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第5章 压电传感器,5.1 压电效应 5.2 压电材料 5.3 等效电路与测量电路 5.4 压电传感器及其应用 思考题与习题 ,5.1 压电效应,5.1.1 石英晶体的压电效应 石英晶体具有如图5.1所示的规则的几何形状,它是一个六棱柱,两端是六棱锥。石英晶体是各向异性体,即在各个方向晶体性质是不同的。,图5.1 石英晶体,在结晶学中,将石英晶体的结构用三根互相垂直的轴来表示,其中纵向轴Z称为光轴,经过六棱柱棱线并垂直于光轴的X轴称为电轴,与X轴和Z轴同时垂直的Y轴（垂直于棱面）称为机械轴。 石英晶体的压电效应与其内部结构有关。石英晶体即二氧化硅,它的化学式为SiO2。为了直观地了解其压电效应,将一个单元中构成石英晶体的硅离子和氧离子,在垂直于Z轴的XY平面上的投影,等效为图5.2中的正六边形排列。图中代表Si 4+, 代表2O2。,当石英晶体未受外力作用时,正、负离子（即Si4+和2O2）正好分布在正六边形的顶角上,形成三个大小相等、互成120夹角的电偶极矩P1、P2和P3,如图5.2(a)所示。P=ql，q为电荷量,l为正、负电荷之间的距离。电偶极矩方向为负电荷指向正电荷。此时,正、负电荷中心重合,电偶极矩的矢量和等于零,即P1 + P2 + P3 =0。这时晶体表面不产生电荷,从整体上说它呈电中性。,图5.2 石英晶体压电效应机理示意图,当石英晶体受到沿X轴方向的压力作用时,将产生压缩变形,正、负离子的相对位置随之变动,正、负电荷中心不再重合,如图5.2(b)所示。电偶极矩在X轴方向的分量为（P1+P2+P3）X0,在X轴的正方向的晶体表面上出现正电荷；而在Y轴和Z轴方向的分量均为零,即（P1+P2+P3）Y=0,（P1+P2+P3）Z=0；在垂直于Y轴和Z轴的晶体表面上不出现电荷。这种沿X轴施加力,而在垂直于X轴的晶体表面上产生电荷的现象,称为“纵向压电效应”。,当石英晶体受到沿Y轴方向的压力作用时,晶体如图5.2(c)所示变形。电偶极矩在X轴方向的分量（P1+P2+P3）X0,在X轴的正方向的晶体表面上出现负电荷。同样,在垂直于Y轴和Z轴的晶体表面上不出现电荷。这种沿Y轴施加力,而在垂直于X轴的晶体表面上产生电荷的现象,称为“横向压电效应”。 当晶体受到沿Z轴方向的力（无论是压力或拉力）作用时,因为晶体在X方向和Y方向的变形相同,正、负电荷中心始终保持重合,电偶极矩在X、Y方向的分量等于零。所以,沿光轴方向施加力,石英晶体不会产生压电效应。 需要指出的是,上述讨论均假设晶体沿X轴和Y轴方向受到了压力。当晶体沿X轴和Y轴方向受到拉力作用时,同样有压电效应,只是电荷的极性将随之改变。石英晶片上电荷极性与受力方向的关系如图5.3所示。,图5.3 晶体切片上电荷极性与受力方向的关系 X轴方向受压力；（b） X轴方向受拉力； （c） Y轴方向受压力；（d） Y轴方向受拉力,5.1.2 压电常数 压电材料的压电常数和表面电荷,是衡量压电材料性能的重要参数。如果从石英晶体上切下一片平行六面体晶体切片（如图5.4所示）,当晶片受到X方向的作用力q11时,则在与电轴垂直的平面上产生电荷q11,它的大小为 q11 =d11F1 (5.1) 式中d11为压电常数（单位为库仑牛顿,即CN）。 q11 、d11脚标中的第一个1表示在垂直于X轴表面产生电荷,第二个1表示在X轴方向施加力。 q11的单位为库仑（C）, F1的单位为牛顿（N）。电荷q11的正、负符号由F1是压力还是拉力而定。从式（5.1）可以看出,沿电轴方向对晶片施加作用力时,切片上产生的电荷大小与切片的几何尺寸无关。,图5.4 平行六面体晶体切片,如果在同一切片上作用的力是沿着机械轴的方向,其电荷仍在与X轴垂直的平面上出现,而极性方向相反。此时电荷的大小为 (5.2) 式中：F2沿Y轴方向对晶体施加的作用力（N）； q12在F2作用下,在垂直于X轴的晶片表面上出现的电荷量（C）； l、t、w 分别为石英晶体的长度、厚度和宽度,l、t、w的单位均为米（m）。 从式（5.2）可知,沿机械轴方向对晶片施加作用力时,切片上产生的电荷大小与切片的几何尺寸有关。适当选择切片的相对尺寸（长度和厚度）,可以使电荷量增加。,图5.5 石英晶体的剪切应力示意图,顺便指出,当石英晶体分别受到剪切应力T4、T5、T6作用时,压电常数的脚标中就会出现4、5或6。T4 、 T5 、 T6分别为晶片X面（即YZ面）、Y面（即ZX面）和Z面（即XY面）上作用的如图5.5所示的剪切应力。总之,压电常数dij有两个脚标,即i和j。其中i(i=1,2,3)表示在i面上产生电荷,例如i=1, 2, 3分别表示在垂直于X、Y、Z轴的晶片表面即X、Y、Z面上产生的电荷；脚标j=1, 2, 3, 4, 5, 6, j=1, 2, 3分别表示晶体沿X、Y、Z轴方向承受单向应力,j=4, 5, 6则分别表示晶体在YZ平面、ZX平面和XY平面上承受剪切应力。,5.1.3 压电陶瓷的压电效应 压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料,它由无数细微的电畴组成。这些电畴实际上是自发极化的小区域。自发极化的方向完全是任意排列的,如图5.6（a）所示。未极化处理前,从整体来看,这些电畴无极化效应,呈电中性,不具有压电性质。 为了使压电陶瓷具有压电效应,必须进行极化处理。所谓极化处理,就是在一定温度下对压电陶瓷施加强电场（如2030kVcm直流电场）,经过23h以后,压电陶瓷就具备压电性能了。这是因为陶瓷内部的电畴的极化方向在外电场作用下都趋向于电场的方向（如图5.6(b)所示）,这个方向就是压电陶瓷的极化方向。,图5.6 钛酸钡压电陶瓷的电畴结构示意图,压电陶瓷的极化过程与铁磁材料的磁化过程极其相似。经过极化处理的压电陶瓷,在外电场去掉后,其内部仍存在着很强的剩余极化强度。当压电陶瓷受外力作用时,电畴的界限发生移动,因此剩余极化强度将发生变化,压电陶瓷就呈现出压电效应。 压电陶瓷的极化方向通常取Z轴方向,在垂直于Z轴平面上的任何直线都可取作为X轴或Y轴。对X轴和Y轴,其压电特性是等效的。压电常数dij的两个脚标中的1和2可以互换。例如,钛酸钡压电陶瓷的压电常数d33=19010-12CN,d31=d32=-0.41d33=-7810-12CN,d15=d24=25010-12CN。钛酸钡压电陶瓷除可以利用厚度变形、长度变形获得压电效应外,还可以利用体积变形获得压电效应。在测量流体静压力时,常采用体积变形方式。图5.7示出了这种BaTiO3压电陶瓷受力时的压电效应情况。,（1） 在X和Y方向上分别有d15和d24的厚度剪切压电效应,如图5.7（c）所示。 （2） 在Z方向存在有d33的纵向压电效应,如图5.7（a）所示。 (3) 在Z方向存在有d31或d32的横向压电效应,如图5.7(b)所示。 （4） 在Z方向还可得到由三向应力F1、F2、F3同时作用下产生的体积变形压电效应,如图5.7(d)所示。,图5.7 Z向极化BaTiO3的压电效应 （a） 纵向压电效应；（b）横向压电效应； （c） 剪切压电效应；（d）体积压电效应,5.2 压电材料,5.2.1 压电晶体 压电晶体的种类很多,如石英、酒石酸钾钠、电气石、磷酸铵（ADP）、硫酸锂等。其中,石英晶体是压电传感器中常用的一种性能优良的压电材料。,石英晶体在XYZ直角坐标中,沿不同方位进行切割,可得到不同的几何切型,而不同切型的晶片其压电常数、弹性常数、介电常数、温度特性等参数都不一样。石英晶体的切型很多,如xy（即X0）切型,表示晶体的厚度方向平行于X轴,晶片面与X轴垂直,不绕任何坐标轴旋转,简称X切,如图5.8(a)所示。又如yx（即Y0）切型,表示晶片的厚度方向与Y轴平行,晶片面与Y轴垂直,不绕任何坐标轴旋转,简称Y切,如图5.8（b）所示,等等。设计传感器时可根据需要,适当选择切型。,图5.8 石英晶体的切族,石英晶体的突出优点是性能非常稳定。它不需要人工极化处理,没有热释电效应,介电常数和压电常数的温度稳定性好,在常温范围内,这两个参数几乎不随温度变化。在20200 温度范围内,温度每升高1 ,压电常数仅减小0.061%,温度上升到400 , 压电常数d11也只减小5%。但当温度超过500 时,d11值急剧下降,当温度达到573 (居里点温度)时,石英晶体就完全失去压电特性。此外,它还具有自振频率高、动态响应好、机械强度高、绝缘性能好、迟滞小、重复性好、线性范围宽等优点。 石英晶体的缺点是压电常数较小,因此,它大多只在标准传感器、高精度传感器或使用温度较高的传感器中用作压电元件。 而在一般要求测量用的压电式传感器中,则基本上采用压电陶瓷。,5.2.2 压电陶瓷 压电陶瓷的特点是： 压电常数大,灵敏度高；制造工艺成熟,可通过合理配方和掺杂等人工控制方法来达到所要求的性能；成形工艺性好,成本低廉,利于广泛应用。 压电陶瓷除具有压电性外,还具有热释电性（这一特性在第2章2.5节中已进行了讨论）。 常用的一种压电陶瓷是钛酸钡,它的压电常数d33要比石英晶体的压电常数d11大几十倍,且介电常数和体电阻率也都比较高。但其温度稳定性、长时期稳定性以及机械强度都不如石英,而且工作温度最高只有80 左右。,另一种著名的压电陶瓷是锆钛酸铅（PZT）压电陶瓷,它是由钛酸铅和锆酸铅组成的固熔体。它具有很高的介电常数,工作温度可达250 ,各项机电参数随温度和时间等外界因素的变化较小。由于锆钛酸铅压电陶瓷在压电性能和温度稳定性等方面都远远优于钛酸钡压电陶瓷,因此, 它是目前最普遍使用的一种压电材料。,若按不同的用途对压电性能提出的不同要求,在锆钛酸铅材料中再添加一种或两种如铌（Nb）、锑（Sb）、锡（Sn）、锰（Mn）等微量元素,就可获得不同性能的PZT压电陶瓷。 在压电材料中,除常用的石英晶体和PZT压电陶瓷外,人工制造的铌酸锂（LiNbO3）单晶可称得上是一种性能良好的压电材料。其压电常数达8010-12CN,相对介电常数r=85。它是单晶但不是单畴结构。为得到单畴结构,需作单畴化（即极化）处理,使其具有压电效应。由于它是单晶体,所以时间稳定性比压电陶瓷的好得多。更为突出的是,它的居里点温度高达1200,最高工作温度达760,因此,用它可制成非冷却型高温压电式传感器。,5.2.3 新型压电材料 1. 压电半导体 压电半导体材料有硫化锌（ZnS）、碲化镉（CdTe）、氧化锌（ZnO）、硫化镉（CdS）、碲化锌（ZnTe）和砷化镓（GaAs）等。这些材料的显著特点是： 既有压电特性,又有半导体特性。因此,既可用其压电特性研制传感器,又可用其半导体特性制作电子器件；也可以两者结合,集敏感元件与电子线路于一体,研制新型集成压电传感器测试系统。 2. 有机高分子压电材料 某些合成高分子聚合物（如聚氟乙烯（PVF）、聚偏二氟乙烯（PVF2）、聚氯乙烯（PVC）等）,经延展拉伸和电极化后可形成具有压电性高分子的压电材料。,聚偏二氟乙烯（PVF2）是有机高分子半晶态聚合物,结晶度约50%。PVF2原料可制成薄膜、厚膜、管状和粉状等各种形状。当聚合物由150熔融状态冷却时主要生存晶型。晶型没有压电效应。若将晶型定向拉抻,则得到晶型。晶型的碳-氟偶极矩在垂直分子链取向,形成自发极化强度。再经一定的极化处理后,晶胞内部的偶极矩进一步旋转定向,形成垂直于薄膜平面的碳-氟偶极矩固定结构。当薄膜受外力作用时,剩余极化强度改变,薄膜呈现出压电效应。, PVF2压电薄膜的压电灵敏度极高,比PZT压电陶瓷大17倍,且在10-5Hz500 MHz频率范围内具有平坦的响应特性。此外,它还有机械强度高、柔软、不脆、耐冲击、易加工成大面积元件和阵列元件、价格便宜等优点。 常用压电材料的性能参数列于表5.1。,表5.1 常用压电材料的性能,5.3 等效电路与测量电路,5.3.1 等效电路 为了更进一步分析和更有效地使用压电传感器,有必要引入压电元件的等效电路。 当压电传感器的压电元件受力时,在电极表面就会出现电荷,且两个电极表面聚集的电荷量相等,极性相反。因此,可以把压电传感器看作是一个静电荷发生器,而压电元件在这一过程可以看成是一个电容器,其电容量Ca为,(5.3),式中：s压电元件电极面面积（m2）; t压电元件厚度（m）； 压电材料的介电常数（Fm）,随材料不同而异,如锆钛酸铅的r为20002400; r压电材料的相对介电常数； 0真空介电常数（0=8.8510-12Fm）。 当需要压电元件输出电荷时,可以把压电元件等效为一个电荷源与一个电容相并联的电荷等效电路，如图5.9(a)所示。在开路状态,其输出端电荷为 q=CaUa,图5.9 压电元件等效电路 （a） 电荷等效电路；（b） 电压等效电路,当需要压电元件输出电压时,可以把它等效成一个电压源与一个电容相串联的电压等效电路,如图5.9（a）所示。在开路状态,其输出端电压为 需要说明的是,上述等效电路及其输出,只有在压电元件自身理想绝缘、无泄漏、输出端开路（即其绝缘电阻Ra=RL=）条件下才成立。压电元件的输出信号非常微弱,一般要把其输出信号通过电缆送入前置放大器放大,这样,在等效电路中就必须考虑前置放大器的输入电阻Ri、输入电容Ci、电缆电容Cc以及传感器的泄漏电阻（绝缘电阻）Ra。实际的等效电路如图5.10所示。图5.10(b)为电荷等效电路,图5.10（a）为电压等效电路,这两种电路是完全等效的。,图5.10 实际等效电路,5.3.2 测量电路 1. 电压放大器 压电传感器相当于一个静电荷发生器或电容器,为了尽可能保持压电传感器的输出电压（或电荷）不变,要求电压放大器应具有很高的输入阻抗（大于1000M）和很低的输出阻抗（小于100）。 压电传感器与电压放大器连接的等效电路如图5.11所示。图5.11（b）为图5.11(a)的简化电路。 图5.11(b)中,等效电阻R为,等效电容C为 C=Cc+Ci,图5.11 压电传感器与电压放大器连接的等效电路,假设给石英晶体压电元件沿着电轴作用的交变力为F=Fm sint,则压电元件上产生的电压值为 (5.4) 而送到放大器输入端的电压为Usr,表示成复数形式为 于是前置放大器的输入电压的幅值Usrm为 ,(5.5),(5.6),输入电压与作用力之间的相位差为 由式（5.6）可以看出,当作用在压电元件上的力是静态力,即时,Usrm=0,前置放大器的输入电压等于0,这从原理上决定了压电传感器不能用于静态测量。,(5.7),由式（5.6）可以看出,当 时, ,这说明满足一定的条件后,前置放大器的输入电压近似与压电元件上的作用力的频率无关。 在回路时常数R（Ca+C）一定的条件下,作用力的频率越高,越能满足（R）2(Ca+C) 21的条件；同样,在作用力的频率一定的条件下,回路时常数越大,越能满足（R）2(Ca+C) 2.1的条件。于是,前置放大器的输入电压越接近压电传感器的实际输出电压。,需要注意的一个问题是,如果被测物理量是缓慢变化的动态量,而测量回路的时常数又不时,则必将会造成压电传感器的灵敏度下降,而且频率的变化还会使得灵敏度变化。为了扩大传感器的低频响应范围,就必须想法提高回路时常数。应当指出,不能靠增加电容量来提高时常数。如果靠增大电容量的办法来达到这一目的,势必影响到传感器的灵敏度。这是因为,若传感器的电压灵敏度定义为,(5.8),当（R）2(Ca+C) 21时,则 显而易见,当增大回路电容时,k将下降。因此,应该用增大R的办法来提高回路时常数。采用Ri很大的前置放大器就是为此目的。 由式（5.5）可以看到,压电传感器与前置放大器之间的连接电缆不能随意乱用。电缆的长度变化,将使Cc变化,从而使Usr变化,引起Usc变化,引入误差,系统就得重新进行校正。,(5.9),上述电缆问题随着固态电子器件和集成电路的迅速发展已有了新的解决办法。那就是将一种电压放大器（阻抗变换器）直接装进传感器内部,使其一体化。由于该阻抗变换器充分靠近压电元件,引线非常短,引线电容几乎为零,这就避免了长电缆对传感器灵敏度的影响。这种装入压电传感器内部的阻抗变换器电路如图5.12所示。第一级是自给栅偏压的MOS型场效应管构成的源极输出器,V3为V1和V2的有源负载。由于V2的集电极和发射极之间的动态电阻非常大,因此提高了放大器的输出电压。同时,由于电路具有很强的负反馈,所以放大器的增益非常稳定,以致几乎不受晶体管特性变化和电源波动的影响。这种一体化的石英压电传感器能直接输出高电平、低阻抗的信号（输出电压可达几伏）,因此,一般不需要再附加放大器,而用普通的同轴电缆就可以输出满足一定要求的信号。,图5.12 装入压电传感器内部的超小型阻抗变换器电路,2. 电荷放大器 电荷放大器是一个具有反馈电容Cf的高增益运算放大器。压电传感器与电荷放大器连接的等效电路如图5.13所示。,图5.13 压电传感器与电荷放大器连接的等效电路,当放大器开环增益k和输入电阻Ri、反馈电阻Rf相当大,视为开路时,放大器的输出电压Usc正比于输入电荷q。由图5.13可见 Usc =-kUsr 因为,(5.10),式中,Cf (k+1)为等效到放大器输入端的密勒电容。一般k均很大,则Cf (k+1) (Ca+Cc+Ci)，于是式（5.10）可写为 观察上式,可以发现： 电荷放大器的Usc与q成正比；电荷放大器的Usc与电缆电容Cc无关。 在电荷放大器的实际电路中,考虑到被测物理量的大小,以及后级放大器不致因输入信号太大而饱和,采用可变Cf（选择范围一般在10010000pF之间）,以便改变前置级输出的大小。另外,考虑到电容负反馈支路在直流工作时相当于开路,对电缆噪声比较敏感,放大器零漂较大,因此,为了提高放大器的工作稳定性,一般在反馈电容的两端并联一个大电阻Rf（约10101014）,以提供直流反馈。,(5.11),电荷放大器的时常数RfCf很大（105 s以上）,下限载止频率 低达310-6Hz,上限频率可高达100kHz,输入阻抗大于1012,输出阻抗小于100 。压电传感器配用电荷放大器时,低频响应比配用电压放大器要好得多,可以实现对准静态的物理量进行测量。,5.4 压电传感器及其应用,5.4.1 压电传感器中压电片的连接 在压电传感器中,压电片一般不止一片,常常采用两片（或两片以上）粘结在一起。由于压电片的电荷是有极性的,因此连接方式有两种,如图5.14所示。,图5.14 压电片的连接方式,图5.14(a)为电气上的并联连接方式,两压电片的负电荷都集中在中间负电极上,正电荷在上、下两正电极上。这种情况相当于两只电容并联,其输出电容C为单片电容C的两倍,但输出电压U等于单片电压U,极板上的电荷量q等于单片电荷量q的两倍,即 q=2q, U=U, C=2C 图5.14（b）为电气上的串联连接方式,正电荷集中在上极板,负电荷集中在下极板,在中间极板,上片产生的负电荷与下片产生的正电荷相互抵消。输出的总电荷q等于单片电荷q,输出电压U为单片电压U的两倍,总电容C为单片电容C的一半,即 q=q, U=2U, 压电片两种连接的特点及适用范围如表5.2示。,表5.2 压电片两种连接的特点及适用范围,在制作、使用压电传感器时,要使压电片有一定的预应力。这是因为压电片在加工时即使研磨得很好,也难保证接触面的绝对平坦。如果没有足够的压力,就不能保证全面的均匀接触,因此,要事先给以预应力。但这个预应力不能太大,否则将影响压电传感器的灵敏度。 压电传感器的灵敏度在出厂时作了标定,但随着使用时间的增加会有些变化,其主要原因是压电片性能有了变化。试验表明,压电陶瓷的压电常数随着使用时间的增加而减小。因此,为了保证传感器的测量精度,最好每隔半年进行一次灵敏度校正。石英晶体的长期稳定性很好,灵敏度基本上不变化,无需经常校正。,5.4.2 压电式力传感器 压电式力传感器按其用途和压电元件的组成可分为单向力、双向力和三向力传感器。它可以测量几百至几万牛顿的动态力。 1. 单向力传感器 一种用于机床动态切削力测量的单向压电石英力传感器的结构如图5.15所示。压电元件采用xy（即X0）切型石英晶体,利用其纵向压电效应,通过d11实现力-电转换。上盖为传力元件,其弹性变形部分的厚度较薄（其厚度由测力大小决定）,聚四氟乙烯绝缘套用来绝缘和定位。这种结构的单向力传感器体积小,重量轻（仅10g）,固有频率高（约5060 kHz）,最大可测5000N的动态力,分辨率达10-3N。,图5.15 单向压电石英力传感器的结构,图5.16 双向压电石英力传感器的结构,2. 双向力传感器 双向力传感器基本上有两种组合： 其一是测量垂直分力与切向分力,即Fz与Fx（或Fy）；其二是测量互相垂直的两个切向分力,即Fx与Fy 。无论哪一种组合,传感器的结构形式相似。图5.16所示为双向压电石英力传感器的结构。两组石英晶片分别测量两个分力。下面一组（两片）采用xy(X0)切型,通过d11实现力-电转换,测量轴向力Fz ；上面一组（两片）采用yx（即Y0）切型,晶片的厚度方向为Y轴方向,在平行于X轴的剪切应力T6（在XY平面内）的作用下,产生厚度剪切变形。所谓厚度剪切变形,是指晶体受剪切应力的面与产生电荷的面不共面,如图5.17所示。这一组石英晶片通过d26实现力-电转换,测量Fx。,图5.17 厚度剪切的yx(Y0)切型,3. 三向力传感器 三向力传感器的结构如图5.18所示。它可以对空间任一个或三个力同时进行测量。传感器有三组石英晶片,三组输出的极性相同。其中一组根据厚度变形的纵向压电效应,即通过d11产生X方向的纵向压电效应,选择xy（即X0）切型晶片,通过d11实现力-电转换,测量轴向力Fz；另外两组采用厚度剪切变形的yx(即Y0)切型晶片,通过压电常数d26实现力-电转换,这两组相同切型的石英晶片通过一定的安装工艺,使其分别感受Fx和Fy。,图5.18 三向压电石英力传感器的结构,5.4.3 压电式压力传感器 压电式压力传感器的种类很多,这里着重介绍常用的膜片式压电压力传感器。其结构如图5.19所示。为了保证传感器具有良好的长时间稳定性和线性度,而且能在较高的环境温度下正常工作,压电元件采用两片xy(X0)切型的石英晶片。这两片晶片在电气上采取并联连接。作用到膜片上的压力通过传力块施加到石英晶片上,使晶片产生厚度变形。为了保证在压力（尤其是高压力）作用下,石英晶片的变形量（约零点几到几微米）不受损失,传感器的壳体及后座（即芯体）的刚度要大。从弹性波的传递考虑,要求通过传力块及导电片的作用力快速而无损耗地传递到压电元件上,为此传力块及导电片应采用高音速材料,如不锈钢等。,图5.19 膜片式压电压力传感器,两片石英晶片输出的总电荷量q为 q=2d11SP (5.12) 式中：d11石英晶体的压电常数； S膜片的有效面积； P压力。 这种结构的压力传感器的优点是有较高的灵敏度和分辨率,而且有利于小型化。缺点是压电元件的预压缩应力是通过拧紧芯体施加的。这将很可能使膜片产生弯曲变形,造成传感器的线性度和动态性能变坏。另外,当膜片受环境温度影响而发生变形时,压电元件的预压缩应力将会发生变化,给输出带来误差。,为了克服压电元件在预载过程中引起膜片的变形,采取了预紧筒加载结构,如图5.20所示。预紧筒是一个薄臂厚底的金属圆筒。通过拉紧预紧筒对石英晶片组施加预压缩应力。这种传感器在制造时,在加载状态下,用电子束焊将预紧筒与芯体焊成一体。感受压力的薄膜片是后来焊接到壳体上去的,它不会在压电元件的预加载过程中发生变形。,图5.20 预紧筒加载的压电式,5.4.4 压电式加速度传感器 1. 工作原理 我们以压缩型压电式加速度传感器为例来说明其工作原理。图5.21为这种传感器的结构原理图。压电元件一般由两块压电片（石英晶片或压电陶瓷片）串联或并联组成。在压电片的两个表面上镀银,并在银层上焊接输出引线,或在两压电片之间夹一片金属薄片,引线焊接在金属薄片上。输出端的另一根引线直接与传感器基座相连。质量块放置在压电片上,它一般采用比重较大的金属钨或高比重合金制成,以保证质量且减小体积。为了消除质量块与压电元件之间、压电元件自身之间因加工粗糙造成的接触不良而引起的非线性误差,并保证传感器在交变力的作用下正常工作,装配时须对压电元件施加预压缩载荷。,图5.21中所示,就是利用硬弹簧对压电元件施加预压缩载荷的。也可以通过螺栓、螺帽等对压电元件预加载荷。静态预载荷的大小应远大于传感器在振动、冲击测试中可能承受的最大动应力。只有这样,当压电片受力上移时,质量块产生的惯性力会使压电元件上的压应力增加；反之,当压电片受力下移时,质量块产生的惯性力会使压电元件上的压应力减小。 传感器的整个组件装在一个厚基座上,并用金属壳体加以封罩。为了防止试件的其它不需要应变传递到压电元件上去,避免由此产生的假信号,一般要加厚基座或选用刚度较大的材料来制造,如钛合金、不锈钢等。 ,图5.21 压缩型压电式加速度传感器的结构原理图,测量时,将传感器基座与试件刚性固定在一起。当传感器承受振动时,由于弹簧的刚度相当大,而质量块的质量相对较小,可以认为质量块的惯性很小。因此,质量块感受与传感器基座（或试件）相同的振动,并受到与加速度方向相反的惯性力的作用。这样,质量块就有一正比于加速度的交变力作用在压电元件上。压电元件具有压电效应,在它的两个表面上即产生交变电荷（或电压）。当试件的振动频率远低于传感器的固有频率时,传感器的输出电荷（或电压）与作用力成正比,亦即与试件的加速度成正比。经专用放大器（电压放大器或电荷放大器）放大后即可测出试件的加速度。,2. 灵敏度 为了衡量压电式加速度传感器性能的优劣,通常引出灵敏度的概念。 压电式加速度传感器的灵敏度是指传感器的输出电量（电荷或电压）与输入量（加速度）的比值。 灵敏度有两种表示法：当传感器与电荷放大器配合使用时,用电荷灵敏度Kq表示；与电压放大器配合使用时,则用电压灵敏度Ku表示。其表达式如下：,式中：q压电传感器输出电荷量（C）； Ua传感器的开路电压（V）； a被测加速度（ms2）。 因为Ua=,所以,电荷灵敏度与电压灵敏度之间存在如下关系： Kq=KuCa 还要说明,以上是按压电元件的理想等效电路求得的,实际上还应考虑放大器的输入电容Ci、连接电缆的分布电容Cc等的影响。 ,3. 结构类型 1) 压缩型 所谓压缩,就是通过拧紧质量块对压电片施加预压缩力。 图5.22所示为BAJ-5压缩型加速度传感器。压电片2放置在基座1上,上面为质量块4,用弹簧片6把压电片压紧,当壳体5拧紧时弹簧片6就使压电片产生一个预压力。当待测物振动时,由于传感器固接于待测物上,因而也受到同样的振动。此时,惯性质量产生一个与加速度成正比的惯性力F作用在压电片上,因而产生了电荷q。已知压电陶瓷元件受外力作用后表面上产生的电荷q=d33F,又F=ma(m是质量块的质量,在传感器中是一个常数),所以F与所测加速度a成正比。这样传感器产生的电荷q与所测加速度a成正比,从而可以用电荷量q来表示所测振动体的加速度a。,图5.22 BAJ-5压缩型加速度传感器,因为传感器压电片电容Ca不变,因此也可以用电压 来表示所测的加速度值。压电片产生的电荷（或电压）由导电片3通过导线引至前置放大器,传感器用基座下端面的螺孔与待测物固定,并用插头7引向测量电路。这个传感器中的压电片采用锆钛酸铅。 2） 剪切型 剪切型加速度传感器是利用压电元件受剪切应力而产生压电效应的。 剪切压电效应以压电陶瓷为佳,且理论上不受横向应变等干扰和无热释电输出。因此,剪切型压电传感器多采用极化压电陶瓷作为压电转换元件。图5.23示出了几种典型的剪切型压电加速度传感器结构。,图5.23 剪切型压电加速度传感器的结构 （a） 中空圆柱形及它的柱状压电陶瓷两种极化方案； （b） 扁环形；（c）H形；（d） 三角形（横截面俯视）,图5.23(a)为中空圆柱形结构,它的柱状压电陶瓷可取两种极化方案,如图右方所示： 一是取轴向极化,呈现d24剪切压电效应,电荷从内、外表面引出；一是取径向极化,呈现d15剪切压电效应,电荷从上、下端面引出。剪切型结构简单,灵敏度高。但由于压电陶瓷与中心柱之间,以及惯性质量环与压电陶瓷之间要用环氧树脂胶粘结,要求一次装配成功,有一定难度,另外由于胶的使用,使其使用温度被限制在-55260范围。 ,图5.23(b)为扁环形结构。它除具有上述中空圆柱形结构的优点外,还可当作垫圈一样在有限的空间使用。 图5.23(d)为三角剪切式新颖结构。它由基座、质量块、预紧环等组成。三块压电片和质量块呈等三角空间分布,由预紧环固紧在三角中心柱上,取消了胶的粘结,扩大了使用温度范围,改善了线性度。但零件的加工精度要求高,装配也较困难。 图5.23(c)为H形结构。左、右压电元件通过横螺栓固紧在中心立柱上,并形成预紧力。它综合了上述各种剪切式结构的优点,具有更好的静态特性,更高的信噪比和宽的高低频特性,装配也较方便。,3） 复合型 复合型加速度传感器泛指那些具有组合结构、组合一体化或高分子聚合物材料的压电传感器。 如民用方面,对洗衣机滚筒的不平衡、关门时的冲击、车辆与障碍物之间的碰撞等的检测,就需要价廉、简单的加速度传感器。用PVF2高分子聚合物材料制作的压电薄膜加速度传感器能解决这些方面的测量问题。这种传感器的结构如图5.24所示。它由支架1夹持一片PVF2压电薄膜2构成,薄膜中央有一圆柱状物3作为质量块,敏感上下方向的加速度,并转换成相应的惯性力作用于薄膜,产生电荷,由电极4输出。国外采用d=510-12 CN的PVF2已研制成=2mm, t=30m,L1L2=0.51cm2的小型高灵敏加速度传感器。,图5.24 压电薄膜加速度传感器的结构,利用先进的集成工艺技术已经研制出了完全集成化的压电加速度传感器。图5.25所示就是一个典型的组合一体化压电加速度传感器的结构。,图5.25 组合一体化压电加速度传感器的结构,5.4.5 应用举例 1. 振动的监控、检测 振动的监控、检测是压电传感器应用的典型。众所周知,振动存在于所有具有动力设备的各种工程或装置中,并成为这些工程设备的工作故障源以及工作情况监测信号源。目前,对这种振动的监控、检测,多数采用压电加速度传感器。图5.26为发电厂汽轮发电机工作情况（振动）监测系统工作示意图。众多的压电加速度传感器分布在轴承等高速旋转的要害部位,并用螺栓刚性固定在振动体上。假如使用我们前面介绍过的压缩型加速度传感器,则当传感器受振动体的振动加速度时,质量块产生的惯性力F作用于压电元件上,从而产生电荷q输出。通常,这种传感器输出q与输入加速度成正比,因此,就不难求出加速度a。,图5.26 汽轮发电机工况监测系统,传感器的电荷灵敏度为 式中： d为压电常数；a为被测加速度；m为传感器中质量块的质量。 由这个公式可见,通过选用较大的m和d就能提高灵敏度。但质量增大将引起传感器固有频率下降,频宽减小,且体积、重量增加。通常多采用较大压电常数的材料或多个