壓電式傳感器和壓磁式傳感器均是由外界力作用而引起電參量和磁參量的變化而設計的傳感器。壓電式傳感器是以某些物質(zhì)的壓電效應制作的一種傳感器,當材料表面受力作用變形時,其表面會有電荷產(chǎn)生從而實現(xiàn)非電量測量。而壓磁式傳感器是以鐵磁元件的壓磁效應制作的一種傳感器,當外力作用于鐵磁元件時,引起鐵磁元件的磁導率變化來實現(xiàn)力的測量和控制。

壓電效應與壓電材料

壓電效應。當某些物質(zhì)沿其某一方向被施加壓力或拉力時,會產(chǎn)生變形,此時這種材料的兩個表面將產(chǎn)生符號相反的電荷;當去掉外力后,它又重新回到不帶電狀態(tài),這種現(xiàn)象稱為壓電效應。有時人們又把這種機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象,稱為順電效應。反之,在某些物質(zhì)的極化方向上施加電場,它會產(chǎn)生機械變形,當去掉外加電場后,該物質(zhì)的變形隨之消失,這種電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的現(xiàn)象,稱為著壓電效應。具有壓電效應的電介物質(zhì)稱為壓電材料。在自然界中,大多數(shù)晶體都具有壓電效應,然而大多數(shù)晶體的壓電效應都十分微弱。隨著對壓電材料的深入研究,人們發(fā)現(xiàn)石英晶體,鈦酸鋼、兒鈦酸鉛等人造壓電陶瓷是性能優(yōu)良的壓電材料。

壓電材料可以分為壓電晶體和壓電陶瓷兩大類。它們都具有較大的壓電常數(shù)、機械性能優(yōu)良(強度高、固有振功頻率穩(wěn)定)、時間穩(wěn)定性好、溫度穩(wěn)定性也很好等特性。

①壓電晶體。常見壓電晶體有天然和人造石英晶體。壓電系數(shù)d₁₁=2.31X10^-12C/N,在幾百度的溫度范圍內(nèi),其壓電系數(shù)穩(wěn)定不變,能產(chǎn)生十分穩(wěn)定的固有頻率f,能承受6860~9800N/c㎡的壓力,是理想的壓電傳感器的壓電材料。此外,還有水溶性壓電晶體。它屬于單斜晶系,如酒石酸鉀鈉、酒石酸乙烯二銨等。還有正方晶系,如磷酸二氫鉀、磷酸二氫氨等。

②壓電陶瓷。壓電陶瓷是經(jīng)極化處理的人造多晶系壓電材料。常用的有鈦酸鋇、鋯鈦

酸鉛、鈮酸鹽系壓電陶瓷。它們的壓電常數(shù)比石英晶體高,如鈦酸鋼,壓電系數(shù)d₁₁=190×10^-12C/N,但介電常數(shù)機械性能不如石英晶體好。由于它們品種多,性能各異,可根據(jù)它們各自的特點制作各種不同的壓電傳感器,這是一種很有發(fā)展前途的壓電元件。

常見的壓電材料的性能見表10-1。