壓電傳感器概述和原理

4.5壓電傳感器

壓電式傳感器是以某些晶體受力后在其表面產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)為轉(zhuǎn)換原理的傳感器。它可以測(cè)量最終能變換為力的各種物理量，例如力、壓力、加速度等。壓電式傳感器具有體積小、重量輕、頻帶寬、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)壓電測(cè)試技術(shù)發(fā)展迅速，特別是電子技術(shù)的迅速發(fā)展，使壓電式傳感器的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。變換原理

某些電介質(zhì)物質(zhì)，在沿一定方向上受到外力的作用而變形時(shí)，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在其表面上產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力去掉后，又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，稱(chēng)為“順壓電效應(yīng)”。相反，在電介質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)，它會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，當(dāng)去掉外加電場(chǎng)時(shí)，電介質(zhì)的變形隨之消失。這種將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的現(xiàn)象，稱(chēng)為“逆壓電效應(yīng)”。

當(dāng)力的方向改變時(shí)，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動(dòng)態(tài)力的頻率相同；當(dāng)動(dòng)態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時(shí)，電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失。石英晶體的壓電效應(yīng)演示注意：壓電式傳感器只適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量而不能用于靜態(tài)測(cè)量。由于外力作用而在壓電材料上產(chǎn)生的電荷只有在無(wú)泄漏的情況下才能保存，即需要測(cè)量回路具有無(wú)限大的輸入阻抗，這實(shí)際上是不可能的，因此壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測(cè)量。壓電材料在交變力的作用下，電荷可以不斷補(bǔ)充，以供給測(cè)量回路一定的電流，故適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。

在自然界中大多數(shù)晶體都具有壓電效應(yīng)，但壓電效應(yīng)十分微弱。隨著對(duì)材料的深入研究，發(fā)現(xiàn)石英晶體、鈦酸鋇、鋯（gao）鈦酸鉛等材料是性能優(yōu)良的壓電材料。壓電材料可以分為三大類(lèi)：壓電晶體(石英晶體)、壓電陶瓷和高分子壓電材料。天然形成的石英晶體外形石英晶體天然形成的石英晶體外形（續(xù)）

石英晶體切片及封裝石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝石英晶體振蕩器（晶振）

石英晶體在振蕩電路中工作時(shí)，壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)交替作用，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩輸出頻率。晶振1.石英晶體的壓電效應(yīng)石英的化學(xué)式為SiO2，在一個(gè)晶體單元中，有三個(gè)硅離子和六個(gè)氧離子，后者是成對(duì)的，所以一個(gè)硅離子和兩個(gè)氧離子交替排列。當(dāng)沒(méi)有力作用時(shí)，硅離子和氧離子在垂直于晶體Z軸的XY平面上的投影恰好等效為正六邊形排列，如圖a示。這時(shí)正負(fù)離子正好分布在正六邊形的頂角上，呈現(xiàn)電中性。－－－－－－如果沿X方向壓縮，如圖b所示，則硅離子1被擠入氧離子2和6之間，而氧離子4被擠入硅離子3和5之間，結(jié)果表面A上呈現(xiàn)負(fù)電荷，而在表面B上呈現(xiàn)正電荷。這一現(xiàn)象稱(chēng)為縱向壓電效應(yīng)。若沿Y方向壓縮，如圖c所示，硅離子3和氧離子2，以及硅離子5和氧離子6都向內(nèi)移動(dòng)同樣的數(shù)值，故在電極C和D上不呈現(xiàn)電荷，而在表面A和B上，即在X軸的端面上又呈現(xiàn)電荷，但與圖b的極性正好相反，這時(shí)稱(chēng)為橫向壓電效應(yīng)。從研究的模型同樣可以看出：如果是使其伸長(zhǎng)而不是壓縮時(shí)，則電荷的極性正好相反。總之，石英等單晶體材料是各向異性的物體，在X或Y軸向施力時(shí)，在與X軸垂直的面上產(chǎn)生電荷，電場(chǎng)方向與X軸平行，在Z軸方向施力時(shí)，不能產(chǎn)生壓電效應(yīng)。－－－－－－壓電效應(yīng)式中，q為電荷[量]；D為壓電常數(shù)，與材質(zhì)及切片方向有關(guān)；F為作用力。q=DF2.壓電陶瓷的壓電效應(yīng)

壓電陶瓷是一種多晶鐵電體，它是具有電疇結(jié)構(gòu)的壓電材料。電疇是分子自發(fā)形成的區(qū)域，它有一定的極化方向。在無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí)，各個(gè)電疇在晶體中無(wú)規(guī)則排列，它們的極化效應(yīng)互相抵消。因此，在原始狀態(tài)壓電陶瓷呈現(xiàn)中性，不具有壓電效應(yīng)。當(dāng)在一定的溫度條件下，對(duì)壓電陶瓷進(jìn)行極化處理，即以強(qiáng)電場(chǎng)使電疇規(guī)則排列，這時(shí)壓電陶瓷就具有了壓電性，在極化電場(chǎng)去除后，電疇基本上保持不變，留下了很強(qiáng)的剩余極化，見(jiàn)圖所示。

a)極化前b)極化c)極化后壓電陶瓷的極化過(guò)程壓電陶瓷外形

經(jīng)過(guò)極化處理的壓電陶瓷，在外電場(chǎng)去掉后，其內(nèi)部仍存在著很強(qiáng)的剩余極化強(qiáng)度，當(dāng)壓電陶瓷受外力作用時(shí)，電疇的界限發(fā)生移動(dòng)，因此剩余極化強(qiáng)度將發(fā)生變化，壓電陶瓷就呈現(xiàn)出壓電效應(yīng)。超聲波美容儀器用壓電陶瓷晶片醫(yī)用B超換能器用晶片

無(wú)鉛壓電陶瓷及其換能器外形

（上海硅酸鹽研究所研制）

１、壓電晶體

石英晶體、水溶性壓電晶體、鈮酸鋰晶體２、壓電陶瓷

鈦酸鋇壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷、鈮酸鹽系壓電陶瓷、鈮鎂酸鉛壓電陶瓷３、壓電半導(dǎo)體

有些晶體既具有半導(dǎo)體特性又同時(shí)具有壓電性能，如ZnS、CaS、GaAs等。因此既可利用它的壓電特性研制傳感器，又可利用半導(dǎo)體特性以制成電子器件。兩者結(jié)合起來(lái)，就出現(xiàn)了集轉(zhuǎn)換元件和電子線(xiàn)路為一體的新型傳感器，它的前途是非常遠(yuǎn)大的。壓電材料4.高分子壓電材料

某些合成高分子聚合物薄膜經(jīng)延展拉伸和電場(chǎng)極化后，具有一定的壓電性能，這類(lèi)薄膜稱(chēng)為高分子壓電薄膜。目前出現(xiàn)的壓電薄膜有聚二氟乙烯PVF2、聚氟乙烯PVF、聚氯乙烯PVC、聚γ甲基-L谷氨酸脂PMG等。這是一種柔軟的壓電材料，不易破碎，可以大量生產(chǎn)和制成較大的面積。如果將壓電陶瓷粉末加入高分子化合物中，可以制成高分子—壓電陶瓷薄膜，它既保持了高分子壓電薄膜的柔軟性，又具有較高的壓電系數(shù)，是一種很有希望的壓電材料。高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜

可用于波形分析及報(bào)警的高分子壓電踏腳板

壓電式腳踏報(bào)警器

高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭

（逆壓電效應(yīng)）等效電路和測(cè)量電路

1.等效電路壓電元件受力作用時(shí)產(chǎn)生電荷，因此它可以等效為一個(gè)電容器，有，所以壓電元件受外力作用時(shí)，兩表面產(chǎn)生等量的正負(fù)電荷Ｑ，壓電元件的開(kāi)路電壓Ｕ為等效電路為圖4-95 壓電元件的等效電路a）結(jié)構(gòu)圖 b）等效電荷源 c）等效電壓源

2.測(cè)量電路前置放大器的作用：一是放大壓電元件的微弱信號(hào)；二是高阻抗輸入變?yōu)榈妥杩馆敵?。壓電傳感器的測(cè)量系統(tǒng)

壓電傳感器產(chǎn)生的電荷很少，信號(hào)微弱，而自身又要有極高的絕緣電阻，因此需經(jīng)測(cè)量電路進(jìn)行阻抗變換和信號(hào)放大，且要求測(cè)量電路輸入端必須有足夠高的阻抗和較小的分布電容，以防止電荷迅速泄漏，電荷泄漏將引起測(cè)量誤差。電壓放大器傳感器靈敏度：此式表明由于電纜電容和放大器輸入電容的存在，使靈敏度減小。如果更換電纜，則必須重新校正靈敏度，以保證測(cè)量精度。電荷放大器壓電傳感器配用電壓放大器時(shí)，其電壓靈敏度隨電纜的分布電容變化而變化，因而更換不同長(zhǎng)度的電纜時(shí)要對(duì)靈敏度重新進(jìn)行校正。而采用電荷放大器可以免此麻煩。電荷放大器實(shí)際上是一種具有深度負(fù)反饋的高增益運(yùn)算放大器。當(dāng)A>>1，而(1+A)Cf>>時(shí)，放大器輸出電壓可以表示為由于引入了電容負(fù)反饋，電荷放大器的輸出電壓僅與傳感器產(chǎn)生的電荷量及放大器的反饋電容有關(guān)，電纜電容等其他因素對(duì)靈敏度的影響可以忽略不計(jì)。

電荷放大器能將壓電傳感器輸出的電荷轉(zhuǎn)換為電壓（Q/U轉(zhuǎn)換器），但并無(wú)放大電荷的作用，只是一種習(xí)慣叫法。四通道電荷放大器外形焊接式電荷放大器其他電荷放大器外形面板式電荷放大器壓電傳感器的常用結(jié)構(gòu)形式在實(shí)際使用中，如僅用單片壓電元件工作的話(huà)，要產(chǎn)生足夠的表面電荷就要很大的作用力，因此一般采用兩片或兩片以上壓電元件組合在一起使用。由于壓電元件是有極性的，因此連接方法有兩種：并聯(lián)連接和串聯(lián)連接。并聯(lián)連接：兩壓電元件的負(fù)極集中在中間極板上，正極在上下兩邊并連接在一起，此時(shí)電容量大，輸出電荷量大，適用于測(cè)量緩變信號(hào)和以電荷為輸出的場(chǎng)合。串聯(lián)連接：上極板為正極，下極板為負(fù)極，在中間是一元件的負(fù)極與另一元件的正極相連接，此時(shí)傳感器本身電容小，輸出電壓大，適用于要求以電壓為輸出的場(chǎng)合，并要求測(cè)量電路有高的輸入阻抗。壓電傳感器的應(yīng)用壓力變送器力傳感器

產(chǎn)品加速度計(jì)產(chǎn)品測(cè)試時(shí)，殼體和被測(cè)物體聯(lián)接（用膠接或機(jī)械方法），使殼體與被測(cè)物體之間無(wú)相對(duì)的振動(dòng)，則被測(cè)物體的振動(dòng)也即拾振器的輸入。拾振器內(nèi)質(zhì)塊對(duì)殼體的相對(duì)位移量是右圖力學(xué)模型的輸出，經(jīng)變換元件轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，即拾振器的輸出，用以描述被測(cè)物體的絕對(duì)振動(dòng)量。例如以被測(cè)物體的加速度za(t)作為輸入，則質(zhì)塊和殼體的相對(duì)位移z01(t)為該慣性系統(tǒng)的輸出。壓電式壓力傳感器

壓電式壓力傳感器特性

案例1壓電式力傳感器傳感器上蓋為傳力元件,當(dāng)外力作用時(shí),它將產(chǎn)生彈性變形,將力傳遞到石英晶片上。2）壓電式周界報(bào)警系統(tǒng)

（用于重要位置出入口、周界安全防護(hù)等）將長(zhǎng)的壓電電纜埋在泥土的淺表層，可起分布式地下麥克風(fēng)或聽(tīng)音器的作用，可在幾十米范圍內(nèi)探測(cè)人的步行,對(duì)輪式或履帶式車(chē)輛也可以通過(guò)信號(hào)處理系統(tǒng)分辨出來(lái)。右圖為測(cè)量系統(tǒng)的輸出波形。1）行駛中稱(chēng)重：在美國(guó)、巴西、德國(guó)、日本和韓國(guó)有大量應(yīng)用，我國(guó)也逐漸開(kāi)始應(yīng)用，其主要用途是高速公路車(chē)輛超重超載監(jiān)測(cè)的預(yù)選和橋梁超載警告系統(tǒng)，既判斷正在高速行駛中的車(chē)輛，尤其是駛過(guò)橋梁的車(chē)輛是否超載，由視頻系統(tǒng)拍下車(chē)牌號(hào)記錄在案，并根據(jù)超載量罰款。3）交通監(jiān)測(cè)

將高分子壓電電纜埋在公路上，可以獲取車(chē)型分類(lèi)信息（包括軸數(shù)、軸距、輪距、單雙輪胎）、車(chē)速監(jiān)測(cè)、收費(fèi)站地磅、闖紅燈拍照、停車(chē)區(qū)域監(jiān)控、交通數(shù)據(jù)信息采集（道路監(jiān)控）及機(jī)場(chǎng)滑行道等。高分子壓電電纜的應(yīng)用演示將兩根高分子壓電電纜相距若干米，平行埋設(shè)于柏油公路的路面下約5cm，可以用來(lái)測(cè)量車(chē)速及汽車(chē)的載重量，并根據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的檔案數(shù)據(jù)，判定汽車(chē)的車(chē)型。當(dāng)輪胎經(jīng)過(guò)傳感器A時(shí)，啟動(dòng)電子時(shí)鐘，當(dāng)輪胎經(jīng)過(guò)傳感器B時(shí)，時(shí)鐘停止。兩個(gè)傳感器之間的距離一般是3米，或比3米短一些(可根據(jù)需要確定)。傳感器之間的距離已知，將兩個(gè)傳感器之間的距離除以?xún)蓚€(gè)傳感器信號(hào)的時(shí)間周期，就可得出車(chē)速。4）壓電式動(dòng)態(tài)力傳感器以及在車(chē)床中用于動(dòng)態(tài)切削力的測(cè)量

5）壓電式動(dòng)態(tài)力傳感器在體育動(dòng)態(tài)測(cè)量中的應(yīng)用壓電式步態(tài)分析跑臺(tái)壓電式縱跳訓(xùn)練分析裝置壓電傳感器測(cè)量雙腿跳的動(dòng)態(tài)力案例2壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器具有良好的頻率特性，量程大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便。壓電式加速度傳感器在飛機(jī)、汽車(chē)、船舶、橋梁和建筑的振動(dòng)和沖擊測(cè)量中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，特別是航空和宇航領(lǐng)域中更有它的特殊地位。當(dāng)加速度傳感器和被測(cè)物一起受到?jīng)_擊振動(dòng)時(shí),壓電元件受質(zhì)量塊慣性力的作用,根據(jù)牛頓第二定律,此慣性力是加速度的函數(shù),即動(dòng)畫(huà)壓電式振動(dòng)加速度傳感器的結(jié)構(gòu)及外形

橫向振動(dòng)測(cè)振器縱向振動(dòng)測(cè)振器爆震波形汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)中的氣缸點(diǎn)火時(shí)刻必須十分精確。如果恰當(dāng)?shù)貙Ⅻc(diǎn)火時(shí)間提前一些，即有一個(gè)提前角，就可使汽缸中汽油與空氣的混合氣體得到充分燃燒，使扭矩增大，排污減少。但提前角太大時(shí)，混合氣體產(chǎn)生自燃，就會(huì)產(chǎn)生沖擊波，發(fā)出尖銳的金屬敲擊聲，稱(chēng)為爆震，可能使火花塞、活塞環(huán)熔化損壞，使缸蓋、連桿、曲軸等部件過(guò)載、變形，可用壓電傳感器檢測(cè)并控制之。加速度傳感器可以用于判斷汽車(chē)的碰撞，從而使安全氣囊迅速充氣，從而挽救生命；還可安裝在氣缸的側(cè)壁上，盡量使點(diǎn)火時(shí)刻接近爆震區(qū)而不發(fā)生爆震，但又能使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出盡可能大的扭矩。壓電式加速度傳感器在汽車(chē)中的應(yīng)用爆震測(cè)量汽車(chē)安全氣囊用壓電式磁撞傳感器一種汽車(chē)安全氣囊用壓電式碰撞傳感器，它是在普通的壓電式傳感器的電荷輸出端接上內(nèi)裝電路，并且傳感器的壓電元件作為內(nèi)裝電路中運(yùn)算放大器的反饋元件，本實(shí)用新型除了起到阻抗變換的作用，還起到了將變換后的電壓信號(hào)進(jìn)行放大和保證輸出電壓穩(wěn)定不變的作用，同時(shí)減小了傳感器的體積，