什么是压电换能器？电路图、工作和应用

在我们的日常生活中，我们会遇到各种情况，我们必须测量机械应力等物理量应用于金属、温度水平、压力水平等......对于所有这些应用，我们需要一种设备，可以以我们熟悉的单位和校准来测量这些未知量。对我们来说最有用的一种设备是 TRANSDUCER .换能器是一种电气设备，可以将任何类型的物理量以比例电量的形式转换为电压或电流 .从各种类型的换能器的大库中，本文旨在解释压电换能器 .

什么是压电换能器？

压电换能器的定义 是电换能器 可以将任何形式的物理量转化为电信号 ，可用于测量。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性的特性 , 据此，施加任何类型的机械应力或应变都会导致产生与施加的应力成正比的电压。可以使用电压测量仪器测量产生的电压 计算施加到材料上的应力或应变值。

压电材料的种类

压电材料的一些类型是：

自然可用的： 石英、罗谢尔盐、黄玉、电气石族矿物，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。人工制造压电材料 是聚偏二氟乙烯、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。

并非所有压电材料都可用于压电换能器 .用作换能器的压电材料需要满足某些要求。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、可制成各种形状或应灵活地制成各种形状而不影响其性能。

不幸的是，没有压电材料具备所有这些特性。 石英 是一种天然可用的高度稳定的晶体，但它的输出电平很小。可以用石英测量缓慢变化的参数。罗谢尔盐的输出值最高，但对环境条件敏感，不能在 1150F 以上运行。

压电换能器工作

压电换能器 根据压电原理工作。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，材料中的离子向导电表面之一移动，同时远离另一个导电表面。这导致电荷的产生。该电荷用于校准应力。产生的电荷的极性取决于施加应力的方向。应力可以以两种形式施加：C压应力 和拉伸应力 如下图。

压电换能器公式

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 或横向位置 .

纵向和横向效果

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 ^-12 编号。

在横向效应中，产生的电荷为

Q =F * d * (b/a)

当b/a大于1时，横向排列产生的电荷量大于纵向排列产生的电荷量。

压电换能器电路

下图可以解释基本压电换能器的工作原理。

这里使用镀银的石英晶体作为传感器，在施加压力时产生电压。电荷放大器用于测量产生的电荷而不耗散。为了汲取非常低的电流，电阻 R1 非常高。连接换能器和压电传感器的导线电容 也影响校准。所以电荷放大器通常放置在离传感器很近的地方。

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

超声波压电换能器的工作原理是逆压电效应 .在这种效应中，当压电材料通电时，它会发生与所施加电荷成正比的物理变形。 超声波换能器的电路 下面给出。

这里是石英晶体 放置在连接到变压器初级 L3 的两个金属板 A 和 B 之间。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。

当电池开启时，振荡器产生频率为 f=1÷(2π√L1C1) 的高频交流电压脉冲。因此，在 L3 中感应出电动势，并通过板 A 和 B 转移到石英晶体。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。

共振发生在电子振荡器的频率 等于石英的固有频率。此时石英产生纵向超声波 幅度大。

压电换能器应用

• 由于压电材料无法测量静态值，因此它们主要用于测量表面粗糙度、加速度计和振动传感器。
• 它们用于地震仪 用于测量火箭的振动。
• 在应变片中测量力、应力、振动等......
• 被汽车行业用于测量发动机爆震。
• 这些用于超声波成像 在医疗应用中。

压电换能器的优缺点

压电换能器的优点和局限性包括以下几点。

优点

• 这些是有源传感器，即它们不需要外部电源即可工作，因此可以自行发电。
• 这些换能器的高频响应是各种应用的理想选择。

限制

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

因此，这就是压电换能器、工作原理、公式、工作电路、优点、局限性以及应用的全部内容。根据以上信息，我们已经讨论了压电换能器的各种应用。您将压电换能器用于哪些应用？您的体验如何？