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壓電傳感器
壓電傳感器類似于壓阻式傳感器，其中應(yīng)變引起的機械彎曲或力產(chǎn)生電荷。
發(fā)件人：醫(yī)療點（POC）應(yīng)用醫(yī)療生物傳感器，2017年
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壓電材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測傳感器聲發(fā)射致動器樣品壓電致動器
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壓電傳感器
Paul Regtien，Edwin Dertien，《機電一體化傳感器》（第二版），2018年
8.2力、壓力和加速度傳感器
8.2.1施工
大多數(shù)力傳感器基于彈性或彈簧元件：力產(chǎn)生的變形由位移傳感器測量（如前幾章所述）。彈簧元件的彈性決定了這種傳感器的靈敏度。高靈敏度需要大變形，這是通過彈簧元件的低剛度實現(xiàn)的。然而，如此大的位移可能會無意中影響必須測量力的結(jié)構(gòu)。另一方面，壓電式力傳感器直接對施加的力作出反應(yīng)：在大多數(shù)情況下，相關(guān)的變形很小，可以忽略不計，從而確保力測量中的小負載誤差。雖然力是壓電傳感器測量的主要量，但是使用適當?shù)慕Y(jié)構(gòu)，也可以很容易地測量其他量，如壓力、應(yīng)變和加速度。
壓電傳感器也有缺點。施加的力產(chǎn)生的表面電荷可以通過環(huán)境電荷（空氣中的電荷）、電流泄漏（由于電介質(zhì)的非零導(dǎo)電性）或僅僅通過連接的電子設(shè)備的輸入電阻（在第8.3節(jié)中進一步討論）很容易中和。這使得傳感器作為輸入信號的高通濾波器，阻礙了純靜態(tài)測量。
另一個注意點是溫度敏感性。造成這種溫度效應(yīng)的原因是多方面的。首先，壓電材料是熱釋電的，所以它們也對溫度變化作出反應(yīng)。其次，溫度變化可能會引起晶體變形，從而產(chǎn)生電輸出。此外，當連接到壓電晶體的材料具有不同的熱膨脹系數(shù)（例如夾緊部件和電極）時，晶體會受到不必要的力。幸運的是，只要這些變化是緩慢的，它們不會因為前面討論的固有高通特性而限制適用性。
通常傳感器的元件是通過夾緊而不是通過膠合保持在一起的。結(jié)果就是晶體被預(yù)加載。圖8.5以非常示意的方式顯示了一些基本結(jié)構(gòu)。
登錄以下載全尺寸圖像
圖8.5。壓電傳感器原理（A）力傳感器（縱向），（B）壓縮式加速度計，（C）剪切式加速度計，（D）俯視圖（C）；箭頭表示靈敏度的主軸；電氣端子未顯示。
在力傳感器（圖8.5A）中，要測量的力直接傳遞到壓電晶體上。顯然，這種結(jié)構(gòu)提供了一種將晶體的電極連接到外部連接器的方法（圖中未顯示）。通常情況下，外殼充當接地端子。
在壓電式壓力傳感器中，要測量的壓力被施加在薄金屬膜上。作用在膜上的總力（即壓力乘以膜的有效面積）通過機械方式轉(zhuǎn)移到晶體上。壓電壓力傳感器對加速度也很敏感，因為殼體的質(zhì)量在加速時會在晶體上產(chǎn)生慣性力。對于必須在振動或其他移動環(huán)境中測量壓力的應(yīng)用，特殊壓力傳感器設(shè)計有補償晶體，以最小化加速度靈敏度。
加速度計基本上由一個或多個壓電晶體和一個驗證質(zhì)量（或地震質(zhì)量）組成。在這里，質(zhì)量也是固定的預(yù)加載到晶體上。圖8.5B顯示了壓縮模式加速計。該示例包括兩個晶體，背靠背安裝在地震塊和底板之間。一個電極連接到晶體的公共表面，另一個連接到外殼。在這種結(jié)構(gòu)中，晶體在電氣上并聯(lián)，在機械上串聯(lián)，導(dǎo)致靈敏度加倍。此外，還實現(xiàn)了對常見干擾的補償。圖8.5C和D所示的剪切式加速度計包含安裝在矩形柱上的四個晶體。質(zhì)量和晶體固定在中心柱和夾緊環(huán)之間（作為預(yù)緊力）。
由于沒有運動部件，壓電傳感器可以安裝在堅固的封裝中并密封。圖8.6給出了兩個模型的真實結(jié)構(gòu) |
