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压电式传感器的敏感芯体材料和结构形式


·压电材料


  压电材料一般可以分为两大类,即压电晶体和压电陶瓷。在压电型加速度计的最常用的压电晶体为石英,其特点为工作温度范围宽,性能稳定,因此在实际应用中经常被用作标准传感器的压电材料。由于石英的压电系数比其他压电材料低得多,因此对通用型压电加速度计而言更为常用的压电材料为压电陶瓷。压电陶瓷中锆钛酸铅(PZT)是目前压电加速度计中经常使用的压电材料。其特点为具有较高的压电系数和居里点,各项机电参数随温度时间等外界条件的变化相对较小。就同一品种的压电陶瓷而言,虽然都有相同的基本特性,但由于制作工艺不同可以使两个相同材料的压电陶瓷的具体性能指标相差甚大。这种现象可以通过典型的国产传感器和进口传感器的比较得以反映,国内振动测试业几十年的经验对此深有体会。


 ·传感器敏感芯体的结构形式


  压电加速度传感器的敏感芯体一般由压电材料和附加质量块组成,当质量块受到加速度作用后便转换成一个与加速度成正比并加载到压电材料上的力,而压电材料受力后在其表面产生一个与加速度成正比的电荷信号。压电材料的特性决定了作用力可以是受正应力也可以是剪应力,压电材料产生的电荷大小随作用力的方向以及电荷引出表面的位置而变。根据压电材料不同的受力方法,常用传感器敏感芯体的结构一般有以下三种形式:

1)压缩形式压电材料受到压缩或拉伸力而产生电荷的结构形式。压缩式敏感芯体是加速度传感器中传统的结构形式。其特点是制造简单方便,能产生较高的自振谐振频率和较宽的频率测量范围。缺点是不能有效地排除各种干扰对测量信号的影响。
2)剪切形式通过对压电材料施加剪切力而产生电荷的结构形式。从理论上分析在剪切力作用下压电材料产生的电荷信号受外界干扰的影响甚小,因此剪切结构形式成为广泛使用的加速度传感器敏感芯体。然而在实际制造过程中,确保剪切敏感芯体的加速度计持有较高和稳定的频率测量范围却是传感器制造中工艺中最为困难的一个环节。