3.4 压电式传感器

3力敏传感器力敏传感器指对力学量敏感的一类器件或装置。按工作原理分：①应变式力敏传感器②压阻式力敏传感器③压电式力敏传感器④电感式力敏传感器⑤电容式力敏传感器⑥谐振式力敏传感器2023/9/222

某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。

若在电介质的极化方向上施加交变电压，它就会产生机械变形。当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）。

依据电介质压电效应研制的一类传感器称为压电传感器。3.4压电式传感器3.4.1压电传感器的工作原理压电效应2023/9/2233.4.2压电材料

无机压电材料有机压电材料

换能器压电材料1.压电晶体石英晶体是单晶结构，为六角形晶柱，两端呈六棱锥形状，石英晶体为六棱形。它有三个互相垂直的轴。其中x轴称为电气轴，y轴称为机械轴，z轴称为光学轴。石英晶体外形石英晶体薄片常用的压电单晶有石英（SiO2）、铌酸锂（LiNbO3）、α碘酸锂（α-LiIO3）、硫酸锂（Li2SO4）等双面镀银并封装电气轴机械轴光轴•“纵向压电效应”

沿电轴x方向施加作用力产生的压电效应称为纵向压电效应•“横向压电效应”

沿机械轴y方向施加作用力产生的压电效应称为横向压电效应；•沿光轴Z方向施加作用力则不产生压电效应。

图3.4.2石英晶体•石英晶体的压电效应具有各向异性——

电荷的符号由受拉力还是受压力作用所决定。电荷量的大小：

Qx与晶片几何尺寸无关，而Qy则与晶片几何尺寸有关。2023/9/226石英晶体振荡器（晶振）晶振石英等压电单晶压电系数小，介电常数很低，受切型限制存在尺寸局限，但机械强度和品质因素高，稳定性好，机械品质因子高，多用来作标准频率控制的振子、高选择性（多属高频狭带通）的滤波器以及高频、高温超声换能器等。2023/9/227（2）压电陶瓷

压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比石英晶体的压电灵敏度高得多，工艺性好，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：钛酸钡BT(BaTiO3)、锆钛酸铅PZT、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸铅钡锂PBLN、改性钛酸铅PT等。锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及非铅系压电陶瓷（如BaTiO3等）。

不足：机械品质因子较低、电损耗较大、稳定性差，因而适合于大功率换能器和宽带滤波器等应用，但对高频、高稳定应用不理想。自发极化电畴极化强度为零，无压电效应施加高压电场极化，电畴转向，有一定的极化强度电场撤销后，有剩余极化强度陶瓷片两端出现束缚电荷电场强度：1-4kV/mm•压电陶瓷极化过程直流电场E剩余极化强度剩余伸长电场作用下的伸长(a)极化处理前(b)极化处理中(c)极化处理后

＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋

极化方向正压电效应示意图（实线代表形变前的情况，虚线代表形变后的情况）F－＋

正压电效应将机械能转换为电能2023/9/2210压电陶瓷外形

2023/9/2211无铅压电陶瓷及其换能器外形

（上海硅酸盐研究所研制）

2023/9/2212（3）有机聚合物

又称压电聚合物，典型的高分子压电材料有聚偏氟乙烯（PVDF）、偏聚二氟乙烯（PVF2）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。这类材料具其材质柔韧，低密度，低阻抗和高压电电压常数(g)等优点。高分子压电薄膜及拉制2023/9/2213高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆

2023/9/2214又称复合型高分子压电材料，这类材料是在有机聚合物基底材料中嵌入片状、棒状、杆状或粉末状压电材料构成的。兼有无机压电材料优良压电性和高分子压电材料的优良加工性能，而且不需要进行拉伸等处理，即可获得压电性。而这种压电性在薄膜内无各向异性，故在任何方向上都显示出相同的压电性。至今已在水声、电声、超声、医学等领域得到广泛的应用。如果它制成水声换能器，不仅具有高的静水压响应速率，而且耐冲击，不易受损且可用与不同的深度。

(4)压电复合材料F+

最简单的压电式传感器的结构及工作原理如图所示。在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，构成两个电极。当压电晶片受到压力F的作用时，分别在两个极板上积聚数量相等而极性相反的电荷，形成电场。

因此，压电传感器可以看作是一个电荷发生器，也可以看成是一个电容器。1.结构形式3.4.3压电元件的常用结构形式及转换电路

压电元件的等效电路＋＋＋＋――――qq电极压电晶体Ca(b)(a)2.压电传感器的等效电路当压电传感器的压电元件受到外力作用时，就会在受力纵向或横向表面上出现电荷。在一个极板上聚集正电荷，而在另一个极板上聚集负电荷。因此压电传感器可以看成是一个电荷发生器。同时，它也是一个电容器，其电容值为：＋＋＋＋――――qq电极压电晶体Ca(b)(a)

压电传感器的等效电路

压电元件可以等效成一个与电容相并联的电荷源——电荷等效电路；也可以等效为一个电压源与电容串联——电压等效电路（1）

压电元件等效电路qq＝UaCaCaCaUaUa＝q/Ca（a）电荷等效电路（b）电压等效电路

传感器内部信号电荷无“漏损”，外电路负载无穷大时，压电传感器受力后产生的电压或电荷才能长期保存，否则电路将以某时间常数按指数规律放电。这对于静态标定以及低频准静态测量极为不利，必然带来误差。事实上，传感器内部不可能没有泄漏，外电路负载也不可能无穷大，只有外力以较高频率不断地作用，传感器的电荷才能得以补充，因此，压电晶体不适合于静态测量。2023/9/2218石英晶体的压电效应演示

当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。

压电传感器与测量仪表联接时，还必须考虑电缆电容CC，放大器的输入电阻Ri和输入电容Ci以及传感器的泄漏电阻RaCaRaCcRiCiqRaCcRiCiCaUa压电传感器的完整等效电路Ca传感器的固有电容Ci

前置放大器输入电容

Cc

连线电容Ra传感器的漏电阻Ri前置放大器输入电阻

压电传感器的绝缘电阻Ra与前置放大器的输入电阻Ri相并联。为保证传感器和测试系统有一定的低频或准静态响应，要求压电传感器绝缘电阻应保待在1013Ω以上，才能使内部电荷泄漏减少到满足一般测试精度的要求。与上相适应，测试系统则应有较大的时间常数，亦即前置放大器要有相当高的输入阻抗，否则传感器的信号电荷将通过输入电路泄漏，即产生测量误差。

（2）测量等效电路

压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗变换后，方可输入到后续显示仪表中。

压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，因此前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。前置放大器的作用：一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；二是放大传感器输出的微弱信号。电压放大器－A－ACaCaRaRiCiCcCRUiUSCUSCUa(a)(b)UaC=Cc+Ci压电元件所受作用力：压电元件产生的电压值为：放大器输入端的电压Ui：电荷放大器

其低频响应优于电压放大器，由于电荷放大器电路的电缆长度变化的影响不大，几乎可以忽略不计，故而电荷放大器应用日益广泛；但电路较复杂，调整困难，价格较高。

－A0CaU∑USCiRaqCFRF输出电压：当A0足够大时,传感器本身的电容和电缆长短将不影响电荷放大器的输出。因此输出电压USC只决定于输入电荷q及反馈回路的参数CF和RF。由于1／RF<<ωCF,则可见当A0足够大时，输出电压与A0无关，只取决于输入电荷q和反馈电容CF，改变CF的大小便可得到所需的电压输出。

CF一般取值100-104pF。

由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，因此压电式传感器不能用于静态测量。压电元件在交变力的作用下，电荷可以不断补充，可以供给测量回路以一定的电流，故只适用于动态测量（一般必须高于100Hz，但在50kHz以上时，灵敏度下降）。3.4.4压电传感器及其应用压电元件的串联和并联a)b)

在实际应用中，由于单片的输出电荷很小，因此，常常将两片或两片以上的晶片粘结在一起（即并联和串联），组成压电式传感器。由于压电材料是有极性的，因此连接方法有两种。+并联+串联并联和串联：并联时串联时设单片压电元件的电容为，电荷为，电压为，则当两片叠加后电荷灵敏度高电压灵敏度高+并联+串联并联和串联：

并联时（2C,2Q,U），传感器的电容量大、输出电荷量大、时间常数也大，故适用于测量缓变信号及电荷量输出信号。

串联时（C/2，Q,2U），传感器本身的电容量小、响应快、输出电压大，故适用于测量以电压作输出的信号和频率较高的信号。+-++-+-+-+-+-+--+-+-+-+-

并联

串联3.4.4压电传感器及其应用1．压电加速度传感器

压电加速度传感器是一种常用的加速度计。因其固有频率高，高频(几千赫至十几千赫范围)响应好，如配以电荷放大器，低频特性也很好(可低至0.3Hz)。压电加速度传感器的优点是体积小、重量轻，缺点是要经常校正灵敏度。基座压电片质量块m压簧壳体压电加速度传感器结构：压电片用高压电系数的压电陶瓷制成。两个压电片并联。质量块用高比重的金属块，对压电元件施加预载荷。测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。F=ma,F∝a又q∝F∴q∝a基座压电片质量块m压簧壳体压电加速器传感器的另一种结构形式是利用压电元件的切变效应。2．压电式压力传感器

压电压力传感器主要用于发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量，它既可用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。压电式压力传感器１－压电晶片２－膜片弹簧３－薄壁圆筒４－外壳５－引线预压圆筒壳体绝缘体引线电极压电堆片膜片弹簧压电式压力传感器压电式压力传感器特点:(1)体积小，结构简单，工作可靠；(2)测量范围宽，可测100MPa以下的压力；(3)测量精度较高；(4)频率响应高，可达30KHz，是动态压力检测中常用的传感器，但由于压电元件存在电荷泄漏，故不适宜测量缓慢变化的压力和静态压力。

压电式动态力传感器以及在车床中用于动态切削力的测量

利用超声波在顺流方向和逆流方向的传播速度进行测量。其测量装置是在管外设置两个相隔一定距离的收发两用压电超声换能器，每隔一段时间(如1/100s)，发射和接收互换一次。在顺流和逆流的情况下，发射和接收的相位差与流速成正比。据这个关系，可精确测定流速。流速与管道横截面积的乘积等于流量。

流量显示1789输出信号换能器换能器接收接收发射发射压电式流量计此流量计可测量各种液体的流速，中压和低压气体的流速，不受该流体的导电率、粘度、密度、腐蚀性以及成分的影响。其准确度可达0.5%，有的可达到0.01%。根据发射和接收的相位差随海洋深度深度的变化，测量声速随深度的分布情况3

压电式流量计（超声波流量计）

一种高性能、低成本动态微压传感器，产品采用压电薄膜作为换能材料，动态压力信号通过薄膜变成电荷量，再经传感器内部放大电路转换成电压输出。该传感器具有灵敏度高，抗过载及冲击能力强，抗干扰性好，操作简便，体积小、重量轻、成本低等特点，广泛应用于医疗、工业控制、交通、安全防卫等领域。

脉搏计照片