傳感器原理與應(yīng)用主編-戴焯第六章-壓電傳感器53課件

第六章壓電傳感器自然界里，大多數(shù)晶體都具有壓電效應(yīng)，只是大多數(shù)晶體的壓電效應(yīng)很微弱，沒什么實用價值。石英晶體、人工制造的壓電陶瓷、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛（PZT)等多晶壓電材料都具有良好的壓電效應(yīng)。壓電傳感器是一種典型的有源傳感器，它以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，電介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷，從而實現(xiàn)外力與電荷量間的轉(zhuǎn)換，達到非電量的電測目的。第六章壓電傳感器1第一節(jié)壓電傳感器工作原理

一、壓電效應(yīng)某些電介質(zhì)，當沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r，在介質(zhì)內(nèi)部將產(chǎn)生極化現(xiàn)象，而在介質(zhì)的兩個表面會產(chǎn)生數(shù)量相等、符號相反的電荷，形成電場；當外力去掉后，又重新回到不帶電狀態(tài)；當外力方向改變時，電場的極性也隨著改變，這種現(xiàn)象被稱之為壓電效應(yīng)。相反，在電介質(zhì)極化方向施加電場時，這些電介質(zhì)會產(chǎn)生變形，這種現(xiàn)象稱之為逆壓電效應(yīng)，或電致伸縮效應(yīng)。第一節(jié)壓電傳感器工作原理2

具有壓電效應(yīng)的電介質(zhì)很多，但大多數(shù)因壓電效應(yīng)微弱而沒有實用價值；目前具有良好壓電效應(yīng)的電介質(zhì)有石英晶體和壓電陶瓷。石英晶體的壓電效應(yīng)與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)。圖6－1石英晶體切片具有壓電效應(yīng)的電介質(zhì)很多，但大多數(shù)因壓電效應(yīng)微弱3

二、石英晶體的壓電效應(yīng)

1．石英晶體切片

石英晶體即二氧化硅（SiO2），天然的石英晶體理想外形是一個正六面棱體，如圖6－1（a）所示。在晶體學中，為了分析方便，把它用三根互相垂直的軸X、Y、Z來描述。其中縱向軸Z

稱之為光軸（Z

軸無壓電效應(yīng)），它貫穿正六面棱體的兩個棱頂；X

軸稱為電軸，它經(jīng)過正六面棱柱的棱線且與光軸正交；Y

軸稱為機械軸，它同時垂直于X軸和Z軸。作為電壓元件，對正六面棱體的石英晶體應(yīng)作切片處理，石英晶體在XYZ直角坐標中，沿不同方位進行切片，可得到不同的幾何切型，不同切型的晶片，其壓電常數(shù)、彈性系數(shù)、介電常數(shù)、溫度特性等都不一樣。當石英晶體沿ZOY平面切片，如圖6－1（c）所示，此時電軸X垂直于切片平面。二、石英晶體的壓電效應(yīng)4

2．切片內(nèi)離子分布

石英晶體的分子結(jié)構(gòu)是由三個硅原子和六個氧原子組成的共價鍵單元晶體，在共價鍵結(jié)構(gòu)中，每個硅原子失去電子變成帶四個正電荷的硅離子，每個氧原子得到電子變成帶二個負電荷的氧離子，氧離子成對出現(xiàn)，三個硅離子和三對氧離子在X－Y平面上的投影正好是六邊形的六個頂角，如圖6－2所示。

圖6－2石英晶體切片內(nèi)離子分布2．切片內(nèi)離子分布圖6－2石英晶5

當石英晶體未受外力作用時，單元晶體中的三個硅離子和三對氧離子正好連成正六邊形，如圖6－2（a）所示，晶體內(nèi)正、負電荷的電偶極矩（其大小為P=qL，q為電荷量，L為正、負電荷之間的距離；其方向為由負電荷指向正電荷）P1、P2、P3大小相等、互成120°夾角，即晶體內(nèi)正、負電荷中心重合，電偶極矩矢量和P1+P2+P3=0，此時晶體表面不產(chǎn)生電荷，晶體對外呈電中性。當石英晶體未受外力作用時，單元晶體中的三個硅離子和三6

當石英晶體受X

軸向壓力Fx作用時，如圖6－2（b）所示，晶體受壓力而變形（但正六邊形邊長保持不變），晶體內(nèi)正、負離子的相對位置發(fā)生變化，電偶極矩P1減小、P2和P3增大，電偶極矩矢量和在X

軸向分量(P1+P2+P3)x＞0，因而在垂直于X

軸正向的晶體表面上出現(xiàn)正電荷，其相對面上出現(xiàn)等量負電荷。此時電偶極矩矢量和在Y軸和Z軸向分量(P1+P2+P3)y=0、(P1+P2+P3)z=0，因而在垂直于Y軸和Z軸的晶體表面上不出現(xiàn)電荷。

當石英晶體受Y

軸向壓力Fy作用時，如圖6－2（c）所示，晶體受壓力亦變形，晶體內(nèi)正、負離子的相對位置發(fā)生變化，此時電偶極矩P1增大、P2和P3減小，電偶極矩矢量和在X

軸向分量(P1+P2+P3)x＜0，因而在垂直于X

軸正向的晶體表面上出現(xiàn)負電荷，其相對面上出現(xiàn)等量正電荷。而電偶極矩矢量和在Y軸和Z軸向分量仍為0，不會在垂直于Y軸和Z軸的晶體表面上出現(xiàn)電荷。當石英晶體受X軸向壓力Fx作用時，如圖7

當石英晶體受Z

軸向力作用時，因Z軸向力與片內(nèi)離子平面X－Y垂直，故不會引起離子在X－Y平面上位移，此時電偶極矩的矢量和仍保持為0，晶體表面不會出現(xiàn)電荷。

3．壓電效應(yīng)

石英晶體在X

軸向力作用下產(chǎn)生表面電荷的現(xiàn)象，稱為縱向壓電效應(yīng)。在石英晶體線性彈性范圍內(nèi)，X軸向力使晶片產(chǎn)生形變，并引起極化現(xiàn)象，極化強度與作用力成正比，極化方向決定于作用力的正向，極化后在晶體表面所產(chǎn)生的電荷極性如圖6－3（a）所示。當石英晶體受Z軸向力作用時，因Z軸向力與片內(nèi)離子8

圖6－3石英晶體壓電效應(yīng)（a）縱向壓電效應(yīng)（b）橫向壓電效應(yīng)圖6－3石英晶體壓電效應(yīng)9

縱向壓電效應(yīng)所產(chǎn)生的電荷量大小由下式確定：

q

XX

=dXX

FX

s1/s2

（6－1）式中dXX—縱向壓電系數(shù)，腳標中第1個X表示電荷平面的法線方向，第2個腳標X表示作用力的方向，其大小為dXX=2.31×10－12C·N－1。S1=Bl被極化面積，s2

受力面積

石英晶體在Y

軸向力作用下產(chǎn)生表面電荷的現(xiàn)象，稱為橫向壓電效應(yīng)。橫向壓電效應(yīng)所產(chǎn)生的電荷極性如圖6－3（b）所示。橫向壓電效應(yīng)所產(chǎn)生的其電荷量大小由下式確定：

q

XY

=dXYFYL/

h

（6－2）式中L—切片Y軸方向長度；（沿機械軸方向?qū)┘幼饔昧r適當選擇切片長度和厚度，可增加電荷量）

h—切片X軸方向厚度；

dXY—橫向壓電系數(shù)，腳標中第1個X表示電荷平面的法線方向，第2個腳標Y表示作用力的方向，其大小為dXY=－dXX

，它體現(xiàn)了石英晶體晶格的對稱性。縱向壓電效應(yīng)所產(chǎn)生的電荷量大小由下式確定：10

三、壓電陶瓷壓電效應(yīng)

1．壓電陶瓷極化特性

壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它屬于鐵電體一類物質(zhì)，即具有類似于鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)的電疇結(jié)構(gòu)，在未極化之前各電疇的極化方向在晶體內(nèi)雜亂分布，如圖6－4（a）所示，極化強度相互抵消為0，對外呈中性，不具備壓電效應(yīng)。

（a）未極化 （b）已極化圖6－4壓電陶瓷的電疇極化三、壓電陶瓷壓電效應(yīng)（a）未極11

為了使壓電陶瓷具有壓電效應(yīng)，必須對壓電陶瓷進行極化處理，即對其施加一定電壓的直流電場(20～30KV/cm)，使晶體內(nèi)各電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動，經(jīng)2～3小時后，各電疇極化方向趨于外電場方向，從而實現(xiàn)極化處理。極化處理后，當外電場去掉時，晶體內(nèi)還存在著很強的剩余極化強度，晶體表面不出現(xiàn)電荷，仍保持電中性狀態(tài)，但此時已具有足夠強的壓電效應(yīng)特性。為了使壓電陶瓷具有壓電效應(yīng)，必須對壓電陶瓷進行極化處理12

2．壓電效應(yīng)經(jīng)極化處理后的壓電陶瓷，當受到外來定向均勻分布力作用時，在（晶體兩個鍍銀的極化面）與極化方向垂直的面上出現(xiàn)大小相等、極性相反的電荷，即產(chǎn)生壓電效應(yīng)，如圖6－5所示。（a）縱向壓電效應(yīng)（b）橫向壓電效應(yīng)

圖6－5壓電陶瓷的壓電效應(yīng)2．壓13

在圖6－5（a）中Fz是與極化方向Z同相的均布壓力，當作用力Fz方向改變時，壓電效應(yīng)所產(chǎn)生的電荷極性也跟著改變，這種在Z軸方向作用力Fz下所產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱之為縱向壓電效應(yīng)，其電荷量大小由下式確定：

qZZ=dZZ

FZ

（6－3）式中dZZ—縱向壓電系數(shù)，腳標中第1個Z表示電荷平面的法線方向（極化方向），第2個腳標Z表示作用力的方向。在圖6－5（a）中Fz是與極化方向Z同相的均布壓14

相應(yīng)地，在垂直于Z

軸方向作用力Fx或Fy下所產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱之為橫向壓電效應(yīng)，如圖6－5（b）所示；由于Z軸（極化方向）是壓電陶瓷晶體的對稱軸，垂直于Z軸的X軸和Y軸是互易的，即沿X

軸和Y

軸方向作用力所引起的橫向壓電效應(yīng)是相同的。橫向壓電效應(yīng)所產(chǎn)生的電荷極性決定于作用力的方向，其電荷量大小由下式確定：式中dzx=dzy—橫向壓電系數(shù)，腳標中第1個Z表示電荷平面的法線方向（極化方向），第2個腳標X或Y表示作用力的方向。

S1—被極化的面積；

S2—受均勻分布力的面積。（6－4）相應(yīng)地，在垂直于Z軸方向作用力Fx或Fy下所產(chǎn)生15

*

一般來說，壓電片產(chǎn)生縱向壓電效應(yīng)時，其電荷平面與作用力垂直，引起壓電片厚度伸縮；壓電片產(chǎn)生橫向壓電效應(yīng)時，其電荷平面與作用力平行，引起壓電片長度伸縮。這兩種壓電效應(yīng)都是壓電片受到X、Y或Z軸單向力作用的結(jié)果，而當壓電片受到繞X、Y、Z軸向力作用時，將導(dǎo)致電壓片受到剪切作用。其中，若使壓電片厚度方向受到剪切力，則稱之為（厚度）剪切壓電效應(yīng)；若使壓電片長度方向受到剪切力，則稱之為（電荷平）面切壓電效應(yīng)。由此可得到18種壓電效應(yīng)，以壓電系數(shù)表示，可寫成一個矩陣表達式式中I=1、2、3表示電荷平面法線方向，即X、Y、Z軸向；

j=1、2、3、4、5、6表示作用力的方向，其中1、2、3為X、Y、Z軸單向力方向，4、5、6為繞X、Y、Z軸剪切力方向。（6－5）*一般來說，壓電片產(chǎn)生縱向壓電效應(yīng)時，其電荷平面與16

四、壓電材料及其特性

具有壓電效應(yīng)的壓電材料很多，目前用于壓電傳感器的壓電材料可分為三大類，即壓電晶體、壓電陶瓷及高分子新型壓電材料。

1．壓電晶體

壓電晶體的種類很多，除石英晶體外還有酒石酸鉀鈉（NaKC4H4O6－4H2O）、酒石酸二鉀（K2C2H4O6·H2O）、硫酸鋰（Li2SO4·H2O）、磷酸二氫氨（NH4H2PO4）、砷酸二氫鉀（KH2ASO4）等，其中石英晶體是最常用的壓電晶體，它具有穩(wěn)定的壓電性能，無論是天然石英晶體還是人工合成石英晶體，其介電常數(shù)和壓電系數(shù)都不受溫度影響，還具有自振頻率高、動態(tài)響應(yīng)好、機械強度高、絕緣性能好、線性范圍寬等優(yōu)點。相對來說其主要缺點是壓電系數(shù)較小，材料價格較貴，因而一般只作標準壓電元件、高精度壓電元件。四、壓電材料及其特性17

2．壓電陶瓷

壓電陶瓷的最突出特點是壓電系數(shù)大、靈敏度高，制造工藝成熟，成形工藝性好、成本低。在制造過程中，通過不同的配方和摻雜可以獲得多種不同特性的壓電陶瓷，鈦酸鋇（BaTiO3）是其中常用的一種，其壓電系數(shù)是石英晶體壓電系數(shù)的幾十倍，介電常數(shù)和體電阻率也比較高，但居里點低、溫度穩(wěn)定性及機械強度都不如石英晶體。目前最常用的壓電陶瓷是鋯鈦酸鉛（簡稱PZT），它是由鈦酸鉛（PbTiO3）和鋯酸鉛（PbZrO3）組成的固熔體Pb（Zr·Ti）O3，其縱向壓電系數(shù)高達（200～500）×10－12C·N－1，居里點300℃以上，工作溫度高達250℃，各項性能參數(shù)溫度穩(wěn)定性好，還可以根據(jù)不同的用途對壓電元件性能的要求，在鋯鈦酸鉛中摻入一種或兩種微量元素，如鑭（La）、銻（Sb）、錫（Sn）、錳（Mn）、鎢（W）等，可獲得系列不同性能的PZT壓電材料。2．壓電陶瓷18

3．新型壓電材料

目前，新型壓電材料之一是壓電半導(dǎo)體，如硫化鋅（ZnS）、氧化鋅（ZnO）、碲化鋅（ZnTe）、碲化鎘（CdTe）、硫化鎘（CdS）、砷化鎵（GaAs）等。這些材料的主要特點是既具有壓電特性，又具有半導(dǎo)體特性，因而可以采用這種壓電半導(dǎo)體制作集成壓電傳感器。

另一種新型壓電材料是某些合成高分子聚合物，經(jīng)延展拉伸和極化處理后，制成具有壓電特性的高分子壓電薄膜（Piezoelectricfilm），如聚氟乙烯（PVF），聚偏二氟乙烯（PVF2）、聚氯乙烯（PVC）等。這些材料的主要特點是壓電靈敏度極高（比壓電陶瓷大十多倍），在很寬的頻率范圍內(nèi)具有平坦的響應(yīng)特性，機械強度高且柔性好，易加工成大面積元件和陣列元件等，尤其是聚偏二氟乙烯性能優(yōu)良，是一種很好的新型壓電材料，但其熱穩(wěn)定性差，上限工作溫度為80℃。3．新型壓電材料19傳感器原理與應(yīng)用主編-戴焯第六章-壓電傳感器53課件20

第二節(jié)壓電傳感器測量電路

以壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)的壓電傳感器，是一種具有很高內(nèi)阻而輸出電信號又很弱的有源裝置，在作非電測量時，為了提高靈敏度和測量精度，通常取多片壓電材料組合成一個壓電敏感元件，且壓電輸出信號應(yīng)接高輸入阻抗的前置放大器。

一、壓電元件及其等效電路

1．串聯(lián)輸出型壓電元件

當多片壓電材料采用串聯(lián)輸出時，其聯(lián)接方式如圖6－6（a）所示，此時兩壓電片電荷極性為正、負串聯(lián)輸出，其等效電路如圖6－6（b）所示。第二節(jié)壓電傳感器測量電路一、壓電元件及其等21此時，（a）壓電片串聯(lián)（b）串聯(lián)等效電路（c）等效電壓源

圖6－6串聯(lián)輸出型壓電元件可見，串聯(lián)輸出型壓電元件的輸出電壓等于各片電壓之和，因而可等效為電壓輸出型的電壓源，如圖6－6（c）所示。（6－6）此時，（a）壓電片串聯(lián)（b）串聯(lián)等22可見，并聯(lián)輸出型壓電元件的輸出電荷等于各片電荷之和，因而可等效為電荷輸出型的電荷源，如圖6－7（c）所示。

2．并聯(lián)輸出型壓電元件

當多片壓電材料并聯(lián)輸出時,其聯(lián)接方式如圖6－7（a）所示，此時兩壓電片電荷同極性端并聯(lián),其等效電路如圖6－7（b）所示。（a）壓電片并聯(lián)（b）并聯(lián)等效電路（c）等效電荷源

圖6－7并聯(lián)輸出型壓電元件（6－7）此時，可見，并聯(lián)輸出型壓電元件的輸出電荷等于各片電荷之和，23

二、電壓輸出型測量電路

由圖6－6可知，串聯(lián)輸出型壓電元件可以等效為一個電壓源，由于壓電效應(yīng)引起的電容量Ca很小，因而該電壓源等效內(nèi)阻抗很大，在接成電壓輸出型測量電路時，要求前置放大器不但有足夠的放大倍數(shù)，而且應(yīng)具有很高的輸入阻抗。壓電傳感器電壓輸出型測量電路原理電路如圖6－8所示。圖6－8電壓輸出型測量電路原理圖二、電壓輸出型測量電路圖6－8電壓輸出型測量電路24

圖中R和C分別表示前置放大器的等效入端電阻和等效入端電容，其中，式中Rd代表測量電路的漏電阻，Ri代表放大器入端電阻；C=CO+Ci，式中CO代表測量電路聯(lián)線分布電容，Ci代表放大器入端電容。

若壓電元件上受軸向力為f=Fmsinωt，其壓電系數(shù)為d，即壓電效應(yīng)為qa=d·Fmsinωt，則等效電壓源的端電壓為（6－8）圖中R和C分別表示前置放大器的等效入端電阻和等25的幅值為

（6－10）與作用力之間的相位差為（6－11）此時放大器輸入電壓為（6－9）的幅值為（6－10）與作用力26

一般ωτ＞3，上式即可成立，此時說明電壓輸出型測量電路中的Ui與作用力f的變化頻率ω無關(guān)，即這種測量電路具有很好高頻響應(yīng)特性，這是其主要優(yōu)點。此時傳感器電壓靈敏度為（6－14）

當作用力f的變化頻率ω與時間常數(shù)τ的乘積ωτ＞＞1時，由式（6－10）可得

圖6－8測量回路時間常數(shù)為（6－12）（6－13）一般ωτ＞3，上式即可成立，此時說明電壓輸出型測27

由式（6－13）和（6－14）可知，由于壓電元件的等效電容Ca

和前置放大器入端電容Ci都很小，提高靈敏度要求壓電傳感器到前置放大器間的聯(lián)線電容CO也要足夠小，即盡量縮短聯(lián)線長度，并避免平行走線。

當作用力f為一緩慢變化的信號時，要獲得較好的頻率特性必須加大時間常數(shù)τ，以使ωτ＞＞1，由式（6－12）τ=R(ca+c)知：增加R、C都可以加大τ，但由式（6－14）Ku=d/(ca+c)，增加C將使靈敏度Ku下降，因而此時采用加大R（增加放大器輸入電阻、增大漏電阻）的方法以改善測量電路的低頻特性。由式（6－13）和（6－14）可知，由于壓電元件的28傳感器原理與應(yīng)用主編-戴焯第六章-壓電傳感器53課件29

圖6－9是電壓輸出型壓電傳感器典型測量電路。前置放大器OPA604是美國BB公司生產(chǎn)的雙列直插式8腳運算放大器，該放大器輸入級采用P溝道場效應(yīng)管，因而具有很高的輸入阻抗，其差模輸入阻抗為1012Ω∥8PF，共模輸入阻抗為1012Ω∥10PF，總失真在增益為1、f=1KHZ時為0.0003%。圖6－9中1MΩ為運放靜態(tài)偏流通道電阻；壓電輸出信號經(jīng)屏蔽線聯(lián)至運放輸入端，測量電路增益約為100倍。圖6－9OPA604前置放大器電壓輸出型壓電傳感器測量電路圖6－9是電壓輸出型壓電傳感器典型測量電30

三、電荷輸出型測量電路

由圖6－7可知，并聯(lián)輸出型壓電元件可以等效為一個電荷源，由于壓電效應(yīng)所產(chǎn)生的電荷量很小，只能形成PA級的電流，因而在接成電荷輸出型測量電路時，亦要求前置放大器不但有足夠的放大倍數(shù)，還需要有極高的輸入阻抗。壓電傳感器電荷輸出型測量電路原理電路如圖6－10所示。圖6－10電荷輸出型測量電路原理圖三、電荷輸出型測量電31

圖中R和C分別表示前置電荷放大器的等效入端電阻和等效入端電容，其中式中Rd代表測量電路的漏電阻，Ri代表放大器入端電阻；C=CO+Ci，式中CO代表測量電路聯(lián)線分布電容，Ci代表放大器入端電容。

電荷放大器是一個具有深度電容Cf負反饋的高增益放大器，略去極高的Rd和Ri的影響時，測量電路的輸出電壓為

（6－15）式中A為電荷放大器開環(huán)放大倍數(shù)，通常A＞＞1，即ACf＞＞Ca+Co+Ci，此時

（6－16）

圖中R和C分別表示前置電荷放大器的等效入端電阻32

上式表明電荷放大器輸出電壓僅與電荷qa成正比，與反饋電容Cf成反比，而與電路中其它參數(shù)基本無關(guān)，因而只要保持Cf不變，就可以得到輸出電壓Uo與壓電效應(yīng)電荷qa成單值線性關(guān)系，這是電荷輸出型測量電路的一個重要特性。同時可以看出，Cf越小，輸出電壓Uo越大，輸出電壓靈敏度越高；但過大的Uo容易造成后級放大器輸入信號的飽和，因而Cf的選擇應(yīng)視具體電路而定。另外，考慮電容Cf對直流信號開路，為了抑制零漂，使測量電路工作穩(wěn)定，一般都在反饋電容上并聯(lián)足夠大（109～1012Ω）的反饋電阻Rf，以提供直流反饋通道。高頻時，電路中的各電阻大于各電容容抗，略去R討論電路特性符合實際情況；電荷放大器的頻率響應(yīng)上限取決與運算放大器的頻率特性。低頻時，R與Ca、Co比仍可忽略，但Rf與Cf比，不能忽略，電荷放大器的3db下限截止頻率為fL=1/2πRFCF。上式表明電荷放大器輸出電壓僅與電荷qa成正比，與反饋33

圖6－11是電荷輸出型壓電傳感器典型測量電路。其電荷放大器是美國BB公司生產(chǎn)的金屬管殼8腳運算放大器OPA128，其差模輸入阻抗為1013Ω//1PF，共模輸入阻抗為1015Ω//2PF，輸入偏流為0.075PA，輸入端接入閉合的屏蔽環(huán)，屏蔽環(huán)通過短引線接至信號地和運放管的金屬殼8，以減小漏電流和入端噪聲的干擾。圖6－11OPA128電荷放大器

電荷輸出型壓電傳感器測量電路圖6－11是電荷輸出型壓電傳感器典型測量電34

串聯(lián)接法：輸出電壓大、電容小、適合用于以電壓作為輸出信號、測量電路輸入阻抗很高的情況。（前置放大器）并聯(lián)接法：輸出電荷量大、電容大、時間常數(shù)大，適合用于測量緩慢變化信號、且以電荷作為輸出的況。（電荷放大器）

壓電敏感元件是力敏元件，它能測量最終能將被測量轉(zhuǎn)換成力的哪些物理量，如：壓力，應(yīng)力、位移、加速度等。尤其適合動態(tài)測量，絕大多數(shù)加速度（振動）傳感器屬于壓電式傳感器。主要缺點：一、壓電轉(zhuǎn)換元件無靜態(tài)輸出，必須有一定的預(yù)應(yīng)力，以保證在作用力變化時，壓電元件始終受到壓力。其次，是保證壓電元件與作用力之間的全面均勻接觸，獲得輸出電壓（或電荷）與作用力的線性關(guān)系。二、輸出阻抗高，需高輸入阻抗的前置放大器作為匹配，并且，很多壓電元件的工作溫度最高為250℃。串聯(lián)接法：輸出電壓大、電容小、適合用于以電壓作為輸出信35傳感器原理與應(yīng)用主編-戴焯第六章-壓電傳感器53課件36

第三節(jié)壓電傳感器的應(yīng)用

壓電傳感器的物理基礎(chǔ)是壓電效應(yīng)，壓電敏感元件感受力的作用而產(chǎn)生電壓或電荷輸出，即根據(jù)輸出電壓或電荷的大小和極性，就可確定作用力的大小和方向。由此可見，壓電傳感器可以直接用于測力，或測與力相關(guān)的壓力、位移、振動加速度等。

一、壓電式力傳感器

壓電式力傳感器可分為單向力、雙向力和三向力傳感器，常用石英晶體作敏感元件，測力范圍由幾百至幾萬牛頓的動態(tài)力，頻率范圍為0～50KHZ。圖6－12為壓電式單向測力傳感器，圖中壓電元件為兩片縱向壓電效應(yīng)的石英晶體切片，實現(xiàn)力與電的轉(zhuǎn)換；上蓋為傳力元件，受力后產(chǎn)生彈性變形，將作用力傳遞到壓電元件上，其變形壁厚度為01～0.5mm（由所測力大小決定）。第三節(jié)壓電傳感器的應(yīng)用一、壓電式力傳37

聚四氟乙烯絕緣套用來絕緣和定位；機座作為支承及外殼，其內(nèi)外表面與晶片、電極、上蓋內(nèi)表面的平行度和表面光潔度都有極嚴格的要求。這種結(jié)構(gòu)的單向測力傳感器體積小、重量輕（約10g），固有頻率高（約50～60KHZ），最大可測動態(tài)力105N，最小分辨率可達1g以下圖6－12壓電式單向測力傳感器

聚四氟乙烯絕緣套用來絕緣和定位；機座作為支承及外38

二、壓電式壓力傳感器

壓電式壓力傳感器根據(jù)使用要求不同，有多種結(jié)構(gòu)型式，圖6－13是常見的膜片式壓電壓力傳感器。圖6－13壓電式壓力傳感器二、壓電式壓力傳感器圖6－13壓電式壓力傳感器39

圖中壓電元件為兩片縱向壓電效應(yīng)石英晶片，具有良好的線性度和長時間穩(wěn)定性；作用到受壓膜片上的壓力，通過傳力塊作用到壓電元件上，使晶片產(chǎn)生厚度變形；傳力塊和電極片一般采用不銹鋼制作，以確保壓力能均勻、快速、無損耗地傳遞到壓電元件上；外殼和機座應(yīng)有足夠機械剛度，機座和傳力塊與晶片的接觸面要有良好的平行度和光潔度。這種結(jié)構(gòu)的壓力傳感器主要優(yōu)點是有較高的靈敏度和分辨率，測壓范圍寬。圖中壓電元件為兩片縱向壓電效應(yīng)石英晶片，具有良好的線40

三、壓電式加速度傳感器

壓電式加速度傳感器是最常用的一種加速度計，在各種測振傳感器中，壓電式加速度傳感器約占80%。其主要優(yōu)點是固有頻率高，高頻（幾十千赫）和低頻（0.3HZ）性能都好；體積小、重量輕、便于集成。

1．工作原理

壓電式加速度傳感器最常見的結(jié)構(gòu)有基于縱向壓電效應(yīng)的壓縮型、基于剪切效應(yīng)的剪切型和組合結(jié)構(gòu)的復(fù)合型，圖6－14是壓縮型結(jié)構(gòu)原理圖。

三、壓電式加速度傳感器41

圖中壓電元件一般由兩片壓電晶體或壓電陶瓷組成；質(zhì)量塊放置在壓電元件上，接觸面須平整光潔；鎖定彈簧（或螺帽）應(yīng)有足夠的剛度，用以對質(zhì)量塊施加預(yù)壓縮載荷；加厚基座和金屬外殼，用以避免壓電元件受其它應(yīng)力影響而產(chǎn)生假信號輸出。壓電元件的極化表面鍍銀，引出線焊接在鍍銀層上，或通過電極金屬片引出；另一根引出線可直接與金屬基座相連。圖6－14壓縮型結(jié)構(gòu)原理圖圖中壓電元件一般由兩片壓電晶體或壓電陶瓷組成42

振動測量時，由于傳感器基座與被測振體剛性固定在一起，傳感器直接感受振體的振動。由于傳感器內(nèi)鎖定彈簧剛度相當大，而質(zhì)量塊的質(zhì)量相對較小，可以認為質(zhì)量塊本身的慣性很??；因此，質(zhì)量塊感受與傳感器基座相同的振動，并受到與加速度方向相反的慣性力的作用。即當壓電元件隨振動上移時，質(zhì)量塊產(chǎn)生的慣性力使壓電元件上的壓力增加；反之，當壓電元件隨振動下移時，質(zhì)量塊產(chǎn)生的慣性力使壓電元件上的壓力減小。可見，質(zhì)量塊對壓電元件的慣性力，相當于一個正比于振動加速度的交變力作用在壓電元件上，使壓電元件產(chǎn)生正比于此作用力的壓電效應(yīng)，亦即壓電效應(yīng)輸出的電荷（或電壓）正比于振動的加速度。振動測量時，由于傳感器基座與被測振體剛性固43式中ɑ——被測加速度（m/s2）。當壓電傳感器輸出量為電壓Ua時，用電壓靈敏度Ku表示（6－18）

2．靈敏度

壓電式加速度傳感器的靈敏度是指壓電效應(yīng)所產(chǎn)生的輸出量（電荷或電壓）與輸入量（加速度）的比值。當壓電傳感器輸出量為電荷qa時，用電荷靈敏度Kq表示（6－17）式中ɑ——被測加速度（m/s2）。當壓電傳感器輸出量為電44

因壓電效應(yīng)所產(chǎn)生的電荷q

a=dF，因而壓電式加速度傳感器的電荷靈敏度又可表示為

相應(yīng)地，壓電式加速度傳感器的電壓靈敏度可表示為（6－