压电式传感器：原理及应用

压电式传感器是一种自发电式传感器。它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下在电介质表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。压电式传感器具有体积小、质量轻、频响高、信噪比大等特点。由于它没有运动部件，因此结构坚固、可靠性好、稳定性高。

1.压电材料

压电式传感器中的压电元件材料一般有压电晶体（即石英晶体）、压电陶瓷以及高分子压电材料三类。

（1）压电晶体 天然结构的石英体皇六角形晶柱，它是制造压电传感器的材料。可以利用金刚石刀具将晶体切割出一片片的正方形薄片，薄片可以采用双面镀银进行封装。

石英晶体化学式为SiO₂，是单晶体结构。石英晶体俗称水晶，有天然和人工之分。图3-49a、b表示了天然的石英晶体结构，图3-49c为割出的一晶体薄片的结构。

图3-49 石英晶体

石英晶体具有以下特性：

1）晶体不受外力时，晶体表面不产生电荷。

2）沿晶体电轴（X轴）方向施加作用力时，晶体表面产生电荷（沿电轴方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”）。

3）沿晶体机械轴（Y轴）方向施加作用力时，晶体表面产生电荷（沿机械轴方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”）。

4）沿光轴（Z轴）方向施加作用力时，晶体表面不产生电荷。

压电晶体的电荷量的大小与外力成正比

Q＝dF （3-17）

式中，d为压电晶体压电系数；F为压电晶体的作用力。

（2）压电陶瓷 压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。它比石英晶体的压电灵敏度高得多，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锗钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及非铅系压电陶瓷（如BaTiO₃）。

压电陶瓷内部的晶粒有许多自发极化的电畴，它有一定的极化方向，从而陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷皇中性，不具有压电性质，如图3-50所示。

图3-50 压电陶瓷的极化

a）未极化 b）电极化

陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转变，趋向于按外电场方向的排列，从而使材料得到整体的极化效果。外电场越强，就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。让外电场强度大到使材料极化饱和的程度，即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时，外电场去掉后，电畴的计划方向基本不变，即剩余极化强度很大，这时的材料具有压电特性。如图3-50b所示。

压电陶瓷的电荷量的大小与外力成正比关系与压电晶体一样，为式（3-17）。

（3）高分子压电材料 典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。它是一种柔软的压电材料，根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。它不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较宽，测量动态范围可达80dB。

2.压电式传感器测量电路

（1）压电式传感器等效电路 由压电元件的工作原理可知，压电式传感器可以看做一个电荷发生器。同时，它也是一个电容器，晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板，极板间物质等效于一种介质，则电容量为

式中，S为压电片的面积；d为压电片的厚度；ε_r为压电材料的相对介电常数。

因此，压电传感器可以等效为一个与电容相并联的电压源，如图3-51a所示。也可以等效为一个电荷源，如图3-51b所示。

（2）压电传感器测量电路 压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器。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。

图3-51 压电传感器等效电路

a）电压源 b）电荷源

1）电压放大器（阻抗变换器）：图3-52是电压放大器电路原理图及其等效电路。(www.xing528.com)

图3-52 电压放大器电路原理图及其等效电路

a）电路原理图 b）等效电路

C_a为连接电缆的等效电容；C_i、R_i为放大器的输入电容和输入电阻；R压电传感器的泄漏电阻。

若压电元件受正弦力f＝F_msinωt的作用，则放大器输入端电压U_i的大小为

在理想情况下，传感器的电阻值R_a与前置放大器输入电阻R_i都为无穷大，即ωR（C_i＋C_a＋C_c）■1，理想情况下输入电压幅值U_in为

2）电荷放大器：电荷放大器常作为压电传感器的输入电路，由一个反馈电容C_f和高增益运算放大器构成，当略去R_a和R_i并联电阻后，电荷放大器等效电路如图3-53所示，图中A为运算放大器。由运算放大器特性，得到电荷放大器的输出电压

式中，K为放大器增益。

由于K＝10⁴~10⁶，此若满足（1＋K）C_f■C_a＋C_c＋C_i时，上式可表示为

3.压电传感器应用

（1）压电式测力传感器 图3-54是压电式单向测力传感器结构图，它主要由石英晶体、绝缘套、电极、上盖及基座等组成。

图3-53 电荷放大器等效电路

图3-54 压电式单向测力传感器结构图

传感器上盖为传力元件，外缘壁厚为0.1~0.5mm，当外力作用时，它将产生弹性变形，将力传递到石英晶体上。石英晶片采用x轴方向切片，利用其纵向压电效应实现力-电转换。石英晶片的尺寸约为φ8mm×1mm。该传感器的测力范围为0~50N，最小分辨率为0.01N，固有频率约为50~60kHz，整个传感器重量为10g。

（2）压电式加速度传感器 图3-55是一种压电式加速度传感器结构图。它主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。整个部分装在外壳内，并用螺栓加以固定。

当加速度传感器和被测物一起受到冲击力振动时，压电元件受质量块惯性力的作用，根据牛顿第二定律，此惯性力是加速度的函数，即F＝ma，此惯性力F作用于压电元件上，因而产生电荷Q，当传感器选定后，m为常数，则传感器输出电荷为

Q＝dF＝dma （3-23）

与加速度a成正比。因此，测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。

（3）压电式金属加工切削力测量 图3-56是利用压电陶瓷传感器测量刀具切削力的示意图。由于压电陶瓷元件的自振频率高，特别适合测量变化剧烈的载荷，图中压电传感器位于车刀前部的下方，当进行切削加工时，切削力通过刀具传给压电传感器，压电传感器将切削力转换为电信号输出，记录下电信号的变化便测得切削力的变化。

（4）压电式玻璃破碎报警器 BS-D2压电式传感器是专用于检测玻璃破碎的一种传感器，如图3-57所示。它利用压电元件对振动敏感的特性来感知玻璃受撞击和破碎时产生的振动波。传感器把振动波转换为电压输出，输出电压经放大、滤波、比较等处理后提供给报警系统。

报警器的电路使用时传感器用胶粘贴在玻璃上，然而通过电缆和报警电路相连。为了提高报警器的灵敏度，信号经放大后，需经带通滤波器进行滤波，要求它对选定的频谱通带的衰减要小，而带外衰减要尽量大。由于玻璃振动的波长在音频和超声波范围内，这就使滤波器成为电路中的关键。当传感器输出信号高于设定的阈值时，才会输出报警信号，驱动报警执行机构工作。

图3-55 压电式加速度传感器结构图

图3-56 压电式刀具切削力测量示意图