压电换能器是一种将机械能(如压力)转换为电信号的装置,也可以执行反向转换,将电信号转换为机械运动。
后一种机制例如用于超声波检测。
该名称来源于希腊语”piezo”,意为”按压”或”挤压”。这种效应最早由Jacques和Pierre Curie兄弟在1880年证实。
这种双重功能使它们既可以作为传感器检测物理力,也可以作为执行器产生精确的运动。
这项技术的精度是其应用的一个重要方面。
例如,在医学诊断中,超声波传感器必须符合严格的标准。
但是,固体材料如何仅通过被按压就能产生电压呢?
这正是我们将在本文中尝试解释的内容!
压电效应背后的工作原理以及使其成为可能的材料。我们还将介绍不同的传感器类型、它们最常见的应用、重要的行业标准以及工程项目的选择因素。
目录
压电换能器如何工作?
这些装置的核心是一种称为压电效应的现象。
某些材料(通常是晶体或特殊陶瓷)在受到机械应力时会产生电荷。
这个过程也可以反向进行,称为逆压电效应。
如果在同一材料上施加电压,它会发生物理变形,形状会略微改变。
这并不是你用肉眼能观察到的东西。
这种双重能力使压电换能器既可以充当传感器又可以充当执行器。
当用作传感器时,机械力(如压力或振动)压缩压电材料。这个动作使其晶体结构内平衡的正负电荷发生位移,产生电偶极子。
结果是可测量的电压,与施加的力成正比。
在某些工作模式下,无论元件大小如何,这种电荷产生都是一致的。
工作模式
工程师可以以三种主要模式切割和排列压电材料。每种模式都以不同的方式决定它们如何响应力。
横向模式通过沿一个轴施加力并在垂直于该力的轴上产生电荷来工作。
在这种模式下,产生的电荷量取决于元件的几何形状,遵循以下关系:
简单来说:
当你在一个方向(y)上按压材料时,它会在另一个方向(x)上产生电响应,响应的强度取决于材料的特性和其形状。
这使工程师可以通过改变其物理尺寸来定制传感器的灵敏度。
在纵向模式中,电荷沿与施加力相同的轴产生。
电荷输出:
简单来说:
当你沿着材料的长度按压或拉伸材料时,它会在同一方向上产生电荷,堆叠更多层会使效果更强。
它严格与施加的力成正比,不依赖于元件的大小或形状。
最后一种是剪切模式,它在与施加的剪切力成直角的方向上产生电荷。
与纵向模式类似,产生的电荷:
这意味着,当你扭转或剪切材料时,它会产生电荷,堆叠更多层会增加输出。
再次强调,它与施加的力成正比。
电气特性和等效电路
为了分析性能,压电传感器可以建模为输出随频率变化的电压源。
简单来说,它看起来是这样的:
基本模型
最简单的表示将传感器视为电池(电压源)连接到电容器。电容器模拟当你按压传感器时电荷如何在其表面积累。
替代视图:
你也可以将其视为电流源(电荷泵)与同一电容器一起工作。
两种版本表达的是同一件事:你施加的力越大,传感器产生的电荷就越多。
频率限制:
传感器的内部电阻和连接到它的任何外部设备都像滤波器一样。
这个滤波器防止传感器检测到非常低频的振动或缓慢的运动。有一个最低频率,低于该频率它就无法有效响应。
高级模型:
对于精确工程,我们使用更复杂的模型,将传感器视为转换为电气术语的机械系统。
这是通过使用线圈(电感器)和电容器等组件来模拟物理结构的行为来完成的。
这有助于准确预测传感器在不同条件下的性能。
换能器的压电材料
为压电传感器选择合适的材料是一个重要的决定。
材料决定了设备的灵敏度、耐用性和温度限制。
我们可以将这些材料分为三大类:压电陶瓷、单晶材料和现代薄膜材料。
陶瓷材料
你会遇到的最常见的陶瓷是锆钛酸铅,称为PZT。
其高灵敏度使其成为绝佳选择。
它产生的信号比天然晶体强约100倍,使其非常适合检测细微的力。
PZT制造具有很大优势:
- 生产成本低
- 能够创建多种几何形状
- 设计灵活性
PZT是通过一种称为”烧结”的工艺制成的。
基本上,就是在高温下加热粉末材料,使颗粒融合成固体块,而不完全熔化它们。
PZT天然不具有压电特性。
必须通过称为“极化”的过程人工创建这种能力。
我们是这样做的:
原始PZT被加热并暴露在强电场中。这迫使材料的内部晶体结构沿一个方向排列。
这种排列产生了压电效应。
它们通常可以工作到250°C(<250°C),但超过其居里温度会永久去除其压电特性。
其高灵敏度使其成为无损检测设备的绝佳选择。
单晶材料
单晶材料提供长期稳定性。
天然晶体如石英、磷酸镓和电气石的灵敏度不如PZT,但非常稳定。
以下是如何在这些材料之间进行选择的快速概述:
- 石英是最可靠的。它随时间几乎不会损失任何电荷,这就是为什么它例如为手表中的时钟提供动力。你可以信任它多年保持准确的时间。
- 磷酸镓具有最佳的耐热性。虽然大多数材料在300°C左右失效,但这种材料即使在500°C以上仍能完美工作。
- 电气石在温度变化时产生电信号。(科学家称之为”热释电”,但基本上它就像一个内置温度计。)
单晶为你提供稳定性和精度,但你要为此付出较低的灵敏度和比PZT更高的成本。
薄膜和复合材料
当你需要在非常高的频率或微小空间中工作时,薄膜材料是最佳选择。
使用溅射或化学气相沉积等先进方法生产,这些材料专为以下用途而设计:
- 超高频(100 MHz以上):用于医疗超声、雷达和5G技术
- 微型设备:智能手机传感器、可穿戴健康监测仪、MEMS设备
此类别中可用的选项:
压电聚合物和复合材料:富有弹性的材料,弯曲时仍能产生电信号。用于可穿戴设备、柔性传感器和医疗贴片。
罗谢尔盐:历史上在天然材料中产生最强的压电信号之一,但现代陶瓷现在超过了其性能。但它很复杂:它讨厌潮湿,在46°C以上会分解。因此它主要局限于实验室和专门应用。
智能复合材料:你取PZT颗粒并将它们混合到铝中,有点像饼干面团中的巧克力片。
当材料受到应力(弯曲、开裂或振动)时,内部的PZT颗粒会检测到它并发送电信号。
这就是名称中”智能”的含义,因为它就像在整个结构中嵌入了数千个微小的警报铃。
但这些材料也有权衡。
它们技术先进,但通常昂贵且不如传统陶瓷或晶体耐用。
压电换能器的类型和形状
压电材料最有趣的特性之一是其制造的多功能性。
与许多其他电子元件不同,它们可以生产成各种形状和尺寸。
这种适应性是你在如此多不同产品和行业中发现它们的主要原因。
压电换能器的几何形状与其工作直接相关。
选择特定形状是为了优化其对机械应力的响应方式或产生物理运动的方式。
其形式是任何给定应用性能的一个非常重要的参数。
常见的传感器几何形状
圆形形状(如圆盘和环)非常常见。
你可以在汽车传感器和超声波清洗系统中找到圆盘传感器,而环形传感器通常用于医疗设备,执行牙齿清洁等任务。
板和块是简单的实心形状,非常适合测量振动或压力。它们经常用作加速度计或大功率超声波发生器内部的核心组件。
管或圆柱形传感器用于需要精度的应用,例如控制流体流量、扫描显微镜和药物微量配给。
条形传感器是粘合到被动基底上的薄活性层。它们的弯曲能力使其可用于泵控制和触控激活开关。
双压电晶片和单压电晶片传感器是为运动而设计的分层组件:
- 双压电晶片有两个活性层,产生弯曲动作,
- 单压电晶片使用一个活性层进行单向变形。
两者都可用于在执行器和传感器中创建精确的运动。
优点和局限性
像工程中的任何事物一样,这些设备既有优点也有局限性。当你需要在项目中使用它时,重要的是要考虑它们。
优点
它们是自发电的,在施加压力时产生自己的电信号,无需外部电源。
它们还具有高达1011 N/m²的高弹性模量,这是类似于许多金属的刚度水平。这使设备机械坚固,在负载下几乎没有弯曲。
这些设备还提供出色的性能。
它们具有非常高的固有频率,并在宽幅度范围内显示一致的线性度。
这使它们具有快速的频率响应,使它们能够在微秒内做出反应并产生高达20 MHz的超声波。在某些情况下,它们也不受电磁场和辐射的影响,这使它们在恶劣条件下非常可靠。
制造步骤的灵活性也是一大优势。
所用材料可以成型为许多不同的形式和尺寸,以满足特定的应用需求。它们即使在低电压下也能很好地工作,这增加了它们的多功能性。
将它们与其他传感器类型进行比较可显示其性能优势
下表使用来自Gautschi (2002)的信息,显示了它们与其他常见设计在灵敏度和测量范围方面的比较。
| 原理 | 应变灵敏度 [V/με] | 阈值 [με] | 量程与阈值比 |
|---|---|---|---|
| 压电 | 5.0 | 0.00001 | 100,000,000 |
| 压阻 | 0.0001 | 0.0001 | 2,500,000 |
| 电感 | 0.001 | 0.0005 | 2,000,000 |
| 电容 | 0.005 | 0.0001 | 750,000 |
| 电阻 | 0.000005 | 0.01 | 50,000 |
如你所见,压电式传感器结合了非常高的灵敏度和低检测阈值。
这导致了测量从最小到非常大的广泛力谱的出色能力。
局限性
尽管有其优点,压电换能器并不适用于所有情况。
一个重要的限制是它们无法测量真正的静态或不变的力。
当施加稳定的力时,传感器会产生固定量的电荷。由于绝缘不完美和内部电阻,这种电荷逐渐泄漏,导致信号衰减。
这些设备的电输出非常小。
这种微小的电荷需要特殊电缆和外部放大器才能使信号可用。
添加放大器有时会将其自身的电气误差或噪声引入测量中。
这是精密应用必须考虑的权衡。
这些换能器也可能对周围环境敏感
温度和湿度的变化会影响其输出,使它们在不受控制的环境中不太可靠。
高温特别成问题,会导致内部电阻和灵敏度下降。
例如,石英换能器在300°C以上的温度下工作时需要主动冷却系统。
即使在能量采集中,恒定的环境能量源也会导致电子的缓慢损失,导致随时间推移功率输出下降。
应用和实际使用
到目前为止,我们已经了解到压电传感器是将机械应力转换为电信号的巧妙设备,反之亦然。
但是,它在现实世界中有什么用途呢?
它们既可以充当传感器又可以充当执行器的能力,加上它们的多种形状,使它们成为工程中非常强大的组件。
这种多功能性就是为什么你在几乎每个高科技行业都能找到它们。
自1950年代制造商开始将它们用于质量保证和过程控制以来,它们的使用已扩展到工业、航空航天、汽车、医疗和消费电子领域。
它们是推动技术边界的研发团队的首选工具。
加速度计使用微小的惯性质量块来测量运动,而压力传感器使用薄膜来检测力。
你会发现它们监测发动机内的燃烧,帮助汽车自动制动,或为用高频振动清洗部件的超声波清洗器提供动力。
医疗领域在患者安全和诊断方面严重依赖这项技术。除成像外,压电传感器还用于手术工具和击碎肾结石。
你每天都在与压电传感器互动,通常没有意识到这一点。
它们存在于捕捉你声音的麦克风、安全警报中的蜂鸣器、自动滑动门和移动电话上的触控板中。
如此广泛的用途表明这项技术已深度融入现代生活。
能量采集
这些组件提供了一种通过将环境机械振动转换为可用电能来发电的方法。
这种能力对于有线电源或电池实施成本太高或物理上不可行的应用非常有用。
设备可以从周围环境中获取自己的能量,而不需要专用电源线。
这些系统非常适合为低能耗设备供电,这些设备只需要毫瓦级的功率,例如无线传感器或机械手表等设备。
当功率需求是周期性的并且振动频率接近采集器的谐振频率时,它们的最佳用途就体现出来了。
这一原理适用于大型工业环境。
安装在火车轨道上的传感器可以从火车的加速度和压力中采集能量,为监测设备发电。
另一个前瞻性应用是物联网。
传感器可以接收超声波信号并将产生的振动转换为电荷,成为无需更换电池即可运行的自供电系统。
选择合适的压电传感器
选择合适的传感器从对项目的全面了解开始。
你需要确定你要测量的内容,例如压力、加速度或力。考虑所需的频率和幅度范围,以及温度和湿度等特定环境条件。
你的下一个选择是材料。
你可能会选择陶瓷以获得高灵敏度,或选择单晶以获得长期稳定性,并在此基础上平衡温度耐受性和成本。
几何形状,无论是圆盘、环、板还是条,都会影响安装可能性、空间限制和方向灵敏度。
注意电输出和接口。
小电荷通常意味着你需要放大器和特殊电缆。你还应该检查材料的居里点和降解特性是否适合你的最高温度。
你选择的任何特性都是取决于你将换能器置于其中的使用和环境的选择。
结论
压电换能器是一种多功能设备,执行双向能量转换。
它将机械应力转换为电信号,或获取电信号并产生物理运动。
这种双重功能使其可以作为检测压力的传感器和产生运动的执行器运行。这使其成为工业、医疗、汽车、航空航天和商业领域中使用的绝佳组件。
该技术具有明显的优势。
这些设备是自发电的,因此它们不需要外部电源。
它们提供高频率响应,机械坚固,并且可以制成几乎任何形状。
权衡包括无法测量静态力、需要放大的小电输出以及对温度等环境条件的敏感性。
材料选择决定行为:
- 陶瓷提供高灵敏度,
- 单晶提供稳定性,
- 薄膜适合高频应用。
在材料、几何形状和设计方面做出明智的决策使工程师能够使用压电技术进行精确可靠的能量转换。
常见问题
用简单的话说,什么是压电换能器?
它是一种特殊设备,可以将压力或振动等机械能转换为电压。它也可以反向工作,将电压转换为机械运动。
压电传感器如何产生电?
当你对传感器内部的某些晶体施加机械应力时,它们的内部结构会变形。这种变形分离正负电荷,在材料上产生可测量的电压。
压电换能器也能产生运动吗?
是的。当对压电材料施加电场时,其晶格会变形,导致材料改变其形状。这称为逆压电效应。
压电传感器需要电池或外部电源吗?
当用作传感器时,它们是自发电的。它们从施加的机械力产生自己的电信号,因此它们不需要外部电源来运行。
压电传感器的主要限制是什么?
其主要弱点是无法测量真正的静态力。恒定力产生的电荷会逐渐泄漏,使这些传感器仅适用于动态或变化的测量。
为什么PZT陶瓷通常优于石英等天然晶体?
PZT陶瓷通常具有更高的灵敏度,这意味着它们在给定的力下产生更大的电信号。它们的制造成本也更低,并且可以铸造成许多不同的形状。
材料的居里温度有什么意义?
居里温度是压电材料可以工作的最高温度。如果加热到此点以上,材料会永久失去其压电特性,将不再工作。
加速度计的设计与压力传感器的设计有何不同?
关键区别在于力如何传递到压电元件。压力传感器使用隔膜来收集和聚焦压力。加速度计附加一个称为地震质量的小重量,在运动期间对元件施加力。
为什么压电传感器需要高阻抗电缆和放大器?
这些传感器产生少量电荷并具有非常高的输出阻抗。使用高阻抗电子设备可防止小电信号泄漏,从而实现准确的电压测量。
