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力准为您介绍压电式传感器的基本知识。

时间:2021-09-17 点击次数:

压电传感器是基于压电效应的传感器。它是一种自发电和机电转换传感器。其敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后,表面产生电荷。这种电荷在电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后成为与外力相比的输出。压电传感器用于测量力和可转换为电的非电物理量。其优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠、重量轻。缺点是一些压电材料需要防潮措施,输出DC响应差,需要高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺点。

压电效应。

压电效应可分为正压效应和逆压效应。正压电效应是指当晶体受到固定方向外力的作用时,内部会产生电极化,同时在某两个表面产生符号相反的电荷;当外力消除时,晶体恢复无电状态;当外力方向发生变化时,电荷的极性也发生变化;晶体受力产生的电荷与外力成正比。大多数压电传感器都是由正压电效应制成的。逆压电效应是指向晶体施加交变电场导致晶体机械变形的现象,也称为电致伸缩效应。逆压电效应产生的变送器可用于电声和超声工程。压电敏感元件的应力变形有五种基本形式:厚度变形、长度变形、体积变形、厚度切割变形和平面切割变形。压电晶体是各向异性的,并不是所有的晶体都能在这五种状态下产生压电效应。例如,晶体没有体积变形压电效应,但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。

压电材料。

可分为压电单晶、压电多晶和有机压电材料。压电传感器广泛应用于各种压电陶瓷和压电单晶中的应时晶体。其它压电单晶还包括适用于高温辐射环境的铌酸锂、钽酸锂、镓酸锂、锗酸铋等。压电陶瓷包括钛酸钡陶瓷、锆钛酸铅陶瓷、铌酸盐陶瓷和铌镁酸铅陶瓷。压电陶瓷具有烧制方便、易成型、耐湿、耐高温等优点。缺点是热释电性能和干扰力学测量。有机压电材料包括聚二氟乙烯、聚氟乙烯、尼龙等十多种聚合物材料。有机压电材料可制成大面积压电材料。它与空气的声阻匹配具有独特的优势,是一种具有巨大发展潜力的新型电声材料。自20世纪60年代以来,发现了具有半导体和压电特性的晶体,如硫化锌、氧化锌和硫化钙。该材料可制成集敏感元件和电子线路于一体的新型压电传感器,具有很大的发展前景。

压电传感器大致可以分为四种,即压电测力传感器、压电压力传感器、压电加速度传感器和聚合物压力传感器。

正压电效应

一些物质,当向一定方向加力变形时,会在一定表面产生电荷,当外力去除后,会回到正常的无电状态,称为正压电效应。

逆压电效应

如果在这些物质的极化方向施加电场,这些物质会在一定方向上产生机械变形或机械应力。当外部电场撤离时,这些变形或应力也会消失。这种现象称为逆压电效应或电致伸缩效应。

压电材料。

具有明显压电效应的敏感功能材料称为压电材料。

压电单晶体如石英、酒石酸钾钠;

钛酸钡、锆钛酸铅、铌镁酸铅等多晶压电陶瓷,又称压电陶瓷。此外,聚偏二氟乙烯作为一种新型聚合物传感材料得到了广泛的应用。

主要参数。

(1)压电常数是衡量材料压电效应强度的参数,直接关系到压电输出的灵敏度。

(2)压电材料的弹性常数和刚度决定了压电器件的固有频率和动态特性。

(3)对于一定形状和尺寸的压电元件,其固有电容器与介电常数有关;固有电容器影响压电传感器的频率下限。

(4)在压电效应中,机械耦合系数等于输出能量(如电能)与输入能量(如机械能)之比的平方根;它是衡量压电材料电能转换效率的重要参数。

(5)压电材料的绝缘电阻可以减少电荷泄漏,从而改善压电传感器的低频特性。

(6)压电材料开始失去压电特性的温度称为居里点温度。

压力转换。

性能:Q=d*F,其中d:压电常数。

一般表达式:电荷密度q(用单位面积受力表示)

其中,i=1、2、3表示晶体极化方向,垂直于产生电荷的表面j=1、2、3、4、5、6表示受力方向,1~3表示x、y.z表示受力,4~6表示剪切力方向。

例如,q1表示法向矢量为x的两面产生的电荷。

在x向(拉)力的作用下,表达式在z方向产生电荷:

在z向力的作用下,在z方向产生电荷:

石英(SiO2)形状为六角形晶柱。两端是一对称的棱锥,六棱柱是其基本组织。纵轴z-z称为光轴,通过六角棱线垂直于光轴的轴x-x称为电轴,垂直于棱面的轴y-y称为机械轴。如果从晶体中切下一个平行的六面体,晶面分别平行于z-z、y-y和x-x轴,晶片在正常状态下不会电。施加外力时,电场沿x-x方向形成,电荷分布在垂直于x-x轴的平面上。

和石英有关。

SiO2是一种及时的化学风格。晶体单元中有三个硅离子和六个氧离子,后者是成对的,所以列出来了。

硅离子和氧离子在垂直于晶体Z轴的XY平面上的投影等效为正六边形。此时,正负离子正好分布在正六边形的顶角,呈电中性。硅离子1被挤压在氧离子2和6之间,而氧离子4被挤压在硅离子3和5之间。结果表面A为负电荷,表面B为正电荷。这种现象称为纵向压电效应。

如果沿Y方向压缩,硅离子3和氧离子2、硅离子5和氧离子6向内移动相同的值,因此电荷不显示在电极C和D上,电荷显示在表面A和B上,即X轴端面,但与之前的极性正好相反,称为横向压电效应。从研究模型中也可以看出,如果是伸长而不是压缩,电荷的极性正好相反。综上所述,单晶材料应该是各向异性物体。X或Y轴向施力时,垂直于X轴表面产生电荷,电场方向与X轴平行,Z轴向施力时不产生压电效应。

压力分析。

晶体结构为六方晶体系,化学SiO2。

定义:定义:

x:两个平行柱面的夹角等分线,垂直轴压电效应最强,称为电轴。

y:垂直于平行柱面,在电场的作用下变形最大,称为机械轴。

z压电效应,中心轴,又称光轴。

在电轴方向施加作用力时,在垂直于电轴x的平面上产生电荷,其大小为Qx=d11Fx。

类型:d11-x压电系数。

Fx-作用力。

若在同一切片上沿机械轴y方向施加力Fy,电荷qy仍会在垂直于x轴的平面上产生,其尺寸为Qy=d12Fya/b。

类型:d12-y轴压电系数。

d12=-d11。

晶体切片的长度和厚度。

(1)当晶体不受外力作用时,正负离子正好分布在正六边形的顶角,形成三个电偶极矩P1、P2、P3、P1+P2+P3=0,因此晶体表面不产生电荷,即中性。

(2)当晶体受到x轴方向的压力时,晶体会沿x方向压缩变形,正负电荷重心不再重合,正电荷出现在x轴方向,电偶极矩在y方向的重量仍然为零,没有电荷。

(3)当晶体受到y轴方向的压力时,x轴上出现电荷,其极性为x轴正负电荷。y轴方向没有电荷。

(4)如果沿z轴向施力,由于晶体在x方向和y方向的变形完全相同,正负电荷重心保持重合,电偶极矩矢量等于零。这说明晶体沿z轴向施加力不会产生压电效应。

压电陶瓷。

压电晶体与压电陶瓷的比较:

相似之处:都是有压电效应的压电材料。

区别:适时性的优点是介电和压电常数温度稳定性好,适用于工作温度范围广的传感器。外力变形后,极化压电陶瓷由于电极矩的重新定位而产生电荷。压电陶瓷的压电系数是时间的几十倍甚至几百倍,但稳定性不如时间,内点低。

等效电路

电容效应等效原理。

1)压电传感器结构。

在压电晶片的两个工作面上,形成金属膜和两个电极。

2)等效电容。

当压电传感器沿其敏感轴向受到外力作用时,两个电极产生相反极性的电荷,相当于一个电荷源(静电发生器)。由于压电晶体是绝缘体,当电荷聚集在其两极表面时,相当于一个电容器。其电容器沿x轴方向产生纵向压电效应,沿y轴产生横向压电效应,沿相对两平面产生切向压电效应。

3)等效电压;

当压电晶体受到外力作用时,两个表面产生等量的正负电荷Q可以获得开路电压(当负载电阻无限时)

1)压电传感器可以等效为电荷源和电容器,其等效电路可以认为是并联的;也可以认为是电压源和电容器的串联,Ra是压电元件的漏电阻。

2)压电传感器测试系统等效电路压电传感器工作时,应与二次仪器配合使用。

单个压电晶片很难产生足够的表面电荷,压电传感器经常使用两个或两个以上的压电晶片。由于压电晶体的极性,由两个压电晶体组成的传感器有串联和并联。

应用程序。

压力测力传感器。

压电测力传感器是利用压电元件直接实现力电转换的传感器。双片或多片晶体通常用双片或多片晶体作为压电元件。刚度大,测量范围广,线性和稳定性高,动态特性好。当使用大时间常数电荷放大器时,可以测量准静态力。根据测力状态,有单向、双向和三向传感器,结构基本相同。

传感器用于测量机床的动态切削力。绝缘用于绝缘和定位。底座内外底部对中心线的垂直度、上盖和晶片以及电极上下底部的平行度和表面光洁度有非常严格的要求,否则会增加横向灵敏度或因应力集中而过早破碎。为提高绝缘阻抗,传感器在组装前应多次净化(包括超声波清洗),然后在超净工作环境中组装,盖上后应用电子束密封焊接。

压力传感器的结构类型很多,但其基本原理和结构类似于压力加速度和力传感器。不同的是,压力必须通过弹性膜和盒子收集并转换成力,然后传递给压电元件。晶体通常用作压电元件,以保证静态特性和稳定性。

压电加速度传感器。

在压电片的两个表面镀银,在银层上焊接输出导线,或者在两个压电片之间夹一块金属,导线焊接在金属片上,输出端的另一根导线直接与传感器底座连接。将重量较大的质量块放在压电片上,然后用硬弹簧或螺栓和螺母预装质量块。整个部件安装在厚底座的金属外壳中。为隔离试件的任何应变,传输到压电元件,避免假信号输出,通常需要加厚底座或使用刚度较高的材料。

测量时,将传感器底座与试件的刚度固定在一起。当传感器感觉到振动时,由于弹簧的刚度相当大,质量块的质量相对较小,可以认为质量块的惯性很小,所以质量块感觉到与传感器底座相同的振动,受到与加速方向相反的惯性力。因此,质量块具有与加速度相比的交变力作用于压电片。由于压电片具有压电效应,交变电荷(电压)产生在两个表面。当振动频率远低于传感器的固有频率时,传感器的输出电荷(电压)与作用力成正比,即与试件的加速度成正比。传感器输出端引出输出电。输入前置放大器后,可以用普通测量器测量试件的加速度。如在放大器中加入适当的积分电路,可测量试件的振动加速度或位移。

澳门太阳集团登录网址是各种高精度三维力传感器、三轴力传感器、扭矩传感器、称重传感器、柱式传感器的专业制造商,也是集生产、销售、售后为一体的综合性技术创新企业。

主要产品有多个品种的称重、测力、压力、扭矩传感器等千余款产品。这些产品广泛应用于航空航天、汽车制造、纺织、电子、油田、化工、机械加工、能源、环保、医疗、交通、建材等领域自动化工程的检测和过程控制。有适用于各种恶劣环境的高、中、低温传感器和高防护等级传感器。

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