| 词条 | 压电式传感器 |
| 释义 | 基于压电效应的传感器。是一种自发电式和机电转换式传感器。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。此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量。它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。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。 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：当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。逆压电效应是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象，又称电致伸缩效应。用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型 5种基本形式（见图）。压电晶体是各向异性的，并非所有晶体都能在这 5种状态下产生压电效应。例如石英晶体就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。压电陶瓷有属于二元系的钛酸钡陶瓷、锆钛酸铅系列陶瓷、铌酸盐系列陶瓷和属于三元系的铌镁酸铅陶瓷。压电陶瓷的优点是烧制方便、易成型、耐湿、耐高温。缺点是具有热释电性，会对力学量测量造成干扰。有机压电材料有聚二氟乙烯、聚氟乙烯、尼龙等十余种高分子材料。有机压电材料可大量生产和制成较大的面积,它与空气的声阻匹配具有独特的优越性,是很有发展潜力的新型电声材料。60年代以来发现了同时具有半导体特性和压电特性的晶体，如硫化锌、氧化锌、硫化钙等。利用这种材料可以制成集敏感元件和电子线路于一体的新型压电传感器，很有发展前途。 压电式传感器大致可以分为4种，即：压电式测力传感器，压电式压力传感器，压电式加速度传感器及高分子材料压力传感器。 压电效应某些物质，当沿着一定方向对其加力而使其变形时，在一定表面上将产生电荷，当外力去掉后，又重新回到不带电状态，这种现象称为 压电效应 。 逆压电效应如果在这些物质的极化方向施加电场，这些物质就在一定方向上产生机 械变形或机械应力，当外电场撤去时，这些变形或应力也随之消失，这种现 象称之为逆压电效应，或称之为电致伸缩效应。 压电材料明显呈现压电效应的敏感功能材料叫 压电材料 。 常用的压电材料压电单晶体，如石英、酒石酸钾钠等； 多晶压电陶瓷， 如钛酸钡、锆钛酸铅、铌镁酸铅等，又称为压电陶瓷。此外，聚偏二氟乙烯 (PVDF) 作为一种新型的高分子物性型传感材料得到广泛的应用。 石英晶体结构石英 (SiO2)晶体结晶形状为六角形晶柱。两端为一对称的棱锥,六棱柱是它的基本组织,纵轴 z-z 称作光轴,通过六角棱线而垂直于光轴的轴线 x-x 称作电轴，垂直于棱面的轴线 y-y 称作机械轴。如果从晶体中切下一个平行六面体，并使其晶面分别平行于 z-z 、y-y 、x-x轴线，这个晶片在正常状态下不呈现电性。当施加外力时，将沿 x-x 方向形成电场，其电荷分布在垂直于 x-x 轴的平面上 石英的压电效应电荷产生机理石英的化学式为 SiO2 ，在一个晶体单元中，有三个硅离子和六个氧离子 ，后者是成对的，所以一个和两个交替排列。 当没有力作用时，硅离子和氧 离子在垂直于晶体 Z 轴的 XY 平面上的投影恰好等效为正六边形排列，如上图 a 示。这时正负离子正好分布在正六边形的顶角上，呈现电中性。如果沿 X 方向压缩，如上图 b 所示，则硅离子 1 被挤入氧离子 2 和 6 之间，而氧离子 4 被挤入硅离子 3 和 5 之间，结果表面 A 上呈现负电荷，而在表面 B 上呈现正电荷。这一现象称为纵向压电效应。 ..若沿 Y 方向压缩，如上图 c 所示，硅离子 3 和氧离子 2 ，以及硅离子 5 和氧离子 6 都向内移动同样的数值，故在电极 C 和 D 上不呈现电荷，而在表面 A 和 B 上， 即在 X 轴的端面上又呈现电荷，但与图 b 的极性正好相反，这时称为横向压电效应。从研究的模型同样可以看出：如果是使其伸长而不是压缩时，则电荷的极性正好相反。总之，石英等单晶体材料是各向异性的物体，在 X 或 Y 轴向施力时，在与 X 轴垂直的 面上产生电荷，电场方向与 X 轴平行，在 Z 轴方向施力时，不能产生压电效应。 压电式传感器的等效电路1、电容效应等效原理 1）压电式传感器结构 ..在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，构成两个电极， 如图所示。 2）等效电容量 当压电传感器受到沿其敏感轴向的外力作用时，就在两电极上产生极性相反的电荷，因此它相当于一个电荷源（静电发生器）。由于压电晶体是绝缘体，当它的两极表面聚集电荷时，它又相当于一个电容器，其电容量为沿 x 轴方向加力产生纵向压电效应,沿 y 轴加力产生横向压电效应,沿相对两平面加力产生切向压 电效应。 3）等效电压 当压电晶体受外力作用时，两表面产生等量的正、负电荷 Q ，可求出其开路电压（负载电阻为无穷大时） 压电式传感器的等效电路..1）、压电式传感器既可等效为电荷源又可等效为电容器，其等效电路可认为是二者的并联，如下图（a）所示；也可认为是一个电压源和一个电容器串联，如下图（b）所示。其中 Ra为压电元件的漏电阻. 2）、压电式传感器测试系统等效电路 ..压电式传感器工作时，需与二次仪表配套使用 ，此时的等效电路如下图所示。图中Cc为传感器电缆电容，Ri为放大器输入电阻，Ci为输入电容。 压电元件的串并联单片压电晶片难以产生足够的表面电荷，在压电式传感器中常采用两片或两片以上压电晶片组合在一起使用。由于压电晶体是有极性的，因而两片压电晶体构成的传感器有两种接法：串联和并联 . |
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