图1(a)具有压电效应的晶体
图1(b)不具有压电效应的晶体
压电材料可以分为两大类:压电晶体和压电陶瓷。压电材料的主要特性参数如下。
① 压电常数。它是衡量材料压电效应强弱的参数,直接关系到压电输出的灵敏度。
② 弹性常数。压电材料的弹性常数、刚度决定着压电器件的固有频率相动态特性。
③ 介电常数。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 机械耦合系数。在压电效应中,其值等于转换输出能量(如电能)与输入能量(如机械能)之比的平方根,它是衡量压电材料电能量转换效率的一个重要参数。
⑤ 电阻。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 居里点。压电材料开始丧失压电特性的温度。
三、压电式加速度传感器的结构与使用
压电式加速度传感器是基于某种晶体材料的压电效应而制成的惯性传感器。传感器受振时,质量块加在压电元件上的力随之变化,当被测振动频率远低于传感器的固有频率时,这个力的变化与被测振动的加速度成正比。由于压电效应。在压电元件中便产生了与被测加速度成正比的电荷量。
(1)压电式加速度传感器的结构
如图2所示,压电式加速度传感器主要由压电元件P、质量块M、压紧弹簧S和基座B等组成。压电式加速度传感器形式较多,图(a)为外缘固定型,其弹簧外缘固定在壳体上,此结构因底座与壳体构成了弹簧质量系统的一部分,故易受到外界温度与噪声的影响,以及安装紧固时底座变形引起的影响,这些都直接影响加速度的输出;图(b)为中间固定型,压电元件、质量块和压紧弹簧固定在一个中心杆上,压电元件的预紧力由中心杆上部的蝶形弹簧调整,壳体仅起屏蔽作用,消除了壳体变形带来的影响;图(c)为倒置中间固定型,这种结构的中心杆不直接与基座相连接,可以避免基座变形带来的影响,但其壳体壁部分也容易产生弹性变形,故其共振频率较低;图(d)为剪切型,它是将一个圆筒状压电元件粘结在中心架上,并在压电元件的外圆又粘结一个圆筒状质量块,当传感器受到沿轴向的振动时,压电元件受到剪切应力而产生电荷,这种结构有利于降低基座变形及外界温度变化与噪声的影响,有很高的共振频率和灵敏度,且横向灵敏度小。