压电式传感器：汽车应用与功能

压电式传感器是通过晶体结构材料的压电效应将被测量转换为电量的发电类传感器。

1.压电效应

压电材料是一种呈晶体结构的物质，晶体结构在机械力的作用下发生形变时，其内部产生极化现象，使晶体的某两个表面产生正、负电荷，去掉外力，形变恢复，电荷又重新消失，这种现象称之为压电效应。

常见的压电材料有石英晶体、酒石酸钾钠、钛酸钠、钛酸铅、钛酸钡等。

以石英晶体（SiO₂）为例，天然结构的石英晶体为六角形晶柱，晶柱的中心线为z轴（光轴），垂直于z轴并通过棱角的轴线称x轴（电轴），按右手坐标系垂直于棱面的轴线为y轴（机械轴）。从晶体上沿轴线切下薄片称之为晶体切片，如图2-28所示。

晶体切片的压电效应如图2-29所示。沿z轴方向作用力时不产生压电效应，沿x轴方向施力（压或拉），晶体切片厚度方向变形，在与x轴垂直的表平面上产生电荷；沿y轴方向施力（压或拉），晶体切片也在与x轴垂直的表平面上产生电荷。

图2-28 石英晶体切片

图2-29 晶体切片的压电效应

晶体表面电荷量q与作用在晶体上的力成正比，即

q=DF （2-17）

式中 D——压电常数，与材质和切片的方向有关。

2.压电式传感器原理

（1）压电式晶体的输出电压

集聚电荷的晶体切片两侧的电荷量大小相等，方向相反，而晶体片具有很高的绝缘性能，因而晶体片可等效为电容（图2-30），其电容量C_q为

式中 ε——压电晶体的介电常数；

A——晶体片（构成极板）的面积；

δ——晶体片的厚度。

图2-30 晶体片的等效电容(www.xing528.com)

根据电容的定义，晶体片等效电容器的电容量C与电压U_q及电荷q有如下关系：

将式（2-17）、式（2-18）代入上式，得

对某种压电晶片而言，Dδ/εA为一常数，因此，从集聚电荷的压电晶片两侧引出的电压U_q与作用于晶片的力F成正比关系。

（2）压电晶体的等效电路

压电式传感器的内部等效电路有两种形式，如图2-31所示。

当以输出的电荷量大小来反映其受力大小时，压电晶体可等效为电荷源与电容并联，传感器将与电荷放大器相连接；如果以传感器输出的电压信号反映被测量，则压电晶体可等效为电压源与电容串联，传感器需要连接电压放大器。

图2-31 压电晶体等效电路

a）电荷源等效电路 b）电压源等效电路

（3）压电晶片的组合方式

由于单片压电晶片产生的电信号太弱，压电式传感器通常采用多片晶片组合的方式构成其传感元件，以提高传感器的灵敏度。压电晶片有串联或并联两种组合方式，以适应不同物理量的测量。

串联组合方式将n片晶片串联相接后，其总的电荷量q_n不变，等效电容量C_n减小n倍，电压输出V_n增加n倍，适用于以电压为输出信号的传感器。串联组合方式其等效的电容量小，时间常数小，动态响应较好。

并联组合方式将n片晶片并联相接后，其总的电荷量q_n增加n倍，等效电容量C_n也增加n倍，电压输出V_n没有变化，适用于以电荷量为输出信号的传感器。由于其等效电容量大，有较大的时间常数，因此并联组合方式一般用于测量缓变的物理量。

3.压电式传感器的特点与应用

（1）压电式传感器的特点

压电式传感器用于力、压力的测量，以及可转换为力和压力的其他物理（如位移、振动加速度、振动频率等）的测量，具有体积小、质量轻、结构简单、工作可靠、高频响应特性好等优点。但在外力作用下压电元件上产生的电荷会因漏电而消失，因此，压电式传感器的低频特性差，不能用于静态测量。

（2）压电式传感器在汽车上的应用

压电式传感器在汽车上的应用实例有压电式爆燃传感器、压电式汽车碰撞传感器等。