PZT基压电陶瓷在智慧交通中高性能加速度传感器中的应用与性能优化

本文主要探讨了物联网-智慧交通领域中压电陶瓷材料PZT（Lead Zirconate Titanate，即Pb(Zr,Ti)O3）在加速度传感器中的关键应用。PZT因其优异的压电性能，如高的压电常数d33（测量单位为pC/N，表示每单位压力下的电荷量变化）、相对介电常数ε33/ε0（衡量其电容响应）和低的介质损耗tanδ（反映能量损失），使得它在小型、高效且具有高灵敏度的压电加速度传感器设计中占据重要地位。 首先，研究者通过传统的固相烧结法制备了两组不同的PZT基压电陶瓷。第一组是0.02Pb(Sb0.5Nb0.5)O3-0.98Pb1-2xBaxSrx(Zr0.53Ti0.47)O3，通过改变Ba和Sr的掺杂量x（分别为0.02、0.03、0.04和0.05），以及考察烧结温度（1260℃）对其性能的影响。结果显示，当掺杂量x为0.04时，压电陶瓷表现出最佳性能，包括d33=615pC/N、ε33/ε0=2224和tanδ=2.11%。 另一组是Pb0.95La0.05ZrxTi1-x+0.6%Nb2O5，通过调整Zr与Ti的比例（Zr/Ti=55/45）以及烧结温度（1260℃），同样得到了良好的综合性能，压电常数d33=577pC/N，ε33/ε0=2286，tanδ=1.41%。 将这些优化的压电陶瓷材料应用于中心压缩式压电加速度传感器中，分别标记为传感器1和传感器2。实验测试结果显示，传感器1的电荷灵敏度K1=2.72pC/m·s-2，传感器2的电荷灵敏度K2=2.61pC/m·s-2，均显示出良好的线性响应特性。横向灵敏度比K1max=4.46%和K2max=4.5%保持在较低水平，最大线性误差δ1max=2.97%和δ2max=3.02%也显示了良好的稳定性。温度响应偏差ζ1=3.82%和ζ2=4.21%，以及湿度响应偏差α1=3.71%和α2=4.25%，表明传感器对环境因素的适应性良好。重复性和迟滞特性测试也显示出优良的重复性误差R1，尽管具体数值未给出，但这些结果表明传感器具有较高的可靠性和精度。 PZT基压电陶瓷在物联网智慧交通领域的压电加速度传感器中发挥了重要作用，通过精细的材料制备和优化，可以实现高性能、高稳定性的传感应用，对于提升交通运输系统的智能化和自动化程度具有重要意义。