压电式传感器工作原理及应用

压电式传感器是一种可将物理量转化为电信号的传感器，它利用压电效应，即当压电材料受到外力作用时，会产生电荷或电势差变化，实现对物理量的检测和测量。

常见的压电传感器包括压力传感器、加速度传感器、振动传感器、位移传感器、体积流量传感器等，由于其响应速度快、精度高、可靠性好等优点，被广泛应用于各种工业领域中，例如汽车工业、机械制造、医疗器械等。本文将为您介绍压电式传感器的工作原理、作用等内容：

一、压电式传感器工作原理

压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺，其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失，这个高温就是所谓的“居里点”。

由于随着应力的变化电场变化微小，也就说压电系数比较低，所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代，而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用，磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以得到了广泛的应用。

我们知道，晶体是各向异性的，非晶体是各向同性的，某些晶体介质，当沿着一定方向受到机械力作用发生变形时，就产生了极化效应，当机械力撤掉之后，又会重新回到不带电的状态，也就是受到压力的时候，某些晶体可能产生出电的效应，这就是所谓的极化效应，科学家就是根据这个效应研制出了压力传感器。

在现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存，实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。

二、压电式传感器的作用

压电式传感器在许多领域中发挥着重要的作用，可以应用于许多领域，实现对物理量进行精准的测量和监控，其主要作用有以下几点：

1、测量压力

压电式传感器可以精确测量被测物体的压力，传感器将被测物体施加的压力转换为电信号输出，可以得到该物体的压力大小，应用于制药、化工、制糖、食品、饮料等行业，可以测量多种物质的压力，确保生产线系统的正常运行。

2、测量力

在工程设计、汽车产业等领域中，需要对受力部件的拉伸和压缩进行测量，通过安装压电式传感器，可以测量受力部件的变形程度，从而得到该部件受到的力的大小和方向，以达到质量检测和控制的目的。

3、测量加速度

压电式传感器可以感知物体的加速度，用于测试行车中的震动、建筑物的地震、飞机的飞行状态等，实现精准的运动状况监测，对于保证物体的稳定性以及安全性具有重要的作用。

4、测量振动

振动是许多行业中关注的问题，如工业设备的振动、锅炉的振动等等，都需要采用传感器来实现振动的监测，压电式传感器对机械振动进行感知，将机械振动转化为电信号，通过分析信号，可以确定振动的特性和异动情况。

5、测量流量

在液体、气体等介质传递和控制中，需要对流体进行测量和监测，以了解流体的运动状况、速度和质量等信息，通过安装压电式传感器，可以测量信号频率的变化，根据变化的幅度来确定流量大小，可以用于工业流量计、水表等应用领域。

三、压电式传感器的应用

压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中，压电式加速度传感器是一种常用的加速度计，它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。

压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位，压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量，也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力，它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。

压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电传感器的应用就非常广。