传感器技术—压电式传感器（学习笔记八）
作者：互联网
压电式传感器
压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应。压电式传感器具有体积小，重量轻，工作频带宽等特点，因此用于测量各种动态力、机械冲击与振动，在声学、医学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用。
6.1 压电效应和压电材料
6.1.1 压电效应
压电效应具有可逆性，它分为正压电效应和逆压电效应。正压电效应是指某些电介质，当沿着一定方向对其施加压力而使其变形时，它的内部就会产生极化的现象，同时在它的两个表面上会产生极性相反的电荷，当施加的压力去掉后，它又重新恢复不带电的状态；当压力的作用方向改变时，它内部的极性也随着改变。电子打火机就是利用正压电效（顺压电效应）应制成的。逆压电效应是指在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就会在一定方向上产生机械变形或机械压力，当施加的电场撤去时，这些机械变形或机械压力也随之消失的现象。音乐贺卡的扬声器就是利用逆压电效应（电致伸缩效应）制成的。
6.1.2 压电材料
压电材料是具有压电效应的晶体材料，常用的有压电晶体（单晶体）材料、压电陶瓷（多晶半导体）和高分子压电材料。
1.石英晶体的压电效应
如图6-1所示，石英的晶体结构为六方晶体系，化学式为SiO2。
如图6-2所示，在研究石英晶体时，晶体学中可以用三根互相垂直的晶轴来表示。**x轴：两平行柱面内夹角等分线，垂直此轴压电效应最强，称为电轴；y轴：垂直于平行柱面，在电场作用下变形最大，称为机械轴；z轴：无压电效应，中心轴，也称光轴。**石英晶体的化学式为SiO2，石英晶体的压电效应与其内部结构有关，它的每个晶胞由3个硅离子和6个氧离子组成，一个硅离子和两个氧离子交替排列。沿光轴看去，可以等效为正六边形结构，如图6-3（a）所示。
当石英晶体不受外力作用时，硅离子和氧离子在正六边形的六个顶角上，正负电荷的中心重合，所以对外不显电性，见图6-3（a）；当石英晶体在x轴方向受力时，正负电荷中心偏移，负电荷中心向下偏移导致晶体的极面A上呈现负电荷，正电荷中心向上偏移导致晶体的极面B上呈现正电荷，见图6-3（b）；当石英晶体在y轴方向受力时，正负电荷中心同样发生偏移，晶体的极面A上呈现正电荷，晶体的极面B上呈现负电荷，见图6-3（c）；当晶体的光轴（z轴）方向受力时，由于晶格的变形不会引起正负电荷中心的偏移，所以不会产生压电效应。
在实际应用中，从晶体上沿轴线切下的薄片作为传感器的测量元件，这个薄片被称为“晶体切片”。如图6-4所示是垂直于电轴x切割的石英片，长为a、宽为b、高为c。在与x轴垂直的两个平面上镀上金属材料，此时石英片可以看作是一个电容。沿x方向施加作用力Fx时，在与电轴x垂直的表面上产生电荷Qxx为
2.压电陶瓷的压电效应
压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，是一种能够将机械能转换为电能的陶瓷材料。它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成本却较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及非铅系列压电陶瓷（如BaTiO3等）。
若让原始的压电陶瓷材料具有压电特性，需在一定温度下对它进行极化处理。压电陶瓷的极化过程如图6-5所示。将这些材料置于外电场作用下，其中的电畴发生转动，使本身自发的极化方向趋向外电场方向并保持一致。极化处理过的压电陶瓷具有良好的压电特性。
当压电陶瓷在极化面上受到沿着极化方向（即z向）的作用力Fz时（即作用力垂直于极化面），如图6-6（a）所示，则在两个镀有金属的极化面上分别出现正负电荷，电荷量Qzz与力Fz成比例，即
压电晶体与压电陶瓷的比较：
（1）相同点。都是具有压电效应的压电材料。
（2）不同点。石英的介电常数和压电常数的温度稳定性好，适合做工作温度范围很宽的传感器；极化后的压电陶瓷的压电系数是石英的几十倍甚至几百倍，但稳定性不如石英好，居里点也低。
6.2 压电式传感器的测量转换电路
6.2.1 压电式传感器的等效电路
1.压电式晶体的连接方式
将压电晶片产生电荷的两个晶面镀上金属电极后封装，就构成了压电元件。当压电元件受力时，就会在两个电极上产生电荷，因此压电元件可以看作是一个电荷源。两个电极之间是绝缘的压电介质材料，因此它也可以看作是一个以压电材料为介质的电容器。
如图6-7所示，压电元件采用不同的连接方式时，其参数变化为如下。
2.压电元件的等效电路
根据压电元件的特性，可等效为一个与电容相并联的电荷源，也可以等效为一个与电容相串联的电压源，如图6-8所示。压电式传感器的实际等效电路如图6-9所示。
6.2.2 压电式传感器的测量电路
压电式传感器不能用于静态测量，压电元件只有在交变力的作用下，电荷才能源源不断地产生，可以供给测量回路一定的电流，故只适用于动态测量。
压电式传感器本身的输出信号小，内阻抗很高，在它的测量电路中通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器，放大器的作用是：**一是把压电式传感器的高阻抗变换为低阻抗；二是放大传感器的输出信号。**压电式传感器的输出信号可以是电压也可以是电荷，因此前置放大器也就出现了两种形式：电压放大器和电荷放大器。
1.电荷放大器
电荷放大器的等效电路如图6-10所示。
2.电压放大器
串联输出的压电元件可以等效为电压源，由于压电效应引起的电容量很小，因此其电压源的等效内阻非常大，在连接成电压输出型测量电路时，要求前置放大器要有足够的放大倍数，而且应具备很高的输入阻抗，如图6-11所示。
6.3 压电式传感器的应用
6.3.1 压电式力传感器
压电式力传感器是以压电元件为转换元件，输出电荷与作用力成正比，将力的变化转化为电的装置。常用的力传感器的形式为荷重垫圈式，如图6-12 所示，它由基座、上盖、石英晶片、电极以及引出插座等组成。
压电式力传感器适用于变化频率不太高的动态力的测量，测力范围可以达到几十kN以上，非线性误差小于1%，其固有频率可达数十kHz。在装配时需要注意的是，要有足够的预紧力，用以消除元件之间接触不良导致的非线性误差，使传感器工作在线性的状态。
6.3.2 压电式加速度传感器
如图6-13 所示，压电式加速度传感器由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成，整个部件装在外壳内，并用螺栓加以固定。
根据牛顿第二定律可知，F=ma，惯性力是加速度的函数。压电式传感器在测量加速度时，惯性力F作用于压电元件上，压电元件产生电荷Q，在传感器选定的情况下，其输出电荷与加速度a成正比，而加速度a与惯性力F成正比，因此输出电荷可以反映惯性力的变化。
6.3.3 弯曲式压电加速度传感器
如图6-14 所示为弯曲式压电加速度传感器的结构，压电元件粘贴在悬臂梁的侧面，悬臂梁的自由端装配质量块，固定端与基座连接。测量时，被测物体运动，质量块由于惯性会产生加速度，质量块带动悬臂梁发生弯曲，使悬臂梁的侧面受到拉伸或压缩，压电元件发生变形，产生电信号输出。
弯曲式压电加速度传感器的优点是固有的共振频率低，灵敏度高，常用于低频测量；缺点是体积大，机械强度较差。
6.3.4 火炮堂内压力测试
火炮工作时，发射药在堂内燃烧形成压力完成炮弹的发射。堂内压力的大小，不仅决定着炮弹的飞行速度，而且与火炮、弹丸的设计有着密切关系。
如图6-15 所示为火炮堂内压力测试电路，当堂内压力作用于压力传感器时，压力传感器中的压电晶体受到力的作用产生电荷，此电荷可以反映火炮堂内压力的大小，从而起到检测压力的作用。
6.3.5 压电式血压传感器
如图6-15 所示为压电式血压传感器的结构，由双晶片、敏感振膜、塑料块、定位螺栓等组成，采用的是悬臂梁结构。该传感器采用双晶片，两个压电元件极化方向相反，并联后可以增加电荷量输出。在敏感振膜的上下两侧各粘一个半圆塑料块。使用压电式血压传感器时，动脉血压作用在上塑料块，通过敏感振膜传递，再由下塑料块传递到压电陶瓷式悬臂梁的自由端，使压电陶瓷式悬臂梁弯曲变形，产生电荷，该电荷反映动脉血压的大小，从而达到测量目的。
6.3.6 监测结冰状况的冰传感器
在冬季和温度较低的环境中经常出现结冰现象，其危害很大。铁路电力机车接触网导线上结冰影响机车正常行驶、跑道结冰影响飞机安全飞行等。冰传感器可用来监测是否结冰、冰层厚度为多少。
如图6-17所示，冰传感器是利用压电效应制成的，在电极1、2间加交变电压，压电晶体产生机械振动，这时系统的谐振频率为
冰层检测原理是：极板1 上无附加物时，以自身的谐振频率作机械振动；极板1 上有冰冻时，冰层增加系统刚度，谐振频率增大；冰层越厚，刚度增加越大，谐振频率越大。通过频率的测量就可以检测出结冰的情况。
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