壓電式傳感器的工作原理是基于某些介質(zhì)材料的壓電效應(yīng)。當(dāng)材料受力作用而發(fā)生形變時(shí)，其表面會(huì)產(chǎn)生電荷，從而可以進(jìn)行測量，是典型的有源傳感器，而對于接近開關(guān)傳感器與壓電式傳感器是完全兩個(gè)不同的技術(shù)應(yīng)用。一八八零年發(fā)現(xiàn)石英晶體的壓電效應(yīng)后，一九四八年才制作 出第一個(gè)石英傳感器。發(fā)現(xiàn)石英晶體的壓電效應(yīng)后，又發(fā)現(xiàn)了一系列的單晶、多晶陶瓷材料有近年來發(fā)展起來的有機(jī)高分子聚合材料，都具有相當(dāng)強(qiáng)的壓電效應(yīng)。壓電式傳感器具有體積小、質(zhì)量小、工作頻帶寬、靈敏度高、機(jī)械阻抗大、信噪比高、工作可靠和測量范圍廣等特點(diǎn)，因此在各種動(dòng)態(tài)力、機(jī)械沖擊與振動(dòng)的測量以及生物醫(yī)學(xué)、電聲學(xué)、宇航等許多技術(shù)領(lǐng)域都得到了非常廣泛的應(yīng)用。
壓電效應(yīng)：某些離子型晶體的電介質(zhì)，當(dāng)作用力作用其上產(chǎn)生形變時(shí)，會(huì)引起電介質(zhì)內(nèi)部正負(fù)電荷中心相對位移產(chǎn)生極化現(xiàn)象，從而導(dǎo)致其兩個(gè)相對表面出現(xiàn)符號(hào)相反的電荷，外力去掉后，又恢復(fù)到不帶電狀。當(dāng)作用力反向時(shí)，電荷的極性也發(fā)生改變，而且產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成比例，上述現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。以上將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的壓電效應(yīng)又稱正壓電效應(yīng)。如正壓電材料極化方向上對電介質(zhì)施加一電場，它會(huì)產(chǎn)生機(jī)械形變;當(dāng)外電場去掉后，電介質(zhì)機(jī)械形變消失，這一電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的壓電效應(yīng)稱為逆壓電效應(yīng)。
壓電式傳感器大都是利用壓電材料的正壓電效應(yīng)制成的，逆壓電效應(yīng)通常用應(yīng)在電聲和超聲工程中。
壓電轉(zhuǎn)換元件的受力變形狀態(tài)有很多種，如厚度受力、長度受力、體積受力、厚度切變形、長變形。工程應(yīng)用中要要根據(jù)需要選擇不同類型的受力變形壓電傳感器。
石英晶體的壓電效應(yīng)有“橫向壓電效應(yīng)”和“縱向壓電效應(yīng)”。石英晶體由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)對稱，所以具有規(guī)則的幾何開關(guān)。它有三個(gè)晶軸，其中有一光軸，光軸受力不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。對應(yīng)其他兩軸受力都會(huì)產(chǎn)生第一方向的壓電效應(yīng)，對應(yīng)定義為橈骨向和縱向壓電效應(yīng)。
壓電陶瓷的壓電效應(yīng)是利用電罪行界限變化。通常人工制造的壓電陶瓷是多晶材料，通過人工極化處理，即在一定溫度條件下對壓電陶瓷施加一2-3h強(qiáng)電場，從而具有特定方向，這個(gè)方向也為極化方向。壓電陶瓷受外力作用時(shí)，電罪行界線發(fā)生變化，從而極化強(qiáng)度發(fā)生變化，這就是壓電陶瓷的壓電效應(yīng)。 |
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