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压电力传感器的原理
- 2021-08-30-

  什么是压电力传感器?基于某些电介质的压电效应,在外力作用下,电介质表面产生电荷,从而实现非电量测量。压电传感元件是一种力敏元件,因此它可以测量那些可以转化为力的物理量,如力、压力、加速度等。

  压电力传感器具有响应频率宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等优点。近年来,由于电子技术的快速发展,随着低噪声、小电容、高绝缘电阻的二次仪表和电缆的出现,压电力传感器的使用更加方便。因此,它被广泛应用于工程力学、生物医学、石油勘探、声波测井、电声学等许多技术领域。

  正压电效应(类压电效应):当某些电介质在某一方向上受力变形时,其内部发生极化,同时在其某一表面产生电荷。当外力消除后,不带电的状态又恢复了。当力的方向改变时,电荷的极性也随之改变。

  逆压电效应(电致伸缩效应):当电场作用于电介质的极化方向时,这些电介质会在某一方向产生机械变形或机械应力,当外加电场消除后,这些变形或应力就会消失。

  基于压电效应的传感器这是一个自发电和机电传感器。它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷。经过电荷放大器和测量电路的放大和阻抗变换后,电荷变成与外力成正比的电输出。压电力传感器用于测量力和可转换为力的非电物理量,如压力和加速度(参见压电压力传感器和加速度计)。其优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠、重量轻。缺点是一些压电材料需要防潮措施,输出DC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。低噪声、小电容、高绝缘电阻的配套仪表和电缆的出现,使得压电力传感器的使用更加方便。广泛应用于工程力学、生物医学、电声学等技术领域。

  压电效应压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。正压电效应是指:晶体在固定方向受到外力时,发生内部极化现象,两个表面同时产生符号相反的电荷;当外力消除后,晶体恢复到不带电荷的状态。当外力方向改变时,电荷的极性也随之改变。晶体上的应力产生的电荷量与外力的大小成正比。压电力传感器大多由正压电效应制成。逆压电效应是指在晶体上施加交变电场引起的机械变形现象,也称为电致伸缩效应。利用逆压电效应制造的发射器可用于电声和超声工程。压电力传感器的应力变形有五种基本类型:厚度变形、长度变形、体积变形、厚度剪切和平面剪切(见图)。压电晶体是各向异性的,并不是所有的晶体都能在这五种状态下产生压电效应。例如,应时晶体没有体积变形压电效应,但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。

  压电材料可分为压电单晶、压电多晶和有机压电材料。在压电力传感器中,应用较广泛的是属于压电多晶的压电陶瓷和压电单晶中的应时晶体。其他压电单晶包括铌酸锂、钽酸锂、没食子酸锂、锗酸铋等。压电陶瓷包括属于三元体系的钛酸钡陶瓷、锆钛酸铅陶瓷、铌酸盐陶瓷和铌酸铅镁陶瓷。压电陶瓷具有易烧、易成型、防潮、耐高温等优点。缺点是热电,会干扰机械量的测量。有机压电材料包括聚偏氟乙烯、聚氟乙烯、尼龙等十多种高分子材料。有机压电材料可以大量生产并制成大面积。在与空气声阻匹配方面具有独特的优势,是一种具发展潜力的新型电声材料。自20世纪60年代以来,人们发现了兼具半导体和压电特性的晶体,如硫化锌、氧化锌和硫化钙。利用这种材料,可以制成一种新的压电力传感器,它集成了敏感元件和电子电路。


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