壓電式傳感器的敏感芯體材料和結構形式
2021-08-05 09:55:40(2024)次瀏覽
·壓電材料
壓電材料一般可以分為兩大類,即壓電晶體和壓電陶瓷。在壓電型加速度計的更常用的壓電晶體為石英,其特點為工作溫度范圍寬,性能穩定,因此在實際應用中經常被用作標準傳感器的壓電材料。由于石英的壓電系數比其他壓電材料低得多,因此對通用型壓電加速度計而言更為常用的壓電材料為壓電陶瓷。壓電陶瓷中鋯鈦酸鉛(PZT)是目前壓電加速度計中經常使用的壓電材料。其特點為具有較高的壓電系數和居里點,各項機電參數隨溫度時間等外界條件的變化相對較小。就同一品種的壓電陶瓷而言,雖然都有相同的基本特性,但由于制作工藝不同可以使兩個相同材料的壓電陶瓷的具體性能指標相差甚大。這種現象可以通過典型的國產傳感器和進口傳感器的比較得以反映,國內振動測試業幾十年的經驗對此深有體會。
·傳感器敏感芯體的結構形式
壓電加速度傳感器的敏感芯體一般由壓電材料和附加質量塊組成,當質量塊受到加速度作用后便轉換成一個與加速度成正比并加載到壓電材料上的力,而壓電材料受力后在其表面產生一個與加速度成正比的電荷信號。壓電材料的特性決定了作用力可以是受正應力也可以是剪應力,壓電材料產生的電荷大小隨作用力的方向以及電荷引出表面的位置而變。根據壓電材料不同的受力方法,常用傳感器敏感芯體的結構一般有以下三種形式:
1)壓縮形式– 壓電材料受到壓縮或拉伸力而產生電荷的結構形式。壓縮式敏感芯體是加速度傳感器中傳統的結構形式。其特點是制造簡單方便,能產生較高的自振諧振頻率和較寬的頻率測量范圍。缺點是不能有效地排除各種干擾對測量信號的影響。
2)剪切形式– 通過對壓電材料施加剪切力而產生電荷的結構形式。從理論上分析在剪切力作用下壓電材料產生的電荷信號受外界干擾的影響甚小,因此剪切結構形式成為廣泛使用的加速度傳感器敏感芯體。然而在實際制造過程中,確保剪切敏感芯體的加速度計持有較高和穩定的頻率測量范圍卻是傳感器制造中工藝中更為困難的一個環節。
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