压电式传感器在日常生活中的应用

【摘 要】本文介绍了压电式传感器工作原理，以及压电式传感器在日常生活中的典型应用。

【关键词】压电式传感器；打火机；汽车；燃气灶

1引言

压电式传感器拥有结构简单、体积小、重量轻、使用时间长等优异的特点。它在工业、农业、医疗、军事、航空领域广泛应用，在宇航领域中也有特别多的使用。它在人们的日常生活中也被广泛的应用，例如打火机、汽车、燃气灶等。

2压电式传感器工作原理

压电式传感器的工作原理是以某些物质的压电效应为基础。对这些物质沿其某一方向施加压力或拉力时会产生变形，由于内部电荷的极化现象，此时这种材料的两个表面将产生符号相反的电荷。将外力去掉后，它又重新回到不带电状态，这种现象被称为压电效应。把这种机械能转变为电能的现象称为“正压电效应”。反之，在某些物质的极化方向上施加电场，它会产生机械变形，当去掉外加电场后，该物质的变形随之消失，把这种电能转变为机械能的现象，称为“逆压电效应”。它能实现机-电能量的相互转换。

3 压电式传感器日常生活中应用

3.1 压电式打火机

压电式打火机中有一种压电陶瓷――它是人造多晶体，它的压电机理与石英晶体并不相同。压电陶瓷材料内的晶粒有许多自发极化的电畴（具有自发极化的晶体中存在一些自发极化取向一致的微小区域称电畴）。在极化处理以前，各晶粒内电畴任意方向排列，自发极化的作用相互抵消，陶瓷内极化强度为零。通过在陶瓷上施加外电场极化，电畴自发极化方向转到与外加电场方向一致。当极化后，各电畴的自发极化在一定程度上还是取向原外加电场方向，陶瓷极化强度也并不恢复到零。

压电陶瓷一旦被压缩，其厚度变化，则两边束缚电荷距离发生变化，其极化电荷减少，与表面的正负离子中和程度降低，使降落在陶瓷表面的正负电荷增多。这些电荷可通过尖端放电产生电火花，所以只要用手指压一下打火按钮，打火机上的压电陶瓷就能产生高电压，形成电火花而点燃煤气，可以长久使用。压电打火机于老式由火石和砂轮组成的打火机相比，不仅使用方便，安全可靠，使用长，例如一种钛铅酸铅压电陶瓷制成的打火机可使用100万次以上。

3.2 汽车

压电陶瓷可用作汽车的压电陶瓷爆震传感器、超声波传感器等类别。

压电陶瓷爆震传感器由压电陶瓷振子、金属片、密封垫、金属外壳等构成。压电振子产生的电荷与发动机气缸发生的振动成正比，所产生的电压经屏蔽线进入电控单元，由此检测出7kHz左右振动所产生的电压，电控单元根据这一电压的大小判断爆震强度，及时修正或响应推迟点火提前消除爆震，使发动机在接近爆震、热效率最高、燃料消耗量最少的点火时刻工作，实现无爆震工作状态，保证发动机以最大可能的功率与经济指标运转。

超声波传感器用作汽车倒车防撞报警器装置――倒车声纳系统或超声波倒车雷达，尤其适用于大型车辆如加长型装载汽车、载重大货车、矿山汽车。超声波传感器通常由铝合金外壳、压电陶瓷换能器、吸声材料、引线电极所构成，具有水平方向特性宽，而垂直方向受到限制的方向性，原理上利用锆钛酸铅PZT压电陶瓷在电能与机械能之间相互转换的正、逆压电效应，既在压电陶瓷加一电信号，便产生机械振动而发射超声波，当超声波在空气传播途中碰到障碍物立即被反射回来，又作用于压电陶瓷，此时会有电信号输出，通过相关的计算可得到车与障碍物的距离及危险相撞可能性，并将距离显示和报警，可准确无误地探测汽车尾部及驾车者视角盲区的微小障碍物，非常实用。为获得高的发射效率和接受灵敏度，发射接收全并在一起的超声波传感器是目前市场上的主流产品，具有很高的发射效率、接收灵敏度及尖锐的指向性。超声波有一定的探测角度和范围，可覆盖汽车后部整个区域。用于汽车电控悬架系统直接计测车身底盘与路面距离的超声波传感器正在研制之中。

3.3 燃气灶

打开燃气阀门，按下旋钮，旋钮杆顶端压着气阀芯内阀门顶针一起向下移动，推动气阀芯内引火管阀门打开。旋钮逆时针旋转时，气阀芯会随着旋钮一起转动，带动气阀芯上的拨叉摆动，拨叉推动点火器内的击锤移动，击锤复位弹簧被压缩，当旋钮旋转到90°时，拨叉脱离击锤，在弹簧力的作用下，击锤迅速复位，击打压电陶瓷负极，在另一端（正极）产生瞬间高压（15KV），经导线联接到引火管放电点火。在旋转旋钮，打火针放电电火的同时，气阀芯气孔与阀体进气孔对齐导通，燃气就会通过两路向外输出。引射管与炉头相接处有调节空气进气量的装置（俗称风门），通过调节风门的大小（改变空气流通截面）可以改变一次空气混合系数，影响火焰燃烧状况，防止黄焰产生。关闭燃气灶，只需把旋钮旋转至“关”即可，此时气阀芯封住燃气气口，燃烧停止，燃气不外溢；旋钮杆定位档块回旋到定位槽内，旋钮不能旋转。

4结语

压电式传感器可以将机械能装换为电能，又可以将电能转化为机械能。通过机械与电信号之间转化，对一些变化的量进行分析，这样可以从微小变化来观察物体状态。它应用在各行各业各个领域，在今后会为我们的生活带来极大便利，有广阔的发展前景。

参考文献：

[1]李新德.传感器应用技术.大连理工大学出版社，2010

[2]周瑞兰.巧用打火机演示压电效应.中学物理学参考，2005.10

[3]刘奇元.压电陶瓷在汽车领域中的应用研究.拖拉机与农用运输车，2011.3