压电传感器工作原理、计算公式及应用特性

压电传感器是一种电声传感器，用于将压力或机械应力转换为交变电力，主要是用于测量力、压力、应力等不能直接测量的物理量。也就是说，压电传感器将物理量转换为电压，这样就可以通过模拟和数字仪表轻松测量。

压电传感器使用具有特殊性质的压电材料，即材料在施加压力或应力时会感应出电压，表现出这种特性的材料被称为电阻元件。

压电一词是指通过压力产生的电。石英石是天然压电晶体的例子，而罗谢尔盐、脱水铵、磷酸盐、硫酸锂、酒石酸二钾是人造晶体的例子。

另外，陶瓷材料也用于压电传感器，但陶瓷材料不具有压电特性，其特性是通过特殊偏光处理技术在其上面开发而来。陶瓷材料有几个优点，主要是具有不同的形状和尺寸、在低电压下工作的能力，并且可以在3000℃以上的温度下工作。

关于压电效应

（电动势）（EMF）是由于电荷的位移而产生的。效果是可变的，即如果变化的电势应用于压电传感器，它将改变材料的尺寸或使其变形，这种效应称为压电效应。

在力求和装置的帮助下将压力施加到晶体上，例如通过机械压力计和压力传感器等施加应力。晶体变形引起EMF，EMF确定了施加的压力值。

压电传感器工作原理

想要了解压电传感器功能工作原理，首先可以看看如下所示的示意图：

由于电荷的极性取决于施加力的方向，故有：Q（电荷）=d × F （库仑）。其中，d——晶体的电荷敏感性，F——施加的力，单位为牛顿。

在压电传感器中，力改变了晶体的厚度，所以：

其中 A——晶体面积（平方米），t——晶体厚度（米），E——杨氏模量 N/m²。

杨氏模量的计算公式为：

其中，ω——以米为单位的晶体宽度，l——以米为单位的晶体长度。

接下来将力的值代入电荷方程，可以得到：

由于电极电荷而获得输出电压：

g是晶体的电压灵敏度，即有：

其中E0是电场强度，单位V/m。

可以看出，晶体的电压灵敏度用电场强度与压力的比值表示。

所以，当晶体发生机械变形时，会产生电荷，这种电荷会在电极上产生电压。压电晶体是方向敏感的，电压的极性取决于拉力或压力的方向，而电荷的大小和极性取决于所施加力的大小和方向。

压电晶体的工作模式

压电晶体有多种工作模式，如厚度剪切、面剪切、厚度扩展、横向扩展等，其中面剪切图形如下所示：

压电晶体的主要特性

以上是压电晶体的几个主要特性：

• 压电材料具有高稳定性。
• 有各种形状和尺寸可供选择。
• 压电材料的输出对温度和湿度不敏感。

压电传感器的主要应用

压电传感器的主要应用包括以下几个方面内容：

• 压电材料具有高稳定性，因此用于稳定电子振荡器。
• 超声波发生器使用压电材料，该发生器用于SONAR中的水下探测和工业设备中的清洁。
• 用于麦克风和扬声器中，用于将电信号转换为声音。
• 压电传感器用于电打火机。

总结

以上就是关于压电传感器工作原理、计算公式及应用特性的相关内容介绍。不难看出，压电传感器就是利用对晶体施加压力而产生电压，通过测量电压值来确定施加力的大小，因而其应用也是非常的广泛。