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压电陶瓷 传感器：从压电元件到压电传感器

本文尝试将厚书读薄，又不失其真意，将自己对压电传感器原理的理解，尽量简洁的表示出来
方法/步骤1
现实中存在一种物质，它受到力的的时候可以放出电荷，如果给它施加电场它则会产生形变，说白了这种物质可以将机械能转换成电能，也可以将电能转换成机械能，我们给这种性质起了个名字--压电效应，这种有压电效应的物质也被叫做压电材料，本文的主角是两种应用广泛的压电材料，压电晶体和压电陶瓷
2
由压电材料制成的压电元件，是压电传感器的基本元件，该元件产生的电荷与受力大小成正比，这之间的系数被叫做压电系数d
3
现在我们介绍一下压电晶体，它给人感觉有点两面三刀，从它不同的角度给它施加力它会出现不同的现象，据此我们给它分成三个方向的轴z(光轴)，y(机械轴)，x(电轴)，只有在y和x两轴施加力才会出现，关于电荷的大小，在x轴方向，电荷与力的大小只与压电系数有关；在y轴方向，电荷与力的关系除了与压电系数有关，还和晶体切片的厚度与长度之比有关；关于电荷的方向，从x和y轴施加力会产生方向相反的电荷，也就是说如果对x轴施加拉力会产生正电，那么对y轴施加拉力则会产生负电。
4
压电陶瓷，压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料，它内部有很多的杂乱的电畴，无电场作用时，电畴在晶体中分布杂乱分布，极化相互抵消呈中性，无法产生压电效应，所以需要对压电陶瓷施加一个电场，与压电晶体不同的是它的压电系数远强于压电晶体，它它更容易受到温度影响，随时间延长（2年后）压电系数会下降，现在（压电陶瓷PZT）是一种性能优越的压电陶瓷，是目前最普遍使用的压电材料。
5
压电元件结构形式，实际应用中我们会把两个或四个压电元件连接起来用。我们以两个为例，当两个元件并联时，它输出的电荷可以是单个的两倍，同时它的电容量也会变成两倍，电压不变，适合测量电荷输出的放大器；当他们串联时，输出的电荷和单个一样，但电压翻了一倍，自然电容为原来的一半，适合测量电压放大器
6
水平不高，能力有限，如有不足，感谢指正
END注意事项本文力求简洁，难免不够全面，只作了解阅读经验内容仅供参考，如果您需解决具体问题(尤其法律、医学等领域)，建议您详细咨询相关领域专业人士。作者声明：本篇经验系本人依照真实经历原创，未经许可，谢绝转载。展开阅读全部

压电陶瓷 传感器：压电陶瓷传感器

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压电陶瓷传感器
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压电陶瓷传感器的主要工作原理是正压电效应，由于经过外力作用后，产生的电荷只能在回路具有无限大的输入阻抗时才能保存，而实际上不会有这种情况存在，所以压电陶瓷传感器只能用于测量、感知动态或准静态的应力。
中文名
压电陶瓷传感器
类    型
一种传感器
特    点
体积小、重量轻且寿命长
目录
1
简要概述
2
压电陶瓷爆震传感器
?
结构及工作原理
?
电性能
3
压电陶瓷压力传感器
?
基本原理
?
性能及特点
压电陶瓷传感器简要概述
语音
压电陶瓷传感器的主要工作原理是正压电效应，由于经过外力作用后，产生的电荷只能在回路具有无限大的输入阻抗时才能保存，而实际上不会有这种情况存在，所以压电陶瓷传感器只能用于测量、感知动态或准静态的应力。主要用于加速度、压力和振动等各种物理量及其变化的测量。压电陶瓷传感器已成为各种控制系统和检测仪表的关键部件而得到广泛应用。
[1]
压电陶瓷加速度传感器是一种常用的加速度计，它具有体积小、结构简单、重量轻、使用寿命长等优点，在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中普遍使用，特别是航空和宇航领域，压电陶瓷加速度传感器更具有其独特的地位。压电陶瓷传感器在汽车发动机内部燃烧压力、真空度以及点火角不匹配引起的爆震测量方面发挥着重要作用。在军事工业中，压电陶瓷传感器被用于测量枪膛在子弹射出的瞬间膛压的变化和炮口冲击波压力，既可测量大压力，也可测量微小压力。
压电陶瓷传感器压电陶瓷爆震传感器
语音
压电陶瓷传感器结构及工作原理
图1-1 压电陶瓷爆震传感器结构示意图
压电陶瓷爆震传感器结构如图1-1所示，它由振动体、绝缘垫圈、电极片、压电陶瓷、压块、配重块、放松螺母、绝缘套等组成，它是利用压电陶瓷体的压电效应而工作的。其工作理是：当发动机的气缸发生振动时，通过振动体压电陶瓷体感受振动，产生可变电荷，电荷与发动机气缸发生的振动强度成正比，由此产生的电压经屏蔽线进入发动机电控单元（ECU）,ECU检测出5kHz左右的振动电压，根据电压的大小判断爆震强度，及时给出反馈信号修正点火提前角，消除爆震，使发动机在接近爆震、热效率最高、染料消耗量少的点火时刻工作，实现无爆震工作状态，保证发动机最高效和最经济地运转。它是发动机电子控制系统中必不可少的重要部件。
[1]
其中，1为振动体；2为绝缘垫圈；3为电极片；4为压电陶瓷体；5为压块；6为配重块；7为防松螺母；8为绝缘套。
压电陶瓷传感器电性能
1、 工作温度：-40℃~130℃；2、 温度敏感性：-0.06mV/g℃；3、 灵敏性（RMS）:在5kHz时为（26
8）mV/g；4、 线性度：在3kHz~15kHz时为5kHz时的
15%；5、 电容：0.9nF~1.5nF。
压电陶瓷传感器压电陶瓷压力传感器
语音
压电陶瓷传感器基本原理
图1-2 压电传感器原理及等效电路图
压电陶瓷传感器实质上是一个电荷发生器，它利用锆钛酸铅固溶体的压电效应，将机械能转换成电能。当压电传感器中的压电陶瓷承受被测机械应力的作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷，我们可以把压电传感器看成一个静电发生器[图1-2(a)]，也可以把它视为两极板上聚集异性电荷，中间为绝缘体的电容器[图1-2(b)]。因此，压电传感器可以等效地看做一个电压源U和一个电容器C的串联电路[图1-2(c)]。压电陶瓷压力传感器的工作原理：让传感器的工作端面感受（冲击）压力，传感器产生电荷（或电压），测试系统对这一电荷（或电压）进行放大，然后转换成压力、加速度、机械冲击和振动等物理量。
压电陶瓷传感器性能及特点
图1-3压电陶瓷压力传感器的基本结构图
压电陶瓷压力传感器具有体积小、频率响应快、无须外加电源、不发热、无噪声、灵敏度高等特点。其结构如图1-3所示。其中，1为闪电极芯；2为外壳；3为金膜；4为陶瓷体；5为绝缘层。
图1-4实物照片
图1-4所示为新近研制的HTYY320B型压电陶瓷冲击波传感器。1、 产品主性能指标（1） 外形尺寸（mm）：1.5*20；（2） 工作温度：-20℃~+120℃；（3） 响应时间：<0.1ms;（4） 测量范围：5bar~2kbar； 图1-5 HTY320B型传感器在5MPa时的响应特性 （5） 压电陶瓷压力传感器的照片（图1-4所示）。2、 响应测试图1-5为HTYY320B型（压电陶瓷压力）传感器在5MPa时的响应输出曲线。
词条图册
更多图册
参考资料
1.

胡爱民．微声电子器件——信息化武器装备的特种元件：国防工业出版社，2008年

压电陶瓷 传感器：压电陶瓷传感器在交通领域的应用

压电陶瓷(PZT)作为一种功能陶瓷已经广泛深入到人们的生活当中，这类材料在纯粹的机械作用下会发生极化现象，使介质两端分别带有符号相反彼此束缚的电荷，即产生压电效应。由于压电陶瓷在使用寿命、灵敏度、温度传感度、动态响应的速度和范围、承受负荷能力和稳定性、测量信噪比等方面比其他压电敏感材料更有优势，因此，在传感器、报警器、音响设备、医疗诊断等装置中都可以看见压电陶瓷的身影。压电陶瓷传感器作为一种新型功能材料在交通数据的地下采集、能量的转换方面发挥了巨大的作用。
No.1压电陶瓷传感器的工作原理
压电材料具有一种可以将应变能信号转换成电能信号，或者把电能信号转换成应变能信号的能力，所以它的工作方式分为两种：一种是主动控制压电材料，当电场作用在压电材料的极化方向上时，导致压电材料发生形变，使其以激励源的形式进行工作；另一种是被动控制压电材料，压电材料因受正应力或剪应力而在两个相对的表面产生电量相等符号相反的正负电荷，使其以传感器的方式进行工作。压电陶瓷传感器是根据正压电效应而研制的一类传感器。当车辆经过压电传感器时，传感器内部的压电材料因受压变形产生电荷信号，将电荷信号放大并转化为电压信号，电压信号与传感器所受压力成正比。压电陶瓷的工作特点可以归纳为两点：
1.“压电”中的“压”，呈现了力的概念，包括作用力、弹性力等由各种物理波场产生的力。而“压电”中的“电”是电学的概念，与电荷、电压、电流相联系。“压”向“电”的正向运转说明机械力的作用下会产生电，这也就是压电陶瓷传感器的工作原理。
2.“电”向“力”的转换，这是上一过程的逆过程，说明电场的电能也可以产生机械力。无论是“压”向“电”的转换还是“电”向“力”的转换，都伴随着介质的形变，也就是压电介质的形变导致了两个变换的过程。
No.2压电陶瓷传感器在交通领域的应用
1.压电智能道路
从道路上收集能量是近年来广泛研究的主题。从人行道和道路上收集能量的各种来源包括太阳辐射，由行驶的车辆和行人而散发的机械能，以及地热能，雨水和风等。本文主要讨论由行驶的车辆所产生的机械能。无线传感器网络（WSN）系统可以为智能交通系统提供实时、可靠的大数据，但是无线传感器节点的电源供应困难，限制了其广泛应用。可以考虑用压电陶瓷作为工具将周围的振动能量转换为电压输出，从而实现自供电需求。为此，嵌入压电智能道路下方的压电陶瓷传感器具有将行驶中车辆施加的压力转换为电流的魔力。该系统基于压电性，在材料受到周期压力时，其表面产生周期的电压，在其极面上不断激发电荷，把该电能贮存变换后作成压电发电机，实现了埋在地下的压电陶瓷传感器在快速移动的交通压力下发电的道路建设。
2.车辆动态称重
车辆动态称重系统(Weigh—In—Motion．WIM)的基本原理是利用测量移动车辆轮胎对地压力去估算车辆静止时轮胎对地压力，从而获得车重的过程，根据测量需求可同时获取车辆轮重、轴重、总重量、轴距及速度等信息，判断车辆是否有超载的可能性，甚至可以根据轴距等信息判断车型。
WIM的核心就是动态称重传感器，PZT作为一种在使用寿命、灵敏度、温度敏感度、动态响应速度、承受负荷能力和稳定性等方面相较于其他材料都比较有优势的新型功能材料，已经被用于WIM中。用耐高温的环氧树脂将PZT片粘接在两块大理石保护壳之间。然后将压电陶瓷传感器以一定的阵列形式浇筑进沥青路面，形成一体化的压电称重路面，对路面无损伤，且易于保养。
3.公路指示灯装置
目前大型弯道公路，尤其是盘山公路上，为了让司机看清楚弯道路面车辆情况，往往会在弯道处设置一面反光镜来指示车辆行驶状况，但这种方法受自然环境状况影响较大。可以提供一种大弯道公路路况指示灯装置,包括交通指示灯和指示灯控制器，指示灯控制器由基于PZT压电陶瓷材料的压电陶瓷传感器、电荷转换放大电路和电磁控制电路组成，压电陶瓷传感器与电荷转换放大电路连接，电荷转换放大电路与电磁控制电路连接，电磁控制电路与交通指示灯连接。
4.区分不同车道的交通数据
应用压电陶瓷材料可以开发一种具有双极或多极压电传感元件的交通传感器来唯一地识别某个车道的车辆，更具体地，利用压电陶瓷传感器，当车辆在道路上通过时会产生不同的电信号，使其在道路的各个车道中具有不同的极性或不同状态，从而可以通过接收到的电信号的不同极性或状态来较容易地区分不同车道的数据。

压电陶瓷 传感器：压电陶瓷传感器的特性及工作原理解析

陶瓷的压电性
某些电介质（如石英、电气石、酒石酸钾钠等晶体）在特定方向受力作用下会产生电荷位移，从而在其两端表面间出现电势差；反之，在其两端表面间加上电压，则电介质会发生弹性形变。前者称“正压电效应”，后者称“逆压电效应”或一般称为“电致伸缩”，总称压电现象。用作传感器的压电材料，要求其压电效应强、温度稳定性和老化性能好。压电材料有单晶和多晶两种。前者以石英晶体为代表，其特点是温度稳定性和老化性能好，且Q值极高；后者以钛锆酸铅压电陶瓷为代表，其特点是容易制作，性能可调，便于批量生产。压电材料已广泛用于力敏、声敏、热敏、光敏、湿敏和气敏等传感器，下表列出用压电材料制作的各种传感器。

压电传感器（压电陶瓷传感器）
陶瓷的热释电性
有自发极化的晶体，通常其表面俘获大气中的电荷而保持电平衡状态。当温度变化时，处于电平衡状态的晶体，其内部的自发极化发射随温度变化相应地变化。因为晶体表面电荷的变化跟不上晶体内部自发极化的变化，故可在晶体表面观测到电荷。图（a）示出晶体表面的最初电平衡态，图（b）示出晶体内部自发极化的变化，图（c）示出晶体达到新的平衡态。处于图（b）状态时，可观测到表面电荷，这种当温度变化时，因晶体内部自发极化发生变化而在晶体表面释放感应电荷的现象称热释放电效应。若在热释电体的两侧安装电极，并在两电极间接上负载，则因温度变化而释放的表面电荷将通过负载形成热电流。

温度变化时热电体表面电荷的变化
利用热释电效应可构成性能良好的红外线敏感元件，其对热释电材料的要求为：
①应能充分吸收人射的红外线。
②为了使吸收的单位热能对应大的温度上升幅度，热释电材料体积比热应小，且便于加工成微型或薄膜化元件。
③与温度变化相对应的表面电荷变化应大，即热释电系数=dPr/dT大。室温的Pr（剩余极化）大，（居里温度）适当高时，λ 变大。当Tc低，λ 大时，Tc低使工作温度受到限制，且的温度变化率大。
④与表面电荷变化相应的电容应小，使之能产生大的电压。
⑤构成噪声源之一的tanδ应小。
关于红外吸收，像硫酸三甘肽（TGS）那样的有机晶体，从2?3 μm到长波长，其吸收系数大，但对钛酸铅（PbTi03）和铌酸锶钡（SrxBa1-xNb2O6）等无机氧化物，直至10 μm附近的远红外区多数是透明的。若在元件的两边蒸发上数百埃（A）厚的金属模电极，则可产生由膜引起的红外吸收。为了获得足够的灵敏度，必须在表面附加红外吸收膜。
下表列出部分热释电材料的性能。其中LiTa03，LiNb03和SBN（Sr0.5Ba0.5Nb2O5）单晶，PZT（PbZr1-yTIyO3，y≈0.1）和PbTI03是陶瓷，TGS和PVF2（聚偏二氟乙烯）是有机材料。利用热释电材料构成的敏感元件，它能以物体辐射的红外线作为热源，从而进行非接触检测。这种红外线热敏元件的特点是：非接触、高灵敏度、宽范围（—80?+1500℃）检测温度；对波长依赖性小，能检测任意红外线；能在常温工作；快速响应。

部分热电材料的性能
热释电材料种类繁多，但实用化的材料还仅是PbTI03和PZT陶瓷，以及LiTa03单晶。PbTI03铁电体，它有居里点高、自发极化和介电常数大等特点，有望成为髙温、高频压电材料。纯PbTi03烧结困难，必须掺人Bi2/3Ti03，PbZn1/3Nb2/303，或添加La203和Mn02的组合物，这样即可获得红外线敏感元件的实用材料。另外，由于单晶生产技术的进步，已能提供便宜的优良LiTa03单晶材料。 　　红外线敏感元件的应用：在民用品中有调理敏感元件、排气气体热敏元件、来客报知器、防盗报警器和火灾报聱器；在工业领域有非接触测量旋转和高温体的温度，以及非破坏性检査。此外，这种敏感元件还可用于卫星上作监测环境污染和资源调査用，也可用于检测导弹和皮肤温度。
来源：muRata