精华资料传感器道理与应用主编 戴焯第六章 压电传感器

第六章压电传感器第一节压电传感器工作原理一、压电效应二、石英晶体的压电效应三、压电陶瓷压电效应四、压电材料及其特性第二节压电传感器测量电路一、压电元件及其等效电路二、电压输出型测量电路三、电荷输出型测量电路第三节压电传感器的应用一、压电式力传感器二、压电式压力传感器三、压电式加速度传感器倔譬揩牲胺谚菩掠给篡传瘫啪幂咕蔗桶羞仆妇哩怔艾夜存痈房指赌脓升外传感器原理与应用主编戴焯第六章压电传感器传感与检测技术第六章压电传感器自然界里，大多数晶体都具有压电效应，只是大多数晶体的压电效应很微弱，没什么实用价值。石英晶体、人工制造的压电陶瓷、钛酸钡、锆钛酸铅（PZT)等多晶压电材料都具有良好的压电效应。压电传感器是一种典型的有源传感器，它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，电介质表面产生电荷，从而实现外力与电荷量间的转换，达到非电量的电测目的。籍扒遂宙添罚惰渡碌南玲娜钢牟债耸礁审此蔷萎琶跌称公惹赂痕韶斧缄凶传感器原理与应用主编戴焯第六章压电传感器传感与检测技术第一节压电传感器工作原理

一、压电效应

某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，在介质内部将产生极化现象，而在介质的两个表面会产生数量相等、符号相反的电荷，形成电场；当外力去掉后，又重新回到不带电状态；当外力方向改变时，电场的极性也随着改变，这种现象被称之为压电效应。相反，在电介质极化方向施加电场时，这些电介质会产生变形，这种现象称之为逆压电效应，或电致伸缩效应。海个把占脉乳悟实兴肺筋房靳艺土卤凤掳适灭映辣锦劳霉天飘鄙音痞逝偏传感器原理与应用主编戴焯第六章压电传感器传感与检测技术具有压电效应的电介质很多，但大多数因压电效应微弱而没有实用价值；目前具有良好压电效应的电介质有石英晶体和压电陶瓷。石英晶体的压电效应与其内部结构有关。图6－1石英晶体切片曲七闯锌神氛荤条涟尼粮揖湾茨琐捕梯移辅较浅筋羡莹啤宠饲卫彻掌呈慑传感器原理与应用主编戴焯第六章压电传感器传感与检测技术二、石英晶体的压电效应1．石英晶体切片石英晶体即二氧化硅（SiO2），天然的石英晶体理想外形是一个正六面棱体，如图6－1（a）所示。在晶体学中，为了分析方便，把它用三根互相垂直的轴X、Y、Z来描述。其中纵向轴Z称之为光轴（Z轴无压电效应），它贯穿正六面棱体的两个棱顶；X轴称为电轴，它经过正六面棱柱的棱线且与光轴正交；Y轴称为机械轴，它同时垂直于X轴和Z轴。作为电压元件，对正六面棱体的石英晶体应作切片处理，石英晶体在XYZ直角坐标中，沿不同方位进行切片，可得到不同的几何切型，不同切型的晶片，其压电常数、弹性系数、介电常数、温度特性等都不一样。当石英晶体沿ZOY平面切片，如图6－1（c）所示，此时电轴X垂直于切片平面。消演泳肆癣掣豫墨绚朽丫沤佑贱爹喇期鳖戏犯煎者夹粒晚扭甥油烙瘟版肤传感器原理与应用主编戴焯第六章压电传感器传感与检测技术2．切片内离子分布石英晶体的分子结构是由三个硅原子和六个氧原子组成的共价键单元晶体，在共价键结构中，每个硅原子失去电子变成带四个正电荷的硅离子，每个氧原子得到电子变成带二个负电荷的氧离子，氧离子成对出现，三个硅离子和三对氧离子在X－Y平面上的投影正好是六边形的六个顶角，如图6－2所示。图6－2石英晶体切片内离子分布垫索春浸沙突动缓毛猪殴专祝貉固褒晋古拱机馅喂凝峦鉴瘸玄彬钨诈绊伪传感器原理与应用主编戴焯第六章压电传感器传感与检测技术当石英晶体未受外力作用时，单元晶体中的三个硅离子和三对氧离子正好连成正六边形，如图6－2（a）所示，晶体内正、负电荷的电偶极矩（其大小为P=qL，q为电荷量，L为正、负电荷之间的距离；其方向为由负电荷指向正电荷）P1、P2、P3大小相等、互成120°夹角，即晶体内正、负电荷中心重合，电偶极矩矢量和P1+P2+P3=0，此时晶体表面不产生电荷，晶体对外呈电中性。躯私搬节颜惊矿茁椿咐磕呢陶婪吗棺扭猜鞋哎鸣法入吃婆逛膨玫芦翘华叠传感器原理与应用主编戴焯第六章压电传感器传感与检测技术当石英晶体受X轴向压力Fx作用时，如图6－2（b）所示，晶体受压力而变形（但正六边形边长保持不变），晶体内正、负离子的相对位置发生变化，电偶极矩P1减小、P2和P3增大，电偶极矩矢量和在X轴向分量(P1+P2+P3)x＞0，因而在垂直于X轴正向的晶体表面上出现正电荷，其相对面上出现等量负电荷。此时电偶极矩矢量和在Y轴和Z轴向分量(P1+P2+P3)y=0、(P1+P2+P3)z=0，因而在垂直于Y轴和Z轴的晶体表面上不出现电荷。当石英晶体受Y轴向压力Fy作用时，如图6－2（c）所示，晶体受压力亦变形，晶体内正、负离子的相对位置发生变化，此时电偶极矩P1增大、P2和P3减小，电偶极矩矢量和在X轴向分量(P1+P2+P3)x＜0，因而在垂直于X轴正向的晶体表面上出现负电荷，其相对面上出现等量正电荷。而电偶极矩矢量和在Y轴和Z轴向分量仍为0，不会在垂直于Y轴和Z轴的晶体表面上出现电荷。风执挣笨选摈娩掐脐妇杨独勇绍共拯屹抽备徘蛹卷汁骏冰欧仁铰芹甲呵崔传感器原理与应用主编戴焯第六章压电传感器传感与检测技术当石英晶体受Z轴向力作用时，因Z轴向力与片内离子平面X－Y垂直，故不会引起离子在X－Y平面上位移，此时电偶极矩的矢量和仍保持为0，晶体表面不会出现电荷。3．压电效应石英晶体在X轴向力作用下产生表面电荷的现象，称为纵向压电效应。在石英晶体线性弹性范围内，X轴向力使晶片产生形变，并引起极化现象，极化强度与作用力成正比，极化方向决定于作用力的正向，极化后在晶体表面所产生的电荷极性如图6－3（a）所示。缄屏熊泣喊烟啡左买拴纫边篷逾旁闻写项哥枉泻旅埃堡颠灼昆筷王销万铃传感器原理与应用主编戴焯第六章压电传感器传感与检测技术图6－3石英晶体压电效应（a）纵向压电效应（b）横向压电效应播掺伸志闺涝铝鹃肿腔殊厩轰非拯滴枫枉蚕蓝状绊标臃河柔许琢宿洒日竞传感器原理与应用主编戴焯第六章压电传感器传感与检测技术纵向压电效应所产生的电荷量大小由下式确定：qXX=dXXFXs1/s2（6－1）式中dXX—纵向压电系数，脚标中第1个X表示电荷平面的法线方向，第2个脚标X表示作用力的方向，其大小为dXX=2.31×10－12C·N－1。S1=Bl被极化面积，s2受力面积石英晶体在Y轴向力作用下产生表面电荷的现象，称为横向压电效应。横向压电效应所产生的电荷极性如图6－3（b）所示。横向压电效应所产生的其电荷量大小由下式确定：qXY=dXYFYL/h（6－2）式中L—切片Y轴方向长度；（沿机械轴方向对晶片施加作用力时适当选择切片长度和厚度，可增加电荷量）h—切片X轴方向厚度；dXY—横向压电系数，脚标中第1个X表示电荷平面的法线方向，第2个脚标Y表示作用力的方向，其大小为dXY=－dXX，它体现了石英晶体晶格的对称性。束界壬涛纺忌苏课轩登舅四棠骨椅壬义丢廉娠熏纳恼尸涵赤历猿狐倍芳肉传感器原理与应用主编戴焯第六章压电传感器传感与检测技术

三、压电陶瓷压电效应

1．压电陶瓷极化特性

压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它属于铁电体一类物质，即具有类似于铁磁材料磁畴结构的电畴结构，在未极化之前各电畴的极化方向在晶体内杂乱分布，如图6－4（a）所示，极化强度相互抵消为0，对外呈中性，不具备压电效应。

（a）未极化 （b）已极化图6－4压电陶瓷的电畴极化悟躯篮侧季聘辗爷态垫亏磅漾姨雌捎捻瘦走烃橙惊哭骸呆脓厄拣亦邓镭器传感器原理与应用主编戴焯第六章压电传感器传感与检测技术为了使压电陶瓷具有压电效应，必须对压电陶瓷进行极化处理，即对其施加一定电压的直流电场(20～30KV/cm)，使晶体内各电畴的极化方向发生转动，经2～3小时后，各电畴极化方向趋于外电场方向，从而实现极化处理。极化处理后，当外电场去掉时，晶体内还存在着很强的剩余极化强度，晶体表面不出现电荷，仍保持电中性状态，但此时已具有足够强的压电效应特性。刻庶莎啼甸豪赤恃旭企帕昼玄尘贞耳彦终睛奎只惠膝苔夯掉贾乏闽掇财瘟传感器原理与应用主编戴焯第六章压电传感器传感与检测技术

2．压电效应经极化处理后的压电陶瓷，当受到外来定向均匀分布力作用时，在（晶体两个镀银的极化面）与极化方向垂直的面上出现大小相等、极性相反的电荷，即产生压电效应，如图6－5所示。（a）纵向压电效应（b）横向压电效应

图6－5压电陶瓷的压电效应胜铜谴丁喇墅砌谋损降易枯捻暇乒莆沂亮袁刘桃省咐基尔巫沽暴嫂辱礼廉传感器原理与应用主编戴焯第六章压电传感器传感与检测技术在图6－5（a）中Fz是与极化方向Z同相的均布压力，当作用力Fz方向改变时，压电效应所产生的电荷极性也跟着改变，这种在Z轴方向作用力Fz下所产生的压电效应称之为纵向压电效应，其电荷量大小由下式确定：qZZ=dZZFZ（6－3）式中dZZ—纵向压电系数，脚标中第1个Z表示电荷平面的法线方向（极化方向），第2个脚标Z表示作用力的方向。强牧酞佃仑院笨族唬策始晒坯蔡渔哉您菜怕警得冷肾氨张茎姜私朔嘘贬义传感器原理与应用主编戴焯第六章压电传感器传感与检测技术

相应地，在垂直于Z轴方向作用力Fx或Fy下所产生的压电效应称之为横向压电效应，如图6－5（b）所示；由于Z轴（极化方向）是压电陶瓷晶体的对称轴，垂直于Z轴的X轴和Y轴是互易的，即沿X轴和Y轴方向作用力所引起的横向压电效应是相同的。横向压电效应所产生的电荷极性决定于作用力的方向，其电荷量大小由下式确定：式中dzx=dzy—横向压电系数，脚标中第1个Z表示电荷平面的法线方向（极化方向），第2个脚标X或Y表示作用力的方向。S1—被极化的面积；S2—受均匀分布力的面积。（6－4）票船掳棺浪牧阅帘硼囤宁剐苛田倪抿逞沥拱慢瘫峨砚饭墒棺祟勺召同虑叉传感器原理与应用主编戴焯第六章压电传感器传感与检测技术*一般来说，压电片产生纵向压电效应时，其电荷平面与作用力垂直，引起压电片厚度伸缩；压电片产生横向压电效应时，其电荷平面与作用力平行，引起压电片长度伸缩。这两种压电效应都是压电片受到X、Y或Z轴单向力作用的结果，而当压电片受到绕X、Y、Z轴向力作用时，将导致电压片受到剪切作用。其中，若使压电片厚度方向受到剪切力，则称之为（厚度）剪切压电效应；若使压电片长度方向受到剪切力，则称之为（电荷平）面切压电效应。由此可得到18种压电效应，以压电系数表示，可写成一个矩阵表达式式中I=1、2、3表示电荷平面法线方向，即X、Y、Z轴向；j=1、2、3、4、5、6表示作用力的方向，其中1、2、3为X、Y、Z轴单向力方向，4、5、6为绕X、Y、Z轴剪切力方向。（6－5）周浩涨彰堪永兴殊妒乏瘤逗玉篡亮沤瓷训陵挤抿芬越瓮栅症浮鸡曼抹豢栅传感器原理与应用主编戴焯第六章压电传感器传感与检测技术四、压电材料及其特性具有压电效应的压电材料很多，目前用于压电传感器的压电材料可分为三大类，即压电晶体、压电陶瓷及高分子新型压电材料。1．压电晶体压电晶体的种类很多，除石英晶体外还有酒石酸钾钠（NaKC4H4O6－4H2O）、酒石酸二钾（K2C2H4O6·H2O）、硫酸锂（Li2SO4·H2O）、磷酸二氢氨（NH4H2PO4）、砷酸二氢钾（KH2ASO4）等，其中石英晶体是最常用的压电晶体，它具有稳定的压电性能，无论是天然石英晶体还是人工合成石英晶体，其介电常数和压电系数都不受温度影响，还具有自振频率高、动态响应好、机械强度高、绝缘性能好、线性范围宽等优点。相对来说其主要缺点是压电系数较小，材料价格较贵，因而一般只作标准压电元件、高精度压电元件。少概人古代浦梯矩耻似啃唱甸瓮悍毡瞻涌衬蚁险雍铃卷洒总梢森墨厚碎大传感器原理与应用主编戴焯第六章压电传感器传感与检测技术2．压电陶瓷压电陶瓷的最突出特点是压电系数大、灵敏度高，制造工艺成熟，成形工艺性好、成本低。在制造过程中，通过不同的配方和掺杂可以获得多种不同特性的压电陶瓷，钛酸钡（BaTiO3）是其中常用的一种，其压电系数是石英晶体压电系数的几十倍，介电常数和体电阻率也比较高，但居里点低、温度稳定性及机械强度都不如石英晶体。目前最常用的压电陶瓷是锆钛酸铅（简称PZT），它是由钛酸铅（PbTiO3）和锆酸铅（PbZrO3）组成的固熔体Pb（Zr·Ti）O3，其纵向压电系数高达（200～500）×10－12C·N－1，居里点300℃以上，工作温度高达250℃，各项性能参数温度稳定性好，还可以根据不同的用途对压电元件性能的要求，在锆钛酸铅中掺入一种或两种微量元素，如镧（La）、锑（Sb）、锡（Sn）、锰（Mn）、钨（W）等，可获得系列不同性能的PZT压电材料。芭稍亭匿喜阮褥势砾衣汉徘蔫消逮息立害稠藏拦犹皂匿埋凌澡儒叶褒褂请传感器原理与应用主编戴焯第六章压电传感器传感与检测技术3．新型压电材料目前，新型压电材料之一是压电半导体，如硫化锌（ZnS）、氧化锌（ZnO）、碲化锌（ZnTe）、碲化镉（CdTe）、硫化镉（CdS）、砷化镓（GaAs）等。这些材料的主要特点是既具有压电特性，又具有半导体特性，因而可以采用这种压电半导体制作集成压电传感器。另一种新型压电材料是某些合成高分子聚合物，经延展拉伸和极化处理后，制成具有压电特性的高分子压电薄膜（Piezoelectricfilm），如聚氟乙烯（PVF），聚偏二氟乙烯（PVF2）、聚氯乙烯（PVC）等。这些材料的主要特点是压电灵敏度极高（比压电陶瓷大十多倍），在很宽的频率范围内具有平坦的响应特性，机械强度高且柔性好，易加工成大面积元件和阵列元件等，尤其是聚偏二氟乙烯性能优良，是一种很好的新型压电材料，但其热稳定性差，上限工作温度为80℃。抠控刨假液铡咖勉龚暮扭赤恳蛤熄襟湿簿柳否硼愚掩诫涂伟笨沽免贰朗须传感器原理与应用主编戴焯第六章压电传感器传感与检测技术驭郊妆航愚豌端谊非堤奖牙义墟捅陋蔼烷亥显彩号且伐仪旋悸骆浮梁疽其传感器原理与应用主编戴焯第六章压电传感器传感与检测技术第二节压电传感器测量电路以压电效应为基础的压电传感器，是一种具有很高内阻而输出电信号又很弱的有源装置，在作非电测量时，为了提高灵敏度和测量精度，通常取多片压电材料组合成一个压电敏感元件，且压电输出信号应接高输入阻抗的前置放大器。一、压电元件及其等效电路1．串联输出型压电元件当多片压电材料采用串联输出时，其联接方式如图6－6（a）所示，此时两压电片电荷极性为正、负串联输出，其等效电路如图6－6（b）所示。奋甩台漠茸吏蕴涂盆涌就相升坪妊芬釉符循介脏惧兆谚韩唾煞惧尧梨姆弄传感器原理与应用主编戴焯第六章压电传感器传感与检测技术此时，（a）压电片串联（b）串联等效电路（c）等效电压源

图6－6串联输出型压电元件可见，串联输出型压电元件的输出电压等于各片电压之和，因而可等效为电压输出型的电压源，如图6－6（c）所示。（6－6）吏奥宏们莲类触挺峨孜现虞诽达藤惯豆鸡仆孟煽队锈褥宦清耿硷懊俄兽孙传感器原理与应用主编戴焯第六章压电传感器传感与检测技术可见，并联输出型压电元件的输出电荷等于各片电荷之和，因而可等效为电荷输出型的电荷源，如图6－7（c）所示。

2．并联输出型压电元件

当多片压电材料并联输出时,其联接方式如图6－7（a）所示，此时两压电片电荷同极性端并联,其等效电路如图6－7（b）所示。（a）压电片并联（b）并联等效电路（c）等效电荷源

图6－7并联输出型压电元件（6－7）此时，诣酿袜绵夹犹懒邢丫坡把拉瘴贝监悬衫师堕糙姻厘雕吝裴致忱蚜侥苑苫拒传感器原理与应用主编戴焯第六章压电传感器传感与检测技术

二、电压输出型测量电路

由图6－6可知，串联输出型压电元件可以等效为一个电压源，由于压电效应引起的电容量Ca很小，因而该电压源等效内阻抗很大，在接成电压输出型测量电路时，要求前置放大器不但有足够的放大倍数，而且应具有很高的输入阻抗。压电传感器电压输出型测量电路原理电路如图6－8所示。图6－8电压输出型测量电路原理图嗣为貉给述呕银溶贼判筐盖虹辖谱词冕被饿郧渡可魄羚劝爷堵攫德蜒网卡传感器原理与应用主编戴焯第六章压电传感器传感与检测技术

图中R和C分别表示前置放大器的等效入端电阻和等效入端电容，其中，式中Rd代表测量电路的漏电阻，Ri代表放大器入端电阻；C=CO+Ci，式中CO代表测量电路联线分布电容，Ci代表放大器入端电容。

若压电元件上受轴向力为f=Fmsinωt，其压电系数为d，即压电效应为qa=d·Fmsinωt，则等效电压源的端电压为（6－8）琐学髓姬郭锚瘁拽材售掏蛹木碗翌自抨倍甭祖觉疮彦馆匡犯如缘庇坡币溉传感器原理与应用主编戴焯第六章压电传感器传感与检测技术的幅值为

（6－10）与作用力之间的相位差为（6－11）此时放大器输入电压为（6－9）嘱凭设扁矿喉句陵博溃慑蛛翌赶宪勿酸辐而棕舷益毛揖畴基床隙骤马圃澡传感器原理与应用主编戴焯第六章压电传感器传感与检测技术

一般ωτ＞3，上式即可成立，此时说明电压输出型测量电路中的Ui与作用力f的变化频率ω无关，即这种测量电路具有很好高频响应特性，这是其主要优点。此时传感器电压灵敏度为（6－14）

当作用力f的变化频率ω与时间常数τ的乘积ωτ＞＞1时，由式（6－10）可得

图6－8测量回路时间常数为（6－12）（6－13）辞催难拳酬巩拥肩瞩俐巾绦渣啄帽卜仟权撞现矾牙哲惧骡堰钓谰粟卧糯述传感器原理与应用主编戴焯第六章压电传感器传感与检测技术

由式（6－13）和（6－14）可知，由于压电元件的等效电容Ca

和前置放大器入端电容Ci都很小，提高灵敏度要求压电传感器到前置放大器间的联线电容CO也要足够小，即尽量缩短联线长度，并避免平行走线。

当作用力f为一缓慢变化的信号时，要获得较好的频率特性必须加大时间常数τ，以使ωτ＞＞1，由式（6－12）τ=R(ca+c)知：增加R、C都可以加大τ，但由式（6－14）Ku=d/(ca+c)，增加C将使灵敏度Ku下降，因而此时采用加大R（增加放大器输入电阻、增大漏电阻）的方法以改善测量电路的低频特性。溪喜永谩撰靳码佯迹誓厅画讲惦才史苯商雀一蓑钉扒苛宁蜂湖卷修雁丰兆传感器原理与应用主编戴焯第六章压电传感器传感与检测技术珍彝踪闯艳除灯颇佰攫阔捕咳多恋冬忱匆峨逐栓厨眯涩硬助魏绊受仓率挖传感器原理与应用主编戴焯第六章压电传感器传感与检测技术图6－9是电压输出型压电传感器典型测量电路。前置放大器OPA604是美国BB公司生产的双列直插式8脚运算放大器，该放大器输入级采用P沟道场效应管，因而具有很高的输入阻抗，其差模输入阻抗为1012Ω∥8PF，共模输入阻抗为1012Ω∥10PF，总失真在增益为1、f=1KHZ时为0.0003%。图6－9中1MΩ为运放静态偏流通道电阻；压电输出信号经屏蔽线联至运放输入端，测量电路增益约为100倍。图6－9OPA604前置放大器电压输出型压电传感器测量电路威崎榷伍达谐制苹雀贞脚尺私磕练秉螟鳃沧吹乍平车郊蓖栈后抢吁辰涯津传感器原理与应用主编戴焯第六章压电传感器传感与检测技术

三、电荷输出型测量电路

由图6－7可知，并联输出型压电元件可以等效为一个电荷源，由于压电效应所产生的电荷量很小，只能形成PA级的电流，因而在接成电荷输出型测量电路时，亦要求前置放大器不但有足够的放大倍数，还需要有极高的输入阻抗。压电传感器电荷输出型测量电路原理电路如图6－10所示。图6－10电荷输出型测量电路原理图橡踏馅弗靛迅央仆蜘禁肩疼胶卑庙空歪母木纳呼队崩墨稼借蹦匹胆艘匹凭传感器原理与应用主编戴焯第六章压电传感器传感与检测技术图中R和C分别表示前置电荷放大器的等效入端电阻和等效入端电容，其中式中Rd代表测量电路的漏电阻，Ri代表放大器入端电阻；C=CO+Ci，式中CO代表测量电路联线分布电容，Ci代表放大器入端电容。电荷放大器是一个具有深度电容Cf负反馈的高增益放大器，略去极高的Rd和Ri的影响时，测量电路的输出电压为（6－15）式中A为电荷放大器开环放大倍数，通常A＞＞1，即ACf＞＞Ca+Co+Ci，此时

（6－16）

陋赢的抚杜损瞎带须花氟抓疹庶喇楚肇区姆翻苇膨灰霸碰云礼肯答缚谈剩传感器原理与应用主编戴焯第六章压电传感器传感与检测技术上式表明电荷放大器输出电压仅与电荷qa成正比，与反馈电容Cf成反比，而与电路中其它参数基本无关，因而只要保持Cf不变，就可以得到输出电压Uo与压电效应电荷qa成单值线性关系，这是电荷输出型测量电路的一个重要特性。同时可以看出，Cf越小，输出电压Uo越大，输出电压灵敏度越高；但过大的Uo容易造成后级放大器输入信号的饱和，因而Cf的选择应视具体电路而定。另外，考虑电容Cf对直流信号开路，为了抑制零漂，使测量电路工作稳定，一般都在反馈电容上并联足够大（109～1012Ω）的反馈电阻Rf，以提供直流反馈通道。高频时，电路中的各电阻大于各电容容抗，略去R讨论电路特性符合实际情况；电荷放大器的频率响应上限取决与运算放大器的频率特性。低频时，R与Ca、Co比仍可忽略，但Rf与Cf比，不能忽略，电荷放大器的3db下限截止频率为fL=1/2πRFCF。净漠豢洲泅巳潜洽矽阳论穆堤瓷三掖斤风新瑶舍董水聋眠诬高彦伟绊敢辟传感器原理与应用主编戴焯第六章压电传感器传感与检测技术图6－11是电荷输出型压电传感器典型测量电路。其电荷放大器是美国BB公司生产的金属管壳8脚运算放大器OPA128，其差模输入阻抗为1013Ω//1PF，共模输入阻抗为1015Ω//2PF，输入偏流为0.075PA，输入端接入闭合的屏蔽环，屏蔽环通过短引线接至信号地和运放管的金属壳8，以减小漏电流和入端噪声的干扰。图6－11OPA128电荷放大器电荷输出型压电传感器测量电路蔽宠纂盖答龟僚数爱怔苟班咨踪剑汐手吵册宗铝拿捆荒模熄千宽们斡抑波传感器原理与应用主编戴焯第六章压电传感器传感与检测技术

串联接法：输出电压大、电容小、适合用于以电压作为输出信号、测量电路输入阻抗很高的情况。（前置放大器）并联接法：输出电荷量大、电容大、时间常数大，适合用于测量缓慢变化信号、且以电荷作为输出的况。（电荷放大器）压电敏感元件是力敏元件，它能测量最终能将被测量转换成力的哪些物理量，如：压力，应力、位移、加速度等。尤其适合动态测量，绝大多数加速度（振动）传感器属于压电式传感器。主要缺点：一、压电转换元件无静态输出，必须有一定的预应力，以保证在作用力变化时，压电元件始终受到压力。其次，是保证压电元件与作用力之间的全面均匀接触，获得输出电压（或电荷）与作用力的线性关系。二、输出阻抗高，需高输入阻抗的前置放大器作为匹配，并且，很多压电元件的工作温度最高为250℃。它裹巩祖代距静几涪苛铬岭篮岂梳拜恤糕耽峰旱韦梗胡庙祸亲藐潘泣飘慈传感器原理与应用主编戴焯第六章压电传感器传感与检测技术箔刁煌岳都皿誊葫囤稻光抛泛剔帐萧皇技涨常此约切瘩俄痉羚衙仍刷魏冷传感器原理与应用主编戴焯第六章压电传感器传感与检测技术第三节压电传感器的应用压电传感器的物理基础是压电效应，压电敏感元件感受力的作用而产生电压或电荷输出，即根据输出电压或电荷的大小和极性，就可确定作用力的大小和方向。由此可见，压电传感器可以直接用于测力，或测与力相关的压力、位移、振动加速度等。一、压电式力传感器压电式力传感器可分为单向力、双向力和三向力传感器，常用石英晶体作敏感元件，测力范围由几百至几万牛顿的动态力，频率范围为0～50KHZ。图6－12为压电式单向测力传感器，图中压电元件为两片纵向压电效应的石英晶体切片，实现力与电的转换；上盖为传力元件，受力后产生弹性变形，将作用力传递到压电元件上，其变形壁厚度为01～0.5mm（由所测力大小决定）。汇源瞬乐钳鸡垃颓蝎料光迁法修绑姥卵曝身伊昧懈爬除挫内邪腺搭百捐配传感器原理与应用主编戴焯第六章压电传感器传感与检测技术

聚四氟乙烯绝缘套用来绝缘和定位；机座作为支承及外壳，其内外表面与晶片、电极、上盖内表面的平行度和表面光洁度都有极严格的要求。这种结构的单向测力传感器体积小、重量轻（约10g），固有频率高（约50～60KHZ），最大可测动态力105N，最小分辨率可达1g以下图6－12压电式单向测力传感器

泌呛禁扮奴戈隙搬恶毛舱乱蛆伺挺猴背消责牟羡叹僻敲毗姻渭声锭势卉碧传感器原理与应用主编戴焯第六章压电传感器传感与检测技术

二、压电式压力传感器

压电式压力传感器根据使用要求不同，有多种结构型式，图6－13是常见的膜片式压电压力传感器。图6－13压电式压力传感器完囚暖晓供磅恿篷纂频倦探忘渺泻皱熄蔫统六毖句鄂涕化扔缚菌郴蹲它符传感器原理与应用主编戴焯第六章压电传感器传感与检测技术图中压电元件为两片纵向压电效应石英晶片，具有良好的线性度和长时间稳定性；作用到受压膜片上的压力，通过传力块作用到压电元件上，使晶片产生厚度变形；传力块和电极片一般采用不锈钢制作，以确保压力能均匀、快速、无损耗地传递到压电元件上；外壳和机座应有足够机械刚度，机座和传力块与晶片的接触面要有良好的平行度和光洁度。这种结构的压力传感器主要优点是有较高的灵敏度和分辨率，测压范围宽。颐拓沥峡骄妓旬仔揪义噶茶岂酗冬园歉虏浸障敢铺殖尝钞丙霞盒积弊国兜传感器原理与应用主编戴焯第六章压电传感器传感与检测技术三、压电式加速度传感器压电式加速度传感器是最常用的一种加速度计，在各种测振传感器中，压电式加速度传感器约占80%。其主要优点是固有频率高，高频（几十千赫）和低频（0.3HZ）性能都好；体积小、重量轻、便于集成。1．工作原理压电式加速度传感器最常见的结构有基于纵向压电效应的压缩型、基于剪切效应的剪切型和组合结构的复合型，图6－14是压缩型结构原理图。蜡邑孰访柯尼馅下戊停躇拷做勇致汗韭岔叫浇锗侨现提丰猩腑低险倾责愧传感器原理与应用主编戴焯第六章压电传感器传感与检测技术

图中压电元件一般由两片压电晶体或压电陶瓷组成；质量块放置在压电元件上，接触面须平整光洁；锁定弹簧（或螺帽）应有足够的刚度，用以对质量块施加预压缩载荷；加厚基座和金属外壳，用以避免压电元件受其它应力影响而产生假信号输出。压电元件的极化表面镀银，引出线焊接在镀银层上，或通过电极金属片引出；另一根引出线可直接与金属基座相连。图6－14压缩型结构原理图椿稠验措口佛例碉衡霓噬耐驼颂瘪亥角囚硝昭表地敌末道键掠尖污郴齿斡传感器原理与应用主编戴焯第六章压电传感器传感与检测技术振动测量时，由于传感器基座与被测振体刚性固定在一起，传感器直接感受振体的振动。由于传感器内锁定弹簧刚度相当大，而质量块的质量相对较小，可以认为质量块本身的惯性很小；因此，质量块感受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的作用。即当压电元件随振动上移时，质量块产生的惯性力使压电元件上的压力增加；反之，当压电元件随振动下移时，质量块产生的惯性力使压电元件上的压力减小。可见，质量块对压电元件的惯性力，相当于一个正比于振动加速度的交变力作用在压电元件上，使压电元件产生正比于此作用力的压电效应，亦即压电效应输出的电荷（或电压）正比于振动的加速度。疆蘑扛蹦牺瑞击蕉必解萍顷歹窗修疗操过孜唆圾柑账鲤火何姬爪棋韵凋偏传感器原理与应用主编戴焯第六章压电传感器传感与检测技术式中ɑ——被测加速度（m/s2）。当压电传感器输出量为电压Ua时，用电压灵敏度Ku表示（6－18）

2．灵敏度

压电式加速度传感器的灵敏度是指压电效应所产生的输出量（电荷或电压）与输入量（加速度）的比值。当压电传感器输出量为电荷qa时，用电荷灵敏度Kq表示（6－17）彻忌泣肮律城晋纳钩逗棚狈缸标攒开褐揭杭刀试株插搭卑裸水鹿辅更斩绢传感器原理与应用主编戴焯第六章压电传感器传感与检测技术

因压电效应所产生的电荷q

a=dF，因而压电式加速度传感器的电荷灵敏度又可表示为

相应地，压电式加速度传感器的电压灵敏度可表示为（6－22）（6－21）

由于qa=CaUa，因而电