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压电传感器的工业使用原理 |
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我的博客 我的家 ┊ 个人门户 ┊ 全部文章 [原创] 压电式传感器的工作应用原理 2010-10-12 08:32:16 转帖 压电式传感器是基于某些介质材料的压电效应原理工作的，是一种典型的有源传感器。 压电效应是材料受到应力作用时所产生的电极化现象，是一种可逆效应，因此，当在材料两侧之间施加电压时，材料便产生应变。1880～1881 年，雅克(Jacques)和皮埃尔* 居里(Piere Curie)发现了这两种效应。
这里主要介绍压电式传感器的工作原理、压电式传感器的等效电路、测量电路以及压电式传感器的应用。
1 。压电效应及压电材料
某些电介质物体在某方向受压力或拉力作用产生形变时，表面会产生电荷；外力撤销后，又回到不带电状态，这种现象称为压电效应。当作用力方向改变时，电荷极性随之改变，把这种机械能转化为电能的现象，称为“正压电效应”，反之，当在电介质极化方向施加电场，这些电介质会产生几何变形，这种现象称为“逆压电效应”。具有压电效应的 物体称为压电材料，如天然的石英晶体、人造压电陶瓷等。
具有明显呈现压电效应的敏感功能材料称为压电材料。由于它是物性型的，因此选用合适的压电材料是构成高性能传感器的关键，因此应考虑以下几个方面：
① 压电常数：衡量材料压电效应强弱的参数。
② 弹性常数：决定压电元件的固有频率和动态特性。
③ 介电常数：一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容特性与介电常数有关，影响压
电传感器的频率下限。
④ 电阻：压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄露，改善传感器的低频特性。
⑤ 居里点温度：指压电材料开始失去压电特性的温度。
压电材料可以分为压电晶体和压电陶瓷两大类。 压电式传感器的基本原理就是利用压电材料的压电效应这个特性，即当有力作用在压电元件上时，传感器就有电荷(或电压)输出。
由于外力作用在压电材料上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，故需要测量回路具有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，因此压电式传感器不能用于静态测量。
如果压电材料在交变力的作用下，电荷可以不断补充，以供给测量回路一定的电流，故适用于动态测量。 考虑到单片压电元件产生的电荷量甚微，输出电量很少， 因此在实际使用中常采用两片(或两片以上)同型号的压电元件组合在一起。 因为压电材料产生的电荷是有极性的，所以压电元件的接法有两种两个压电片的负端粘接在一起，中间插入的金属电极成为压电片的负极，正电极在两边的电极上，从电路上看，这是并联接法， 适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的场合；而串联接法输出电压大，本身电容小，适宜用于以电压作输出信号，并且测量电路输入阻抗很高的场合。
压电元件作为压电式传感器的核心，在受外力作用时，其受力和变形方式大致有厚度变形、长度变形、体积变形和厚度剪切变形等几种形式。最常用的是厚度变形的压缩式和剪切变形的剪切式两种。压电式传感器本身的阻抗很高，而输出能量较小，为了使压电元件能正常工作，它的测量电路需要接入一个高输入阻抗的前置放大器，主要有两个作用：一是放大压电元件的
微弱电信号；二是把高阻抗输入变换为低阻抗输出。
根据压电式传感器的等效电路，它的输出信号可以是电压也可以是电荷，因此，前置放大器有两种形式：一种是电压放大器，其输出电压与输入电压(压电元件的输出电压)成正比；另一种是电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。
以上主要介绍了压电式传感器的检测原理、压电元件、测量电路和传感器的应用。 压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应，是一种典型的有源传感器，主要应用于压力、加速度和振动等参数的测量。压电效应是指某些电介质，沿一定方向施力而使它变形时，内部产生极化现象，同时 在它的两个表面上便产生符号相反的电符，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态；而 当在电介质极化方向施加电场，电介质会产生几何变形，称为逆压电效应。
常用的压电材料有压电晶体和压电陶瓷，压电晶体有：石英晶体、水溶性压电晶体和铌酸锂晶体；压电陶瓷有：钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷 、铌酸盐系压电陶瓷和铌镁酸铅压电陶瓷。
压电式传感器主要是由压电元件和测量电路组成，由于压电元件可以等效成电压源与电容的串联，也可以等效成电荷源与电容并联，因此其测量电路有电压放大器和电荷放大器两种。为了提高测量的灵敏度，可将多个压电片进行串联或并联使用，测量电路应引入前置放大器，作用一是把高阻抗输出变换为低阻抗输出，二是放大传感器输出的微弱信号。
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