壓電傳感器 第1張" title="壓電陶瓷 傳感器：從壓電元件到壓電傳感器 第1張-傳感器知識網(wǎng)"/>
壓電陶瓷 傳感器：從壓電元件到壓電傳感器
本文嘗試將厚書讀薄，又不失其真意，將自己對壓電傳感器原理的理解，盡量簡潔的表示出來
方法/步驟1
現(xiàn)實中存在一種物質(zhì)，它受到力的的時候可以放出電荷，如果給它施加電場它則會產(chǎn)生形變，說白了這種物質(zhì)可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，也可以將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，我們給這種性質(zhì)起了個名字--壓電效應(yīng)，這種有壓電效應(yīng)的物質(zhì)也被叫做壓電材料，本文的主角是兩種應(yīng)用廣泛的壓電材料，壓電晶體和壓電陶瓷
2
由壓電材料制成的壓電元件，是壓電傳感器的基本元件，該元件產(chǎn)生的電荷與受力大小成正比，這之間的系數(shù)被叫做壓電系數(shù)d
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現(xiàn)在我們介紹一下壓電晶體，它給人感覺有點兩面三刀，從它不同的角度給它施加力它會出現(xiàn)不同的現(xiàn)象，據(jù)此我們給它分成三個方向的軸z(光軸)，y(機(jī)械軸)，x(電軸)，只有在y和x兩軸施加力才會出現(xiàn)，關(guān)于電荷的大小，在x軸方向，電荷與力的大小只與壓電系數(shù)有關(guān)；在y軸方向，電荷與力的關(guān)系除了與壓電系數(shù)有關(guān)，還和晶體切片的厚度與長度之比有關(guān)；關(guān)于電荷的方向，從x和y軸施加力會產(chǎn)生方向相反的電荷，也就是說如果對x軸施加拉力會產(chǎn)生正電，那么對y軸施加拉力則會產(chǎn)生負(fù)電。
4
壓電陶瓷，壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料，它內(nèi)部有很多的雜亂的電疇，無電場作用時，電疇在晶體中分布雜亂分布，極化相互抵消呈中性，無法產(chǎn)生壓電效應(yīng)，所以需要對壓電陶瓷施加一個電場，與壓電晶體不同的是它的壓電系數(shù)遠(yuǎn)強(qiáng)于壓電晶體，它它更容易受到溫度影響，隨時間延長（2年后）壓電系數(shù)會下降，現(xiàn)在（壓電陶瓷PZT）是一種性能優(yōu)越的壓電陶瓷，是目前最普遍使用的壓電材料。
5
壓電元件結(jié)構(gòu)形式，實際應(yīng)用中我們會把兩個或四個壓電元件連接起來用。我們以兩個為例，當(dāng)兩個元件并聯(lián)時，它輸出的電荷可以是單個的兩倍，同時它的電容量也會變成兩倍，電壓不變，適合測量電荷輸出的放大器；當(dāng)他們串聯(lián)時，輸出的電荷和單個一樣，但電壓翻了一倍，自然電容為原來的一半，適合測量電壓放大器
6
水平不高，能力有限，如有不足，感謝指正
END注意事項本文力求簡潔，難免不夠全面，只作了解閱讀經(jīng)驗內(nèi)容僅供參考，如果您需解決具體問題(尤其法律、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域)，建議您詳細(xì)咨詢相關(guān)領(lǐng)域?qū)I(yè)人士。作者聲明：本篇經(jīng)驗系本人依照真實經(jīng)歷原創(chuàng)，未經(jīng)許可，謝絕轉(zhuǎn)載。展開閱讀全部
壓電陶瓷 傳感器：壓電陶瓷傳感器
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壓電陶瓷傳感器
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本詞條由“科普中國”科學(xué)百科詞條編寫與應(yīng)用工作項目
審核
。
壓電陶瓷傳感器的主要工作原理是正壓電效應(yīng)，由于經(jīng)過外力作用后，產(chǎn)生的電荷只能在回路具有無限大的輸入阻抗時才能保存，而實際上不會有這種情況存在，所以壓電陶瓷傳感器只能用于測量、感知動態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)的應(yīng)力。
中文名
壓電陶瓷傳感器
類 型
一種傳感器
特 點
體積小、重量輕且壽命長
目錄
1
簡要概述
2
壓電陶瓷爆震傳感器
?
結(jié)構(gòu)及工作原理
?
電性能
3
壓電陶瓷壓力傳感器
?
基本原理
?
性能及特點
壓電陶瓷傳感器簡要概述
語音
壓電陶瓷傳感器的主要工作原理是正壓電效應(yīng)，由于經(jīng)過外力作用后，產(chǎn)生的電荷只能在回路具有無限大的輸入阻抗時才能保存，而實際上不會有這種情況存在，所以壓電陶瓷傳感器只能用于測量、感知動態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)的應(yīng)力。主要用于加速度、壓力和振動等各種物理量及其變化的測量。壓電陶瓷傳感器已成為各種控制系統(tǒng)和檢測儀表的關(guān)鍵部件而得到廣泛應(yīng)用。
[1]
壓電陶瓷加速度傳感器是一種常用的加速度計，它具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、使用壽命長等優(yōu)點，在飛機(jī)、汽車、船舶、橋梁和建筑的振動和沖擊測量中普遍使用，特別是航空和宇航領(lǐng)域，壓電陶瓷加速度傳感器更具有其獨特的地位。壓電陶瓷傳感器在汽車發(fā)動機(jī)內(nèi)部燃燒壓力、真空度以及點火角不匹配引起的爆震測量方面發(fā)揮著重要作用。在軍事工業(yè)中，壓電陶瓷傳感器被用于測量槍膛在子彈射出的瞬間膛壓的變化和炮口沖擊波壓力，既可測量大壓力，也可測量微小壓力。
壓電陶瓷傳感器壓電陶瓷爆震傳感器
語音
壓電陶瓷傳感器結(jié)構(gòu)及工作原理
圖1-1 壓電陶瓷爆震傳感器結(jié)構(gòu)示意圖
壓電陶瓷爆震傳感器結(jié)構(gòu)如圖1-1所示，它由振動體、絕緣墊圈、電極片、壓電陶瓷、壓塊、配重塊、放松螺母、絕緣套等組成，它是利用壓電陶瓷體的壓電效應(yīng)而工作的。其工作理是：當(dāng)發(fā)動機(jī)的氣缸發(fā)生振動時，通過振動體壓電陶瓷體感受振動，產(chǎn)生可變電荷，電荷與發(fā)動機(jī)氣缸發(fā)生的振動強(qiáng)度成正比，由此產(chǎn)生的電壓經(jīng)屏蔽線進(jìn)入發(fā)動機(jī)電控單元（ECU）,ECU檢測出5kHz左右的振動電壓，根據(jù)電壓的大小判斷爆震強(qiáng)度，及時給出反饋信號修正點火提前角，消除爆震，使發(fā)動機(jī)在接近爆震、熱效率最高、染料消耗量少的點火時刻工作，實現(xiàn)無爆震工作狀態(tài)，保證發(fā)動機(jī)最高效和最經(jīng)濟(jì)地運轉(zhuǎn)。它是發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng)中必不可少的重要部件。
[1]
其中，1為振動體；2為絕緣墊圈；3為電極片；4為壓電陶瓷體；5為壓塊；6為配重塊；7為防松螺母；8為絕緣套。
壓電陶瓷傳感器電性能
1、 工作溫度：-40℃~130℃；2、 溫度敏感性：-0.06mV/g℃；3、 靈敏性（RMS）:在5kHz時為（26
8）mV/g；4、 線性度：在3kHz~15kHz時為5kHz時的
15%；5、 電容：0.9nF~1.5nF。
壓電陶瓷傳感器壓電陶瓷壓力傳感器
語音
壓電陶瓷傳感器基本原理
圖1-2 壓電傳感器原理及等效電路圖
壓電陶瓷傳感器實質(zhì)上是一個電荷發(fā)生器，它利用鋯鈦酸鉛固溶體的壓電效應(yīng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。當(dāng)壓電傳感器中的壓電陶瓷承受被測機(jī)械應(yīng)力的作用時，在它的兩個極面上出現(xiàn)極性相反但電量相等的電荷，我們可以把壓電傳感器看成一個靜電發(fā)生器[圖1-2(a)]，也可以把它視為兩極板上聚集異性電荷，中間為絕緣體的電容器[圖1-2(b)]。因此，壓電傳感器可以等效地看做一個電壓源U和一個電容器C的串聯(lián)電路[圖1-2(c)]。壓電陶瓷壓力傳感器的工作原理：讓傳感器的工作端面感受（沖擊）壓力，傳感器產(chǎn)生電荷（或電壓），測試系統(tǒng)對這一電荷（或電壓）進(jìn)行放大，然后轉(zhuǎn)換成壓力、加速度、機(jī)械沖擊和振動等物理量。
壓電陶瓷傳感器性能及特點
圖1-3壓電陶瓷壓力傳感器的基本結(jié)構(gòu)圖
壓電陶瓷壓力傳感器具有體積小、頻率響應(yīng)快、無須外加電源、不發(fā)熱、無噪聲、靈敏度高等特點。其結(jié)構(gòu)如圖1-3所示。其中，1為閃電極芯；2為外殼；3為金膜；4為陶瓷體；5為絕緣層。
圖1-4實物照片
圖1-4所示為新近研制的HTYY320B型壓電陶瓷沖擊波傳感器。1、 產(chǎn)品主性能指標(biāo)（1） 外形尺寸（mm）：1.5*20；（2） 工作溫度：-20℃~+120℃；（3） 響應(yīng)時間：<0.1ms;（4） 測量范圍：5bar~2kbar；
圖1-5 HTY320B型傳感器在5MPa時的響應(yīng)特性
（5） 壓電陶瓷壓力傳感器的照片（圖1-4所示）。2、 響應(yīng)測試圖1-5為HTYY320B型（壓電陶瓷壓力）傳感器在5MPa時的響應(yīng)輸出曲線。
詞條圖冊
更多圖冊
參考資料
1.
胡愛民．微聲電子器件——信息化武器裝備的特種元件：國防工業(yè)出版社，2008年
壓電陶瓷 傳感器：壓電陶瓷傳感器在交通領(lǐng)域的應(yīng)用
壓電陶瓷(PZT)作為一種功能陶瓷已經(jīng)廣泛深入到人們的生活當(dāng)中，這類材料在純粹的機(jī)械作用下會發(fā)生極化現(xiàn)象，使介質(zhì)兩端分別帶有符號相反彼此束縛的電荷，即產(chǎn)生壓電效應(yīng)。由于壓電陶瓷在使用壽命、靈敏度、溫度傳感度、動態(tài)響應(yīng)的速度和范圍、承受負(fù)荷能力和穩(wěn)定性、測量信噪比等方面比其他壓電敏感材料更有優(yōu)勢，因此，在傳感器、報警器、音響設(shè)備、醫(yī)療診斷等裝置中都可以看見壓電陶瓷的身影。壓電陶瓷傳感器作為一種新型功能材料在交通數(shù)據(jù)的地下采集、能量的轉(zhuǎn)換方面發(fā)揮了巨大的作用。
No.1壓電陶瓷傳感器的工作原理
壓電材料具有一種可以將應(yīng)變能信號轉(zhuǎn)換成電能信號，或者把電能信號轉(zhuǎn)換成應(yīng)變能信號的能力，所以它的工作方式分為兩種：一種是主動控制壓電材料，當(dāng)電場作用在壓電材料的極化方向上時，導(dǎo)致壓電材料發(fā)生形變，使其以激勵源的形式進(jìn)行工作；另一種是被動控制壓電材料，壓電材料因受正應(yīng)力或剪應(yīng)力而在兩個相對的表面產(chǎn)生電量相等符號相反的正負(fù)電荷，使其以傳感器的方式進(jìn)行工作。壓電陶瓷傳感器是根據(jù)正壓電效應(yīng)而研制的一類傳感器。當(dāng)車輛經(jīng)過壓電傳感器時，傳感器內(nèi)部的壓電材料因受壓變形產(chǎn)生電荷信號，將電荷信號放大并轉(zhuǎn)化為電壓信號，電壓信號與傳感器所受壓力成正比。壓電陶瓷的工作特點可以歸納為兩點：
1.“壓電”中的“壓”，呈現(xiàn)了力的概念，包括作用力、彈性力等由各種物理波場產(chǎn)生的力。而“壓電”中的“電”是電學(xué)的概念，與電荷、電壓、電流相聯(lián)系。“壓”向“電”的正向運轉(zhuǎn)說明機(jī)械力的作用下會產(chǎn)生電，這也就是壓電陶瓷傳感器的工作原理。
2.“電”向“力”的轉(zhuǎn)換，這是上一過程的逆過程，說明電場的電能也可以產(chǎn)生機(jī)械力。無論是“壓”向“電”的轉(zhuǎn)換還是“電”向“力”的轉(zhuǎn)換，都伴隨著介質(zhì)的形變，也就是壓電介質(zhì)的形變導(dǎo)致了兩個變換的過程。
No.2壓電陶瓷傳感器在交通領(lǐng)域的應(yīng)用
1.壓電智能道路
從道路上收集能量是近年來廣泛研究的主題。從人行道和道路上收集能量的各種來源包括太陽輻射，由行駛的車輛和行人而散發(fā)的機(jī)械能，以及地?zé)崮埽晁惋L(fēng)等。本文主要討論由行駛的車輛所產(chǎn)生的機(jī)械能。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）系統(tǒng)可以為智能交通系統(tǒng)提供實時、可靠的大數(shù)據(jù)，但是無線傳感器節(jié)點的電源供應(yīng)困難，限制了其廣泛應(yīng)用。可以考慮用壓電陶瓷作為工具將周圍的振動能量轉(zhuǎn)換為電壓輸出，從而實現(xiàn)自供電需求。為此，嵌入壓電智能道路下方的壓電陶瓷傳感器具有將行駛中車輛施加的壓力轉(zhuǎn)換為電流的魔力。該系統(tǒng)基于壓電性，在材料受到周期壓力時，其表面產(chǎn)生周期的電壓，在其極面上不斷激發(fā)電荷，把該電能貯存變換后作成壓電發(fā)電機(jī)，實現(xiàn)了埋在地下的壓電陶瓷傳感器在快速移動的交通壓力下發(fā)電的道路建設(shè)。
2.車輛動態(tài)稱重
車輛動態(tài)稱重系統(tǒng)(Weigh—In—Motion．WIM)的基本原理是利用測量移動車輛輪胎對地壓力去估算車輛靜止時輪胎對地壓力，從而獲得車重的過程，根據(jù)測量需求可同時獲取車輛輪重、軸重、總重量、軸距及速度等信息，判斷車輛是否有超載的可能性，甚至可以根據(jù)軸距等信息判斷車型。
WIM的核心就是動態(tài)稱重傳感器，PZT作為一種在使用壽命、靈敏度、溫度敏感度、動態(tài)響應(yīng)速度、承受負(fù)荷能力和穩(wěn)定性等方面相較于其他材料都比較有優(yōu)勢的新型功能材料，已經(jīng)被用于WIM中。用耐高溫的環(huán)氧樹脂將PZT片粘接在兩塊大理石保護(hù)殼之間。然后將壓電陶瓷傳感器以一定的陣列形式澆筑進(jìn)瀝青路面，形成一體化的壓電稱重路面，對路面無損傷，且易于保養(yǎng)。
3.公路指示燈裝置
目前大型彎道公路，尤其是盤山公路上，為了讓司機(jī)看清楚彎道路面車輛情況，往往會在彎道處設(shè)置一面反光鏡來指示車輛行駛狀況，但這種方法受自然環(huán)境狀況影響較大。可以提供一種大彎道公路路況指示燈裝置,包括交通指示燈和指示燈控制器，指示燈控制器由基于PZT壓電陶瓷材料的壓電陶瓷傳感器、電荷轉(zhuǎn)換放大電路和電磁控制電路組成，壓電陶瓷傳感器與電荷轉(zhuǎn)換放大電路連接，電荷轉(zhuǎn)換放大電路與電磁控制電路連接，電磁控制電路與交通指示燈連接。
4.區(qū)分不同車道的交通數(shù)據(jù)
應(yīng)用壓電陶瓷材料可以開發(fā)一種具有雙極或多極壓電傳感元件的交通傳感器來唯一地識別某個車道的車輛，更具體地，利用壓電陶瓷傳感器，當(dāng)車輛在道路上通過時會產(chǎn)生不同的電信號，使其在道路的各個車道中具有不同的極性或不同狀態(tài)，從而可以通過接收到的電信號的不同極性或狀態(tài)來較容易地區(qū)分不同車道的數(shù)據(jù)。
壓電陶瓷 傳感器：壓電陶瓷傳感器的特性及工作原理解析
陶瓷的壓電性
某些電介質(zhì)（如石英、電氣石、酒石酸鉀鈉等晶體）在特定方向受力作用下會產(chǎn)生電荷位移，從而在其兩端表面間出現(xiàn)電勢差；反之，在其兩端表面間加上電壓，則電介質(zhì)會發(fā)生彈性形變。前者稱“正壓電效應(yīng)”，后者稱“逆壓電效應(yīng)”或一般稱為“電致伸縮”，總稱壓電現(xiàn)象。用作傳感器的壓電材料，要求其壓電效應(yīng)強(qiáng)、溫度穩(wěn)定性和老化性能好。壓電材料有單晶和多晶兩種。前者以石英晶體為代表，其特點是溫度穩(wěn)定性和老化性能好，且Q值極高；后者以鈦鋯酸鉛壓電陶瓷為代表，其特點是容易制作，性能可調(diào)，便于批量生產(chǎn)。壓電材料已廣泛用于力敏、聲敏、熱敏、光敏、濕敏和氣敏等傳感器，下表列出用壓電材料制作的各種傳感器。
壓電傳感器（壓電陶瓷傳感器）
陶瓷的熱釋電性
有自發(fā)極化的晶體，通常其表面俘獲大氣中的電荷而保持電平衡狀態(tài)。當(dāng)溫度變化時，處于電平衡狀態(tài)的晶體，其內(nèi)部的自發(fā)極化發(fā)射隨溫度變化相應(yīng)地變化。因為晶體表面電荷的變化跟不上晶體內(nèi)部自發(fā)極化的變化，故可在晶體表面觀測到電荷。圖（a）示出晶體表面的最初電平衡態(tài)，圖（b）示出晶體內(nèi)部自發(fā)極化的變化，圖（c）示出晶體達(dá)到新的平衡態(tài)。處于圖（b）狀態(tài)時，可觀測到表面電荷，這種當(dāng)溫度變化時，因晶體內(nèi)部自發(fā)極化發(fā)生變化而在晶體表面釋放感應(yīng)電荷的現(xiàn)象稱熱釋放電效應(yīng)。若在熱釋電體的兩側(cè)安裝電極，并在兩電極間接上負(fù)載，則因溫度變化而釋放的表面電荷將通過負(fù)載形成熱電流。
溫度變化時熱電體表面電荷的變化
利用熱釋電效應(yīng)可構(gòu)成性能良好的紅外線敏感元件，其對熱釋電材料的要求為：
①應(yīng)能充分吸收人射的紅外線。
②為了使吸收的單位熱能對應(yīng)大的溫度上升幅度，熱釋電材料體積比熱應(yīng)小，且便于加工成微型或薄膜化元件。
③與溫度變化相對應(yīng)的表面電荷變化應(yīng)大，即熱釋電系數(shù)=dPr/dT大。室溫的Pr（剩余極化）大，（居里溫度）適當(dāng)高時，λ 變大。當(dāng)Tc低，λ 大時，Tc低使工作溫度受到限制，且的溫度變化率大。
④與表面電荷變化相應(yīng)的電容應(yīng)小，使之能產(chǎn)生大的電壓。
⑤構(gòu)成噪聲源之一的tanδ應(yīng)小。
關(guān)于紅外吸收，像硫酸三甘肽（TGS）那樣的有機(jī)晶體，從2?3 μm到長波長，其吸收系數(shù)大，但對鈦酸鉛（PbTi03）和鈮酸鍶鋇（SrxBa1-xNb2O6）等無機(jī)氧化物，直至10 μm附近的遠(yuǎn)紅外區(qū)多數(shù)是透明的。若在元件的兩邊蒸發(fā)上數(shù)百埃（A）厚的金屬模電極，則可產(chǎn)生由膜引起的紅外吸收。為了獲得足夠的靈敏度，必須在表面附加紅外吸收膜。
下表列出部分熱釋電材料的性能。其中LiTa03，LiNb03和SBN（Sr0.5Ba0.5Nb2O5）單晶，PZT（PbZr1-yTIyO3，y≈0.1）和PbTI03是陶瓷，TGS和PVF2（聚偏二氟乙烯）是有機(jī)材料。利用熱釋電材料構(gòu)成的敏感元件，它能以物體輻射的紅外線作為熱源，從而進(jìn)行非接觸檢測。這種紅外線熱敏元件的特點是：非接觸、高靈敏度、寬范圍（—80?+1500℃）檢測溫度；對波長依賴性小，能檢測任意紅外線；能在常溫工作；快速響應(yīng)。
部分熱電材料的性能
熱釋電材料種類繁多，但實用化的材料還僅是PbTI03和PZT陶瓷，以及LiTa03單晶。PbTI03鐵電體，它有居里點高、自發(fā)極化和介電常數(shù)大等特點，有望成為髙溫、高頻壓電材料。純PbTi03燒結(jié)困難，必須摻人Bi2/3Ti03，PbZn1/3Nb2/303，或添加La203和Mn02的組合物，這樣即可獲得紅外線敏感元件的實用材料。另外，由于單晶生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，已能提供便宜的優(yōu)良LiTa03單晶材料。 紅外線敏感元件的應(yīng)用：在民用品中有調(diào)理敏感元件、排氣氣體熱敏元件、來客報知器、防盜報警器和火災(zāi)報聱器；在工業(yè)領(lǐng)域有非接觸測量旋轉(zhuǎn)和高溫體的溫度，以及非破壞性檢査。此外，這種敏感元件還可用于衛(wèi)星上作監(jiān)測環(huán)境污染和資源調(diào)査用，也可用于檢測導(dǎo)彈和皮膚溫度。
來源：muRata
