压电式传感器及其工作原理与结构

压电式传感器是一种可逆型换能器，它既可以将机械能转换为电能，又可以将电能转化为机械能。它的工作原理是基于某些物质的压电效应。

一、压电效应

某些物质（物体），如石英、钛酸钡等，当受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部会被极化，表面上也会产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称之为压电效应。相反，如果将这些物质（物体）置于电场中，其几何尺寸也会发生变化，这种由外电场作用导致物质（物体）产生机械变形的现象，称之为逆压电效应，或称之为电致伸缩效应。具有压电效应的物质（物体）称为压电材料（或称为压电元件）。常见的压电材料可分为两类，即压电单晶体和多晶体压电陶瓷。压电单晶体有石英（包括天然石英和人造石英）、水溶性压电晶体（包括酒石酸钾钠、酒石酸乙烯二铵、酒石酸二钾、硫酸锂等）；多晶体压电陶瓷有钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷和铌镁酸铅压电陶瓷等。

图3-33所示为天然石英晶体，其结构形状为一个六角形晶柱，两端为一对称棱锥。在晶体学中，可以把它用三根互相垂直的轴表示，其中，纵轴z称为光轴；通过六棱线而垂直于光轴的x轴称为电轴；与x—x轴和z—z轴垂直的y—y轴（垂直于六棱柱体的棱面），称为机械轴，如图3-33（b）所示。

如果从石英晶体中切下一个平行六面体（如图3-34所示），并使其晶面分别平行于z—z、y—y、x—x轴线。晶片在正常情况下呈现电性，若对其施力，则有几种不同的效应。通常把沿电轴（x轴）方向的作用力（一般利用压力）产生的压电效应称为“纵向压电效应”；把沿机械轴（y轴）方向的作用力产生的压电效应称为“横向压电效应”；在光轴（z轴）方向的作用力不产生压电效应。沿相对两棱加力时，则产生切向效应。压电式传感器主要是利用纵向压电效应。

图3-33 石英晶体

（a）石英晶体；（b）结构形状

二、压电式传感器及等效电路

最简单的压电式传感器的工作原理如图3-35所示。图3-35（a）为六面体压电晶片，在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，构成两个电极。当压电晶片受到压力F的作用时，分别在两个极板上积聚数量相等而极性相反的电荷，形成电场。因此，压电传感器可以看成是一个电荷发生器，也可以看成是一个电容器。其电容量为

图3-34 压电效应模型

（a）纵向效应；（b）横向效应；（c）切向效应

C＝ε0εA/δ 　（3-42）

式中，ε为压电材料的相对介电常数，石英晶体的ε＝4.5；ε0为真空中介电常数，ε0＝8.85× 10﹣12（F/m）；δ为两极间距，即晶片厚度（m）；A为压电晶片的工作面面积（m2）。

如果施加于压电晶片的外力不变，积聚在极板上的电荷又无泄漏，那么在外力继续作用时，电荷量将保持不变。这时在极板上积聚的电荷与力的关系为

q＝DF　（3-43）

图3-35 压电晶片及等效电路

（a）压电晶片；（b）并接；（c）串接；（d）等效电荷源

式中，q为电荷量（C）；F为作用力（N）；D为压电常数（C/N），与材质及切片的方向有关。

式（3-43）表明，电荷量与作用力成正比。当然，在作用力终止时，电荷就随之消失。显然，若要测得力值F，主要问题是如何测得电荷值。值得注意的是：利用压电式传感器测量静态或准静态量值时，必须采取一定的措施，使电荷从压电晶片上经测量电路的漏失减小到足够小程度。而在动态力作用下，电荷可以得到不断补充，可以供给测量电路一定的电流，故压电传感器适宜作动态测量。

在实际应用中，由于单片的输出电荷很小，因此，组成压电式传感器的晶片不止一片，而常常将两片或两片以上的晶片粘结在一起。粘结的方法有两种，即并联和串联。并联方法如图3-35（b）所示，两片压电晶片的负电荷集中在中间电极上，正电荷集中在两侧的电极上。并接时，传感器的电容量大，输出电荷量大，时间常数大，故这种传感器适用于测量缓变信号及电荷量输出信号。串联方法如图3-35（c）所示，正电荷集中于上极板，负电荷集中于下极板，串联时，传感器本身的电容量小，响应较快，输出电压大，故这种传感器适用于测量以电压作输出的信号和频率较高的信号。

压电传感器是一个具有一定电量的电荷源（如图3-35（d）所示），电容器上的开路电压u0与电荷q及传感器电容Ca存在下列关系：

u0＝q/Ca

当压电传感器接入测量电路时，联接电缆的寄生电容就形成传感器的并联电容Cc，后续电路的输入阻抗和传感器中的漏电阻就形成泄漏电阻R0。为防止漏电造成电荷损失，通常要求R0＞1011Ω，因此，传感器可以视为开路。

三、测量电路(www.xing528.com)

由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通常应把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗交换以后，方可用一般的放大检波电路再将信号输入到指示仪表或记录器中。（其中，测量电路的关键在于高阻抗输入的前置放大器）

前置放大器的作用有两点：其一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；其二是放大传感器输出的微弱电信号。

前置放大器电路有两种形式：一种是用电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压（即传感器的输出）成正比；另一种是用带电容板反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。由于电荷放大器电路的电缆长度变化的影响不大，几乎可以忽略不计，故而电荷放大器应用日益广泛。

电荷放大器的等效电路如图3-36所示，由于忽略了漏电阻，所以电荷量为

q≈ui（Ca＋Cc＋Ci）＋（ui＋uy）Cf＝uiC＋（ui－uy）Cf

式中，ui为放大器输入端电压；uy为放大器输出端电压，uy＝﹣kui，其中k为电荷放大器开环放大倍数；Ci为放大器输入电容；Cf为电荷放大器反馈电容。

图3-36 电荷放大器的等效电路

由上式可得

如果放大器开环增益足够大，则k Cf（C＋Cf），故上式可简化为

uy≈﹣q/Cf 　（3-44）

上式表明，在一定情况下，电荷放大器的输出电压与传感器的电荷量成正比，并且与电缆分布电容无关。因此，采用电荷放大器时，即使联接电缆长度在百米以上，其灵敏度也无明显变化，这是电荷放大器的突出优点。

四、压电式传感器的应用

压电式传感器常用于测量振动，测量加速度、力及压力等。

图3-37所示为压电式加速度传感器的工作原理。它主要由基座、两片压电晶片、质量块、弹簧所组成。基座固定在被测物体上，基座的振动使质量块产生与振动加速度方向相反的惯性力，惯性力作用在压电晶片上，使两片压电晶片的表面产生交变电压输出，这个输出电压即与加速度成正比，经测量电路处理后，即可得到加速度的信息。

图3-38所示为用压缩式振动传感器来测量汽车安全系统异常振动的装置。该传感器主要由压电元件（即压电晶片）、质量块、弹簧所组成。质量块通过弹簧压在压电晶片上，当汽车处于正常状态工作时，质量块振动使压电晶片有一个正常状态的电荷（电压）输出。若汽车负载运行，则会引起异常振动或由其他噪音引起的振动，从而引起质量块的异常振动，再经测量系统至显示系统获得这异常振动的电信号。

图3-37 压电式加速度传感器

1—壳体；2—弹簧；3—质量块；4—压电晶片

图3-38 压缩式振动传感器

1—弹簧；2—质量块；3—压电元件

图3-39所示为纺织系统针织织针对挺杆三角的冲击力的测试工作原理。该装置主要由压电陶瓷片、测量电路以及记录器组成，主要用来测量织针对三角的冲击力，为改善织针与三角间的冲击状态提供数据。

图3-39 测试原理

1—三角；2—压电陶瓷片；3—三角座；4、5—ZK-2型阻抗变换器；6—示波器；7—传力块

当织针对三角的冲击力F作用在水平和垂直方向上时，压向压电晶片的力有两个，即Fx、Fy，则在x、y方向上有电荷输出，经测量电路处理并由记录器记录，获得冲击力的大小。