[工學(xué)]第1112講壓電式傳感器(已修改)
2025-01-31 11:41 本頁面
【正文】 第 6章 壓電式傳感器 ? 壓電傳感器是典型的 無源傳感器 。 ? 又稱 自發(fā)電式 傳感器及 電勢式 傳感器。 ? 壓電傳感器的 工作原理 是基于某些晶體受力后在其表面產(chǎn)生電荷的 壓電效應(yīng) 。 ? 特點(diǎn) ： – 體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠； – 適合動(dòng)態(tài)力學(xué)測量，不能測量靜態(tài)量。 – 目前多用于加速度和動(dòng)態(tài)力學(xué)或壓力的測量。 – 壓電傳感器是一個(gè)機(jī)電轉(zhuǎn)換元件。 ? 應(yīng)用： – 拾音器、壓電引信、燃?xì)恻c(diǎn)火具。 壓電式傳感器 壓電效應(yīng)及壓電材料 一、壓電效應(yīng) ? 一些晶體結(jié)構(gòu)的材料，當(dāng)沿著一定方向受到外力作用時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生 極化現(xiàn)象 ，同時(shí)在某兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷； ? 而當(dāng)外力去掉后，又恢復(fù)不帶電的狀態(tài)； ? 當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷的極性也隨著改變。 壓電傳感器 ? 晶體受作用力產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比，這種機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。 ? 反之，如果給晶體施加以交變電場，晶體本身則產(chǎn)生機(jī)械變形，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng) ，又稱 電致伸縮效應(yīng)。 ? 壓電效應(yīng)具有可逆性。 壓電材料 ? 具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料 ，壓電材料能實(shí)現(xiàn)機(jī) —電能量的相互轉(zhuǎn)換。 ? 在自然界中大多數(shù)晶體具有壓電效應(yīng)，但壓電效應(yīng)十分微弱，隨著對(duì)材料的深入研究，發(fā)現(xiàn) 石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛 (PZT)等材料是性能優(yōu)良的壓電材料。 ? 壓電材料分為： 壓電晶體、壓電陶瓷、高聚物和復(fù)合材料（壓電陶瓷和高聚物復(fù)合）。 高分子材料壓電傳感器 ? 高分子材料聚偏氟乙烯（ PVF2）具有壓電特性。 ? 特點(diǎn)： – 壓電系數(shù)大，頻率響應(yīng)寬，機(jī)械強(qiáng)度好，質(zhì)量輕，耐沖擊。 ? 應(yīng)用 ： – 壓電薄膜制成的稱重傳感器； – 高分子壓電薄膜制成機(jī)器人觸覺敏感元件。 壓電材料的主要特性參數(shù) ? （ 1） 壓電常數(shù) ：是衡量材料壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù)，它直接關(guān)系到壓電輸出的靈敏度。 ? （ 2） 彈性常數(shù) ：壓電材料的彈性常數(shù)、剛度決定著壓電器件的固有頻率和動(dòng)態(tài)特性。 ? （ 3） 介電常數(shù) ：對(duì)于一定形狀、尺寸的壓電元件，其固有電容與介電常數(shù)有關(guān)；而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限。 壓電材料的主要特性參數(shù) ? （ 4） 機(jī)械耦合系數(shù) ：在壓電效應(yīng)中，其值等于轉(zhuǎn)換輸出能量（如電能）與輸入的能量（如機(jī)械能）之比的平方根；它是衡量壓電材料機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)重要參數(shù)。 ? （ 5） 電阻 ：壓電材料的絕緣電阻將減小電荷泄漏，從而改善壓電傳感器的低頻特性。 ? （ 6） 居里點(diǎn) ：壓電材料開始喪失壓電特性的溫度。 ? 一、石英晶體（ SiO2） –優(yōu)點(diǎn) ： ?絕緣性能好，機(jī)械強(qiáng)度高； ?壓電溫度系數(shù)小，居里溫度點(diǎn)高； –缺點(diǎn) ： ?資源少，價(jià)格較貴；
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