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压电传感器

发布时间:2010-05-12

王有亮

SONY企业开发出的小型双足娱乐型机器人-SDR-4X原形机,可以根据家中环境的变化调节自己的行为,并且有了一双神奇的耳朵而能够进行声音识别。机器人的这双神奇的耳朵就是由压电材料做成的压力传感器来做的。

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图一 机器人-SDR-4X

压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器,而大家通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的,这样的传感器也称为压电传感器。

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图二 各种小巧的压电传感器

人的耳朵是十分灵敏的。大家能听到的最微弱的声音,它对耳膜的压强是每平方厘米只有一百亿分之几公斤。这个压强的大小只是大气压强的一百亿分之几。可是用一种叫做钛酸钡的压电材料做成的“耳朵”比人的耳朵更为灵敏,即使是火柴棍那样细小的东西反射回来的声波也能被它“听”的清清楚楚。如果用这样的耳朵来监听粮库,那么在二到三公斤的粮食里的一条小虫爬动的声音也能被它准确地“听”出来。

用压电材料做成的“耳朵”之所以能够听到声音,其原因就是压电材料在受到拉力或者压力作用的时候能产生电压,这种电压能使电路发生变化。这种特性就叫做压电效应。当它在声波的作用下不断被拉伸或压缩的时候,就产生了随声音信号变化而变化的电流,这种电流经过放大器放大后送入电子计算机(相当于人大脑的听区)进行处理,机器人就能听到声音了。

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。

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图三 压电式加速度传感器

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泛。

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,压电效应就是首先由法国的居里兄弟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,所以已经得到了广泛的应用。

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PZT、钛酸钡压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。目前,常用的压电陶瓷大多是含铅陶瓷,如PZT、PMN-PT、PZN-PT 等,这些铅基压电陶瓷在其准同型相界附近都显示出了极为优异的性能。如,PZT-5H陶瓷的压电常数d33可达600 pC/N,机电耦合系数k33约为70%。但是,这类铅基压电陶瓷中含有大量的铅,其中PbO(或Pb3O4)的含量约占原料总质量的70%,这类铅基陶瓷在制备、使用及废弃处理过程中都会散发有毒物质,严重污染了环境,并危害人类健康。

近年来,随着环境保护和人类社会可持续发展的需求,研发新型环境友好型无铅压电陶瓷已成为世界发达国家致力研发的热点之一。2001 年欧洲议会通过了关于“电器和电子设备中限制有害物质”的法令,并已于2008 实施。为此,欧洲共同体立项151 万欧元进行无铅压电陶瓷的研究与开发。美国、日本和我国也逐年提高了对无铅陶瓷项目的支撑力度。由此可见,发展新型的与环境友好的无铅压电陶瓷是一项紧迫且具有重大实用意义的课题。

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