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压电式压力传感器的工作原理

时间:2021-01-16 点击次数:

压电式压力传感器是如何工作的?

半导体压电阻抗扩散压力传感器是在薄片表面形成半导体变形压力,通过施加外力(压力)使薄片变形而产生压阻抗效应,从而将阻抗变化转化为电信号。

电容式压力传感器,它是相对于玻璃的固定极和硅的可动极而形成的电容,它能将由外部力(压力)使可动极变形引起的静电容量的变化转化为电信号。

压电式传感器所用压电材料主要有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。在这些晶体中,石英(二氧化硅)是一种天然晶体,它具有压电效应,它的压电性在某一温度范围内一直存在,但当温度超过这一范围后,它便完全消失(这一高温范围称为“居里点”)。因为随应力变化的电场变化很小(即压电系数较低),石英逐渐被其它压电晶体所取代。虽然酒石酸钾钠有较高的压电灵敏度和压电系数,但仅适用于室内温和湿度较低的环境。磷酸二氢胺属于人造晶体,由于其耐高温、耐高湿,已被广泛使用。

压电式传感器主要应用于测量加速度、压力和压力等。压电式加速度传感器是目前应用较多的加速度传感器。其特点是结构简单,体积小,重量轻,使用寿命长,性能优良。压电式加速度传感器在飞行器、汽车、船舶、桥梁和建筑物的振动与冲击测试中有着广泛的应用,尤其在航空航天等领域有着特殊的地位。压电式传感器还可以用来测量内燃机内燃烧压力和真空度。还可用于军事工业,例如,用于测量枪炮子弹在膛内瞬间的膛压变化和炮口的冲击波压力。该仪器可用于测量大压力,也可用于测量小压力。

压电式传感器也被广泛应用于生物医学测量中,例如,由压电传感器制成的心室导管式微音器,由于其测量动态压力的作用十分普遍,因此其应用十分广泛。

除压电传感器外,还有利用压阻效应制造的压阻传感器,利用应变效应的应变式传感器等等,这些传感器利用不同的效应和材料,可以在不同的场合下发挥其独特的作用。

在工业生产中,压力传感器是最常用的一种传感器,大家通常所用的压力传感器主要是利用压电效应来制作的,这种传感器又称压电传感器。

众所周知,晶体具有各向异性,而非晶体具有各向同性。在沿某一方向受机械作用力作用而产生变形时,某些晶体介质会产生极化效应;在撤除机械作用力后,某些晶体会回到不带电状态,即受压时,某些晶体会产生极化效应,即所谓的极化效应。正是基于这种效应,科学家们开发了压力传感器。

目前多晶压电陶瓷也存在压电效应,如钛酸钡压电陶瓷,PZT,铌酸铅和铌镁酸铅压电陶瓷等。

压电效应是压电传感器的主要工作原理,由于压电传感器受外力作用后产生的电荷,只有在电路中有无限大的输入阻抗时,压电效应才能被静态地测量。但实际情况并非如此,因此这决定了压电传感器只能测量动态应力。

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