传感器及实用检测技术（第三版）压电式传感器

压电式传感器压电效应12压电材料3压电式传感器结构4应用电路5应用举例内容提要一、压电效应

某些晶体或有机薄膜，当沿着一定方向受到外力作用时，内部极化，某两个面产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又恢复到不带电状态，当作用力方向改变时，电荷的极性也改变，晶体受力所产生的电量与外力的大小成正比，即

上述现象称正压电效应。反之，如对晶体施加一交变电场，晶体本身将产生变形，此称电致伸缩现象，也称逆压电效应。力电量形变解释：

（a）材料受压（b）材料受拉（c）材料受压（d）材料受拉One作用力的方向不同，产生电荷的方向也不同Two力的作用面不同，产生的电荷方向也不同Threea，b中产生的电荷比c，d中产生的电荷多（各向异性）二、压电材料

分人工石英和天然石英。它们是单晶中使用频率最高的一种传感器。其特点是介电和压电常数的温度稳定性好，如下图所示。适用的工作温度范围宽，动态响应快，机械强度大，弹性系数高，稳定性好。（a）压电常数与温度的关系（b）介电常数与温度的关系1.石英晶体压电陶瓷属于铁电体一类的物质，是人工制造的多晶压电材料，它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。电畴是分子自发形成的区域，它有一定的极化方向，从而存在一定的电场。在无外电场作用时，各个电畴在晶体上杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消，因此原始的压电陶瓷内极化强度为零，经过人工极化后，保留很强的剩余极化的情况下才能作为压电材料使用。2.压电陶瓷

有机压电薄膜随着科技的进步发展也较快。它既具有高分子材料的柔软性又具有压电陶瓷的特性，可以做成较大面积，主要用于微压测量和机器人的触觉。

（ａ）天然石英晶体（b）石英晶体薄片（c）压电陶瓷（d）高分子压电薄膜3.有机高分子薄膜三、压电传感器的结构

压电传感器是一种有源传感器，同时又是一个电容器，其结构如图。实际应用中常将两个以上晶片进行串联或并联，就如同将两个电容器串联和并联一样。串联输出的电压高，自身电容小；并联输出电荷量大，电容量大。串联主要用在以电压为输出量及测量电路输入阻抗很高的场合，而并联由于时间常数大，主要用于以电荷为输出量的场合，适于测量缓变信号。四、应用电路（a）电荷源等效电路（b）电压源等效电路

由于压电传感器产生的电量非常小，且内阻极高，就要求测量电路的输入电阻尽量大，这样才能减小测量误差，因此在压电式传感器的输出端总是接入高输入阻抗的前置放大器，然后再接入一般的放大电路。前置放大器有两个作用：第一是将压电传感器的输出信号放大；第二是将高阻抗输出变换为低阻抗输出。

（a）等效电路（b）简化电路压电式传感器电荷放大电路五、应用举例1、加速度传感器

压电式加速度传感器结构如上图所示。主要由压电元件、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。当压电式加速度传感器和被测物体一起受到冲击振动时，压电元件受质量块惯性力的作用，根据牛顿第二定律，此惯性力F是加速度a的函数，即

F=ma

惯性力F作用于压电元件上而产生电荷q，当传感器选定后，质量块的质量m为常数，则传感器输出电荷q为

q=d11F=d11ma2.压电式传感器在测漏中的应用如果地面下一均匀的自来水直管道某点O漏水，水漏引起的振动从O点向管道两端传播，在管道A、B两点放两只