壓電效應(yīng)介紹
壓電效應(yīng)：某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對(duì)表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會(huì)恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力的方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變。相反，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)也會(huì)發(fā)生變形，電場(chǎng)去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。依據(jù)電介質(zhì)壓電效應(yīng)研制的一類傳感器稱為壓電傳感器。
壓電效應(yīng)的原理是，如果對(duì)壓電材料施加壓力，它便會(huì)產(chǎn)生電位差（稱之為正壓電效應(yīng)），反之施加電壓，則產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力（稱為逆壓電效應(yīng)）。如果壓力是一種高頻震動(dòng)，則產(chǎn)生的就是高頻電流。而高頻電信號(hào)加在壓電陶瓷上時(shí)，則產(chǎn)生高頻聲信號(hào)（機(jī)械震動(dòng)），這就是我們平常所說的超聲波信號(hào)。也就是說，壓電陶瓷具有機(jī)械能與電能之間的轉(zhuǎn)換和逆轉(zhuǎn)換的功能，這種相互對(duì)應(yīng)的關(guān)系確實(shí)非常有意思。
壓電材料可以因機(jī)械變形產(chǎn)生電場(chǎng)，也可以因電場(chǎng)作用產(chǎn)生機(jī)械變形，這種固有的機(jī)-電耦合效應(yīng)使得壓電材料在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。例如，壓電材料已被用來制作智能結(jié)構(gòu)，此類結(jié)構(gòu)除具有自承載能力外，還具有自診斷性、自適應(yīng)性和自修復(fù)性等功能，在未來的飛行器設(shè)計(jì)中占有重要的地位。
壓電式傳感器的特點(diǎn)
壓電式傳感器可以對(duì)各種動(dòng)態(tài)力、機(jī)械沖擊和振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，在聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、導(dǎo)航方面都得到廣泛的應(yīng)用。它具有體積小、質(zhì)量輕、頻響高、信噪比大等特點(diǎn)。
壓電式傳感器特性分析
壓電式傳感器是用石英晶體或壓電陶瓷以及觸針等零部件做成的。當(dāng)觸針沿被測(cè)工件表面滑動(dòng)時(shí)，由于觸針的上下運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生- 一個(gè)力作用于晶體上，因此使晶體產(chǎn)生- 一個(gè)很小的電壓，又由于觸針施加在晶體的壓力隨被測(cè)表面輪廓而變動(dòng)，所以在晶體上產(chǎn)生的電壓也隨之變化。為了獲得粗糙度參數(shù)的顯示模擬值，需要從這個(gè)壓電式傳感器上出微量電流，用于放大和處理顯示值。
由于壓電式傳感器存在著內(nèi)阻抗，它必然產(chǎn)生微小的電壓衰減，而引起輸出的電流值不是原有的測(cè)定值，這正是壓電式傳感器不能完全獲得被測(cè)工件真實(shí)輪廓的基本原因。當(dāng)然，振動(dòng)敏感性高、信號(hào)噪聲大、電纜噪聲大、抗干擾能力差等因素也會(huì)引起測(cè)量誤差，但這些因素僅是控制性因素。所以若要使壓電式傳感器能獲得與電感式傳感器一樣的被測(cè)表面的真實(shí)輪廓，只有減少壓電式傳感器的電壓衰減，也就是要求選用一種電壓衰減微小的壓電晶體材料，才能更好地充分利用壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)簡單、便于實(shí)施以及攜帶輕便的優(yōu)點(diǎn)。
壓電式傳感器與電感式傳感器的特性對(duì)比
壓電式傳感器與電感式傳感器的針描法的基本原理是相同的。電感式傳感器主要能夠真實(shí)地將觸針的上下運(yùn)動(dòng)復(fù)現(xiàn)為位置敏感的電感號(hào)，用此信號(hào)來描繪被測(cè)工件表面粗糙度的輪席圖形。電感式傳感器所以能配置粗糙度的多參數(shù)的顯示裝置、打印機(jī)和繪圖機(jī)并做成臺(tái)式的昂貴的高精度測(cè)量儀器，關(guān)鍵在于電感式傳感器測(cè)得的電信號(hào)能真實(shí)反映被測(cè)工件表面粗糙度的真實(shí)圖形。為了比對(duì)兩種傳感器的失真特性，擬定了一種比對(duì)電路方案，以盡可能減少其他干擾的影響，保證比對(duì)條件的一致性和盡可能提高比對(duì)測(cè)試的變動(dòng)性和穩(wěn)定性。實(shí)施方框圖如圖1所示。
在采用同一模式的比對(duì)條件下采用電感式傳感器和壓電式傳感器對(duì)5 種不同的表面粗糙度樣塊做了比對(duì)試驗(yàn)，其測(cè)試的輪廓圖形略。比對(duì)分析如下：
?。?） 對(duì)粗糙度大的加工。表面，電感式傳感器和壓電式傳感器描繪的被測(cè)表面輪廓，兩者基本上- 一致，如對(duì)R.=6.47的樣塊進(jìn)行測(cè)試，測(cè)得值的差值只有0.5%，小于儀器的示值誤差（土5 % ）的技術(shù)指標(biāo)。
?。?）對(duì)粗糙度小的加工表面（如磨削表面），壓電式傳感器描繪的被測(cè)表面輪廓比電感式傳感器描繪的同一被測(cè)表面輪廓的輪廓失真、畸變較大，所有輪廓峰和輪廓谷的尖銳峰谷均成了國角峰谷，單峰數(shù)明顯減少，甚至在壓電式傳感器中不能反映單峰特征，從測(cè)試樣塊的R =0.075 的測(cè)值比對(duì)可知，壓電式傳感器測(cè)得的值均為R》 0.075，而且存在較大的示值變動(dòng)性（約為10% ）。雖然誤差值仍在便攜式表面粗糙度測(cè)量儀的儀器示值變動(dòng)性允許范圍（12% ）內(nèi)，但與電感式傳感器的示值變動(dòng)性（2% ）相比，則高出5 倍之多，這明顯暴露出壓電式傳感器的弱點(diǎn)。
?。?） 從儀器的示值變動(dòng)性測(cè)試比對(duì)結(jié)果可知，壓電式傳感器比電感式傳感器的示值變動(dòng)性差。所以在規(guī)定便攜式粗糙度測(cè)量儀的示值誤差和示值變動(dòng)性時(shí)，其允許數(shù)值均大于臺(tái)式電感粗糙度測(cè)量儀，僅從兩者特性比對(duì)可知，這是完全正確的。但是在便攜式表面粗糙度測(cè)量儀的標(biāo)準(zhǔn)草案中卻不分傳感器的形式，籠統(tǒng)地規(guī)定了便攜式觸針表面粗糙度測(cè)量儀的示值誤差、示值變動(dòng)性和示值穩(wěn)定性。
（4）按測(cè)試比對(duì)方圖框描繪的被測(cè)表面輪廓圖形與兩臺(tái)粗糙度測(cè)量儀的測(cè)得值比較，可以認(rèn)為，其總的趨向是吻合的。
結(jié)論
壓電式傳感器之所以僅配置表面粗糙度單參數(shù)測(cè)量儀，而不配置描繪圖形的記錄器，主要原因是受到壓電品體輸出特性的限制。因此，只要改進(jìn)壓電晶體的輸入輸出特性，即選用電壓衰減微小的壓電材料，才能得到被測(cè)工件表面的真實(shí)輪廓圖形，并：有可能減小測(cè)量粗糙度多參數(shù)的示值誤差和示值變動(dòng)性。當(dāng)然，對(duì)其他引起壓電式傳感器誤差的因素也慎重考慮。如采取降低壓電式傳感器的頻率誤差，降低溫度和濕度的影響，以及降低電纜噪聲和提高橫向靈敏度等- -系列有效措施，改善壓電式傳感器的特性是能夠?qū)崿F(xiàn)的。
雖然壓電晶體具有固有頻率高、靈敏度高和信號(hào)噪聲比高等優(yōu)點(diǎn)，但為了獲得好的高頻響應(yīng)，除了應(yīng)選擇壓電系數(shù)高的材料之外，還必須考慮硅油的黏度以及設(shè)計(jì)合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)。獲得好的低頻響應(yīng)，必須增大測(cè)量回路時(shí)間常數(shù)，增大時(shí)間常數(shù)的有效辦法是加大前置放大器的輸入電阻。