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压电传感器优缺点及应用
- 2018-12-14-

压电传感器是利用某些电介质受力后产生的压电效应制成的传感器。所谓压电效应是指某些电介质在受到某一方向的外力作用而发生形变(包括弯曲和伸缩形变)时,由于内部电荷的极化现象,会在其表面产生电荷的现象。压电材料 它可分为压电单晶、压电多晶和有机压电材料。压电式传感器中用得最多的是属于压电多晶的各类压电陶瓷和压电单晶中的石英晶体。其他压电单晶还有适用于高温辐射环境的铌酸锂以及钽酸锂、镓酸锂、锗酸铋等。

压电传感器参数:

  (1)压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数, 它直接关系到压电输出的灵敏度。

  (2)压电材料的弹性常数、 刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。

  (3)对于一定形状、 尺寸的压电元件, 其固有电容与介电常数有关; 而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。

  (4)在压电效应中,机械耦合系数等于转换输出能量(如电能)与输入的能量(如机械能)之比的平方根; 它是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。

  (5)压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏, 从而改善压电传感器的低频特性。

  (6)压电材料开始丧失压电特性的温度称为居里点温度。

  压电传感器的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。压电晶体可长期工作温度可达到400℃以上,瞬间(10个毫秒级)冲击温度可达4000K以上,可承受很高的表面压力(》150N/mm2)、刚度很高、线性好、迟滞小、在很宽的温度范围内灵敏度恒定、频响范围宽、可承受几乎无限的载荷循环数,绝缘阻抗非常高。

  另外,由于石英晶体的高刚度,测量时相应的材料变形极小,一般在几微米之内,石英敏感元件的高固有频率特别适合于快速和动态过程的测量,它们不仅可以用于研发,也被广泛用于工业生产和试验过程。由于测量过程中几无形变,所以缓慢或准静态过程测量的误差很小。压电式传感器的缺点是某些压电材料需要防潮措施,而且输出的直流响应差,需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。


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