压电传感器的原理与应用

传感器有很多种，其中“压电式传感器”是一种基于压电效应的传感器，是一种自发电式和机电转换式传感器。它的敏感元件由压电材料制成，压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。

压电式传感器用于测量力和能变换为电的非电物理量。它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等；缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。

传感器的组成

一、工作原理
压电式传感器的工作原理就是基于某些晶体在受力后，在晶体表面产生电荷的压电效应，可分为正压电效应和逆压电效应。

正压电效应是指：当晶体受到某固定方向外力的作用时，内部就产生电极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。

逆压电效应是指：对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象，又称电致伸缩效应。用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。

二、压电材料的分类
为使压电传感器的压电元件同时起着敏感力/压力和力电转换的功能，其制作需要使用压电材料。应用于压电式传感器中的压电元件材料一般有三类：压电晶体、经过极化处理的压电陶瓷、新型压电材料。

1.压电晶体

石英单晶化学成分为SiO2，为天然单晶压电材料；其机械强度高，莫氏硬度为7；熔点高达1750℃，居里温度高；绝缘性好，其性能如介电常数和压电特性非常稳定，转换效率和转换精度高、重复性好、线性范围宽、动态特性好；另外铌酸锂（LiNbO3）、钽酸锂（LiTaO）也属于压电晶体。压电晶体Q值较大，有良好的温度特性，但存在压电常数较弱、制作加工困难的缺点。

2.压电陶瓷

压电陶瓷属于铁电体一类的物质，是人工制造合成的多晶块状压电材料，具有制备简单、工艺可靠、性能稳定的特点；含有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构，可按需制成任意形状和按任意方向极化、压电性能可调；极化后的成品具有显著的压电效应，压电系数可达到石英晶体的数百倍。

其中钛酸钡材料（BaTiO，）是人工制造和应用较早的压电陶瓷，首先由钛酸钡粉末和二氧化钛（TiO，）粉末等比例摩尔量配制，然后高温烧结;得到的钛酸钡陶瓷d，较大，比石英提高约50 倍;但钛酸钡压电陶瓷居里温度Tc不到120℃，导致工作温度不能超过60℃，应用温度范围小，其机械性能也弱于石英。

现今普遍使用的是锆钛酸铅（PZT）系列压电陶瓷，工艺和制造技术成熟、可靠，其居里温度Tc在300℃以上，性能非常稳定，且压电性能较钛酸钡压电陶瓷又有大幅提高，具有较高的介电常数和压电系数。而20世纪60年代发展起来的铌镁酸铅PMN（PbMg，NbO，）压电陶瓷，也具有较高的压电常数和工作温度，而且能承受较高的纵向压力；可由铌镁酸铅、锆酸铅和钛酸铅混合按不同比例配出不同性能的多元系PMN-PZT压电陶瓷，满足应用需求。

3.新型压电材料

①压电半导体材料：ZnO、CdS（硫化镉）、CdTe（碲化镉）等都属于压电半导体材料，这种力敏器件具有灵敏度高，响应时间短等优点。此外用ZnO作为表面声波振荡器的压电材料，可检测力和温度等参数。

②高分子压电材料：某些合成高分子聚合物薄膜经延展拉伸和电场极化后，具有一定的压电性能，这类薄膜称为高分子压电薄膜。目前出现的压电薄膜有聚二氟乙烯PVF2、聚氟乙烯PVF、聚氯乙烯PVC、聚γ甲基-L谷氨酸脂PMG等。高分子压电材料是一种柔软的压电材料，不易破碎，可以大量生产和制成较大的面积。

三、压电传感器的应用
压电式传感器有着结构简单、体积小、重量轻、灵敏度高、可靠性高、测量范围广等优点，因此比较适合一些动态力学的测量，主要使用在跟力相关的一些动态参数的测量，如动态力机械冲击震动，在声学、医学、力学、导航方面都有得到广泛的应用。

1.压电式测力传感器

压电式测力传感器是利用压电元件直接实现力-电转换的传感器，在拉、压场合，通常较多采用双片或多片石英晶体作为压电元件。其刚度大，测量范围宽，线性及稳定性高，动态特性好。当采用大时间常数的电荷放大器时，可测量准静态力。按测力状态分，有单向、双向和三向传感器，它们在结构上基本一样。

图所示为压电式单向测力传感器的结构图。传感器用于机床动态切削力的测量。绝缘套用来绝缘和定位。基座内外底面对其中心线的垂直度、上盖及晶片、电极的上下底面的平行度与表面光洁度都有严格的要求，否则会使横向灵敏度增加或使片子因应力集中而过早破碎。为提高绝缘阻抗，传感器装配前要经过多次净化（包括超声波清洗），然后在超净工作环境下进行装配，加盖之后用电子束封焊。

压电式压力传感器的结构类型很多，但它们的基本原理与结构仍与压电式加速度和力传感器大同小异。突出的不同点是，它必须通过弹性膜、盒等，把压力收集、转换成力，再传递给压电元件。为保证静态特性及其稳定性，通常多采用石英晶体作为压电元件。

2.压电式加速度传感器

图所示为压缩式压电加速度传感器的结构原理图，压电元件一般由两片压电片组成。在压电片的两个表面上镀银层，并在银层上焊接输出引线，或在两个压电片之间夹一片金属，引线就焊接在金属片上，输出端的另一根引线直接与传感器基座相连。在压电片上放置一个比重较大的质量块，然后用一硬弹簧或螺栓、螺帽对质量块预加载荷。整个组件装在一个厚基座的金属壳体中，为了隔离试件的任何应变传递到压电元件上去，避免产生假信号输出，所以一般要加厚基座或选用刚度较大的材料来制造。

测量时，将传感器基座与试件刚性固定在一起。当传感器感受到振动时，由于弹簧的刚度相当大，而质量块的质量相对较小，可以认为质量块的惯性很小，因此质量块感受到与传感器基座相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力作用。这样，质量块就有一正比于加速度的交变力作用在压电片上。由于压电片具有压电效应，因此在它的两个表面上就产生了交变电荷（电压），当振动频率远低于传感器固有频率时，传感器的输出电荷（电压）与作用力成正比，即与试件的加速度成正比。输出电量由传感器输出端引出，输入到前置放大器后就可以用普通的测量器测出试件的加速度，如在放大器中加进适当的积分电路，就可以测出试件的振动加速度或位移。

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