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压电传感器优缺点及应用

  压电传感器简介

压电传感器是利用某些电介质受力后产生的压电效应制成的传感器。所谓压电效应是指某些电介质在受到某一方向的外力作用而发生形变(包括弯曲和伸缩形变)时,由于内部电荷的极化现象,会在其表面产生电荷的现象。压电材料 它可分为压电单晶、压电多晶和有机压电材料。压电式传感器中用得最多的是属于压电多晶的各类压电陶瓷和压电单晶中的石英晶体。其他压电单晶还有适用于高温辐射环境的铌酸锂以及钽酸锂、镓酸锂、锗酸铋等。

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  压电传感器主要参数

(1)压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数, 它直接关系到压电输出的灵敏度。

(2)压电材料的弹性常数、 刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。

(3)对于一定形状、 尺寸的压电元件, 其固有电容与介电常数有关; 而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。

(4)在压电效应中,机械耦合系数等于转换输出能量(如电能)与输入的能量(如机械能)之比的平方根; 它是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。

(5)压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏, 从而改善压电传感器的低频特性。

(6)压电材料开始丧失压电特性的温度称为居里点温度。

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  压电式传感器的优点与缺点

压电式传感器的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。压电晶体可长期工作温度可达到400℃以上,瞬间(10个毫秒级)冲击温度可达4000K以上,可承受很高的表面压力(》150N/mm2)、刚度很高、线性好、迟滞小、在很宽的温度范围内灵敏度恒定、频响范围宽、可承受几乎无限的载荷循环数,绝缘阻抗非常高。

另外,由于石英晶体的高刚度,测量时相应的材料变形极小,一般在几微米之内,石英敏感元件的高固有频率特别适合于快速和动态过程的测量,它们不仅可以用于研发,也被广泛用于工业生产和试验过程。由于测量过程中几无形变,所以缓慢或准静态过程测量的误差很小。压电式传感器的缺点是某些压电材料需要防潮措施,而且输出的直流响应差,需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。

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  压电传感器的应用

1、用于减振降躁

压电智能结构在振动控制中的应用研究开展得最早,研究成果也较丰富,主要集中于大型航天柔性结构的振动控制。控制系统的设计通常有三种方法, 即主动控制、被动控制及主被动混合控制。被动控制系统结构简单、容易实现、成本低,但缺少控制上的灵活性,对突发性环境变化应变能力差;与被动控制相比,主动控制以现代控制理论为主要工具,具有较大的灵活性,对环境的适应能力强,是当前振动工程中的一个研究热点;被动控制与主动控制相结合形成混合控制策略是当前振动工程的一个新兴方向。压电智能结构的另一个重要应用方向是噪声主动控制。主要用于潜艇、飞行器以及车辆等三维封闭空间内部噪声的控制。与壁板振动主动控制不同之处在于振动控制是控制板的模态,而噪声控制则主要是控制产生声强的部分。

2、用于结构静变形控制

通过控制压电智能结构的变形可以调整结构的几何形状,维护结构准确的外形和位置,这在空间站及其他空间飞行器及柔性机械的控制中具有重要的应用价值。如在空间飞行器中,可通过控制精确结构的变形,以保证空间天线反射器、望远镜等精密仪器正常工作;在机器人中,通过压电元件控制柔性机械臂运动,可提高机械手的运动精度。

3、用于结构损伤监测

应用压电传感元件进行结构损伤监测主要有两种方式,其一是用压电传感器来精确感知结构力学性质的变化,并通过进一步地计算和分析,对结构的损伤进行预测;另一种则是通过分析结构中传播的振动波来进行损伤预测。这两种方式可以为结构的安全评定与损伤定位提供可靠信息,从而为土木工程结构长期、实时健康检测提供了新的方法。

4、用于加工工艺监测

压电式力、应力、振动及声发射传感器因其具有独特的优点成为现代化自动控制制造业中状态监测的理想选择。对于磨削、钻孔和攻丝,采用最新的遥测技术设计一种新颖的石英多分量力及力矩的传感器,这种新型的旋转切削测力计可以直接安装在轴和刀具之间,直接测量旋转刀具的切削力,对分析计划生产过程和确定用于实际生产中选择最佳切削参数都具有重要的意义。金属加工过程中会产生声发射现象,其中含有丰富的信息,其最重要的价值是对零件所产生的缺陷及初始故障能给出可靠的指示。一种创新的双用传感器将声发射传感器与三分量测力传感器合二为一,将这种双用传感器安装在车床夹具的适当位置,就可以连续监测切削力、进刀力和被动力的大小以及相关的声发射信号。

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5、用于车辆行驶称重

压电传感技术与网络技术和视频技术相结合可以实现对车轴数、车速、轴距、行驶中车辆载重量的信息进行收集并加以分析,从而在智能交通系统中发挥重大作用。如美国MSI公司研究开发的共聚物压电轴传感器,可获取精确的速度信号、触发信号和分类信息及长期反馈交通信息统计数据。巴西、德国、日本和韩国在压电检测的车辆行驶中称重功能方面也有大量的应用。

6、用于压电传感电缆

人们最近开发出一种压电层较厚的同轴电缆形式的PVF2压电材料——PVF2压电电缆。这种压电电缆用连续工艺生产,长度可达几千米,直径为1.5mm。它能把声音、振动、冲击、压力、应力和应变转换为电信号,使用方法非常灵活,它克服了压电薄膜及压电陶瓷的缺点和使用的局限性,展现出很大的应用前景。它的主要应用领域是:水声学、冲击传感、振动传感、入侵报警和安全防卫、交通流量统计、应变应力测量、工业控制与检测等。

7、用于航空和航海

由Sigma 研究公司研制而成的“便携式自动远程检查系统”,简称PARIS,专门为对大面积层状结构或复合结构进行原位检查而设计。其关键元件是一个200mm&TImes;200mm的可变形PVDF压电薄膜,其中含有1024 个换能器。这种膜的柔韧性很好,能够与曲率半径为4的弯曲表面完全贴合。与它相连的装置还有一个手提控制器、数据采样器和显示装置等。这种接收器的总信噪比达100dB,中心频率为2.5MHz。飞机上的石墨—环氧树脂复合物或舰艇上的大型结构都可以用它来进行很方便的测试。而对于铝和钢的测试,这方面早已获得了令人满意的结果。

8、压电式报警器

玻璃破碎报警装置它利用压电元件对振动敏感的特性来感知玻璃受撞击和破碎时产生的振动波。传感器把振动波转换成电压输出,输出电压经放大、滤波、比较等处理后提供给报警系统。传感器的最小输出电压为100 mV,最大输出电压为100 V,内阻抗为15~20 kq。玻璃破碎时会发出几千赫兹至几十千赫兹的振动,使用时将高分子压电薄膜传感器粘贴在玻璃上,感受这一振动,然后通过电缆和报警电路相连,将压电信号传送给集中报警系统。为了提高报警器的灵敏度,信号经放大后,再经带通滤波器进行滤波,要求它对选定的频谱通带的衰减要小,而频带外衰减要尽量大。玻璃振动的波长在音频和超声波的范围内,这就使滤波器成为电路中的关键。只有当传感器输出信号高于设定的阈值时,才会输出报警信号,驱动报警执行机构工作。玻璃破碎报警器可广泛用于文物保管、贵重商品保管及其他商品柜台保管等场合。

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