利用压电材料的特性将物理量转换为电信号的电换能器称为压电传感器。
压电材料表现出压电特性,根据该特性,在施加任何类型的机械应力或应变时,都会产生与施加的应力成正比的电压。可以使用电压测量仪测量产生的电压,以计算施加在材料上的应力或应变值。
压电材料的类型
天然材料,如石英、罗谢尔盐、托帕石、碧玺族矿物,以及一些有机物质,如丝绸、木材、珐琅、骨头、头发、橡胶、牙本质。
人工材料,如聚偏二氟乙烯、PVDF 或 PVF2、钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅 (PZT)、铌酸钾、铌酸锂、钽酸锂和其他无铅压电陶瓷。
并非所有压电材料都可用于压电换能器。用作传感器的压电材料需要满足一定的要求。用于测量目的的材料应具有频率稳定性、高输出值、对极端温度和湿度条件不敏感,并且可以有各种形状,或者应该可以灵活地制造成各种形状,而不会影响其性能。
当然,没有一种压电材料具有所有这些特性。石英是一种高度稳定的晶体,天然可用,但输出水平很小。可以用石英测量缓慢变化的参数。罗谢尔盐的输出值最高,但它对环境条件敏感,不能在600度以上运行。
压电传感器的工作原理
压电材料(通常为石英)的表面涂有一层薄薄的导电材料,例如银。当施加应力时,材料中的离子会向其中一个导电表面移动,同时远离另一个导电表面。这导致电荷的产生。该电荷用于校准应力。产生的电荷的极性取决于施加应力的方向。应力可以以两种形式施加,如 C压应力和拉应力,如下所示。
压电传感器的应用
● 由于压电材料无法测量静态值,因此它们主要用于测量表面粗糙度、加速度计和振动传感器。
● 用于测量火箭的振动。
● 在应变片中,用于测量力、应力、振动等...
● 用于汽车行业测量发动机中的爆震。
● 用于医疗应用中的超声成像。
压电传感器的优点和局限性
优势
● 传感器无需外部电源,自身产生信号
● 适合高频响应应用
局限性
● 传感器对温度和环境条件较为敏感
● 只能测量变化的压力,因此在测量静态参数时毫无用处