压电式传感器在应用中的优点及缺点探析

压电式传感器可测量力、压力、加速度和位移等物理量。

【例5.1】　压电式测力传感器。

压电式测力传感器在直接测量拉力或压力时，通常采用双片或多片石英晶片作压电元件。当配以大时间常数的电荷放大器时，可测量准静态力。按测力状态的不同，压电式测力传感器分为单向力、双向力和三向力传感器，它们在结构上基本相同。现以三向力传感器为例进行说明。

如图5.16所示，压电组件为三组双晶片石英叠成并联方式，它可以测量空间任一个或三个方向的力。三组石英晶片的输出极性相同，其中一组利用厚度压缩纵向压电效应d11来实现力-电转换，测量Fz方向的力。另外，两组采用厚度剪切变形压电系数d26来分别测量Fx和Fy。由于Fx和Fy正交，因此，两组晶片安装时应使其最大灵敏轴分别取x向和y向。

图5.16　压电式三向力传感器

【例5.2】　压电式压力传感器。

压电元件内阻极高，必须防止表面漏电。通常采用两片相同元件，以其极性反向相叠，由夹在中间的铜片作为一个电极，最外面的两个表面作为另一个电极。这样，中央电极处于悬空状态，可用有良好绝缘性能的导线引出。沿厚度方向受力的压电元件，应在装配时施加预紧力，以便有良好的机电耦合作用。如图5.17所示，为使预紧力均匀地分布在压电元件上，用螺钉通过钢球和有凹坑的压板，紧压在压电元件上，钢球和压板上的凹坑有自动找平作用，避免受力不均。压电元件极性为正的一面通过铜片引出，极性为负的一面经由壳体相连并引出。

图5.17　压电式压力传感器

当力作用于膜片时，压电元件的上、下表面产生电荷，电荷量q与作用力F成正比，即q＝d11·F。而F＝P·S，S为压电元件受力面积，P为压强。于是可知，压电传感器输出电荷与输入压强P也成正比。将产生的电荷由引线插件输出给电荷或电压放大器，经归一化处理就可直接从仪表上读出压力的大小。

【例5.3】　压电式加速度传感器。

如图5.18所示，压电元件置于基座上，其上加一块重物，用弹簧片将压电元件压紧。测量加速度时，由于被测物体与传感器固定在同一体上，压电元件也受加速度的作用。此时惯性质量产生一个与加速度成正比的惯性力F作用于压电元件，因而产生电荷q。因为F＝ma，m为重块质量，a为加速度，当传感器选定后，m为常数，所以传感器的输出电荷为

图5.18　压电式加速度传感器

输出电荷与加速度成正比。而压电式传感器的输出电压为(https://www.xing528.com)

若传感器中电容量C不变，可用电压值表示测量的加速度。

【例5.4】　压电式血压传感器。

如图5.19所示的压电式血压传感器，采用双晶片悬臂梁式结构，双晶片极化方向相反，并联连接。在敏感振膜中央上下两侧各胶粘有半圆柱塑料块，被测血压通过上塑料块、敏感振膜、下塑料块传递到压电悬臂梁的自由端，压电梁弯曲产生的电荷经前置电荷放大器输出。

图5.19　压电式血压传感器

【例5.5】　逆压电效应的应用。

逆压电效应的应用也很广泛，以声表面波传感器为例。

如图5.20（a）所示，在压电元件表面制备叉指状电极，并用交流电压激励，便可形成声表面波横向传播，使与之平行的另一组叉指电极上产生交变电信号。此电信号比激励电压延迟一定时间，这就是声表面波延迟线，简称SAW（Surface Acoustic Wave）延迟线。延迟时间τ的大小与声表面波的速度v及两叉指电极间的距离L有关，即

图5.20　SAW延迟线及SAW振子

若将叉指电极制作成图5.20（b）所示的对称形式，表面波将向左右对称传播，并被反射回来，可等效为LC谐振回路，叫作SAW振子。这两种器件（SAW延迟线、SAW振子）都可与放大器连接成振荡器。以SAW振子为例，若叉指电极间距及反射线栅条间距为l，则振荡频率f为

当外力引起压电材料基片应变时，l、v会改变，于是频率f随外力而变。把基片做成悬臂梁，上下表面都按同样方式制作振子，梁受力弯曲时，两个振荡频率一增一减，便可获得差动输出结果。

声表面波传感器可用来测量力、压力和振动加速度，其特点是输出频率信号。