压电式传感器的广泛应用

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：由于压电式力传感器具有结构简单、体积小、质量轻、频响高、信噪比大、灵敏度高、测量精度高、稳定性高、工作可靠、测量范围广等优点，应用较为广泛。同时惯性力作用在压电陶瓷片上产生电荷为此式表明电荷量直接反映加速度大小。为了提高传感器灵敏度，一般选择压电系数大的压电陶瓷片。

由于压电式力传感器具有结构简单、体积小、质量轻、频响高、信噪比大、灵敏度高、测量精度高、稳定性高、工作可靠、测量范围广等优点，应用较为广泛。例如，压电式力传感器是以压电元件为转换元件，输出电荷与作用力成正比的力-电转换装置；压电式金属加工切削力测量传感器中的压电陶瓷元件的自振动频率高，特别适合测量变化剧烈的载荷，当进行切削加工时，切削力通过刀具传给压电传感器，压电传感器将切削力转换为电信号输出；压电式玻璃破碎报警器利用压电元件对振动敏感的特性来感知玻璃受撞击和破碎时产生的振动波，把振动波转换成电压输出，输出电压经过放大、滤波、比较等处理后提供给报警系统；雨滴传感器利用振动板接收雨滴冲击能量的功能，压电元件把从振动板传递来的变形转换成电压；电子血压计通过在捆扎布内部安装的压电元件，把血液流过血管中产生的“克隆脱克泼”音转换成电信号。

此外，利用压电陶瓷将外力转换成电能的特性，可以生产出不用火石的压电打火机、煤气灶打火开关、炮弹触发引信等。压电陶瓷还可以作为敏感材料，应用于扩音器、电唱头等电声器件。将其用于压电地震仪，可以对人类不能感知的细微振动进行监测，并精确测出震源方位和强度，从而预测地震，减少损失。利用压电效应制作的压电驱动器具有精确控制的功能，是精密机械、微电子和生物工程等领域的重要器件。

1.压电式加速度传感器

压电式加速度传感器结构一般有纵向效应型、横向效应型和剪切效应型三种。纵向效应是最常见的，如图3-33所示。压电陶瓷4和质量块2为环形，通过螺母3对质量块预先加载，使之压紧在压电陶瓷上。测量时将传感器基座5与被测对象牢牢地紧固在一起。输出信号由电极1引出。

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图3-23　纵向效应型加速度传感器的截面图

当传感器感受振动时，质量块感受到与传感器基座相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力，此力F＝ma。同时惯性力作用在压电陶瓷片上产生电荷为

此式表明电荷量直接反映加速度大小。其灵敏度与压电材料压电系数和质量块质量有关。为了提高传感器灵敏度，一般选择压电系数大的压电陶瓷片。增加质量块质量会影响被测振动，同时会降低振动系统的固有频率，因此，一般不用增加质量办法来提高传感器灵敏度。此外，用增加压电片数目和采用合理的连接方法也可提高传感器灵敏度。

2.压电式压力传感器

如图3-24所示的压电式测压传感器由引线1、壳体2、基座3、压电晶片4、受压膜片5及导电片6组成。当膜片5受到压力P作用时，会在压电晶片上产生电荷。在一个压电片上所产生的电荷q为

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图3-24　压电式测压传感器的原理简图

压电式传感器的广泛应用

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