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壓電式壓力傳感器

壓電式壓力傳感器

壓電式壓力傳感器的工作原理

  • ????? 由物理學(xué)知,一些離子型晶體的電介質(zhì)(如石英、酒石酸鉀鈉、鈦酸鋇等)不僅在電場力作用下,而且在機(jī)械力作用下,都會產(chǎn)生極化現(xiàn)象。即: 在這些電介質(zhì)的一定方向上施加機(jī)械力而產(chǎn)生變形時,就會引起它內(nèi)部正負(fù)電荷中心相對轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生電的極化,從而導(dǎo)致其兩個相對表面(極化面)上出現(xiàn)符號相反的束縛電荷,且其電位移D(在MKS單位制中即電荷密度σ)與外應(yīng)力張量T成正比;當(dāng)外力消失,又恢復(fù)不帶電原狀;當(dāng)外力變向,電荷極性隨之而變。這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng),或簡稱壓電效應(yīng)。

      壓電式壓力傳感器的原理是基于某些晶體材料的壓電效應(yīng),目前廣泛使用的壓電材料有石英和鈦酸鋇等,當(dāng)這些晶體受壓力作用發(fā)生機(jī)械變形時,在其相對的兩個側(cè)面上產(chǎn)生異性電荷,這種現(xiàn)象稱為“壓電效應(yīng)”。

      壓電式壓力傳感器中主要使用的壓電材料包括有石英、酒石酸鉀鈉和磷酸二氫胺。其中石英(二氧化硅)是一種天然晶體,壓電效應(yīng)就是在這種晶體中發(fā)現(xiàn)的,在一定的溫度范圍之內(nèi),壓電性質(zhì)一直存在,但溫度超過這個范圍之后,壓電性質(zhì)完全消失(這個高溫就是所謂的“居里點(diǎn)”)。由于隨著應(yīng)力的變化電場變化微小(也就說壓電系數(shù)比較低),所以石英逐漸被其他的壓電晶體所替代。而酒石酸鉀鈉具有很大的壓電靈敏度和壓電系數(shù),但是它只能在室溫和濕度比較低的環(huán)境下才能夠應(yīng)用。磷酸二氫胺屬于人造晶體,能夠承受高溫和相當(dāng)高的濕度,所以已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。

      現(xiàn)在壓電效應(yīng)也應(yīng)用在多晶體上,比如現(xiàn)在的壓電陶瓷,包括鈦酸鋇壓電陶瓷、PZT、鈮酸鹽系壓電陶瓷、鈮鎂酸鉛壓電陶瓷等等。

      壓電效應(yīng)是壓電式壓力傳感器的主要工作原理,壓電式壓力傳感器不能用于靜態(tài)測量,因為經(jīng)過外力作用后的電荷,只有在回路具有無限大的輸入阻抗時才得到保存。實際的情況不是這樣的,所以這決定了壓電式壓力傳感器只能夠測量動態(tài)的應(yīng)力。

壓電式壓力傳感器的應(yīng)用

  • ????? 壓電式壓力傳感器主要應(yīng)用在加速度、壓力和力等的測量中。壓電式加速度傳感器是一種常用的加速度計。它具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、使用壽命長等優(yōu)異的特點(diǎn)。壓電式加速度傳感器在飛機(jī)、汽車、船舶、橋梁和建筑的振動和沖擊測量中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用,特別是航空和宇航領(lǐng)域中更有它的特殊地位。壓電式壓力傳感器也可以用來測量發(fā)動機(jī)內(nèi)部燃燒壓力的測量與真空度的測量。也可以用于軍事工業(yè),例如用它來測量槍炮子彈在膛中擊發(fā)的一瞬間的膛壓的變化和炮口的沖擊波壓力。它既可以用來測量大的壓力,也可以用來測量微小的壓力。

      壓電式壓力傳感器也廣泛應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)測量中,比如說心室導(dǎo)管式微音器就是由壓電傳感器制成的,因為測量動態(tài)壓力是如此普遍,所以壓電式壓力傳感器的應(yīng)用就非常廣泛。

壓電式壓力傳感器的特點(diǎn)

  • ????? 基于壓電效應(yīng)的傳感器。是一種自發(fā)電式和機(jī)電轉(zhuǎn)換式傳感器。它的敏感元件由壓電材料制成。壓電材料受力后表面產(chǎn)生電荷。此電荷經(jīng)電荷放大器和測量電路放大和變換阻抗后就成為正比于所受外力的電量輸出。壓電式壓力傳感器用于測量力和能變換為力的非電物理量,如壓力、加速度等(見壓電式壓力傳感器、加速度計)。它的優(yōu)點(diǎn)是頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠和重量輕等。缺點(diǎn)是某些壓電材料需要防潮措施,而且輸出的直流響應(yīng)差,需要采用高輸入阻抗電路或電荷放大器來克服這一缺陷。配套儀表和低噪聲、小電容、高絕緣電阻電纜的出現(xiàn),使壓電式壓力傳感器的使用更為方便。它廣泛應(yīng)用于工程力學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、電聲學(xué)等技術(shù)領(lǐng)域。
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