壓電傳感器

1　接近傳感器概要

　　在JIS規(guī)格中，根據(jù)IEC60947-5-2的非接觸式位置檢測(cè)用開關(guān)，制定了JIS規(guī)格（JISC8201-5-2低壓開關(guān)裝置及控制裝置、第5控制電路機(jī)器及開關(guān)元件、第2節(jié)接近開關(guān)）。在JIS的定義中，在傳感器中也能以非接觸方式檢測(cè)到物體的接近和附近檢測(cè)對(duì)象有無的產(chǎn)品總稱為“接近開關(guān)”，由感應(yīng)型、靜電容量型、超聲波型、光電型、磁力型等構(gòu)成。在本技術(shù)指南中，將檢測(cè)金屬存在的感應(yīng)型接近傳感器、檢測(cè)金屬及非金屬物體存在的靜電容量型接近傳感器、利用磁力產(chǎn)生的直流磁場(chǎng)的開關(guān)定義為“接近傳感器”。

2　特長(zhǎng)

　　①由于能以非接觸方式進(jìn)行檢測(cè)，所以不會(huì)磨損和損傷檢測(cè)對(duì)象物。

　?、谟捎诓捎脽o接點(diǎn)輸出方式，因此壽命延長(zhǎng)（磁力式除外）采用半導(dǎo)體輸出，對(duì)接點(diǎn)的壽命無影響。

　1　功能簡(jiǎn)介

　　壓電傳感器是利用某些電介質(zhì)受力后產(chǎn)生的壓電效應(yīng)制成的傳感器。所謂壓電效應(yīng)是指某些電介質(zhì)在受到某一方向的外力作用而發(fā)生形變（包括彎曲和伸縮形變）時(shí)，由于內(nèi)部電荷的極化現(xiàn)象，會(huì)在其表面產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象。壓電材料它可分為壓電單晶、壓電多晶和有機(jī)壓電材料。壓電式傳感器中用得最多的是屬于壓電多晶的各類壓電陶瓷和壓電單晶中的石英晶體。其他壓電單晶還有適用于高溫輻射環(huán)境的鈮酸鋰以及鉭酸鋰、鎵酸鋰、鍺酸鉍等。

　2　特點(diǎn)簡(jiǎn)介

　　壓電陶瓷有屬于二元系的鈦酸鋇陶瓷、鋯鈦酸鉛系列陶瓷、鈮酸鹽系列陶瓷和屬于三元系的鈮鎂酸鉛陶瓷。壓電陶瓷的優(yōu)點(diǎn)是燒制方便、易成型、耐濕、耐高溫。缺點(diǎn)是具有熱釋電性，會(huì)對(duì)力學(xué)量測(cè)量造成干擾。有機(jī)壓電材料有聚二氟乙烯、聚氟乙烯、尼龍等十余種高分子材料。有機(jī)壓電材料可大量生產(chǎn)和制成較大的面積,它與空氣的聲阻匹配具有獨(dú)特的優(yōu)越性,是很有發(fā)展?jié)摿Φ男滦碗娐暡牧稀?0年代以來發(fā)現(xiàn)了同時(shí)具有半導(dǎo)體特性和壓電特性的晶體，如硫化鋅、氧化鋅、硫化鈣等。利用這種材料可以制成集敏感元件和電子線路于一體的新型壓電傳感器，很有發(fā)展前途。

　　壓電式傳感器的應(yīng)用:壓電傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、質(zhì)量小、功耗小、壽命長(zhǎng)，特別是它具有良好的動(dòng)態(tài)特性，因此適合有很寬頻帶的周期作用力和高速變化的沖擊力。

　3　測(cè)量參數(shù)

　　（1）力測(cè)量壓電式傳感器主要利用石英晶體的縱向和剪切的壓電效應(yīng)，因?yàn)槭⒕w剛度大、滯后小，靈敏度高、線性好，工作頻率寬、熱釋電誑應(yīng)小。力傳感器除可測(cè)單向作用力外還可利用不同切割方向的多片晶體依靠其不同的壓電效應(yīng)測(cè)量多方向力，如空間作用力3個(gè)方向的分力Fx、Fy、Fz

　?。?）壓力測(cè)量：壓電式壓力傳感器主要利用彈性元件（膜片、活塞等）收集壓力變成作用于晶體片上的力，因?yàn)閺椥栽貌牧系男阅軐?duì)傳感器的特性有很大影響。

　?。?）加速度測(cè)量：壓電式加速度傳感器是利用質(zhì)量塊m由預(yù)緊力壓在晶體片上，婁被測(cè)加速度a作用時(shí)，晶體處會(huì)受到慣性力F=ma,由此產(chǎn)生壓電效應(yīng)，因此質(zhì)量塊的質(zhì)量決定了傳感器的靈敏度，也影響著傳感器的高頻響應(yīng)。

　4　動(dòng)態(tài)測(cè)量

　　壓電傳感器只能應(yīng)用于動(dòng)態(tài)測(cè)量

　　由于外力作用在壓電元件上產(chǎn)生的電荷只有在無泄漏的情況下才能保存，即需要測(cè)量回路具有無限大的輸入阻抗，這實(shí)際上是不可能的，因此壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測(cè)量。

　　壓電元件在交變力的作用下，電荷可以不斷補(bǔ)充，可以供給測(cè)量回路以一定的電流，故只適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量（一般必須高于100Hz，但在50kHz以上時(shí)，靈敏度下降）。

　5　工作原理

　　壓電效應(yīng)是壓電傳感器的主要工作原理，壓電傳感器不能用于靜態(tài)測(cè)量，因?yàn)榻?jīng)過外力作用后的電荷，只有在回路具有無限大的輸入阻抗時(shí)才得到保存。實(shí)際的情況不是這樣的，所以這決定了壓電傳感器只能夠測(cè)量動(dòng)態(tài)的應(yīng)力。

　　壓電傳感器主要應(yīng)用在加速度、壓力和力等的測(cè)量中。壓電式加速度傳感器是一種常用的加速度計(jì)。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)異的特點(diǎn)。壓電式加速度傳感器在飛機(jī)、汽車、船舶、橋梁和建筑的振動(dòng)和沖擊測(cè)量中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，特別是航空和宇航領(lǐng)域中更有它的特殊地位。壓電式傳感器也可以用來測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部燃燒壓力的測(cè)量和真空度的測(cè)量。也可以用于軍事工業(yè)，例如用它來測(cè)量槍炮子彈在膛中擊發(fā)的一瞬間的膛壓的變化和炮口的沖擊波壓力。它既可以用來測(cè)量大的壓力，也可以用來測(cè)量微小的壓力。

　　壓電傳感器中主要使用的壓電材料包括有石英、酒石酸鉀鈉和磷酸二氫胺。其中石英（二氧化硅）是一種天然晶體，壓電效應(yīng)就是在這種晶體中發(fā)現(xiàn)的，在一定的溫度范圍之內(nèi)，壓電性質(zhì)一直存在，但溫度超過這個(gè)范圍之后，壓電性質(zhì)完全消失（這個(gè)高溫就是所謂的“居里點(diǎn)”）。由于隨著應(yīng)力的變化電場(chǎng)變化微小（也就說壓電系數(shù)比較低），所以石英逐漸被其他的壓電晶體所替代。而酒石酸鉀鈉具有很大的壓電靈敏度和壓電系數(shù)，但是它只能在室溫和濕度比較低的環(huán)境下才能夠應(yīng)用。磷酸二氫胺屬于人造晶體，能夠承受高溫和相當(dāng)高的濕度，所以已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。

　　壓電式傳感器也廣泛應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)測(cè)量中，比如說心室導(dǎo)管式微音器就是由壓電傳感器制成的，因?yàn)闇y(cè)量動(dòng)態(tài)壓力是如此普遍，所以壓電傳感器的應(yīng)用就非常廣泛。

　　除了壓電傳感器之外，還有利用壓阻效應(yīng)制造出來的壓阻傳感器，利用應(yīng)變效應(yīng)的應(yīng)變式傳感器等，這些不同的壓力傳感器利用不同的效應(yīng)和不同的材料，在不同的場(chǎng)合能夠發(fā)揮它們獨(dú)特的用途。

　　這種壓力變送器主要利用液體或氣體在檢測(cè)器件上形成的壓力來檢測(cè)液體或者氣體的流量或壓強(qiáng)。把這種壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變成標(biāo)準(zhǔn)的0～10V或者4～20mA電信號(hào)。以便控制使用。

　　壓力和電信號(hào)的轉(zhuǎn)化主要由各種壓力傳感器的核心部件完成。核心部件主要由壓力檢測(cè)體和放大電路組成。

　?、叟c光檢測(cè)方式不同，適合在水和油等環(huán)境下使用檢測(cè)時(shí)幾乎不受檢測(cè)對(duì)象的污漬和油、水等的影響。此外，還包括特氟龍外殼型及耐藥品良好的產(chǎn)品

　?、芘c接觸式開關(guān)相比，可實(shí)現(xiàn)高速響應(yīng)

　?、菽軐?duì)應(yīng)廣泛的溫度范圍

　　⑥不受檢測(cè)物體顏色的影響對(duì)檢測(cè)對(duì)象的物理性質(zhì)變化進(jìn)行檢測(cè)，所以幾乎不受表面顏色等的影響

　?、吲c接觸式不同，會(huì)受周圍溫度的影響、周圍物體、同類傳感器的影響包括感應(yīng)型、靜電容量型在內(nèi)，傳感器之間相互影響。因此，對(duì)于傳感器的設(shè)置，需要考慮相互干擾。此外，在感應(yīng)型中，需要考慮周圍金屬的影響，而在靜電容量型中則需考慮周圍物體的影響。

3　接近傳感器原理

　　感應(yīng)型接近傳感器的檢測(cè)原理

　　通過外部磁場(chǎng)影響，檢測(cè)在導(dǎo)體表面產(chǎn)生的渦電流引起的磁性損耗。在檢測(cè)線圈內(nèi)使其產(chǎn)生交流磁場(chǎng)，并檢測(cè)體的金屬體產(chǎn)生的渦電流引起的阻抗變化進(jìn)行檢測(cè)的方式。

　　此外，作為另外一種方式，還包括檢測(cè)頻率相位成分的鋁檢測(cè)傳感器，和通過工作線圈僅檢測(cè)阻抗變化成分的全金屬傳感器。

　　在檢測(cè)體一側(cè)和傳感器一側(cè)的表面上，發(fā)生變壓器的狀態(tài)。