壓電式傳感器的工作原理是基于某些介質(zhì)材料的壓電效應(yīng)。當(dāng)材料受力作用而發(fā)生形變時(shí),其表面會(huì)產(chǎn)生電荷,從而可以進(jìn)行測(cè)量,是典型的有源傳感器,而對(duì)于接近開關(guān)傳感器與壓電式傳感器是完全兩個(gè)不同的技術(shù)應(yīng)用。一八八零年發(fā)現(xiàn)石英晶體的壓電效應(yīng)后,一九四八年才制作 出第一個(gè)石英傳感器。發(fā)現(xiàn)石英晶體的壓電效應(yīng)后,又發(fā)現(xiàn)了一系列的單晶、多晶陶瓷材料有近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的有機(jī)高分子聚合材料,都具有相當(dāng)強(qiáng)的壓電效應(yīng)。壓電式傳感器具有體積小、質(zhì)量小、工作頻帶寬、靈敏度高、機(jī)械阻抗大、信噪比高、工作可靠和測(cè)量范圍廣等特點(diǎn),因此在各種動(dòng)態(tài)力、機(jī)械沖擊與振動(dòng)的測(cè)量以及生物醫(yī)學(xué)、電聲學(xué)、宇航等許多技術(shù)領(lǐng)域都得到了非常廣泛的應(yīng)用。
壓電效應(yīng):某些離子型晶體的電介質(zhì),當(dāng)作用力作用其上產(chǎn)生形變時(shí),會(huì)引起電介質(zhì)內(nèi)部正負(fù)電荷中心相對(duì)位移產(chǎn)生極化現(xiàn)象,從而導(dǎo)致其兩個(gè)相對(duì)表面出現(xiàn)符號(hào)相反的電荷,外力去掉后,又恢復(fù)到不帶電狀。當(dāng)作用力反向時(shí),電荷的極性也發(fā)生改變,而且產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成比例,上述現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。以上將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的壓電效應(yīng)又稱正壓電效應(yīng)。如正壓電材料極化方向上對(duì)電介質(zhì)施加一電場(chǎng),它會(huì)產(chǎn)生機(jī)械形變;當(dāng)外電場(chǎng)去掉后,電介質(zhì)機(jī)械形變消失,這一電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的壓電效應(yīng)稱為逆壓電效應(yīng)。
壓電式傳感器大都是利用壓電材料的正壓電效應(yīng)制成的,逆壓電效應(yīng)通常用應(yīng)在電聲和超聲工程中。
壓電轉(zhuǎn)換元件的受力變形狀態(tài)有很多種,如厚度受力、長(zhǎng)度受力、體積受力、厚度切變形、長(zhǎng)變形。工程應(yīng)用中要要根據(jù)需要選擇不同類型的受力變形壓電傳感器。
石英晶體的壓電效應(yīng)有“橫向壓電效應(yīng)”和“縱向壓電效應(yīng)”。石英晶體由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)稱,所以具有規(guī)則的幾何開關(guān)。它有三個(gè)晶軸,其中有一光軸,光軸受力不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。對(duì)應(yīng)其他兩軸受力都會(huì)產(chǎn)生第一方向的壓電效應(yīng),對(duì)應(yīng)定義為橈骨向和縱向壓電效應(yīng)。
壓電陶瓷的壓電效應(yīng)是利用電罪行界限變化。通常人工制造的壓電陶瓷是多晶材料,通過(guò)人工極化處理,即在一定溫度條件下對(duì)壓電陶瓷施加一2-3h強(qiáng)電場(chǎng),從而具有特定方向,這個(gè)方向也為極化方向。壓電陶瓷受外力作用時(shí),電罪行界線發(fā)生變化,從而極化強(qiáng)度發(fā)生變化,這就是壓電陶瓷的壓電效應(yīng)。 |