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壓電傳感器的工作原理是什么?
根據基本的壓電方程,當力平行于極化方向施加時,壓電元件會產生電荷.對于一個極化的壓電陶瓷,電荷Q與輸入力F成正比,根據方程Q=d33F,其中d33是壓電電荷系數.
或者,對于某些壓電傳感器可以使用撓曲模式設計,在這種情況下傳感器內的所謂雙壓電元件被輸入力所偏轉.雙壓電元件由兩個壓電板組成,要么以相反方向極化(串聯配置),要么以相同方向極化(并聯配置).反應扭矩傳感器也可能依賴于壓電效應,使用多個剪切模式壓電元件,而旋轉軸上的扭矩測量通常是用應變計完成的.
壓電應變傳感器可以被視為一種強調應變的力傳感器.它們相對于應變計的一個重要優勢是它們非常適合動態測量.這些傳感器中的大多數旨在測量設備晶振內部應變,無論是縱向還是橫向,并且被設計成所謂的應變銷,插入孔中.然而,也有一些測量表面應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測量的壓力進行分類,低壓傳感器測量高達幾巴的壓力,高壓傳感器用于超過1千巴的壓力.用于測量微巴級別極小壓力變化的壓電傳感器被稱為壓電麥克風,或者在水下應用中稱為壓電水聽器石英是用于測量力,扭矩,應變和壓力的傳感器中常用的壓電材料,特別是在需要高穩定性和/或準靜態測量時,但也可以選擇壓電陶瓷來制造這些傳感器類型中的少數幾種,以利用壓電陶瓷固有的優越電荷輸出和成型可能性.

加速度傳感器和聲學發射傳感器
用于測量加速度的傳感器稱為加速度計,可以被視為一個帶有質量塊的力傳感器.在最簡單的形式中,壓電加速度計由一個薄的壓電元件組成,其極化方向垂直于主表面,夾在所謂的地震質量塊或基準質量塊和基板之間.對于平行于極化方向的振動,作用在壓電元件上的力由牛頓第二運動定律給出,并將產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的一個基本示例,但通常使用由中心螺栓連接在一起的多層環狀設計并并聯連接,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.
許多壓電加速度計是基于另一種模式,即剪切模式的激勵.在一種類型的壓電傳感器設計中,一個壓電陶瓷剪切管安裝在中心柱上,周圍有一個管狀的地震質量塊.其他設計使用一個或多個帶有附加地震質量的壓電剪切板.對于基于壓電陶瓷的加速度計來說,特別相關的是使用剪切模式,因為否則輸出信號可能會受到溫度變化時熱釋電電荷的干擾.例如PZT這樣的壓電陶瓷通常在平行于極化方向的產生的場下顯示出相當大的熱釋電效應.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.對于最高工作溫度約為250°C的加速度計,可以使用軟PZT類型如1Pz23和3Pz274作為壓電元件.對于高溫應用,有基于鈦酸鉍的特殊組合可用,例如5Pz466和7Pz488.
聲發射(AE)傳感器用于檢測通過固體傳輸的信號,例如在材料測試中.它們與加速度計類型的壓電傳感器密切相關,但有一個重要的區別是它們不需要地震質量[Gautschi,2002,p.201].相反,確保與測試對象的良好聲學耦合非常重要,這可以通過施加一層薄的耦合液體或粘合劑來實現.在聲發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射檢查中的兆赫茲范圍.

使用逆壓電效應的傳感器
盡管直接壓電效應是大多數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(有時稱為逆效應),即響應于施加的電場而產生應變.在石英微天平中,一個超聲波諧振器在特定頻率下保持振動,通常在兆赫茲范圍內.在大多數情況下,產生的波是一個駐波剪切波.共振頻率主要由壓電元件(通常是石英晶體)的幾何形狀和機械系統的其他組件決定,但它受到質量微小變化的影響.由于石英晶振的高機械品質因數Q1m2(在10^6范圍內),可以檢測到非常小的頻率偏移,這可能導致稱重分辨率低于1微克/平方厘米.
壓電傳感器的工作原理是什么?

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