第6章 壓電式傳感器

第六章壓電式傳感器壓電式傳感器基于某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)工作，是一種發(fā)電式傳感器（無源傳感器）。壓電效應(yīng)可逆，故壓電式傳感器是一種“雙向傳感器”。優(yōu)點(diǎn)：響應(yīng)頻帶寬、靈敏度高、信噪比大、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、重量輕、體積小。缺點(diǎn)：無靜態(tài)輸出，阻抗高，需要低電容的低噪聲電纜，很多壓電材料工作溫度在250℃左右。第一節(jié)壓電效應(yīng)與壓電元件1、壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)：某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的一定表面上產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象。逆壓電效應(yīng)：當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向施加電場，這些電介質(zhì)就在一定方向上產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械壓力，當(dāng)外加電場撤去時，這些變形或應(yīng)力也隨之消失的現(xiàn)象。電能機(jī)械能正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)壓電方程（1）直觀表達(dá)式：局限性：本方程式僅適用于一定尺寸的壓電元件。（2）一般表達(dá)式：幾點(diǎn)說明：下角標(biāo)i、j：i=1、2、3，表示晶體的極化方向；j=1、2、3、4、5、6，分別表示沿x軸、y軸、z軸方向的單向應(yīng)力和在垂直于x軸、y軸、z軸的平面(即yz平面、zx平面、xy平面)內(nèi)作用的剪切力。

應(yīng)力符號規(guī)定：單向應(yīng)力的符號規(guī)定拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)；剪切力的符號用右手螺旋定則確定。圖6－2b表示其正向。需要對因逆壓電效應(yīng)在晶體內(nèi)產(chǎn)生的電場方向也作一規(guī)定，以確定dij的符號，使得方程組具有更普遍的意義。當(dāng)電場方向指向晶軸的正向時為正，反之為負(fù)。（3）晶體在任意受力狀態(tài)下產(chǎn)生的表面電荷密度計(jì)算：

各參數(shù)含義：q1、q2、q3－垂直于x軸、y軸、z軸的平面上的電荷面密度；1、2、3—沿著x軸、y軸、z軸的單向應(yīng)力；4、5、6—垂直于x軸、y軸、z軸的平面內(nèi)的剪切應(yīng)力；

這樣，壓電材料的壓電特性可以用它的壓電常數(shù)矩陣表示如下：

補(bǔ)充說明：壓電常數(shù)dij的物理意義是指在“短路條件”下，單位應(yīng)力產(chǎn)生的電荷密度?！岸搪窏l件”是指壓電元件的表面電荷從一產(chǎn)生就立即被引開，因而在晶體形變上不存在“二次效應(yīng)”。二、壓電材料明顯呈現(xiàn)壓電效應(yīng)的敏感功能材料叫壓電材料。壓電式傳感器屬于物性型，故選用合適的壓電材料是設(shè)計(jì)高性能傳感器的關(guān)鍵。壓電材料選擇的具體要求：①轉(zhuǎn)換性能。要求具有較大壓電常數(shù)。②機(jī)械性能。壓電元件作為受力元件，希望它的機(jī)械強(qiáng)度高、剛度大，以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動頻率。③電性能。希望具有高電阻率和大介電常數(shù)，以減弱外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性。④環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。溫度和濕度穩(wěn)定性要好，要求具有較高的居里點(diǎn)，獲得較寬的工作溫度范圍。⑤時間穩(wěn)定性。要求壓電性能不隨時間變化。1、單晶體石英晶體種類：天然石英和人造石英。石英晶體外形：鏡像對稱，理想外形具有30個晶面。如圖6－3a。石英晶體的晶體軸（右手直角坐標(biāo)系表示）X軸，相鄰柱面內(nèi)夾角的等分線，垂直于此軸的面壓電效應(yīng)最強(qiáng)，又稱電軸；Y軸，垂直于六邊形對邊的軸線，又稱機(jī)械軸，在電場作用下，沿該軸方向的機(jī)械變形最明顯；Z軸，垂直于X、Y軸的縱軸，此方向無壓電效應(yīng)，可用光學(xué)方法確定，又稱光軸。術(shù)語：縱向壓電效應(yīng)：在x作用下產(chǎn)生的壓電效應(yīng)；橫向壓電效應(yīng)：在y作用下產(chǎn)生的壓電效應(yīng)。石英晶體的切割方法：X切和Y切。X切族：直角坐標(biāo)中，切片的原始位置是厚度平行X軸，長度平行Y軸，寬度平行于Z軸，以此原始位置旋轉(zhuǎn)出來的切型；Y切族：直角坐標(biāo)中，切片的原始位置是厚度平行Y軸，長度平行X軸，寬度平行于Z軸，以此原始位置旋轉(zhuǎn)出來的切型；石英晶體的特點(diǎn)：（1）石英晶體的介電、壓電常數(shù)的溫度穩(wěn)定性好，適于做工作溫度很寬的傳感器。壓電常數(shù)與溫度關(guān)系如圖6－5。術(shù)語居里點(diǎn)：石英壓電常數(shù)d在常溫幾乎不隨溫度變化，但當(dāng)溫度超過500℃時，急劇下降，達(dá)到573℃時，石英晶體失去壓電特性，該溫度稱其居里點(diǎn)或倒轉(zhuǎn)溫度。（2）石英晶體的機(jī)械強(qiáng)度很高，可承受約108Pa的壓力；在沖擊力作用下漂移很??；彈性系數(shù)大?？蓽y大量程的力和加速度。（3）天然石英穩(wěn)定性好，但資源少。一般用于校準(zhǔn)用的標(biāo)準(zhǔn)傳感器或精度很高的傳感器。（4）人工石英（如鈮酸鋰晶體）時間穩(wěn)定性遠(yuǎn)強(qiáng)于壓電陶瓷，居里點(diǎn)高達(dá)1200℃，適于做高溫傳感器。但其各向異性明顯，比石英脆，耐沖擊性差。2、多晶體的壓電效應(yīng)：壓電陶瓷是人工多晶體壓電材料。壓電陶瓷在沒有極化之前不具有壓電效應(yīng)，是非壓電體；壓電陶瓷經(jīng)過極化處理后具有壓電效應(yīng)，其電荷密度q與應(yīng)力的關(guān)系

q=d33d33－縱向壓電常數(shù)。其極化方向定為Z軸。其中，BaTiO3壓電陶瓷的獨(dú)立壓電常數(shù)只有三個，其壓電常數(shù)矩陣如下：壓電陶瓷的制作工藝：原材料粉碎；成型；高溫?zé)Y(jié)得到多晶導(dǎo)電體；人工極化。人工極化過程：原始壓電陶瓷無壓電性，燒結(jié)后有自發(fā)的電偶極距形成的“電疇”，但其在原始材料中無序排列，極化能力相互抵消。將這些小電疇置于20～30kv/cm的強(qiáng)化電場放2～3小時，極性轉(zhuǎn)到接近電場方向。此時，鐵電陶瓷具有壓電效應(yīng)。主要陶瓷壓電材料：（1）鈦酸鋇壓電陶瓷

最早使用的壓電陶瓷材料是鈦酸鋇（BaTiO3）是由碳酸鋇（BaCO3）和二氧化鈦（TiO2）按1：1分子比例在高溫下合成的壓電陶瓷。它具有很高的介電常數(shù)和較大的壓電系數(shù)（約為石英晶體的50倍）。不足之處是居里溫度低（120℃），溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度不如石英晶體。（2）鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷（PZT）

目前使用較多的壓電陶瓷材料是鋯鈦酸鉛是由PbTiO3和PbZrO3組成的固溶體Pb（Zr、Ti）O3。它與鈦酸鋇相比，壓電系數(shù)更大，居里溫度在300℃以上，各項(xiàng)機(jī)電參數(shù)受溫度影響小，時間穩(wěn)定性好。此外，在鋯鈦酸中添加一種或兩種其它微量元素（如鈮、銻、錫、錳、鎢等）還可以獲得不同性能的PZT材料，如鈮鎂酸鉛壓電陶瓷（PMN）。

壓電陶瓷的壓電系數(shù)比石英晶體的大得多,所以采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器的靈敏度較高。極化處理后的壓電陶瓷材料的剩余極化強(qiáng)度和特性與溫度有關(guān),它的參數(shù)也隨時間變化,從而使其壓電特性減弱。

(3)鈮鎂酸鉛是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的壓電陶瓷。它由鈮鎂酸鉛(Pb（Mg1/3·Nb2/3）O3)、鋯酸鉛(PbZrO3)和鈦酸鉛(PbTiO3)按不同比例配成的不同性能的壓電陶瓷,具有極高的壓電系數(shù)和較高的工作溫度,而且能承受較高的壓力。術(shù)語：壓電陶瓷具有明顯的熱釋電效應(yīng)。該效應(yīng)是指：某些晶體除了由于機(jī)械應(yīng)力的作用而引起的電極化(壓電效應(yīng))之外，還可由于溫度變化而產(chǎn)生電極化。用熱釋電系數(shù)來表示該效應(yīng)的強(qiáng)弱，它是指溫度每變化1℃時，在單位質(zhì)量晶體表面上產(chǎn)生的電荷密度大小，單位為μC／(m2·g·℃)。3.PVDF壓電薄膜聚偏二氟乙烯（PVF2）是壓電效應(yīng)較強(qiáng)的聚合物薄膜，這種合成高分子薄膜就其對稱性來看，不存在壓電效應(yīng)，但是它們具有“平面鋸齒”結(jié)構(gòu)，存在抵消不了的偶極子。經(jīng)延展和拉伸后可以使分子鏈軸成規(guī)則排列，并在與分子軸垂直方向上產(chǎn)生自發(fā)極化偶極子。當(dāng)在膜厚方向加直流高壓電場極化后，就可以成為具有壓電性能的高分子薄膜。這種薄膜有可撓性，并容易制成大面積壓電元件。這種元件耐沖擊、不易破碎、穩(wěn)定性好、靈敏度高、頻帶寬。為提高其壓電性能還可以摻入壓電陶瓷粉末，制成混合復(fù)合材料(PVF2—PZT)。PVDF壓電薄膜有獨(dú)特的介電效應(yīng)、壓電效應(yīng)、熱電效應(yīng)。與傳統(tǒng)的壓電材料相比具有頻響寬、動態(tài)范圍大、力電轉(zhuǎn)換靈敏度高、機(jī)械性能強(qiáng)度高、聲阻抗易匹配等特點(diǎn)，并具有重量輕、柔軟不脆、耐沖擊、不易受水和化學(xué)藥品的污染、易制成任意形狀及面積不等的片或管等。在力學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、電子、測量、紅外、安全報警、醫(yī)療保健、軍事、交通、信息工程、辦公自動化、海洋開發(fā)、地質(zhì)勘探等技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。膜厚30—500μm，產(chǎn)品形狀、面積大小，可根據(jù)用戶需要確定，是制作改進(jìn)壓力動態(tài)傳感器和超聲、智能探測的新型換能材料。PVDF壓電膜具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性、低吸濕性、高熱穩(wěn)定性、高抗紫外線輻射能力、高耐沖擊、耐疲勞能力，其化學(xué)穩(wěn)定性比陶瓷高10倍，在80℃以下可長期使用。PVDF壓電膜質(zhì)地柔軟、重量輕，與水的聲阻抗相近，匹配狀態(tài)好，應(yīng)用靈敏度高；PVDF壓電膜在厚度方向的伸縮振動的諧頻率很高，可以得到較寬的平坦響應(yīng)，頻響寬度遠(yuǎn)優(yōu)于普通壓電陶瓷換能器；PVDF壓電膜優(yōu)點(diǎn)如下：(1)良好的工藝性。可用現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行加工；(2)能制作大面積的敏感元件；(3)頻帶響應(yīng)寬(0～500MHz)；(4)聲阻抗接近于人體組織和水，所以可用于醫(yī)療診斷的敏感裝置結(jié)構(gòu)中；(5)具有高沖擊強(qiáng)度(可使用于沖擊波的傳感器中)；(6)耐腐蝕性(在活性介質(zhì)中使用時這種性能是必需的)；(7)相對介電常數(shù)較低；相應(yīng)較高的壓電常數(shù)值d33(約比其它壓電材料高一個數(shù)量級以上)和熱信號靈敏度(p/ε)值；(8)與壓電陶瓷比有更低的導(dǎo)熱性,并能制得更薄的薄膜；(9)柔軟堅(jiān)韌；PVDF的柔順系數(shù)約為PzT的30倍，并且輕（比重只有PzT的1/4左右）；能制成所需的各種較復(fù)雜的形狀（錐形、穹頂形等），可使用在需要具有特殊定向的元件?？傊篜VDF壓電膜比石英、PzT等有壓電常數(shù)大，頻響寬，機(jī)械強(qiáng)度好，耐沖擊，質(zhì)輕，柔韌，聲阻抗易匹配，易加工成大面積，不易受水和一般化學(xué)品的污染、價格便宜等特點(diǎn)。不僅在許多領(lǐng)域中可替代壓電陶瓷材料使用，而且還可以應(yīng)用在壓電陶瓷材料不能使用的場合。因此它是一種極有發(fā)展前途的換能性高分子敏感材料。應(yīng)用：人體接觸安全舒適，聲阻抗接近人體肌肉，適宜作生物醫(yī)學(xué)工程的傳感器元件。PVDF血壓傳感器：圓柱體縱切形狀，與上腕部動脈溝吻合，使用方便。機(jī)器人觸覺傳感器：同時具有壓電效應(yīng)和熱釋電效應(yīng)，薄膜柔軟，做成大面積傳感陣列器件。第三節(jié)壓電元件常用結(jié)構(gòu)形式一、壓電元件的基本變形依據(jù)石英晶體壓電常數(shù)矩陣，其變形方式包括以下四種:1、厚度變形（TE方式）這種變形方式就是石英晶體的縱向壓電效應(yīng)，產(chǎn)生的表面電荷密度為

2、長度變形（LE方式）這種變形方式是利用石英晶體的橫向壓電效應(yīng)，產(chǎn)生的表面電荷密度或表面電荷為

3、剪切變形4、彎曲變形（BS方式）

非基本變形方式，是拉、壓、剪切應(yīng)力共同作用的結(jié)果。可根據(jù)具體情況選擇合適的壓電常數(shù)。

壓電陶瓷的變形方式對于BaTiO3壓電陶瓷，除長度變形方式(用d31)、厚度變形方式(用d33)和面剪切變形方式(用d15)以外，還有體積變形方式(簡稱VE)可以利用，如圖所示。這時產(chǎn)生的表面電荷密度按下式計(jì)算

雙晶片元件

實(shí)際應(yīng)用中，如果只用單片壓晶片，要產(chǎn)生足夠的表面電荷需較大作用力。而測表面粗糙度和微壓差時提供的力較小，故常將兩片或兩片以上壓電片組合使用。（1）雙片懸臂元件（即雙片彎曲式壓電傳感器）利用壓電陶瓷元件的縱向壓電效應(yīng)。當(dāng)自由端受力F時，晶片彎曲，上片受拉，下片受壓，中性面OO長度不變。每個單片產(chǎn)生的電荷和電壓為（2）壓電元件的串聯(lián)和并聯(lián)a）并聯(lián)b）串聯(lián)第四節(jié)等效電路與測量電路一、等效電路

壓電元件兩電極間的壓電陶瓷或石英為絕緣體，故可構(gòu)成一個電容器，電容量計(jì)算式：

壓電元件受外力作用，兩表面產(chǎn)生等量正、負(fù)電荷，其開路電壓為：結(jié)論：壓電傳感器可等效為一個電荷源Q和一個電容器Ca的并聯(lián)電路，如圖6－10(a)；也可等效為電壓源U和一個電容器Ca的串聯(lián)電路，如圖6－10(b)。其中，Ra為壓電元件的漏電阻。＋＋＋＋――――qq電極壓電晶體Ca

注意事項(xiàng)：

如果用導(dǎo)線將壓電傳感器和測量儀器連接時,則應(yīng)考慮連接電纜的等效電容,前置放大器的輸入電阻、輸入電容。圖6－10CaRaCcRiCiQ壓電傳感器的完整等效電路Ca－傳感器的固有電容；Ci－前置放大器輸入電容;Cc－連接電纜的電容;Ra－傳感器的漏電阻;Ri－前置放大器輸入電阻。術(shù)語電壓靈敏度ku：單位力產(chǎn)生的電壓；電荷靈敏度kq：單位力產(chǎn)生的電荷。二、測量電路

壓電式傳感器本身的內(nèi)阻很高(Ra≥1010Ω)，而輸出的能量信號又非常微弱，因此它的信號調(diào)理電路通常需要一個高輸入阻抗的前置放大器。前置放大器的作用：一是放大壓電元件的微弱信號；二是阻抗變換（把壓電式傳感器的高輸出阻抗變換成低輸出阻抗）。前置放大器的形式：一種是電壓放大器，它的輸出電壓與輸入電壓(傳感器的輸出電壓)成正比；一種是電荷放大器，其輸出電壓與傳感器的輸出電荷成正比。1、電壓放大器

將圖6－10b的電壓等效電路接到放大倍數(shù)為－A的運(yùn)放，再簡化可得電壓放大電路。－A－ACaCaRaRiCiCcCRUiUoUoU(a)(b)Ua圖（b）中，等效電阻R為壓電元件所受作用力C=Cc+Ci等效電容為若壓電元件材料是壓電陶瓷，其壓電系數(shù)為d33，則在外力作用下，壓電元件產(chǎn)生的電壓值為

Um——電壓幅值

Fm——作用力的幅值由圖(b)可得放大器輸入端的電壓ui，其復(fù)數(shù)形式為Ui的幅值Uim為輸入電壓與作用力之間的相位差φ為當(dāng)ω∞時，放大器輸入端電壓幅值為傳感器的電壓靈敏度為結(jié)論：

因電纜電容及放大器輸入電容的存在，靈敏度減小。如果更換電纜，電纜電容變化，靈敏度變化。因此，如果要改變電纜長度，必須重新對靈敏度校正?！锵鄬Ψl特性計(jì)算：★壓電式傳感器的特點(diǎn)分析：（1）高頻相應(yīng)好；（2）要擴(kuò)展低頻端，應(yīng)使時間常數(shù)τ增大。2、電荷放大器電荷放大器是一個具有深度負(fù)反饋的高增益放大器，其基本電路如圖a所示，CF、RF為反饋電路參數(shù)。此處運(yùn)用導(dǎo)納運(yùn)算。CF、RF等效到A的輸入端時，電容CF和電導(dǎo)GF都增大(1＋A)倍。所以圖中－ACaUoa）基本電路圖iRaQCFRFUi若再考慮Cc、Ci、Ri，則電荷放大器的等效電路圖如b所示。輸出電壓－AGaC’FUoUiQCaCcCiGiG’Fb）等效電路圖討論：（1）當(dāng)A足夠大時,傳感器本身的電容和電纜長短將不影響電荷放大器的輸出。輸出電壓只決定于輸入電荷Q及反饋回路的參數(shù)CF和RF。（2）當(dāng)工作頻率很高（即被測量為高頻信號），由于GF<<ωCF,則

可見輸出電壓Uo與A也無關(guān)，只取決于Q和CF。（3）當(dāng)工作頻率很低(即被測量為低頻信號），GF與ωCF相當(dāng)，此時

電壓幅值為上式表明：輸出電壓不僅與表面電荷Q有關(guān)，并且與參數(shù)CF、RF和ω有關(guān)，而與開環(huán)增益A無關(guān)。且ω越小，GF項(xiàng)越重要。當(dāng)GF＝ωCF時，有

可見這是截止頻率點(diǎn)的輸出電壓，增益下降3dB時對應(yīng)的下限截止頻率為

電壓Uo與電荷Q的相位差為小結(jié)：

低頻時電荷放大器的頻率響應(yīng)僅決定于反饋電路參數(shù)RF和CF,其中CF的大小可以由所需要的電壓輸出幅度決定。所以當(dāng)給定工作頻帶下限截止頻率fL時,反饋電阻RF值也可確定。如當(dāng)CF=1000pF,fL=0.16Hz時,則要求RF＞109Ω。該電阻還提供直流反饋的功能，因?yàn)樵陔姾煞糯笃髦胁捎秒娙葚?fù)反饋，對直流工作點(diǎn)相當(dāng)于開路，故零漂較大而產(chǎn)生誤差。為減小零漂，使放大器工作穩(wěn)定，應(yīng)并聯(lián)電阻RF。如果有的電路不接電阻RF，則GF=0.考慮到(1+A)CF>>Ca+Cc+Ci，式重寫為：

（6-22）當(dāng)ω足夠大時，可得U=-Q/CF這個結(jié)果同式（6-18）是一樣的。

將Q=CaU代入式（6-22）設(shè)Ca=CF,并取U0/U=，可得頻率下限為

將此式與式

相比，如果R相同，CF與（Ca+Cc+Ci）數(shù)量級相近，則電荷放大器的低頻截止頻率將比電壓放大器降低A倍，而A又比較大，顯然是一個很大的優(yōu)點(diǎn)。電荷放大器工作頻帶上限主要與兩種因素有關(guān)：一是運(yùn)算放大器的頻率響應(yīng)；二是若電纜很長，雜散電容和電纜電容都會增加，導(dǎo)線自身的電阻也增加，會影響電荷放大器的高頻特性，但影響不大。例如100m電纜的電阻僅幾歐到數(shù)十歐，故對頻率上限可以忽略。電荷放大器雖允許使用很長的電纜，且電容Ca變化不影響靈敏度，但它比電壓放大器價格高，電路較復(fù)雜，調(diào)整也比較困難。3.差動式電荷放大器高溫條件下工作的壓電傳感器，其本身的絕緣電阻會顯著下降，為避免地電場對測試系統(tǒng)的干擾，需要使壓電晶體與傳感器的底座絕緣，這就要求傳感器信號線采用雙線引出，且電纜外屏蔽線仍與傳感器底座相連。那么單端輸入式電荷放大器就無法滿足要求，需要采用差動式輸入電荷放大器。雙點(diǎn)反饋式差動電荷放大器原理框圖 雙點(diǎn)反饋是負(fù)反饋以及用倒相后的輸出向正輸入端反饋。優(yōu)點(diǎn)：放大器增益基本不受從每個信號輸入線到公共地線電容平衡值或絕度值的影響。其輸入-輸出特性可用下式表示：Q12－差動輸入電荷差動電荷放大器優(yōu)點(diǎn)：①可與地絕緣的差動式對稱輸出壓電傳感器聯(lián)用，增加測試系統(tǒng)的抗干擾能力；②僅感受傳感器的差動輸入電荷信號并將其轉(zhuǎn)化為電壓信號；③具有抑制共模電壓干擾的能力，并把雜散磁場和電纜噪聲的影響減至最小。第五節(jié)壓電式傳感器的應(yīng)用舉例

特點(diǎn)：壓電式傳感器的高頻響應(yīng)好；若配備合適的電荷放大器，低頻段可低至0.3Hz。常用來測量動態(tài)參數(shù)，如振動、加速度等。一、壓電式加速度傳感器1、單端中心壓縮式組成：質(zhì)量塊1、

雙壓電晶體片2、

引線3、底座4。公式：Q＝dF＝dma常用的壓電式加速度計(jì)。結(jié)構(gòu)形式如圖所示。S是彈簧，M是質(zhì)塊，B是基座，P是壓電元件。壓電元件—質(zhì)量塊—彈簧系統(tǒng)裝在圓形中心支柱上，支柱與基座連接。這種結(jié)構(gòu)有高的共振頻率。2、梁式特點(diǎn)：采用壓電晶體彎曲變形方案，可測較小的加速度，靈敏度高，頻率下限低。(b)圖3、挑擔(dān)剪切式壓電元件很好的與底座機(jī)械隔離，防底座彎曲和噪聲，壓電元件只承受剪切力，可以有效削弱瞬變溫度引起的熱釋電效應(yīng)。(c)圖質(zhì)量塊1、雙壓電晶體片2。二、壓電式測力傳感器1、單向壓電測力傳感器石英晶片：縱向壓電效應(yīng)；采用X零度切型（即晶片面與X軸垂直的切割，或者說晶片厚度沿X軸方向，長度沿Y軸方向）；取電荷的電極為與X軸垂直的上下底面，晶片尺寸為Φ8×1毫米，許用壓力15×105Pa；量程幾kN－105kN時，輸出并聯(lián)受力串聯(lián)。

上蓋（蓋板）：傳力元件，它的變形壁的厚度只有0.1～0.5毫米；金屬基座絕緣環(huán)：聚四氟材料；

焊縫：電子束焊接。2、三向壓電測力傳感器基本結(jié)構(gòu)同單向測力傳感器；壓電元件由三對不同切型的石英片組成，中間一對由于具有縱向壓電效應(yīng)，可以測得主切削力Pz；另外兩對具有切向效應(yīng)，方向互成90，可以測量徑向力Py與進(jìn)給力Px。當(dāng)空間任何方向的力作用在傳感器上時，便能自動的分解成三個互相垂直的分力。電子束焊接±±±±±±±±±±XZYq1=d11σ1XZYq2=d26σ6XZYq2=d26σ6

三、壓電式流量計(jì)利用超聲波在順流方向和逆流方向的傳播速度進(jìn)行測量。其測量裝置是在管外設(shè)置兩個相隔一定距離的收發(fā)兩用壓電超聲換能器，每隔一段時間(如1/100s)，發(fā)射和接收互換一次。在順流和逆流的情況下，發(fā)射和接收的相位差與流速成正比。據(jù)這個關(guān)系，可精確測定流速。流速與管道橫截面積的乘積等于流量。

流量顯示1789輸出信號換能器換能器接收接收發(fā)射發(fā)射壓電式流量計(jì)此流量計(jì)可測量各種液體的流速，中壓和低壓氣體的流速，不受該流體的導(dǎo)電率、粘度、密度、腐蝕性以及成分的影響。其準(zhǔn)確度可達(dá)0.5%，有的可達(dá)到0.01%。根據(jù)發(fā)射和接收的相位差隨海洋深度的變化，測量聲速隨深度的分布情況壓電式傳感器在自來水管道測漏中的應(yīng)用如果地面下有一條均勻的直管道某處O點(diǎn)為漏點(diǎn)，振動聲音從O點(diǎn)向管道兩端傳播，傳播速度為V，在管道上A、B兩點(diǎn)放兩只傳感器，A、B距離為L（已知或可測），從A、B兩個傳感器接收的由O點(diǎn)傳來的t0時刻發(fā)出的振動信號所用時間為tA（LA/V）和tB（LB/V），兩者時間差為

Δt=tA-tB=（LA-L