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压电式传感器的材料和结构形式

        ·压电材料

        压电材料可分为两类:压电晶体和压电陶瓷。压电加速度计中最常用的压电晶体是石英,它具有工作温度范围宽、性能稳定等特点。因此,在实际应用中常被用作标准传感器的压电材料。由于石英的压电系数远低于其他压电材料,因此一般压电加速度计更常用的压电材料是压电陶瓷。压电陶瓷中的锆钛酸铅(PZT)是一种常用于压电加速度计的压电材料。它的特点是压电系数高,居里点高,各种机电参数随温度、时间等外界条件的变化相对较小。虽然同一种压电陶瓷具有相同的基本特性,但由于制造工艺的不同,使用相同材料的两种压电陶瓷的具体性能指标可能会有很大差异。这种现象可以通过比较典型的国产传感器和进口传感器反映出来,这是国内振动测试行业几十年来的深刻经验。

        ·传感器敏感芯的结构形式

        压电加速度传感器的敏感核心一般由压电材料和附加质量块组成。当质量块受到加速度时,它被转换成与加速度成比例的力并加载到压电材料上,压电材料在其表面上产生与加速度成比例的电荷信号。压电材料的特性决定了力可以是法向应力,也可以是剪切应力。压电材料产生的电荷量随力的方向和电荷引出表面的位置而变化。根据压电材料的不同受力方式,普通传感器敏感芯的结构一般有以下三种形式:

        1) 压缩形式–压电材料受到压缩或拉伸力以产生电荷的结构形式。压敏核是一种传统的加速度传感器结构。本实用新型制造简单方便,固有谐振频率高,频率测量范围宽。缺点是不能有效地消除各种干扰对测量信号的影响。

        2) 剪切形式——通过对压电材料施加剪切力产生电荷的结构形式。从理论上讲,压电材料在剪切力作用下产生的电荷信号受外界干扰的影响很小,因此剪切结构已成为广泛应用的加速度传感器敏感核心。然而,在实际的制造过程中,如何保证具有剪切敏感磁芯的加速度计具有高而稳定的频率测量范围是传感器制造过程中最困难的环节。