压电传感器的工作原理是什么?

压电传感器的工作原理是什么?
根据基本的压电方程,当力平行于极化方向施加时,压电元件会产生电荷.对于一个极化的压电陶瓷,电荷Q与输入力F成正比,根据方程Q=d33F,其中d33是压电电荷系数.
或者,对于某些压电传感器可以使用挠曲模式设计,在这种情况下传感器内的所谓双压电元件被输入力所偏转.双压电元件由两个压电板组成,要么以相反方向极化(串联配置),要么以相同方向极化(并联配置).反应扭矩传感器也可能依赖于压电效应,使用多个剪切模式压电元件,而旋转轴上的扭矩测量通常是用应变计完成的.
压电应变传感器可以被视为一种强调应变的力传感器.它们相对于应变计的一个重要优势是它们非常适合动态测量.这些传感器中的大多数旨在测量设备晶振内部应变,无论是纵向还是横向,并且被设计成所谓的应变销,插入孔中.然而,也有一些测量表面应变的压电传感器存在同样,压力传感器是力传感器的特例,通常使用具有明确面积的膜片.这些传感器通常根据测量的压力进行分类,低压传感器测量高达几巴的压力,高压传感器用于超过1千巴的压力.用于测量微巴级别极小压力变化的压电传感器被称为压电麦克风,或者在水下应用中称为压电水听器石英是用于测量力,扭矩,应变和压力的传感器中常用的压电材料,特别是在需要高稳定性和/或准静态测量时,但也可以选择压电陶瓷来制造这些传感器类型中的少数几种,以利用压电陶瓷固有的优越电荷输出和成型可能性.

加速度传感器和声学发射传感器
用于测量加速度的传感器称为加速度计,可以被视为一个带有质量块的力传感器.在最简单的形式中,压电加速度计由一个薄的压电元件组成,其极化方向垂直于主表面,夹在所谓的地震质量块或基准质量块和基板之间.对于平行于极化方向的振动,作用在压电元件上的力由牛顿第二运动定律给出,并将产生如前所述的比例电荷.这样的压电传感器是压缩模式加速度计的一个基本示例,但通常使用由中心螺栓连接在一起的多层环状设计并并联连接,特别是如果压电材料基于低电荷输出的压电晶振,如石英或托帕石.与力传感器的情况一样,可以选择挠曲模式而不是压缩模式,在这种情况下,双晶元件是合适的.
许多压电加速度计是基于另一种模式,即剪切模式的激励.在一种类型的压电传感器设计中,一个压电陶瓷剪切管安装在中心柱上,周围有一个管状的地震质量块.其他设计使用一个或多个带有附加地震质量的压电剪切板.对于基于压电陶瓷的加速度计来说,特别相关的是使用剪切模式,因为否则输出信号可能会受到温度变化时热释电电荷的干扰.例如PZT这样的压电陶瓷通常在平行于极化方向的产生的场下显示出相当大的热释电效应.由于在剪切元件中电荷是垂直于极化方向收集的,这是避免热释电电荷的一种非常方便的方法.对于最高工作温度约为250°C的加速度计,可以使用软PZT类型如1Pz23和3Pz274作为压电元件.对于高温应用,有基于钛酸铋的特殊组合可用,例如5Pz466和7Pz488.
声发射(AE)传感器用于检测通过固体传输的信号,例如在材料测试中.它们与加速度计类型的压电传感器密切相关,但有一个重要的区别是它们不需要地震质量[Gautschi,2002,p.201].相反,确保与测试对象的良好声学耦合非常重要,这可以通过施加一层薄的耦合液体或粘合剂来实现.在声发射研究中使用的频率范围非常不同,从微地震研究中的几赫兹到金属的声发射检查中的兆赫兹范围.

使用逆压电效应的传感器
尽管直接压电效应是大多数压电传感器的明显选择,但某些传感器依赖于相反的压电效应(有时称为逆效应),即响应于施加的电场而产生应变.在石英微天平中,一个超声波谐振器在特定频率下保持振动,通常在兆赫兹范围内.在大多数情况下,产生的波是一个驻波剪切波.共振频率主要由压电元件(通常是石英晶体)的几何形状和机械系统的其他组件决定,但它受到质量微小变化的影响.由于石英晶振的高机械品质因数Q1m2(在10^6范围内),可以检测到非常小的频率偏移,这可能导致称重分辨率低于1微克/平方厘米.
压电传感器的工作原理是什么?

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