压 电 式 传 感 器
(讲 稿)
李江全
石河子大学机电学院电气工程教研室
目 录
一、概述
1、什么是压电传感器？
2、常用的压电材料
二、工作原理
1、压电效应
2、石英晶体的三轴
3、纵向压电效应与横向压电效应
4、力与电荷量的关系
三、压电元件
1、几种变形方式
2、等效电路
3、联接方式
四、压电式传感器
1、组成
2、测量电路
3、类型
4、特点
5、应用
补充问题
1、压电式传感器在使用中应注意什么问题？
2、为什么压电传感器不能进行静态测量？
3、为什么压电力传感器在使用中要预加载荷？
一、概述
1、什么是压电传感器？
以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量电测目的的一种传感器。
压电式传感器是一种典型的有源传感器（或发电型传感器），
压电式传感器是一种可逆型换能器，既可以将机械能转换为电能，又可以将电能转换为机械能。
2、常用的压电材料
具有压电效应的材料（电介质）称之为压电材料。
压电材料可以分为压电晶体与压电陶瓷两大类，前者是天然形成或人工制成的单晶体，后者为人工制造的多晶体。
压电晶体包括石英（即SiO2），酒石酸钾钠、铌酸锂晶体等。
压电陶瓷包括：钛酸钡、锆钛酸铅、银酸铅、铌镁酸铅等。
现在声学和传感技术中最普遍应用的是压电陶瓷。
压电陶瓷：压电陶瓷是人工制造的多晶体，具有良好的压电效应，它的压电系数比石英晶体大得多，采用压电陶瓷制作的传感器灵敏度高，制作方便，成本低。
石英晶体：压电系数较小，但对时间、温度的稳定性很好，机械强度高。
二、工作原理
1、压电效应
压电式传感器的工作原理就是基于某些物质（电介质材料）的压电效应。
对某些电介质，当沿着一定方向对它施加力而使它变形时，内部产生极化现象，在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，形成电场；当外力去掉后，材料又重新恢复不带电状态，这种现象称为压电效应。
当作用力的方向改变时，电荷的极性也随着改变。
相反，当在电介质的极化方向上施加电场，其几何尺寸也发生变化，这种由于外电场作用导致物质机械变形的现象称为逆压电效应（也称电致伸缩效应）。外加电场消失，变形也随之消失。
2、石英晶体的三轴
天然结构的石英晶体的理想外形，是一个正六面体，在晶体学中可以把它用三根互相垂直的轴来表示，其中在石英晶体的右旋直角坐标系中：
纵向轴Z称为光轴。沿光轴Z方向受力时不产生压电效应。
经过正六面体棱线，并垂直于光轴的X轴称为电轴。垂直于X轴的晶面上压电效应最显著；
与X轴和Z轴同时垂直的Y轴（垂直于正六面体的棱面）称为机械轴。
沿Y轴方向上的机械变形最显著。
3、纵向压电效应与横向压电效应
沿电轴X方向施加力时，在力作用的两晶面上产生电荷的压电效应称纵向压电效应。
把沿机械轴Y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为横向压电效应 。此时受力的两个晶面上不产生电荷，而在沿X轴的两个晶体面上产生电荷。
沿相对两平面加力产生切向效应。
在压电传感器中，一般利用压电材料的纵向压电效应较多，这时所使用的压电材料大多作成圆片式。
4、力与电荷量的关系
实验证明：压电体表面积聚的电荷与作用力成正比。
若沿单一晶轴x—x方向加力F，则在垂直于x—x方向的压电体表面上积聚的电荷量q为：
式中dc为压电常数，与材质和切片方向有关。
若压电体受到多方向的力，压电体各表面都会积聚电荷。
每个表面上的电荷量不仅与作用于该表面上的垂直力有关，而且还与压电体其它面上所受的力有关。
三、压电元件
1、几种变形方式
压电元件按其受力和变形的方式不同， 大致有厚度变形、长度变形、体积变形、厚度剪切变形及面剪切变形等几种形式。
但目前最常用的是厚度变形的压缩或和剪切变形的剪切式，尤其前者最为普遍。
2、等效电路
压电传感器的压电元件，当它受到外力作用时，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等量的负电荷，因此压电传感器可以看作是一个电荷发生器，同时，也是一个电容器。
所以，压电元件可以等效成一个电荷源和一个电容并联的等效电路。它是内阻很大的信号源，它也可以等效为一个电压源。
3、联接方式
实际压电传感器中，为提高灵敏度，常把几片同型号的压电元件叠在一起使用。联接方式有两种：
1）并联接法
两压电片的负极都集中在中间电极上，正电极在两边的电极上，它类似两个电容的并联。
特点：在外力作用下正负电极上的电荷量增加一倍，电容量也增加一倍，输出电压与单片时相同。并联接法输出电荷大，电容量也大，时间常数大，宜用于测量缓变信号，并且适用于以电荷作为输出量的场合。
2）串联接法
压电片不同极性端粘在一起，正电荷集中在上极板，负电荷集中在下极板。特点：两压电片中间粘接处正负电荷中和，上、下极板的电荷量与单片时
相同，总电容量为单片的一半，输出电压增大一倍。
串联接法，输出电压大，本身电容小，适用于以电压作为输出信号，并且测量电路输入阻抗很高的场合。
实际的传感器中，需要压电片叠起来使用时，由于石英压电片每片产生的电荷量小，叠压的数目可多至八片，为减小传感器的体积，每片都磨得很薄。
四、压电式传感器
1、组成
压电式传感器主要由：压电元件、极板、引线、放大器、测量电路、外壳等部分组成。
2、测量电路
1）前置放大器
由于压电式传感器输出的电信号非常微弱，且本身的内阻抗很高，故输出能量甚微，这给后接电路带来一定困难，因此，必须配备具有很高输入阻抗的前置放大器进行阻抗匹配与前置放大，然后，方可用一般的放大、检波电路将信号输给指示仪表或记录器。
前置放大器的主要作用有两点：一是将传感器的高阻抗输出变为低阻抗输出；其次是放大传感器输出的微弱电信号。
根据压电传感器的工作原理及其等效电路，它的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号。
若以电压输出，则配接带电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压（传感器的输出电压）成正比。
若以电荷输出，则配接带电容反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷（传感器的输出电荷）成正比。
2）电压放大器
1）其输出电压与输入电压（传感器的输出电压）成正比；
2）输出与被测量频率及测量电路分布电容（电缆对地电容）有关。
当改变连接传感器与放大器的电缆长度和形态时，由于分布电容发生变化会引起传感器输出电压的变化，从而使仪器的灵敏度也发生变化，造成测量误差，需通过重新校正放大器灵敏度加以消除；
3）电压放大器具有很好的高频响应特性，但其低频响应性能较差；
4）相对于电荷放大器，电压放大器的价格较低，具有较好的经济性。
3）电荷放大器
在压电元件输出与测量电路之间常配接电荷放大器。它的特点是：
1）在一定条件下，电荷放大器的输出电压与传感器产生的电荷量成正比，
2） 它是一个带有电容负反馈高放大倍数的运算放大器，该放大器输出电压与电缆分布（对地）电容无关，即使连接电缆长达百米以上，其灵敏度也无明显变化，这是电荷放大器突出的优点；
3）电荷放大器采用电容负反馈，对直流相当于开路，因此，放大器的零漂比较大，电荷放大器电路复杂，价格也较昂贵。
3、类型
根据传感器不同的连接方式及其不同的输出信号，压电式传感器可分为以下两类：
1）电荷放大式
两压电片并联，其电荷输出量是单片压电片的两倍，而其电容也是单片电容的两倍。此时，压电式传感器等效于一个电容器与其并联的电荷源。
在这种情况下，适宜采用电荷放大器作为前置放大装置。
2）电压放大式
两压电片串联，则传感器输出电压高，电容小，适于进行电压输出，这时，传感器等效于一个电压源。
在这种情况下，适宜采用电压放大器作为前置放大装置。
4、特点
优点：1）体积小，重量轻，结构简单。
2）工作可靠，精确度及灵敏度高。
3）测量频率范围宽。
缺点：不能测量频率太低的被测量，特别是不能用于静态测量，目前多用来测量加速度和动态力或压力。
5、应用
可用于测量力、应力、压力、振动、加速度、扭矩等。也用于声学和声发射等测量。
现在广泛采用压电式传感器来测量加速度。若将加速度信号接入积分电路，可间接测量振动物体的线速度与线位移。
压电式传感器在汽车、拖拉机、振动测试、发动机内部燃烧压力及真空度，车轮接地压力等方面应用广泛。
压电式传感器的工作原理是可逆的，施加电压于压电晶片，压电片便产生伸缩。所以压电片可以反过来做“驱动器”。例如：对压电晶片施加交变电压则压电片可作为振动源，可用于高频振动台、超声发声器、扬声器以及精密的微动装置。也可作为超声波发射与接收装置。
补充问题
1、压电式传感器在使用中应注意什么问题？
1）应加预载荷（测力时）；
2）应采取防止电荷泄漏的措施：要求测量电路、传感器本身应有较高难度绝缘电阻；
3）应防止外界电场的影响：传感器及连接导线等均需加以良好的屏蔽；
4）要经常校准，以消除环境温度、湿度的变化和压电材料本身的时效对传感器灵敏度的影响。
2、为什么压电传感器不能进行静态测量？
压电传感器所产生的电荷量极其微弱，如果施加在晶片上的外力不变，积聚在极板上的电荷无内部泄漏，外电路负载无穷大，那么在外力作用期间，电荷量始终保持不变，直到外力的作用终止时，电荷才随之消失。
由于测量电路的内阻、负载不能达到无穷大，传感器本身的绝缘电阻也不可能无穷大，电路将会按指数规律放电，极板上的电荷无法保持。所以产生的电荷不断泄漏，以致不能测量，所以压电传感器不能进行静态测量。而在动态测量时，变化快，漏电量相对比较小，故压电式传感器适宜作动态测量。
3、为什么压电力传感器在使用中要预加载荷？
从实际测量中得知，一般压电式传感器在低压使用时，线性度不好。这主要是传感器受力系统中力传递系数为非线性所致，即低压力下力的传递损失较大。为此，在力传递系统中加入预加力，称预载，几乎所有的压电式力传感器在使用中都预加载荷，这样：1）可以保证在作用力变化时，压电片始终受到压力；2）消除低压使用中的非线性外，保证压电片输出电压与作用力成正比（线性关系）；3）还可消除传感器内外接触表面的间隙，提高刚度等；4）也只有加预载才能用压电式传感器测拉力和拉压交变刀、剪力和扭矩等。
不过，这个预载荷也不能太大，否则将会影响其灵敏度。