压电式测力传感器和压电式加速度传感器的应用与技术参数

 压电材料受力后表面产生电荷,此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。

 
压电式传感器用于测量力和能变换为电的非电物理量。它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。缺点是某些压电材料需要防潮措施,而且输出的直流响应差,需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。
 
压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数, 它直接关系到压电输出的灵敏度。压电材料的弹性常数、 刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。对于一定形状、 尺寸的压电元件, 其固有电容与介电常数有关; 而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。
 
在压电效应中,机械耦合系数等于转换输出能量(如电能)与输入的能量(如机械能)之比的平方根; 它是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。
 
压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏, 从而改善压电传感器的低频特性。压电材料开始丧失压电特性的温度称为居里点温度。
 
1、压电式测力传感器
 
压电式测力传感器是利用压电元件直接实现力-电转换的传感器,在拉、压场合,通常较多采用双片或多片石英晶体作为压电元件。其刚度大,测量范围宽,线性及稳定性高,动态特性好。当采用大时间常数的电荷放大器时,可测量准静态力。按测力状态分,有单向、双向和三向传感器,它们在结构上基本一样。
 
2、压电式加速度传感器
 
压电元件一般由两片压电片组成。在压电片的两个表面上镀银层,并在银层上焊接输出引线,或在两个压电片之间夹一片金属,引线就焊接在金属片上,输出端的另一根引线直接与传感器基座相连。在压电片上放置一个比重较大的质量块,然后用一硬弹簧或螺栓、螺帽对质量块预加载荷。整个组件装在一个厚基座的金属壳体中,为了隔离试件的任何应变传递到压电元件上去,避免产生假信号输出,所以一般要加厚基座或选用刚度较大的材料来制造。
 
目前制作压电式传感器的材料有很多,其中可分为压电单晶、压电多晶和有机压电材料。压电式传感器中用得最多的是属于压电多晶的各类压电陶瓷和压电单晶中的石英晶体。其他压电单晶还有适用于高温辐射环境的铌酸锂以及钽酸锂、镓酸锂、锗酸铋等。
 
如今的大型精密系统对质量和体积大小都非常的关注,传统的大块头的压电传感器将逐步的失去其市场。随着新材料及新加工技术的开发,利用激光等各种微细加工技术制成的硅加速度传感器由于具有体积非常的小、互换性及可靠性都很好的吸引力,正在逐步取代传统的压电传感器。压电传感器的功能已经突破传统的功能,其输出不再是一个单一的模拟信号,而是经过微电脑处理后的数字信号,有的压电传感如集成后的压电传感器其本身带有控制功能,也就是数字传感器,这是一大发展趋势。 
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