压电换能器工作原理_计算公式_应用特点

在日常生活中，可能会遇到很难测量的物理量，例如施加在金属上的机械应力、温度、压力水平等……对于所有这些应用，需要一种能够以我们熟悉的单位和校准来测量这些未知量的设备，而比较常用的设备是换能器。

换能器是一种电气设备，可以将任何类型的物理量以成比例的电量形式转换为电压或电流。按照使用材电磁特性来划分，换能器主要有磁致伸缩和压电晶体两大类。在本文中，小编简单介绍下压电换能器的相关知识。

基本概念

压电换能器是一种电换能器 ，它可以将任何形式的物理量转换成电信号，以便用于测量。简单来说，利用压电材料的特性将物理量转换为电信号的电换能器称为压电换能器。

压电材料表现出压电特性，根据该特性，在施加任何类型的机械应力或应变时，都会产生与所施加应力成比例的电压。可以使用电压测量仪器测量产生的电压，以计算施加到材料上的应力或应变值。

压电材料的类型

一些类型的压电材料是：

• 天然存在的：石英、罗谢尔盐、黄玉、电气石族矿物质，以及一些有机物质，如丝绸、木材、牙釉质、骨头、头发、橡胶、牙本质。
• 人工制造的：聚偏二氟乙烯、PVDF或PVF2、钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅（PZT）、铌酸钾、铌酸锂、钽酸锂等无铅压电陶瓷。

当然，并非所有的压电材料都可用于压电换能器，用作换能器的压电材料必须满足某些要求。例如，用于测量目的的材料应具有频率稳定性、高输出值、对极端温度和湿度条件不敏感，并且可以提供各种形状，或者应该灵活地制造成各种形状而不影响其性能。

不幸的是，没有一种压电材料具有所有这些特性。石英是一种高度稳定的晶体，天然存在，但输出量小，可以用石英测量缓慢变化的参数。罗谢尔盐的输出值最高，但它对环境条件很敏感，不能在115°F（46°C）以上温度运行。

工作原理

压电换能器利用压电原理工作。压电材料（通常是石英）的表面涂有一层薄薄的导电材料，例如银。当施加应力时，材料中的离子会移向其中一个导电表面，同时远离另一个导电表面，这导致电荷的产生,此电荷用于校准应力。产生的电荷的极性取决于施加应力的方向。应力可以以压缩应力和拉伸应力两种形式施加，如下图所示：

计算公式

晶体的方向也会影响产生的电压量，换能器中的晶体可以纵向排列或横向排列。

在纵向效应中，产生的电荷为：Q=F*d。

其中F是施加的力，d是晶体的压电系数。石英晶体的压电系数d约为2.3 *10^-12C/N。

在横向效应中，产生的电荷为：Q=F*d* (b/a)。

当比值b/a大于1时，横向排列产生的电荷量将大于纵向排列产生的电荷量。

应用电路

下图可以解释基本压电换能器的工作原理。

在这里，涂有银的石英晶体用作换能器，当对其施加压力时会产生电压，电荷放大器用于测量产生的无耗散电荷。为了吸收非常低的电流，电阻R1非常高。连接压电换能器的导线电容也会影响校准，所以电荷放大器通常放置在非常靠近换能器的位置。

因此，在压电换能器中，当施加机械应力时会产生成比例的电压，该电压会使用电荷放大器放大并用于校准施加的应力。

压电超声波换能器

压电超声波换能器的工作原理是逆压电效应。在这种效应中，当向压电材料施加电力时，它会发生与施加的电荷成比例的物理变形。下面给出了压电超声波换能器的电路。

在石英晶体放置在两个金属板A和B之间，这两个金属板连接到变压器的初级L3。变压器的初级电感耦合到电子振荡器，构成变压器次级的线圈L1和L2连接到电子振荡器。

当开关闭合时，振荡器会产生频率为f=1÷(2π√L1C1) 的高频交流电压脉冲。因此，在L3中感应出一个电动势，该电动势通过板A和B传输到石英晶体。由于逆压电效应，晶体开始交替收缩和膨胀，从而产生机械振动。

当电子振荡器的频率等于石英的固有频率时，就会发生共振。此时，石英产生振幅较大的纵向超声波。

主要应用

• 由于压电材料无法测量静态值，因此压电换能器主要用于测量表面粗糙度、加速度计和振动拾音器。
• 它们在地震仪中用于测量火箭的振动。
• 在应变仪中测量力、应力、振动等。
• 汽车行业使用它来测量发动机的爆震。
• 这些用于医疗应用中的超声成像。

优缺点

压电换能器的优点主要包括以下几点内容：

• 这些是有源换能器，即它们不需要外部电源来工作，因此是自发电的。
• 这些换能器的高频响应使其成为各种应用的理想选择。

压电换能器的缺点主要包括以下几点内容：

• 温度和环境条件会影响换能器的性能。
• 它们只能测量变化的压力，因此在测量静态参数时毫无用处。

总结

以上就是就是关于压电换能器工作原理、技术公式、应用电路等相关内容的介绍。根据以上信息，可以看出，压电换能器在日常生活中的应用也是非常的广泛。