压电式压力传感器

2024-11-18

压电式压力传感器是一种基于压电效应制成的传感器，以下是其详细介绍：
工作原理
当某些电介质晶体（如石英、酒石酸钾钠、钛酸钡等）沿着某一个方向受力发生机械变形时，其内部会发生极化现象，在某些表面上会产生电荷，而当外力去掉后，又会重新回到不带电的状态，此现象称为 “压电效应”.
压电式压力传感器中的压电元件受到压力作用时产生的电荷量与作用力之间呈线性关系，即，其中为电荷量，为压电常数，为作用面积，为压力，通过测量电荷量便可得知被测压力大小.
结构类型
膜片式：主要由本体、膜片和压电元件组成。压电元件支撑于本体上，由膜片将被测压力传递给压电元件，再由压电元件输出与被测压力成一定关系的电信号.
活塞式：结构相对复杂，通过活塞将压力传递给压电元件，其优点是能够承受较大的压力，常用于高压测量场合。
主要特点
优点：
高灵敏度：能够感知微小的压力变化，并将其转换为电信号输出，为后续的测量和控制提供精确的数据.
高精度：测量精度通常可以达到 0.1% 以上，因此被广泛应用于各种高精度测量和控制场景中.
可靠性高：采用无活动部件的设计，不易受到机械磨损和疲劳的影响，使用寿命长.
抗干扰能力强：输出的电信号相对稳定，不易受到外界电磁干扰的影响，保证了测量的准确性和稳定性.
可承受高温和高压：部分压电材料如磷酸二氢胺、lio3 单晶等可承受较高的温度和压力，适用于各种恶劣的工业环境.
体积小、重量轻：结构简单紧凑，便于安装和使用，在一些对空间和重量有要求的场合具有优势.
缺点：不适宜测量缓慢变化的压力和静态压力，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存，而实际情况无法满足这一条件，存在电荷泄漏问题.
常用压电材料
石英：是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的。在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过其居里点后，压电性质完全消失。石英的优点是稳定性好、精度高，但压电系数相对较低.
酒石酸钾钠：具有很大的压电灵敏度和压电系数，但其只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用.
磷酸二氢胺：属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，得到了广泛的应用.
压电陶瓷：如钛酸钡压电陶瓷、pzt、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等，具有较高的压电系数和较好的性能，且可通过改变配方和工艺来调整其性能，以满足不同的应用需求.
应用领域
工业自动化：被广泛应用于各种压力测量和控制系统中，如压力机、液压系统、气瓶压力监测等，可实时监测各种压力参数，实现对设备的精确控制和安全保护.
生物医学：常用于生物医学测量中，如心室导管式微音器等，还可用于呼吸机中监测患者的呼吸状态和气压变化，以及血压计中精确测量血压和脉搏等生理参数.
环保领域：可用于监测大气压力、气瓶压力等，为环境保护和相关研究提供数据支持.
军事领域：在军事领域应用广泛，例如用于制导、火控系统等，还可测量炮膛中击发瞬间的膛压变化和炮口的冲击波压力.
航空航天：在飞机、航天器等的结构健康监测、发动机性能测试等方面发挥重要作用，可测量振动、冲击、压力等参数，保障飞行安全和设备可靠性.

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