傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)有很多種(zhong)，其(qi)中“壓(ya)電式傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)”是一種(zhong)基于壓(ya)電效應的(de)(de)傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)，是一種(zhong)自發(fa)電式和機電轉換(huan)式傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)。它的(de)(de)敏感(gan)元(yuan)件由壓(ya)電材料制成(cheng)(cheng)，壓(ya)電材料受(shou)力后表面產生電荷(he)(he)。此電荷(he)(he)經(jing)電荷(he)(he)放大器(qi)和測量電路放大和變(bian)換(huan)阻(zu)抗后就成(cheng)(cheng)為(wei)正比(bi)于所受(shou)外力的(de)(de)電量輸出。

壓(ya)(ya)電(dian)式傳感器(qi)用于測量(liang)(liang)力和(he)(he)能變換為(wei)電(dian)的(de)非電(dian)物理(li)量(liang)(liang)。它的(de)優點(dian)是(shi)頻帶(dai)寬、靈敏(min)度高(gao)、信噪(zao)比高(gao)、結構簡單、工(gong)作可靠(kao)和(he)(he)重量(liang)(liang)輕等；缺(que)點(dian)是(shi)某些壓(ya)(ya)電(dian)材料需要(yao)防潮措施，而且(qie)輸(shu)出的(de)直流響應(ying)差，需要(yao)采(cai)用高(gao)輸(shu)入阻抗電(dian)路或電(dian)荷(he)放(fang)大器(qi)來克服(fu)這一缺(que)陷(xian)。

傳感器的組成

一、工作原理
壓電式(shi)傳感器的工作原理就是基(ji)于某些晶體在(zai)(zai)受力后，在(zai)(zai)晶體表面產生電荷的壓電效應，可分為正壓電效應和(he)逆壓電效應。

正(zheng)壓(ya)電(dian)(dian)效(xiao)應(ying)是(shi)指：當晶(jing)體受到某固定方向(xiang)外(wai)力(li)的(de)作用時，內部就產生電(dian)(dian)極化現象(xiang)，同(tong)時在某兩(liang)個表(biao)面上產生符號(hao)相(xiang)反的(de)電(dian)(dian)荷；當外(wai)力(li)撤去后，晶(jing)體又(you)恢復(fu)到不帶電(dian)(dian)的(de)狀態；當外(wai)力(li)作用方向(xiang)改變(bian)時，電(dian)(dian)荷的(de)極性也(ye)隨(sui)之(zhi)改變(bian)；晶(jing)體受力(li)所(suo)產生的(de)電(dian)(dian)荷量與外(wai)力(li)的(de)大小成正(zheng)比。壓(ya)電(dian)(dian)式傳感器大多是(shi)利用正(zheng)壓(ya)電(dian)(dian)效(xiao)應(ying)制成的(de)。

逆(ni)壓電效(xiao)應是指：對晶體(ti)(ti)施(shi)加交變電場(chang)引起(qi)晶體(ti)(ti)機械變形的現(xian)象(xiang)，又稱電致(zhi)伸縮效(xiao)應。用逆(ni)壓電效(xiao)應制造的變送器(qi)可用于電聲和超(chao)聲工程。

二、壓電材料的分類
為使(shi)壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)傳感器(qi)的(de)(de)壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)元件(jian)同時起著敏(min)感力/壓(ya)(ya)力和力電(dian)(dian)(dian)轉換的(de)(de)功能(neng)，其制作需(xu)要(yao)使(shi)用壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)材(cai)料(liao)。應用于壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)式傳感器(qi)中的(de)(de)壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)元件(jian)材(cai)料(liao)一般有三類：壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)晶(jing)體、經過(guo)極化處理的(de)(de)壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)陶瓷、新型壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)材(cai)料(liao)。

1.壓電晶體

石英單(dan)(dan)晶化學成分為SiO2，為天(tian)然單(dan)(dan)晶壓電(dian)(dian)材料；其(qi)機械(xie)強度(du)(du)(du)高(gao)，莫(mo)氏硬度(du)(du)(du)為7；熔點(dian)高(gao)達1750℃，居里溫度(du)(du)(du)高(gao)；絕緣性(xing)(xing)(xing)好，其(qi)性(xing)(xing)(xing)能(neng)如介(jie)電(dian)(dian)常(chang)數和壓電(dian)(dian)特性(xing)(xing)(xing)非常(chang)穩(wen)定，轉換(huan)效率和轉換(huan)精度(du)(du)(du)高(gao)、重復性(xing)(xing)(xing)好、線(xian)性(xing)(xing)(xing)范圍寬、動態特性(xing)(xing)(xing)好；另外鈮酸(suan)鋰（LiNbO3）、鉭酸(suan)鋰（LiTaO）也(ye)屬于壓電(dian)(dian)晶體。壓電(dian)(dian)晶體Q值較大，有良好的溫度(du)(du)(du)特性(xing)(xing)(xing)，但存在壓電(dian)(dian)常(chang)數較弱、制(zhi)作加工困(kun)難的缺點(dian)。

2.壓電陶瓷

壓電(dian)陶(tao)瓷屬于鐵電(dian)體一(yi)類(lei)的(de)物質，是人工制造(zao)合成(cheng)的(de)多晶塊(kuai)狀壓電(dian)材料，具有(you)制備(bei)簡(jian)單、工藝可靠、性能穩定的(de)特點；含有(you)類(lei)似鐵磁材料磁疇結構的(de)電(dian)疇結構，可按(an)需制成(cheng)任(ren)意形狀和(he)按(an)任(ren)意方向極化、壓電(dian)性能可調；極化后的(de)成(cheng)品具有(you)顯著的(de)壓電(dian)效(xiao)應，壓電(dian)系(xi)數(shu)可達到石英晶體的(de)數(shu)百倍。

其中鈦(tai)(tai)酸(suan)(suan)鋇材料（BaTiO，）是人工制(zhi)造和(he)應用(yong)(yong)較(jiao)早(zao)的(de)(de)壓電陶瓷，首(shou)先由鈦(tai)(tai)酸(suan)(suan)鋇粉末和(he)二(er)氧(yang)化鈦(tai)(tai)（TiO，）粉末等比例摩(mo)爾量配(pei)制(zhi)，然后高(gao)溫(wen)燒結;得到的(de)(de)鈦(tai)(tai)酸(suan)(suan)鋇陶瓷d，較(jiao)大，比石英(ying)提高(gao)約50 倍;但(dan)鈦(tai)(tai)酸(suan)(suan)鋇壓電陶瓷居里溫(wen)度(du)(du)(du)Tc不(bu)到120℃，導(dao)致工作溫(wen)度(du)(du)(du)不(bu)能超(chao)過60℃，應用(yong)(yong)溫(wen)度(du)(du)(du)范圍(wei)小，其機械(xie)性能也弱于石英(ying)。

現今普遍使用的(de)是鋯鈦酸(suan)鉛（PZT）系列(lie)壓電(dian)(dian)陶(tao)瓷(ci)，工藝和(he)(he)制(zhi)造技術成熟、可(ke)靠，其(qi)居里(li)溫(wen)度(du)Tc在300℃以上，性(xing)能(neng)(neng)非常(chang)穩定(ding)，且壓電(dian)(dian)性(xing)能(neng)(neng)較(jiao)(jiao)(jiao)鈦酸(suan)鋇壓電(dian)(dian)陶(tao)瓷(ci)又有(you)大幅提(ti)高，具有(you)較(jiao)(jiao)(jiao)高的(de)介(jie)電(dian)(dian)常(chang)數(shu)(shu)和(he)(he)壓電(dian)(dian)系數(shu)(shu)。而20世(shi)紀60年代(dai)發展(zhan)起來的(de)鈮(ni)鎂(mei)酸(suan)鉛PMN（PbMg，NbO，）壓電(dian)(dian)陶(tao)瓷(ci)，也具有(you)較(jiao)(jiao)(jiao)高的(de)壓電(dian)(dian)常(chang)數(shu)(shu)和(he)(he)工作溫(wen)度(du)，而且能(neng)(neng)承受較(jiao)(jiao)(jiao)高的(de)縱(zong)向(xiang)壓力(li)；可(ke)由鈮(ni)鎂(mei)酸(suan)鉛、鋯酸(suan)鉛和(he)(he)鈦酸(suan)鉛混(hun)合按(an)不同比例配出(chu)不同性(xing)能(neng)(neng)的(de)多元系PMN-PZT壓電(dian)(dian)陶(tao)瓷(ci)，滿足應用需求。

3.新型壓電材料

①壓(ya)電(dian)半導體(ti)(ti)材料(liao)：ZnO、CdS（硫化鎘(ge)）、CdTe（碲化鎘(ge)）等都屬于(yu)壓(ya)電(dian)半導體(ti)(ti)材料(liao)，這種力敏器件具(ju)有靈敏度高(gao)，響(xiang)應時間短等優(you)點。此(ci)外用ZnO作為表面聲波振蕩器的壓(ya)電(dian)材料(liao)，可(ke)檢測(ce)力和溫度等參數。

②高分(fen)子壓電(dian)(dian)材料：某些合(he)成高分(fen)子聚(ju)合(he)物薄膜(mo)(mo)(mo)經延展拉伸(shen)和(he)電(dian)(dian)場極化后，具有(you)(you)一定的壓電(dian)(dian)性能(neng)，這類(lei)薄膜(mo)(mo)(mo)稱為高分(fen)子壓電(dian)(dian)薄膜(mo)(mo)(mo)。目前(qian)出現(xian)的壓電(dian)(dian)薄膜(mo)(mo)(mo)有(you)(you)聚(ju)二氟乙烯(xi)PVF2、聚(ju)氟乙烯(xi)PVF、聚(ju)氯乙烯(xi)PVC、聚(ju)γ甲基-L谷(gu)氨酸脂PMG等。高分(fen)子壓電(dian)(dian)材料是(shi)一種柔軟的壓電(dian)(dian)材料，不(bu)易破碎(sui)，可以大(da)量生產和(he)制成較大(da)的面積。

三、壓電傳感器的應用
壓電(dian)式傳感器有著結構簡(jian)單、體積小、重量(liang)輕、靈敏度高(gao)、可靠性高(gao)、測量(liang)范圍(wei)廣等優點，因此比(bi)較適合一些(xie)(xie)動(dong)(dong)態力(li)學(xue)的(de)(de)測量(liang)，主(zhu)要使用在跟力(li)相關的(de)(de)一些(xie)(xie)動(dong)(dong)態參數(shu)的(de)(de)測量(liang)，如動(dong)(dong)態力(li)機械沖(chong)擊震動(dong)(dong)，在聲學(xue)、醫學(xue)、力(li)學(xue)、導航方面(mian)都(dou)有得到(dao)廣泛的(de)(de)應用。

1.壓電式測力傳感器

壓電(dian)(dian)式測(ce)力(li)傳感(gan)器是利用(yong)(yong)(yong)壓電(dian)(dian)元件直接實現(xian)力(li)-電(dian)(dian)轉(zhuan)換的傳感(gan)器，在拉(la)、壓場合，通(tong)常(chang)較多采用(yong)(yong)(yong)雙(shuang)片(pian)或多片(pian)石英晶體作為壓電(dian)(dian)元件。其(qi)剛度大，測(ce)量(liang)范圍寬(kuan)，線性及穩(wen)定性高，動態特(te)性好。當采用(yong)(yong)(yong)大時(shi)(shi)間常(chang)數的電(dian)(dian)荷(he)放大器時(shi)(shi)，可測(ce)量(liang)準靜態力(li)。按測(ce)力(li)狀態分，有單向、雙(shuang)向和三向傳感(gan)器，它們在結構上(shang)基(ji)本一(yi)樣。

圖所示為(wei)壓電(dian)式單向(xiang)測力(li)傳感器(qi)(qi)的結構圖。傳感器(qi)(qi)用于機(ji)床動(dong)態切削(xue)力(li)的測量。絕緣(yuan)套用來絕緣(yuan)和定(ding)位。基座內外底面對其中(zhong)心線的垂直(zhi)度、上(shang)蓋(gai)及(ji)晶片(pian)、電(dian)極的上(shang)下底面的平行度與(yu)表面光潔度都有嚴格的要(yao)求，否則會使橫(heng)向(xiang)靈(ling)敏度增加或(huo)使片(pian)子因應力(li)集(ji)中(zhong)而過(guo)(guo)早(zao)破碎(sui)。為(wei)提高(gao)絕緣(yuan)阻抗，傳感器(qi)(qi)裝(zhuang)配(pei)前要(yao)經過(guo)(guo)多次凈化（包括超聲波清洗），然(ran)后(hou)在超凈工(gong)作環境下進(jin)行裝(zhuang)配(pei)，加蓋(gai)之后(hou)用電(dian)子束封焊。

壓(ya)(ya)(ya)電(dian)式(shi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)傳感器的結構類(lei)型很多(duo)(duo)，但它們的基(ji)本原理與結構仍與壓(ya)(ya)(ya)電(dian)式(shi)加速度和力(li)(li)傳感器大同小異。突出的不同點是，它必須(xu)通過彈性(xing)膜(mo)、盒等，把壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)收集、轉換成(cheng)力(li)(li)，再傳遞給壓(ya)(ya)(ya)電(dian)元(yuan)件。為(wei)保證靜(jing)態特性(xing)及其(qi)穩(wen)定性(xing)，通常多(duo)(duo)采(cai)用石英晶(jing)體作為(wei)壓(ya)(ya)(ya)電(dian)元(yuan)件。

2.壓電式加速度傳感器

圖(tu)(tu)所示(shi)為壓(ya)縮式(shi)壓(ya)電(dian)(dian)加(jia)速度傳(chuan)感(gan)器的(de)(de)結構(gou)原理(li)圖(tu)(tu)，壓(ya)電(dian)(dian)元(yuan)件(jian)(jian)(jian)一(yi)般由兩(liang)(liang)片(pian)壓(ya)電(dian)(dian)片(pian)組(zu)成。在(zai)壓(ya)電(dian)(dian)片(pian)的(de)(de)兩(liang)(liang)個表面上鍍銀(yin)層，并(bing)在(zai)銀(yin)層上焊接(jie)輸出(chu)引線(xian)，或(huo)在(zai)兩(liang)(liang)個壓(ya)電(dian)(dian)片(pian)之間夾一(yi)片(pian)金屬(shu)，引線(xian)就(jiu)焊接(jie)在(zai)金屬(shu)片(pian)上，輸出(chu)端的(de)(de)另一(yi)根引線(xian)直接(jie)與(yu)傳(chuan)感(gan)器基(ji)座相連(lian)。在(zai)壓(ya)電(dian)(dian)片(pian)上放置一(yi)個比重較大的(de)(de)質量(liang)塊(kuai)，然后用一(yi)硬彈簧或(huo)螺(luo)栓、螺(luo)帽對質量(liang)塊(kuai)預加(jia)載荷。整個組(zu)件(jian)(jian)(jian)裝在(zai)一(yi)個厚基(ji)座的(de)(de)金屬(shu)殼(ke)體中，為了隔離試件(jian)(jian)(jian)的(de)(de)任何應(ying)變傳(chuan)遞到壓(ya)電(dian)(dian)元(yuan)件(jian)(jian)(jian)上去，避免產生假(jia)信號輸出(chu)，所以一(yi)般要加(jia)厚基(ji)座或(huo)選用剛度較大的(de)(de)材(cai)料來制造。

測(ce)(ce)量(liang)(liang)時，將傳(chuan)感(gan)(gan)器(qi)基(ji)座(zuo)與試(shi)件(jian)(jian)剛性固(gu)定在(zai)一起。當傳(chuan)感(gan)(gan)器(qi)感(gan)(gan)受(shou)到(dao)振(zhen)動時，由(you)于彈簧的(de)(de)剛度(du)相當大，而質(zhi)量(liang)(liang)塊(kuai)(kuai)的(de)(de)質(zhi)量(liang)(liang)相對較小，可以認為質(zhi)量(liang)(liang)塊(kuai)(kuai)的(de)(de)慣(guan)性很小，因(yin)此(ci)質(zhi)量(liang)(liang)塊(kuai)(kuai)感(gan)(gan)受(shou)到(dao)與傳(chuan)感(gan)(gan)器(qi)基(ji)座(zuo)相同的(de)(de)振(zhen)動，并受(shou)到(dao)與加(jia)(jia)速(su)度(du)方向相反的(de)(de)慣(guan)性力作用(yong)。這樣，質(zhi)量(liang)(liang)塊(kuai)(kuai)就(jiu)(jiu)有一正比(bi)于加(jia)(jia)速(su)度(du)的(de)(de)交變力作用(yong)在(zai)壓電(dian)(dian)片上(shang)。由(you)于壓電(dian)(dian)片具有壓電(dian)(dian)效應，因(yin)此(ci)在(zai)它的(de)(de)兩個表面上(shang)就(jiu)(jiu)產生了交變電(dian)(dian)荷（電(dian)(dian)壓），當振(zhen)動頻(pin)率(lv)遠低(di)于傳(chuan)感(gan)(gan)器(qi)固(gu)有頻(pin)率(lv)時，傳(chuan)感(gan)(gan)器(qi)的(de)(de)輸(shu)(shu)出(chu)電(dian)(dian)荷（電(dian)(dian)壓）與作用(yong)力成正比(bi)，即與試(shi)件(jian)(jian)的(de)(de)加(jia)(jia)速(su)度(du)成正比(bi)。輸(shu)(shu)出(chu)電(dian)(dian)量(liang)(liang)由(you)傳(chuan)感(gan)(gan)器(qi)輸(shu)(shu)出(chu)端引出(chu)，輸(shu)(shu)入到(dao)前置(zhi)放大器(qi)后就(jiu)(jiu)可以用(yong)普通的(de)(de)測(ce)(ce)量(liang)(liang)器(qi)測(ce)(ce)出(chu)試(shi)件(jian)(jian)的(de)(de)加(jia)(jia)速(su)度(du)，如在(zai)放大器(qi)中(zhong)加(jia)(jia)進適當的(de)(de)積分電(dian)(dian)路，就(jiu)(jiu)可以測(ce)(ce)出(chu)試(shi)件(jian)(jian)的(de)(de)振(zhen)動加(jia)(jia)速(su)度(du)或(huo)位(wei)移。

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