并且被設(shè)計(jì)成所謂的應(yīng)變銷,插入孔中.然而,也有一些測(cè)量表面應(yīng)變的壓電傳感器存在同樣,壓力傳感器是力傳感器的特例,通常使用具有明確面積的膜片.這些傳感器通常根據(jù)測(cè)量的壓力進(jìn)行分類,低壓傳感器測(cè)量高達(dá)幾巴的壓力,高壓傳感器用于超過(guò)1千巴的壓力.用于測(cè)量微巴級(jí)別極小壓力變化的壓電傳感器被稱為壓電麥克風(fēng),或者在水下應(yīng)用中稱為壓電水聽器石英是用于測(cè)量力,扭矩,應(yīng)變和壓力的傳感器中常用的壓電材料,特別是在需要高穩(wěn)定性和/或準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)量時(shí),但也可以選擇壓電陶瓷來(lái)制造這些傳感器類型中的少數(shù)幾種,以利用壓電陶瓷固有的優(yōu)越電荷輸出和成型可能性.

加速度傳感器和聲學(xué)發(fā)射傳感器
用于測(cè)量加速度的傳感器稱為加速度計(jì),可以被視為一個(gè)帶有質(zhì)量塊的力傳感器.在最簡(jiǎn)單的形式中,壓電加速度計(jì)由一個(gè)薄的壓電元件組成,其極化方向垂直于主表面,夾在所謂的地震質(zhì)量塊或基準(zhǔn)質(zhì)量塊和基板之間.對(duì)于平行于極化方向的振動(dòng),作用在壓電元件上的力由牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律給出,并將產(chǎn)生如前所述的比例電荷.這樣的壓電傳感器是壓縮模式加速度計(jì)的一個(gè)基本示例,但通常使用由中心螺栓連接在一起的多層環(huán)狀設(shè)計(jì)并并聯(lián)連接,特別是如果壓電材料基于低電荷輸出的壓電晶振,如石英或托帕石.與力傳感器的情況一樣,可以選擇撓曲模式而不是壓縮模式,在這種情況下,雙晶元件是合適的.
許多壓電加速度計(jì)是基于另一種模式,即剪切模式的激勵(lì).在一種類型的壓電傳感器設(shè)計(jì)中,一個(gè)壓電陶瓷剪切管安裝在中心柱上,周圍有一個(gè)管狀的地震質(zhì)量塊.其他設(shè)計(jì)使用一個(gè)或多個(gè)帶有附加地震質(zhì)量的壓電剪切板.對(duì)于基于壓電陶瓷的加速度計(jì)來(lái)說(shuō),特別相關(guān)的是使用剪切模式,因?yàn)榉駝t輸出信號(hào)可能會(huì)受到溫度變化時(shí)熱釋電電荷的干擾.例如PZT這樣的壓電陶瓷通常在平行于極化方向的產(chǎn)生的場(chǎng)下顯示出相當(dāng)大的熱釋電效應(yīng).由于在剪切元件中電荷是垂直于極化方向收集的,這是避免熱釋電電荷的一種非常方便的方法.對(duì)于最高工作溫度約為250°C的加速度計(jì),可以使用軟PZT類型如1Pz23和3Pz274作為壓電元件.對(duì)于高溫應(yīng)用,有基于鈦酸鉍的特殊組合可用,例如5Pz466和7Pz488.
聲發(fā)射(AE)傳感器用于檢測(cè)通過(guò)固體傳輸?shù)男盘?hào),例如在材料測(cè)試中.它們與加速度計(jì)類型的壓電傳感器密切相關(guān),但有一個(gè)重要的區(qū)別是它們不需要地震質(zhì)量[Gautschi,2002,p.201].相反,確保與測(cè)試對(duì)象的良好聲學(xué)耦合非常重要,這可以通過(guò)施加一層薄的耦合液體或粘合劑來(lái)實(shí)現(xiàn).在聲發(fā)射研究中使用的頻率范圍非常不同,從微地震研究中的幾赫茲到金屬的聲發(fā)射檢查中的兆赫茲范圍.

使用逆壓電效應(yīng)的傳感器
盡管直接壓電效應(yīng)是大多數(shù)壓電傳感器的明顯選擇,但某些傳感器依賴于相反的壓電效應(yīng)(有時(shí)稱為逆效應(yīng)),即響應(yīng)于施加的電場(chǎng)而產(chǎn)生應(yīng)變.在石英微天平中,一個(gè)超聲波諧振器在特定頻率下保持振動(dòng),通常在兆赫茲范圍內(nèi).在大多數(shù)情況下,產(chǎn)生的波是一個(gè)駐波剪切波.共振頻率主要由壓電元件(通常是石英晶體)的幾何形狀和機(jī)械系統(tǒng)的其他組件決定,但它受到質(zhì)量微小變化的影響.由于石英晶振的高機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Q1m2(在10^6范圍內(nèi)),可以檢測(cè)到非常小的頻率偏移,這可能導(dǎo)致稱重分辨率低于1微克/平方厘米.
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