压电晶体是利用自身材料的压电效应,将被测力、加速度等参数转化为电荷量或电压后进行输出的一种装置,如图9-34所示。它具有体积小、重量轻、频带宽、灵敏度高等优点。
1.压电元件目前压电元件所使用的压电材料可分为三大类是压电晶体(单晶),它包括压电石英晶体和其他压电单晶;二是压晶陶瓷(多晶半导瓷);三是新型压电材料,又可分为压电半导体和有机高分子压电材料两种。压电陶瓷的压电系数高于石英晶体,但是它的居里点(即材料将失去电压特性时的温度)要低于石英晶体。
2.压电效应当晶体受到某固定方向的外力时,内部就会产生电极化现象,并在一定表面上产生电荷。当外力去掉后,又重新回到不带电状态,这种现象称为压电效应。压电效应具有可逆性,如图9-35所示。
当外力作用方向改变时,电荷的极性也随之改变;晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比,这种机械能转化为电能的现象称为正压电效应。如果在晶体的极化方向施加电场,会在一定方向上产生机械变形或机械应力,当外电场撤去时,这些变形或应力也随之消失,这种现象称之为逆压电效应或电致伸缩效应。
3.压电传感器压电传感器是利用压电效应制成的一种力敏元件,如图9-36所示。它可以测量能变换为力的一些非电物理量,如动态力、动态压力、振动加速度等,但不能用于静态参数的测量。
由于它没有运动部件,因此结构坚固、可靠性及稳定性高,如汽车中的爆震传感器就是依据此原理而工作的。
压电式传感器大致可以分为压电式测力传感器、压电式压力传感器、压电式加速度传感器及高分子材料压力传感器四种类型。
4.压电加速度传感器它由质量块、压电元件和支座组成,支座与待测物刚性地固定在一起,如图9-37所示。当待测物运动时,支座与待测物以同一加速度运动,压电元件受到质量块与加速度相反方向的惯性力的作用,在晶体的两个表面上产生交变电荷(电压)。当振动频率远低于传感器的固有共振频率时,传感器的输出电荷(电压)与作用力成正比。电信号经放大器放大后即可测试出电荷(电压)大小,从而得知物体的加速度。
5压电谐振式传感器压电谐振式传感器是利用压电晶体谐振器的共振频率随被测物理量变化而变化进行测量的,如图9-38所示。利用逆压电效应,振子将按其固有共振频率或其泛音产生机械振动,同时电极板上由于正压电效应又将出现交变电荷,通过与外电路连接的电极对振子予以适当的能量补充,便可构成一个电和机械的振荡,并可等幅地持续下去的振荡电路。
