压电式传感器

压电效应与压电式传感器

对某些电介质沿一定方向施力使其变形时，内部产生极化并在表面出现电荷集聚，称为正压电效应；外力去除后恢复不带电状态，机械能转变为电能。反之，在片状压电材料两电极面加交流电压，压电片产生机械振动（伸缩变形），称为逆压电效应，实现电能向机械能转换。压电效应具有可逆性。利用正压电效应可制成机械量敏感器（检测器），即压电式传感器；利用逆压电效应可制成电激励的执行器。压电式传感器是典型的有源传感器，具有结构简单、体积小、重量轻、工作频带宽、灵敏度高、信噪比高、工作可靠、测量范围广等特点。

压电材料

压电材料是实现机械能与电能相互转换的功能材料，主要分为压电晶体（单晶体）和压电陶瓷（多晶体）两大类，另有压电高分子材料。

石英晶体（单晶体）化学成分为 SiO2，理想形状为六角锥体，各向异性，用 x、y、z 轴描述：z 轴为光轴，沿该方向受力不产生压电效应；x 轴为电轴，沿该方向受力产生纵向压电效应，电荷出现在垂直于 x 轴的表面；y 轴为机械轴，沿该方向受力产生横向压电效应，电荷仍出现在垂直于 x 轴的表面上。沿 x 轴施力时，yz 平面上产生电荷 qx=d11 fx，其中 d11 为 x 方向受力的压电系数，fx 为 x 轴方向作用力，电荷符号视压力或拉力而定，且 qx 大小与切片几何尺寸无关。

压电陶瓷（多晶体）需经极化处理后才具有压电效应，极化方向即外电场方向，在垂直于极化方向的平面上出现极化电荷，电荷量与外力成正比。压电陶瓷压电系数比石英晶体大得多，灵敏度较高，但稳定性、机械强度不如石英晶体；其压电系数会随时间增加或温度升高而减小，压电特性减弱甚至消失。常见压电陶瓷有钛酸钡（BaTiO3，工作温度较低，最高约 70℃）和锆钛酸铅（PZT，工作温度较高，压电性良好，应用广泛，但含铅对环境和健康有危害）。

压电高分子材料中已应用开发的典型代表是聚偏二氟乙烯（PVDF），经机械滚压和拉伸制成厚度约 1～100 μm 的压电薄膜，经外电场和温度联合作用后形成固定偶极矩结构，受力时极化面产生电荷。压电薄膜质量轻（密度约为常用压电陶瓷 PZT 的 1/4），柔顺性好，可贴合任意被测表面，机械强度高，抗冲击。

等效电路与灵敏度

压电元件可等效为电荷源与电容 Ca、电阻 Ra 并联，或等效为电压源与电容 Ca、电阻 Ra 并联。测量电路部分包含电缆电容 Cc、放大器输入电阻 Ri、放大器输入电容 Ci。Ra 和 Ri 越大越好，以延长电荷或电压的保存时间。

定义单位力电压灵敏度 ku（单位力产生的电压）和单位力电荷灵敏度 kq（单位力产生的电荷），二者关系为 ku=kq/Ca，其中 Ca 为压电元件电容。

测量电路与频率特性

电压放大器测量电路中，前置放大器输入电压幅值 Uim 与作用力频率 ω、电阻 R 及总电容（Ca+Cc+Ci）相关。当作用力为静态力（ω=0）时，输入电压 Uim=0，电荷会通过放大器输入电阻和传感器本身漏电阻漏掉。实际上外力产生的电荷只在无泄漏情况下才能保存，即需要负载电阻（放大器输入阻抗）无穷大且内部无漏电，但这不可能，因此压电式传感器以时间常数按指数规律放电，不能用于测量静态量。压电材料在交变力作用下电荷可以不断补充，供给测量回路一定电流，故适合动态测量。

高频特性：测量电路时间常数一定时，被测量频率越高（实际只要 ω/ω1=ωτ>3），Uim 与 ω 无关，越接近理想状态，此时 Uim≈dFm/(Ca+Cc+Ci)，表明压电式传感器有很好的高频响应特性。低频特性：被测量频率愈低，放大器输入电压愈偏离理想状态，相位角误差也愈大。

压电元件的连接

单片压电元件产生的电荷量很小，通常采用两片或两片以上同规格压电元件粘结以提高输出灵敏度。从作用力角度看，压电元件是串接的，每片受到的作用力相同，产生的变形和电荷量大小也一致。

并联法：将两个压电元件的负端黏结在一起，中间插入金属电极作为负极，两边连接作为正极。与单片相比，外力作用下正负电极上电荷量增加一倍（Q'=2Q），总电容量增加一倍（Ca'=2Ca），输出电压与单片相同（U'=U）。并联法输出电荷大、本身电容大、时间常数大，适宜测量慢变信号且以电荷作为输出量的场合。

串联法：将两个压电元件的不同极性黏结在一起。外力作用下，两压电元件产生的电荷在中间黏结处正负中和，上、下极板电荷量与单片相同（Q'=Q），总电容量为单片的一半（Ca'=Ca/2），输出电压增大一倍（U'=2U）。

典型应用

压电式传感器主要用于与力相关的动态参数测试，如动态力、机械冲击、振动等，可把加速度、压力、位移、温度等非电量转换为电量。

压电式力传感器：根据压电效应直接实现力—电转换，影响转换效果的主要因素包括压电材料、变形方式、机械上串联或并联的晶片数、晶片几何尺寸和传力结构。压电元件变形方式以利用纵向压电效应的厚度变形最为方便；压电材料选择取决于待测力量值大小、测量误差要求、工作环境温度等；晶片数目通常使用机械串联、电气并联的两片压电片，因为机械串联数目过多会降低抗侧向干扰能力，机械并联片数增多会导致加工精度要求过高并给安装带来困难，而电压输出灵敏度并不增大。压电式单向测力传感器主要由石英晶片、绝缘套、电极、上盖和基座等组成，上盖为传力元件，受外力作用时产生弹性形变，将力传递到石英晶片，利用压电效应实现力—电转换。

压电式加速度传感器：主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座和外壳组成，整个部件用螺栓固定。压电元件一般由两片压电片组成，在压电片两个表面镀银并焊接输出引线，或在两片之间夹金属片焊接引线，另一根引线直接引出。

压电式交通检测：每个车道有两根相距数米的压电感应电缆平行埋在公路路面下约 5cm 处，车辆通过时碾压作用使压电式传感器输出信号，经信号处理及比对分析可得出车辆轮数、轮距、轴数、轴距、车速等信息，用于车型判断、交通流量、闯红灯及停车监控等。

适用条件与限制

压电式传感器不能测量静态量，因为静态力（ω=0）时电荷会通过电阻泄漏，输入电压为零；但高频响应好，适合动态测量。静态压力不适用（标有叉号），变化的力、力矩、压力、荷重以及加速度、冲击、振动、机械波等动态量适用。

电路的“高频”是相对于电荷泄漏截止频率而言，仍需低于机械共振和放大器有效带宽。在有限漏电的实际测量系统中，恒定力加载后的输出随时间衰减至零；这不表示压电材料在恒定应力下从未产生极化。