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* * 任务4-3压电式传感器工作原理 压电式传感器是一种自发电式传感器。它以某些电介质的压电效应为基础,在外力作用下,在电介质表面产生电荷,从而实现非电量电测的目的。 压电传感元件是力敏感元件,它可以测量最终能变换为力的那些非电物理量,例如动态力、动态压力、振动加速度等,但不能用于静态参数的测量。 压电式传感器具有体积小、质量轻、频响高、信噪比大等特点。由于它没有运动部件,因此结构坚固、可靠性、稳定性高。 * * 一、压电效应 天然结构的石英晶体呈六角形晶柱,用金刚石刀具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片受到压力时,晶格产生变形,表面产生正电荷,电荷Q与所施加的力F成正比 ,这种现象称为压电效应 。还有一些人造的材料也具有压电效应。 若在电介质的极化方向上施加交变电压,它就会产生机械变形。当去掉外加电场时,电介质的变形随之消失,这种现象称为逆压电效应(电致伸缩效应)。 * * 石英晶体的压电效应演示 当力的方向改变时,电荷的极性随之改变,输出电压的频率与动态力的频率相同;当动态力变为静态力时,电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。 * * 二、压电材料的分类及特性 压电传感器中的压电元件材料一般有三类: 一类是压电晶体(如上述的石英晶体); 另一类是 经过极化处理的 压电陶瓷;第三类是高分子压电材料。 * * (一)石英晶体 天然形成的石英晶体外形 * * 天然形成的石英晶体外形(续) * * 石英晶体切片及封装 石英晶体薄片 双面镀银并封装 * * 石英晶体振荡器(晶振) 石英晶体在振荡电路中工作时,压电效应与逆压电效应交替作用,从而产生稳定的振荡输出频率。 晶振 * * (二)压电陶瓷 压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料,它比石英晶体的压电灵敏度高得多,而制造成本却较低,因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷 。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷(PZT)及非铅系压电陶瓷 (如BaTiO3等)。 * * 压电陶瓷外形 * * 无铅压电陶瓷及其换能器外形 (上海硅酸盐研究所研制) * * 高分子压电薄膜及拉制 * * (三)高分子压电材料 典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯(PVF2或PVDF)、聚氟乙烯(PVF)、改性聚氯乙烯(PVC)等。它是一种柔软的压电材料,可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。它不易破碎,具有防水性,可以大量连续拉制,制成较大面积或较长的尺度,价格便宜,频率响应范围较宽,测量动态范围可达80dB。 * * 高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆 * * 可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板 * * 压电式脚踏报警器 * * 高分子压电薄膜制作的压电喇叭(逆压电效应)
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