压电传感器应用案例大全

压电传感器

Piezoelectric Effect

《封神演义》中讲到，商纣王手下有两员大将，一个叫高明，一个叫高觉。高明眼观千里，人称千里眼；高觉耳听八方，故名顺风耳。虽然这只是传说，但说明人类对这些特异功能的向往由来已久。到了近代，随着传感技术的出现和发展，人类借助于仪器设备，已经可以做到眼观千里、耳听八方。

压电传感器是目前广泛应用的一种传感器，它利用某些电介质材料的压电效应，实现机械能与电能的互换。在电介质的某个方向上施加力的作用，使其产生压缩或伸长等形状的变化，在作用力方向两个相对的表面上会出现正负电荷，产生电场，电场的大小与方向随外力的大小和方向而改变，当外力去掉后，电介质又恢复到原来的电中性，这种将机械能转变为电能的效应称为正压电效应。反之，在电介质的两个相对表面上施加电场，也会引起电介质的形变，形变随电场的撤除而消失，此为逆压电相应。

实验装置

压电效应演示实验仪，闹钟1只，如图1所示。

图1　压电效应演示实验仪

现象观察

1.正压电效应现象观察

将闹钟的振动经压电效应转化为电信号，演示正压电效应现象。

2.逆压电效应现象观察

由电信号驱动压电片产生机械效应，演示逆压电效应现象。

现象解密

1880年法国人居里兄弟最早发现了“压电效应”。1942年，世界上第一种压电陶瓷材料——钛酸钡先后在美国、前苏联和日本研制成功，其后各种性能优异、制造简单、成本低廉的压电材料络绎诞生。目前人们已将纳米技术应用到压电材料的制作工艺上，取得了新的突破。

组成电介质的分子分有极分子和无极分子两种。在未加外力时，虽然有极分子的正负电荷中心错位，但由于分子的无规则热运动，它们的排列杂乱无序，电介质的内部和界面上均没有宏观的电荷产生；对于由无极分子组成的电介质，因分子的正负电荷中心重合，无论在体内还是在表面上同样无宏观的电荷产生。图中的材料由有极分子组成，当在上下表面施加拉力时，有极分子的正负电荷中心会分别转向拉的方向，结果在上表面出现正电荷，下表面出现负电荷，如图2（a）中的中图所示；反之，当电介质上下表面受到压力时，有极分子被挤压而向水平方向转动，电介质上表面出现负电荷，下表面出现正电荷，形成与受到拉力时方向相反的电场，如图2（b）中的右图所示。对于无极分子组成的电介质，在外力作用下，各分子的正负电荷中心不再重合，产生沿受力方向的位移，最终在受力相对的两个表面上出现异号电荷，产生电场，电场大小与外力成正比，并随外力方向的改变而改变；外力撤去后，电介质恢复电中性。

(www.xing528.com)

图2　压电效应机理图

http://baike.baidu.com/image/504ec7f98001831a252df2d4

以上为正压电效应的机制。当电介质在某固定方向受到外电场作用时，将产生逆压电效应。如果电介质由有极分子组成，则有极分子的正负电荷因受电场力作用，它会转向与外场平行的方向，同时产生一定程度的拉长，结果沿外场方向电介质伸长；改变电场方向，电介质将缩短，如图2（b）所示。如果电介质由无极分子组成，这些分子的正负电荷中心沿外电场方向被拉长或压缩错位，从而导致电介质伸长和缩短。

应用拓展

压电陶瓷对外力的作用非常敏感，它甚至能感应到十几米外飞虫拍打翅膀对空气的扰动，并将极其微弱的机械振动转换成电信号。利用这一特性，可将压电陶瓷应用于声纳系统、气象探测、遥测环境保护、家用电器等各个方面。

1.潜艇上通常都装有声纳系统，它是水下导航、通讯、侦察敌舰、清扫敌人水雷的必备设备；也是开发海洋资源的有力工具，如用它可以探测鱼群、勘查海底地形地貌等。

2.医学上，医生将压电陶瓷探头放在患者要检查的部位体表，通电后发出超声波传入人体，超声在人体不同声阻抗的组织交界处反射，产生回波，压电陶瓷探头接收回波并将其处理后显示在荧光屏上，医生便能了解患者的病情。

3.工业上，将压电陶瓷元件应用到地质探测仪中，就可判断地层的地质状况，查明地下矿藏。

4.生活上，用压电陶瓷制成的压电打火机，使用方便，安全可靠，可使用上百万次。

诸如这样的应用实例不胜枚举。

思考题

1.问：你能举出5个以上压电传感器的应用例子吗？

2.常见的压电材料有哪些？工业上常用的压电材料又有哪些？它们各有何特点？

3.石英与压电陶瓷的压电效应在机理上有什么区别？

4.压电效应和电致伸缩效应在机理上有何不同？