壓電陶瓷的壓電效應(yīng)的原理是對(duì)壓電材料施加壓力,它便會(huì)產(chǎn)生電位差(稱之為正壓電效應(yīng)),反之施加電壓,則產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力(稱為逆壓電效應(yīng))。如果壓力是一種高頻震動(dòng),則產(chǎn)生的是高頻電流。而高頻電信號(hào)加在壓電陶瓷上時(shí),則產(chǎn)生高頻聲信號(hào)(機(jī)械震動(dòng)),這是我們平常所說(shuō)的超聲波信號(hào)。也是說(shuō),壓電陶瓷具有機(jī)械能與電能之間的轉(zhuǎn)換和逆轉(zhuǎn)換的功能,這種相互對(duì)應(yīng)的關(guān)系確實(shí)非常有意思。
壓電陶瓷的壓電材料可以因機(jī)械變形產(chǎn)生電場(chǎng),也可以因電場(chǎng)作用產(chǎn)生機(jī)械變形,這種固有的機(jī)-電耦合效應(yīng)使得壓電材料在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。例如,壓電材料已被用來(lái)制作智能結(jié)構(gòu),此類結(jié)構(gòu)除具有自承載能力外,還具有自診斷性、自適應(yīng)性和自修復(fù)性等功能,在未來(lái)的飛行器設(shè)計(jì)中占有重要的地位。
壓電陶瓷在工作的過(guò)程中,其壓力傳感器主要是利用壓電材料所具有的壓電效應(yīng)所制成的。由于壓電材料的電荷量是一定的,所以在連接時(shí)要特別注意,避免漏電。壓電式壓力傳感器的優(yōu)點(diǎn)是具有自生信號(hào),輸出信號(hào)大,較高的頻率響應(yīng),體積小,結(jié)構(gòu)堅(jiān)固。其缺點(diǎn)是只能用于動(dòng)能測(cè)量。需要特殊電纜,在受到突然振動(dòng)或過(guò)大壓力時(shí),自我恢復(fù)較慢。
壓電元件一般由兩塊壓電晶片組成。在壓電晶片的兩個(gè)表面上鍍有電極,并引出引線。在壓電晶片上放置一個(gè)質(zhì)量塊,質(zhì)量塊一般采用比較大的金屬鎢或高比重的合金制成。然后用一硬彈簧或螺栓,螺帽對(duì)質(zhì)量塊預(yù)加載荷,整個(gè)組件裝在一個(gè)原基座的金屬殼體中。為了隔離試件的任何應(yīng)變傳送到壓電元件上去,避免產(chǎn)生假信號(hào)輸出,所以一般要加厚基座或選用由剛度較大的材料來(lái)制造,殼體和基座的重量差不多占傳感器重量的一半。
測(cè)量時(shí),將傳感器基座與試件剛性地固定在一起。當(dāng)傳感器受振動(dòng)力作用時(shí),由于基座和質(zhì)量塊的剛度相當(dāng)大,而質(zhì)量塊的質(zhì)量相對(duì)較小,可以認(rèn)為質(zhì)量塊的慣性很小。因此質(zhì)量塊經(jīng)受到與基座相同的運(yùn)動(dòng),并受到與加速度方向相反的慣性力的作用。這樣,質(zhì)量塊有一正比于加速度的應(yīng)變力作用在壓電晶片上。
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