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    壓電加速度傳感器材料的選擇
    - 2021-06-02-

      壓電加速度傳感器由天然和鐵電陶瓷晶體制成。晶體的選擇取決于環境和性能要求。在不同的應用中,每種材料都有自己的特點和優勢。天然晶體往往具有更高的溫度范圍和更低的熱電輸出。而鐵電陶瓷在輸出等量電荷的情況下,頻率范圍更寬,尺寸更小。

      單晶天然晶體,如應時或電氣石,具有固有的壓電特性。大多數天然材料是在實驗室中以單晶的形式生長的,而不是開采的,這不僅確保了它們的一致質量,而且降低了晶體供應的風險。此外,天然晶體的人工培養使開發性能更高的新晶體成為可能。

      另一方面,壓電加速度傳感的鐵電陶瓷材料不具有固有的壓電特性,而是由隨機取向的晶體組成。為了使陶瓷具有壓電特性,晶體中的偶極子必須對準。對準/極化過程包括向材料施加高電壓以對準鐵電陶瓷元件中的極性區域。這個過程叫做極化。

      壓電加速度傳感的鐵電陶瓷具有高靈敏度或單位輸入力的電荷輸出。鈦酸鉍是一種常見的材料,其產量是電氣石的十倍,工作溫度高達510℃??梢韵蛱沾刹牧现刑砑痈鞣N化合物來調節傳感器的特性,但是高工作溫度是以犧牲靈敏度為代價的。

      天然單晶材料可用于剪切或壓縮模式傳感器設計(如圖3所示)。在壓縮模式下,材料產生的電荷與施加的力方向相同。在剪切模式下,材料在垂直于作用力的方向上產生電荷。鋯鈦酸鉛(PZT)是一種陶瓷材料,廣泛應用于高達288℃的溫度環境中。PZT可以設計為使用剪切和壓縮模式的傳感器,但它在剪切模式下的應用是有效的,因為它可以輸出更多的電荷并實現更高的工作溫度。通常剪切模式傳感器體積更小,頻率響應更寬,電荷輸出更高,因此比壓縮模式效率更高。此外,由于將晶體固定到位所需的預加載力垂直于偏振軸,剪切模式設計的傳感器隨著時間的推移具有極其穩定的輸出,具有更好的設計靈活性和性能。


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