傳感(gan)器有很(hen)多種，其(qi)中“壓(ya)(ya)電式傳感(gan)器”是一種基于(yu)壓(ya)(ya)電效應(ying)的(de)傳感(gan)器，是一種自發電式和機電轉(zhuan)換式傳感(gan)器。它的(de)敏感(gan)元件(jian)由壓(ya)(ya)電材(cai)料制成，壓(ya)(ya)電材(cai)料受力后表面產(chan)生電荷。此電荷經電荷放大器和測量電路(lu)放大和變換阻(zu)抗后就成為正比于(yu)所受外力的(de)電量輸出。
壓(ya)電式傳感器(qi)用于(yu)測量力(li)和能(neng)變換為電的(de)非(fei)電物理量。它的(de)優點是頻(pin)帶(dai)寬、靈敏度(du)高、信噪比(bi)高、結構簡單、工(gong)作(zuo)可(ke)靠和重量輕等(deng)；缺(que)(que)點是某些壓(ya)電材料需(xu)要(yao)防潮措施(shi)，而(er)且(qie)輸出的(de)直流響(xiang)應(ying)差，需(xu)要(yao)采用高輸入(ru)阻抗電路或電荷(he)放大(da)器(qi)來克服這一(yi)缺(que)(que)陷(xian)。
傳感器的組成
一、工作原理
壓(ya)(ya)(ya)電式傳感器(qi)的(de)工(gong)作原理就是基于某些晶體在受力(li)后，在晶體表面(mian)產(chan)生(sheng)電荷的(de)壓(ya)(ya)(ya)電效應(ying)，可分為正(zheng)壓(ya)(ya)(ya)電效應(ying)和逆(ni)壓(ya)(ya)(ya)電效應(ying)。
正(zheng)壓電效(xiao)應是指：當(dang)晶體受(shou)到(dao)某(mou)固定方向外(wai)(wai)(wai)(wai)力(li)的(de)作用時(shi)，內部就(jiu)產(chan)生電極(ji)化現象，同時(shi)在某(mou)兩個表面上(shang)產(chan)生符號相反(fan)的(de)電荷(he)；當(dang)外(wai)(wai)(wai)(wai)力(li)撤去(qu)后，晶體又(you)恢復到(dao)不帶電的(de)狀態；當(dang)外(wai)(wai)(wai)(wai)力(li)作用方向改變時(shi)，電荷(he)的(de)極(ji)性(xing)也隨之改變；晶體受(shou)力(li)所產(chan)生的(de)電荷(he)量與外(wai)(wai)(wai)(wai)力(li)的(de)大小成正(zheng)比。壓電式(shi)傳感器大多是利用正(zheng)壓電效(xiao)應制成的(de)。
逆(ni)壓電(dian)(dian)效(xiao)應是(shi)指：對晶(jing)體(ti)施加交變(bian)電(dian)(dian)場引(yin)起晶(jing)體(ti)機械變(bian)形的(de)(de)現象，又稱電(dian)(dian)致伸(shen)縮(suo)效(xiao)應。用(yong)(yong)逆(ni)壓電(dian)(dian)效(xiao)應制造的(de)(de)變(bian)送器可用(yong)(yong)于電(dian)(dian)聲和超聲工程(cheng)。
二、壓電材料的分類
為(wei)使壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)傳(chuan)感(gan)器的(de)壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)元(yuan)件同(tong)時起(qi)著敏感(gan)力(li)/壓(ya)(ya)(ya)力(li)和力(li)電(dian)(dian)轉換的(de)功能(neng)，其制(zhi)作需要使用壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)材料(liao)。應用于(yu)壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)式傳(chuan)感(gan)器中(zhong)的(de)壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)元(yuan)件材料(liao)一(yi)般(ban)有三類：壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)晶(jing)體、經過極(ji)化處理的(de)壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)陶瓷(ci)、新型(xing)壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)材料(liao)。
1.壓電晶體
石英單(dan)晶(jing)化學(xue)成分為SiO2，為天然(ran)單(dan)晶(jing)壓(ya)電(dian)(dian)材料；其(qi)機(ji)械(xie)強度(du)(du)高(gao)，莫氏硬度(du)(du)為7；熔點高(gao)達1750℃，居里溫度(du)(du)高(gao)；絕(jue)緣性(xing)好，其(qi)性(xing)能如介電(dian)(dian)常(chang)數和(he)壓(ya)電(dian)(dian)特(te)性(xing)非常(chang)穩定，轉(zhuan)換效率和(he)轉(zhuan)換精(jing)度(du)(du)高(gao)、重復(fu)性(xing)好、線性(xing)范圍寬、動態特(te)性(xing)好；另外鈮酸(suan)鋰(li)（LiNbO3）、鉭酸(suan)鋰(li)（LiTaO）也屬于(yu)壓(ya)電(dian)(dian)晶(jing)體。壓(ya)電(dian)(dian)晶(jing)體Q值較(jiao)大(da)，有良好的溫度(du)(du)特(te)性(xing)，但存在壓(ya)電(dian)(dian)常(chang)數較(jiao)弱、制作加工(gong)困(kun)難的缺點。
2.壓電陶瓷
壓電(dian)陶瓷屬于鐵(tie)電(dian)體(ti)一類(lei)的物質(zhi)，是人工制(zhi)造合成(cheng)(cheng)的多晶塊狀壓電(dian)材料，具(ju)有制(zhi)備簡單、工藝可靠、性能(neng)穩(wen)定的特點；含有類(lei)似鐵(tie)磁材料磁疇(chou)結構的電(dian)疇(chou)結構，可按(an)需制(zhi)成(cheng)(cheng)任意形狀和按(an)任意方(fang)向極化、壓電(dian)性能(neng)可調；極化后的成(cheng)(cheng)品(pin)具(ju)有顯著(zhu)的壓電(dian)效應，壓電(dian)系數可達到石英晶體(ti)的數百倍(bei)。
其(qi)中鈦(tai)酸鋇(bei)材料（BaTiO，）是(shi)人工制造和應(ying)用較早(zao)的壓電(dian)陶(tao)瓷(ci)，首先由鈦(tai)酸鋇(bei)粉(fen)末和二氧化鈦(tai)（TiO，）粉(fen)末等比(bi)例摩爾量(liang)配制，然后高溫(wen)燒結;得到(dao)的鈦(tai)酸鋇(bei)陶(tao)瓷(ci)d，較大，比(bi)石英提高約50 倍;但鈦(tai)酸鋇(bei)壓電(dian)陶(tao)瓷(ci)居里溫(wen)度Tc不到(dao)120℃，導致工作溫(wen)度不能(neng)超(chao)過60℃，應(ying)用溫(wen)度范圍小(xiao)，其(qi)機械性能(neng)也弱于石英。
現今普遍使用的是鋯鈦(tai)酸(suan)(suan)鉛(qian)(qian)(qian)（PZT）系(xi)(xi)列壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)，工藝和(he)制造技術(shu)成熟、可靠(kao)，其(qi)居里溫度Tc在300℃以上，性能(neng)非常穩定，且壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)性能(neng)較(jiao)鈦(tai)酸(suan)(suan)鋇壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)又(you)有大幅提高，具有較(jiao)高的介電(dian)(dian)(dian)常數和(he)壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)系(xi)(xi)數。而20世紀60年代發展起來的鈮鎂酸(suan)(suan)鉛(qian)(qian)(qian)PMN（PbMg，NbO，）壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)，也具有較(jiao)高的壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)常數和(he)工作溫度，而且能(neng)承受(shou)較(jiao)高的縱(zong)向壓(ya)(ya)(ya)力(li)；可由鈮鎂酸(suan)(suan)鉛(qian)(qian)(qian)、鋯酸(suan)(suan)鉛(qian)(qian)(qian)和(he)鈦(tai)酸(suan)(suan)鉛(qian)(qian)(qian)混合按不同比(bi)例(li)配出不同性能(neng)的多(duo)元系(xi)(xi)PMN-PZT壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)，滿足應用需求。
3.新型壓電材料
①壓電半導體材料(liao)(liao)：ZnO、CdS（硫(liu)化(hua)鎘）、CdTe（碲化(hua)鎘）等都屬于壓電半導體材料(liao)(liao)，這種力敏器(qi)件具(ju)有靈敏度(du)高，響應時間短等優點。此外用ZnO作為表面聲波振蕩(dang)器(qi)的壓電材料(liao)(liao)，可檢測力和溫度(du)等參(can)數(shu)。
②高分子(zi)壓電材料(liao)(liao)：某些合成(cheng)高分子(zi)聚(ju)(ju)合物薄(bo)膜經延展(zhan)拉伸和電場極(ji)化后，具有一定的(de)(de)壓電性能(neng)，這類(lei)薄(bo)膜稱為高分子(zi)壓電薄(bo)膜。目前(qian)出現的(de)(de)壓電薄(bo)膜有聚(ju)(ju)二(er)氟乙烯PVF2、聚(ju)(ju)氟乙烯PVF、聚(ju)(ju)氯乙烯PVC、聚(ju)(ju)γ甲(jia)基-L谷氨酸(suan)脂PMG等(deng)。高分子(zi)壓電材料(liao)(liao)是一種柔軟的(de)(de)壓電材料(liao)(liao)，不易破碎，可以大量生產和制成(cheng)較大的(de)(de)面(mian)積。
三、壓電傳感器的應用
壓電式傳感(gan)器有著(zhu)結構簡單、體積(ji)小、重量輕、靈敏度高、可靠性高、測量范(fan)圍廣等(deng)優點，因此比(bi)較適(shi)合一(yi)些動態力(li)學的測量，主要(yao)使用在跟(gen)力(li)相關的一(yi)些動態參數的測量，如(ru)動態力(li)機械(xie)沖擊震動，在聲學、醫學、力(li)學、導航方面都有得到廣泛的應用。
1.壓電式測力傳感器
壓(ya)電式測力(li)(li)傳感器(qi)是(shi)利(li)用(yong)壓(ya)電元(yuan)件直接實現(xian)力(li)(li)-電轉(zhuan)換的傳感器(qi)，在(zai)拉、壓(ya)場合(he)，通常較(jiao)多采(cai)用(yong)雙片或(huo)多片石英晶體作為壓(ya)電元(yuan)件。其剛度大(da)，測量(liang)范(fan)圍寬，線性及穩定性高(gao)，動態(tai)(tai)特性好。當采(cai)用(yong)大(da)時(shi)間(jian)常數的電荷放大(da)器(qi)時(shi)，可測量(liang)準靜(jing)態(tai)(tai)力(li)(li)。按(an)測力(li)(li)狀態(tai)(tai)分，有單(dan)向、雙向和三向傳感器(qi)，它們在(zai)結(jie)構上基本一樣。
圖所示(shi)為壓(ya)電式單向(xiang)測力(li)傳(chuan)感器的結構圖。傳(chuan)感器用(yong)于(yu)機床動態切削力(li)的測量。絕緣(yuan)套用(yong)來絕緣(yuan)和(he)定位。基座(zuo)內外底面對其中心線的垂直度(du)(du)、上蓋及晶片(pian)、電極的上下底面的平行(xing)度(du)(du)與表(biao)面光潔度(du)(du)都有(you)嚴(yan)格的要(yao)求(qiu)，否則(ze)會(hui)使(shi)(shi)橫(heng)向(xiang)靈敏(min)度(du)(du)增加或(huo)使(shi)(shi)片(pian)子因應(ying)力(li)集中而(er)過早破碎。為提高絕緣(yuan)阻抗，傳(chuan)感器裝配前要(yao)經過多次(ci)凈(jing)化（包括(kuo)超(chao)聲波清洗），然(ran)后在(zai)超(chao)凈(jing)工作環境下進行(xing)裝配，加蓋之(zhi)后用(yong)電子束封焊。
壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)式壓(ya)(ya)(ya)力(li)傳(chuan)感器的結構(gou)類(lei)型很多，但它們的基本原理與結構(gou)仍(reng)與壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)式加(jia)速(su)度(du)和力(li)傳(chuan)感器大(da)同(tong)小異。突出的不同(tong)點是，它必(bi)須通過彈性(xing)膜、盒(he)等，把壓(ya)(ya)(ya)力(li)收集、轉換成力(li)，再傳(chuan)遞給(gei)壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)元(yuan)件。為保證靜態(tai)特性(xing)及(ji)其穩定性(xing)，通常多采用石英晶體作為壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)元(yuan)件。
2.壓電式加速度傳感器
圖所(suo)示(shi)為壓(ya)縮式壓(ya)電(dian)加速度傳(chuan)感器的(de)(de)結構(gou)原(yuan)理圖，壓(ya)電(dian)元件(jian)(jian)一(yi)般由兩片(pian)壓(ya)電(dian)片(pian)組成。在(zai)壓(ya)電(dian)片(pian)的(de)(de)兩個(ge)表面上(shang)(shang)(shang)鍍銀(yin)層(ceng)，并在(zai)銀(yin)層(ceng)上(shang)(shang)(shang)焊(han)接輸(shu)出引線，或在(zai)兩個(ge)壓(ya)電(dian)片(pian)之間(jian)夾一(yi)片(pian)金屬，引線就焊(han)接在(zai)金屬片(pian)上(shang)(shang)(shang)，輸(shu)出端的(de)(de)另(ling)一(yi)根引線直接與傳(chuan)感器基(ji)(ji)座(zuo)(zuo)相(xiang)連。在(zai)壓(ya)電(dian)片(pian)上(shang)(shang)(shang)放(fang)置一(yi)個(ge)比重較大的(de)(de)質(zhi)量(liang)塊，然后(hou)用一(yi)硬彈簧或螺栓、螺帽對質(zhi)量(liang)塊預加載荷。整個(ge)組件(jian)(jian)裝(zhuang)在(zai)一(yi)個(ge)厚(hou)基(ji)(ji)座(zuo)(zuo)的(de)(de)金屬殼(ke)體中，為了(le)隔離試(shi)件(jian)(jian)的(de)(de)任何應變傳(chuan)遞到(dao)壓(ya)電(dian)元件(jian)(jian)上(shang)(shang)(shang)去，避免(mian)產(chan)生假信(xin)號輸(shu)出，所(suo)以一(yi)般要加厚(hou)基(ji)(ji)座(zuo)(zuo)或選用剛度較大的(de)(de)材料來制造。
測量時，將傳(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)基(ji)座(zuo)與試件(jian)剛性固(gu)定在一起。當(dang)傳(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)感(gan)(gan)(gan)受到(dao)振(zhen)動(dong)時，由于(yu)(yu)彈簧(huang)的(de)(de)(de)(de)剛度相(xiang)(xiang)當(dang)大(da)，而質量塊的(de)(de)(de)(de)質量相(xiang)(xiang)對較(jiao)小，可以(yi)認為質量塊的(de)(de)(de)(de)慣性很小，因此質量塊感(gan)(gan)(gan)受到(dao)與傳(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)基(ji)座(zuo)相(xiang)(xiang)同的(de)(de)(de)(de)振(zhen)動(dong)，并(bing)受到(dao)與加(jia)速度方向相(xiang)(xiang)反的(de)(de)(de)(de)慣性力作用(yong)(yong)。這樣，質量塊就有一正比(bi)于(yu)(yu)加(jia)速度的(de)(de)(de)(de)交(jiao)變(bian)力作用(yong)(yong)在壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)片上(shang)。由于(yu)(yu)壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)片具(ju)有壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)效應，因此在它的(de)(de)(de)(de)兩個表面(mian)上(shang)就產生了交(jiao)變(bian)電(dian)(dian)荷（電(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)），當(dang)振(zhen)動(dong)頻率(lv)遠低(di)于(yu)(yu)傳(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)固(gu)有頻率(lv)時，傳(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)的(de)(de)(de)(de)輸出(chu)電(dian)(dian)荷（電(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)）與作用(yong)(yong)力成正比(bi)，即與試件(jian)的(de)(de)(de)(de)加(jia)速度成正比(bi)。輸出(chu)電(dian)(dian)量由傳(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)輸出(chu)端引(yin)出(chu)，輸入到(dao)前置放大(da)器(qi)后就可以(yi)用(yong)(yong)普通(tong)的(de)(de)(de)(de)測量器(qi)測出(chu)試件(jian)的(de)(de)(de)(de)加(jia)速度，如在放大(da)器(qi)中加(jia)進(jin)適當(dang)的(de)(de)(de)(de)積分電(dian)(dian)路，就可以(yi)測出(chu)試件(jian)的(de)(de)(de)(de)振(zhen)動(dong)加(jia)速度或位(wei)移。
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