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，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個相對表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會恢復(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，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，這些電介質(zhì)也會發(fā)生變形，電場去掉后，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，如果對壓電材料施加壓力，它便會產(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，則產(chǎn)生的就是高頻電流。而高頻電信號加在壓電陶瓷上時，則產(chǎn)生高頻聲信號（機(jī)械震動），這就是我們平常所說的超聲波信號。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，也可以因電場作用產(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各種動態(tài)力、機(jī)械沖擊和振動進(jìn)行測量，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)觸針沿被測工件表面滑動時，由于觸針的上下運(yùn)動而產(chǎn)生- 一個力作用于晶體上，因此使晶體產(chǎn)生- 一個很小的電壓，又由于觸針施加在晶體的壓力隨被測表面輪廓而變動，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定值，這正是壓電式傳感器不能完全獲得被測工件真實(shí)輪廓的基本原因。當(dāng)然，振動敏感性高、信號噪聲大、電纜噪聲大、抗干擾能力差等因素也會引起測量誤差，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)動復(fù)現(xiàn)為位置敏感的電感號，用此信號來描繪被測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)并做成臺式的昂貴的高精度測量儀器，關(guān)鍵在于電感式傳感器測得的電信號能真實(shí)反映被測工件表面粗糙度的真實(shí)圖形。為了比對兩種傳感器的失真特性，擬定了一種比對電路方案，以盡可能減少其他干擾的影響，保證比對條件的一致性和盡可能提高比對測試的變動性和穩(wěn)定性。實(shí)施方框圖如圖1所示。
在采用同一模式的比對條件下采用電感式傳感器和壓電式傳感器對5 種不同的表面粗糙度樣塊做了比對試驗(yàn)，其測試的輪廓圖形略。比對分析如下：
?。?） 對粗糙度大的加工。表面，電感式傳感器和壓電式傳感器描繪的被測表面輪廓，兩者基本上- 一致，如對R.=6.47的樣塊進(jìn)行測試，測得值的差值只有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表面輪廓比電感式傳感器描繪的同一被測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，從測試樣塊的R =0.075 的測值比對可知，壓電式傳感器測得的值均為R》 0.075，而且存在較大的示值變動性（約為10% ）。雖然誤差值仍在便攜式表面粗糙度測量儀的儀器示值變動性允許范圍（12% ）內(nèi)，但與電感式傳感器的示值變動性（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)。
?。?） 從儀器的示值變動性測試比對結(jié)果可知，壓電式傳感器比電感式傳感器的示值變動性差。所以在規(guī)定便攜式粗糙度測量儀的示值誤差和示值變動性時，其允許數(shù)值均大于臺式電感粗糙度測量儀，僅從兩者特性比對可知，這是完全正確的。但是在便攜式表面粗糙度測量儀的標(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量儀的示值誤差、示值變動性和示值穩(wěn)定性。
?。?）按測試比對方圖框描繪的被測表面輪廓圖形與兩臺粗糙度測量儀的測得值比較，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，才能得到被測工件表面的真實(shí)輪廓圖形，并：有可能減小測量粗糙度多參數(shù)的示值誤差和示值變動性。當(dāng)然，對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)計合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)。獲得好的低頻響應(yīng)，必須增大測量回路時間常數(shù)，增大時間常數(shù)的有效辦法是加大前置放大器的輸入電阻。