压电式传感器的压电效应和压电材料

压电式传感器和压磁式传感器均是由外界力作用而引起电参量和磁参量的变化而设计的传感器。压电式传感器是以某些物质的压电效应制作的一种传感器,当材料表面受力作用变形时,其表面会有电荷产生从而实现非电量测量。而压磁式传感器是以铁磁元件的压磁效应制作的一种传感器,当外力作用于铁磁元件时,引起铁磁元件的磁导率变化来实现力的测量和控制。

压电效应与压电材料

压电效应。当某些物质沿其某一方向被施加压力或拉力时,会产生变形,此时这种材料的两个表面将产生符号相反的电荷;当去掉外力后,它又重新回到不带电状态,这种现象称为压电效应。有时人们又把这种机械能转变为电能的现象,称为顺电效应。反之,在某些物质的极化方向上施加电场,它会产生机械变形,当去掉外加电场后,该物质的变形随之消失,这种电能转变为机械能的现象,称为着压电效应。具有压电效应的电介物质称为压电材料。在自然界中,大多数晶体都具有压电效应,然而大多数晶体的压电效应都十分微弱。随着对压电材料的深入研究,人们发现石英晶体,钛酸钢、儿钛酸铅等人造压电陶瓷是性能优良的压电材料。

压电材料可以分为压电晶体和压电陶瓷两大类。它们都具有较大的压电常数、机械性能优良(强度高、固有振功频率稳定)、时间稳定性好、温度稳定性也很好等特性。

①压电晶体。常见压电晶体有天然和人造石英晶体。压电系数d11=2.31X10-12C/N,在几百度的温度范围内,其压电系数稳定不变,能产生十分稳定的固有频率f,能承受6860~9800N/c㎡的压力,是理想的压电传感器的压电材料。此外,还有水溶性压电晶体。它属于单斜晶系,如酒石酸钾钠、酒石酸乙烯二铵等。还有正方晶系,如磷酸二氢钾、磷酸二氢氨等。

②压电陶瓷。压电陶瓷是经极化处理的人造多晶系压电材料。常用的有钛酸钡、锆钛

酸铅、铌酸盐系压电陶瓷。它们的压电常数比石英晶体高,如钛酸钢,压电系数d11=190×10-12C/N,但介电常数机械性能不如石英晶体好。由于它们品种多,性能各异,可根据它们各自的特点制作各种不同的压电传感器,这是一种很有发展前途的压电元件。

常见的压电材料的性能见表10-1。