压电传感器论文

压电传感器

摘要：压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器。而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也叫压电传感器。本文主要介绍压电效应及压电传感器的测量原理，综述当前压电传感器的分类，讨论压电传感器在进一步实用化过程中面临的困难和需要解决的问题，并对其应用前景做的展望。

关键词：压电传感器压电效应分类前景展望

一、压电原理

1.压电效应

一些离子型晶体的电介质（如石英、酒石酸钾钠、钛酸钡等）不仅在电场力作用下，而且在机械力作用下，都会产生极化现象。即：在这些电介质的一定方向上施加机械力而产生变形时，就会引起它内部正负电荷中心相对转移而产生电的极化，从而导致其两个相对表面（极化面）上出现符号相反的束缚电荷，且其电位移D（在MKS单位制中即电荷密度σ）与外应力张量T成正比；当外力消失，又恢复不带电原状；当外力变向，电荷极性随之而变。这种现象称为正压电效应，或简称压电效应。

2.压电传感器原理

基于压电效应的传感器，是一种自发电式和机电转换式传感器。它的敏感元件由压电材料制成。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力的非电物理量。压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。

二、压电传感器分类

压电介质可分为三类，分别是石英晶体、压电陶瓷和高分子压电材料。1.石英晶体

石英晶体是一种天然形成的性能极为优异的单晶体压电材料。它具有稳定性好、可靠性高、响应速度快、压电常数自然变化率低(在20-200℃时，仅为

-0.0001/摄氏度 )等特点，广泛用于制作标准传感器以及高精度传感器。

2.压电陶瓷

压电陶瓷是一种人工合成的多晶体压电材料，内部具有大址微观极化区。无外电场作用时，各极化区在晶体中呈杂散状、极化方向各异。因此压电陶瓷平时呈电中性。当施加外电场时，极化方向统一。此时围绕原子核的电子获得动能脱离原子核束缚成为自由电子。这些自由电子和失去电子显正电性的原子核在外

电场作用下逐渐形成内部微弱势垒电场。从电工学理论可知，微观上所谓势垒电场就是“两侧堆积电性各异电子组成的作用范围”，宏观上表现为压电陶瓷表面呈现大量电荷。

压电陶瓷不同于自然界其他电介质，在外电场失去时，其内部极化区仍存有很强剩余极化强度，如沿极化方向施加外力，其表面也能产生电荷。换句话说，压电陶瓷也具有压电效应。常用的压电陶瓷有钻钦酸铅系列压电陶瓷(PZT)、非铅系压电陶瓷等。

3.高分子压电材料

高分子压电材料是近年来发展较快的一种新型压电材料。它的特点是压电常数较高，如聚偏二氟乙烯(PVF2或PVDF)的压电常数比压电陶瓷高十几倍，其输出脉冲电压可直接驱动 CMOS集成门电路。这种材料质地柔软，可以拉伸成薄膜或套管状。另外，价格便宜，不易破碎，具有防水性。其测量范围可达80dB,频响范围从0.1Hz直至10九次方Hz。可见它是一种较为理想的电声材料。高分子压电材料的工作溢度适用范围为100℃以下，机械强度较低，不耐紫外线照射。

三、总结

不可否认，压电传感器在拥有众多优点的同时，也存在着许多缺点，展望今后的研究重点，可能会有以下几个方面：(1)从研究的成果来看，理论研究离工程实用还有一定的差距，工程实用化方面研究也相当薄弱，具体表现在理论及仿真研究较多，而实验验证相对较少，研究对象以简单的梁板结构较多，对复杂结构的研究还相当欠缺。 (2)压电元件非线性特性的研究。由于压电材料的极化特性，压电系统只能在一定范围内满足近似的线性要求，并容易受外界多种环境的影响。非线性特性的存在使压电元件重复性差、检测精度低，瞬态位置响应速度慢，可控性变差，成为压电元件进一步工程应用的主要障碍之一。为减小这种非线性特性所造成的不良影响，更好地发挥压电元件的性能，国内外很多科研机构从压电元件非线性特性形成机理、外环及内环非线性特性及控制方法等方面开展了相关研究。 (3)压电材料的压电特性有待于进一步提高，这使得压电材料的应用受到极大限制。各国学者正在努力开发，一旦找到一种优异的压电材料，相信将会取代传统的、笨重的机电换能设备，如电动机、马达等。到那时，压电研究将会全方位地发展，甚至可能影响到我们生活的各个方面。

参考文献：

[1]蒋泽民,高俊启,季天剑.压电传感器测量路面动水压力研究[J].传感器与微系统，2012.

[2]陈政,钟汇才,李庆等.基于PVDF压电传感器的车辆动态称重信号的研究[J].传感器与微系统,2012.

[3]Optimal Control of a Beam with Discontinuously Distributed Piezoelectric Sensors and Actuators[J].船舶与海洋工程学报，英文版,2012.

[4]陈海雄,李传江.基于压电传感器的旋转机械振动信号测试技术[J].制造业自动化,2012.

[5]张忠华.压电传感器与执行器集成一体化方法和发展趋势[J].中国科技博览,2011.

[6]压电传感器动态特性数字化补偿方法研究[J].长沙大学学报,2011.