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对某些电介质,当沿着一定方向对它施加压力时,内部就产生极化现象,同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷;当外力去掉后,它又重新恢复为不带电状态;当作用力方向改变时,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,这种现象称为压电效应。
压电材料可以分为压电晶体和压电陶瓷两大类,前者是单晶体,后者是多晶体。选用合适的压电材料是设计高性能传感器的关键。
石英就是二氧化硅(SiO2),是一种压电晶体,除了石英晶体外,常用的压电晶体还有酒石酸钾钠(NaKC4H4O6·4H2O),铌酸锂(LiNbO2)等。
由钛酸钡(BaTiO3)是由碳酸钡(BaCO3)和氧化钛(TiO2)在高温下合成。
(PZT)
锆钛酸铅是由钛酸铅(PbTiO2)和锆酸铅(PbZrO3)组成的固溶体Pb(ZrTiO3)。
铌酸盐系压电陶瓷是以铌酸钾(KNbO3)和铌酸铅(PbNbO2)为基础制成。
除了以上几种压电材料,近年来,又出现了铌镁酸铅压电陶瓷(PMN),具有极高的压电常数,居里点为260℃,可承受700kg/cm2的压力。
串联接法输出电压高,本身电容小,适用于以电压为输出量及测量电路输入阻抗很高的场合;并联接法输出电荷大,本身电容大,因此时间常数也大,适用于测量缓变信号,并以电荷量作为输出的场合。
可以把压电传感器等效为一个与电容相并联的电荷源,(a)所示。压电传感器也可以等效为一个电压源和一个电容相串联的等效电路,(b)。
工作时,压电元件与二次仪表配合使用,必定与测量电路相连接,这就要考虑连接电缆电容Cc、放大器的输入电阻Ri和输入电容Ci。。
(阻抗变换器)
前置放大器输入电压Uim与频率无关。一般认为w/w0>3时就可以认为Uim与w无关。
由运算放大器基本特性,可求出电荷放大器的输出电压为
通常A=104~106,因此若满足(1+A)Cf>>Ca+Cc+Ci时,则
电荷放大器的输出电压Uo与电缆电容Cc无关,且与q成正比,这是电荷放大器的最大特点。
(1)单向力传感器
(2)压电式压力传感器测量冲床压力
(3)压电式压力传感器测量金属加工切削力
***切削力测量示意图