压电式力传感器

结构与力电转换原理

压电式单向测力传感器主要由石英晶片、电极、绝缘套、上盖和基座组成。上盖为传力元件，当受外力作用时产生弹性形变，将力传递到石英晶片上。石英晶片利用纵向压电效应实现力—电转换：晶片厚度方向为 x 轴（电轴），被测力沿 x 轴作用于晶片，在垂直于 x 轴的表面上产生电荷，电荷量 Q 与作用力 F 成正比，即 Q = d11 F，其中 d11 为石英的纵向压电系数（单位 C/N），F 为沿电轴方向的作用力（单位 N）。

晶片配置与电极连接

传感器采用两片石英晶片，沿电轴方向并联叠加。两晶片在电轴方向的极性相同侧相连，负电荷由电极输出，正电荷一侧与基座连接。并联连接使输出电荷为单片的两倍（Q' = 2Q），总电容为单片的两倍（C' = 2C），输出电压与单片相同（U' = U）。这种配置提高了电荷输出灵敏度，适用于以电荷为输出信号的测量电路。

结构关系与绝缘

绝缘套用于绝缘和定位，以减小电荷泄漏、提高绝缘阻抗；有限绝缘电阻下泄漏不能完全避免，电荷仍会按时间常数逐渐释放。基座内外底面对其中心线的垂直度、上盖以及晶片、电极的上下底面的平行度与表面光洁度都有极严格的要求，以保证力均匀传递和测量精度。

性能特点与适用范围

教材所举该型压电式单向测力传感器的性能参数为：测力范围 0~50 N，最小分辨率 0.01 N；绝缘阻抗为 2×10^14 Ω；固有频率约 50~60 kHz；非线性误差小于 ±1%。这些数值是该示例器件的指标，不是压电式力传感器类别的通用性能。由于压电元件不能测量零频率信号，该传感器适用于动态力测量，典型应用为机床动态切削力的测量。