压电式传感器

关于压电式传感器5.1 压电式传感器的工作原理一、压电效应

二、压电材料

三、石英晶体的压电机理

四、压电陶瓷的压电机理

第2页,共53页，2024年2月25日，星期天一、压电效应

当某些物质沿其某一方向施加压力或拉力时，会产生变形，此时这种材料的两个表面将产生符号相反的电荷。当去掉外力后，它又重新回到不带电状态，这种现象被称为压电效应。把这种机械能转变为电能的现象，称为“顺压电效应”。反之，在某些物质的极化方向上施加电场（加电压）

，它会产生机械变形，当去掉外加电场后，该物质的变形随之消失，把这种电能转变为机械能的现象，称为“逆压电效应”。

第3页,共53页，2024年2月25日，星期天压电材料的压电特性常用压电方程来描述：

qi=dij

j

或Q=dijF

dij—压电常数（C／N），（i=1，2，3，j=1，2，3，4，5，6）；q—电荷的表面密度（C／cm2），

—单位面积上的作用力，即应力（N／cm2）；Q—总电荷量（C），

F—作用力（N）。i—晶体的极化方向。当产生电荷的表面垂于x轴（y轴或z轴）时，记为i=1（2或3）。j=1，2，3，4，5，6分别表示沿x轴、y轴、z轴方向的单向应力和在垂直于x轴、y轴、z轴的平面（即yz平面、zx平面、xy平面）内作用的剪切力。第4页,共53页，2024年2月25日，星期天

单向应力的符号规定拉应力为正，压应力为负；剪切力的符号用右螺旋定则确定。图中表示了它们的方向。另外，还需要对因逆压电效应在晶体内产生的电场方向也作一规定，以确定dij的符号。当电场方向指向晶轴的正向时为正，反之为负。压电材料的压电特性可用它的压电常数矩阵表示：第5页,共53页，2024年2月25日，星期天二、压电材料

具有压电效应的电介物质称为压电材料。在自然界中，大多数晶体都具有压电效应，然而大多数晶体的压电效应都十分微弱。石英晶体及钛酸钡、锆钛酸铅等人造压电陶瓷是性能优良的压电材料。

第6页,共53页，2024年2月25日，星期天

压电晶体（单晶）：它包括压电石英晶体和其它压电单晶；压电陶瓷（多晶体）：也称多晶半导瓷，为极化处理的多晶体；新型压电材料：有压电半导体和有机高分子压电材料两种。目前普遍应用的是压电单晶中的石英晶体和压电陶瓷中的钛酸钡、锆钛酸铅、铌酸盐系压电陶瓷。

⑴

压电晶体

⑵压电陶瓷

⑶新型压电材料

压电材料可以分为三大类第7页,共53页，2024年2月25日，星期天⑴压电晶体①

石英晶体：俗称水晶，化学成分为SiO2，有天然和人工之分。目前传感器中使用的均是以居里点为573℃、晶体结构为六角晶系的α－石英。

石英晶体的外形（a）天然石英晶体；（b）人工石英晶体；（c）右旋石英晶体的理想外形m－柱面R－大棱面r－小棱面s－棱界面x－棱角面第8页,共53页，2024年2月25日，星期天第9页,共53页，2024年2月25日，星期天ⅰ.

压电常数小（压电系数d11＝2.31×10-12C／N），其时间和温度稳定性极好，常温下几乎不变，在20~200℃内其温度变化率约为

2.15106/℃；ⅱ.

机械强度和品质因数高，许用应力高达（6.8~9.8）×107Pa。且刚度大，能承受700~1000kg／cm2的压力。固有频率高且十分稳定，动态特性好；ⅲ.

居里点573℃，无热释电性，且绝缘性、重复性均好。所以石英是理想的压电传感器的压电材料。天然石英的上述性能尤佳，因此它们常用于精度和稳定性要求高的场合和制作标准传感器。②

除了天然和人造石英压电材料外，还有水溶性压电晶体，属于单斜晶系。例如酒石酸钾钠（NaKC4H4O6·4H2O）、酒石酸乙烯二铵（C6H4N2O6）等，还有正方晶系如磷酸二氢钾（KH2PO4）、磷酸二氢氨（NH4H2PO4）等等。

石英晶体的主要性能特点：第10页,共53页，2024年2月25日，星期天⑵压电陶瓷

压电陶瓷是人造多晶系压电材料。常用的压电陶瓷有钛酸钡（BaTiO3）、锆钛酸铅（PbTiO3－PbZrO3）（PZT）、铌酸盐系压电陶瓷。它们的压电常数比石英晶体高，如钛酸钡压电系数d33＝190×10-12C／N，但介电常数、机械性能不如石英好。由于它们品种多，性能各异，可根据它们各自的特点制作各种不同的压电传感器。

压电陶瓷元件

第11页,共53页，2024年2月25日，星期天

压电陶瓷具有明显的热释电效应。

热释电效应：某些晶体除了由于机械应力的作用而引起的电极化（压电效应）之外，还可由于温度变化而产生电极化。

用热释电系数来表示该效应的强弱，它是指温度每变化1℃时，在单位质量晶体表面上产生的电荷密度大小，单位为

C/（m2·g·℃）。如果把BaTiO3作为单元系压电陶瓷的代表，则锆钛酸铅（Pb（Ti,Zr）O3

，PZT）就是二元系的代表，它是1955年以来压电陶瓷之王。在压电陶瓷的研究中，研究者在二元系的锆钛酸铅中进一步添加另一种成分组成三元系压电陶瓷，其中镁铌酸铅Pb（Mg1/3Nb2/3）O3与PbTiO3和PbZrO3所组成的三元系获得了更好的压电性能，d33=（800~900）×10-12C/N和较高的居里点，前景非常诱人。第12页,共53页，2024年2月25日，星期天⑶新型压电材料

①压电半导体

1963年以来出现了多种压电半导体，如硫化锌（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即有压电特性，又具有半导体特性。因此，即可用其压电性研制传感器，又可用其半导体性制作电子器件；也可以二者结合，集元件与线路于一体，研制成新型压电集成传感器测试系统。第13页,共53页，2024年2月25日，星期天②有机高分子压电材料

其一，是某些合成高分子聚合物，经延展拉伸和电极化后具有压电性的高分子压电薄膜，如聚氟乙烯（PVF），聚偏氟乙烯（PVF2）、聚氯乙烯（PVC）、聚γ甲基－L谷氨酸脂（PMC）和尼龙11等。这些材料的独特优点是质轻柔软，抗拉强度高，蠕变小，耐冲击，体电阻达162Ω·m，击穿强度为150~200kV/mm，声阻抗近于水和生物体含水组织，热释电性和热稳定性好，且便于批量生产和大面积使用，可制成大面积阵列传感器乃至人工皮肤。其二，是高分子化合物中掺杂压电陶瓷（锆钛酸铅或钛酸钡)粉末制成的高分子压电薄膜。这种复合压电材料同样保持了高分子压电薄膜的柔软性，而且还具有较高的压电性和机电耦合系数。第14页,共53页，2024年2月25日，星期天三、石英晶体的压电机理

石英晶体是单晶体结构，属六角晶系，其形状为六角形晶柱，两端呈六棱锥形状。共有30个晶面，其中六个m面（或称柱面），六个R面（或称大棱面），六个r面（或称小棱面），还有六个s面（棱界面）和六个x面（棱角面）。天然和人造石英的外形虽有不同，但是两个晶面之间的夹角是相同的。

石英晶体各个方向的特性是不同的。在三维直角坐标系中光轴：

z轴是晶体的对称轴，此轴可用光学方法确定，光线沿z轴通过晶体，不产生双折射现象，因而以它作为基准轴，故称为光轴（中性轴）；

电轴：

经过六棱柱棱线垂直于光轴z的x轴，此轴上的压电效应最强，故称为电轴，共有三个；

机械轴：

垂直于光轴z和电轴x的y轴，在电场作用下沿该轴方向的机械变形最明显，故称为机械轴（力轴），共有三个。第15页,共53页，2024年2月25日，星期天

当在电轴x方向施加作用力Fx时，在与电轴（x）垂直的平面上将产生电荷Qx，其大小为d11——x轴方向受力的压电系数；（d11=±2.31×10-12C/N，对右旋石英晶体，受压时取+，受拉时取-）若在同一切片上，沿机械轴y方向施加作用力Fy，则仍在与x轴垂直的平面上将产生电荷Qy，其大小为

为了利用石英的压电效应进行力－电转换，需将晶体沿一定方向切割成晶片。适于各种不同应用的切割方法很多，最常用的就是X切型（如图所示）和Y

切型。第16页,共53页，2024年2月25日，星期天d12——y

轴方向受力的压电系数，因石英轴对称，所以d12=－d11；

l，h——晶体片的长度和厚度。电荷Qx和Qy的符号由受压力还是拉力决定。

Qx的大小与晶体片几何尺寸无关，而Qy则与晶体片几何尺寸有关。

上，形成3个大小相等，互成120º夹角的电偶极矩P1、P2和P3（矢量）。P＝ql，q为电荷量，l为正、负电荷之间距离。方向从负电荷指向正电荷。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，电荷平衡，所以晶体表面不产生电荷，即呈中性。

为了直观地了解石英晶体压电效应和各向异性的原因，将一个单元组体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，等效为图中的正六边形排列。图中“⊕”代表Si4+离子，“⊖”代表氧离子2O2－。

当石英晶体未受外力作用时（不产生形变），带有4个正电荷的硅离子和带有2×2个负电荷的氧离子在xy平面上的投影正好分布在正六边形的顶角第17页,共53页，2024年2月25日，星期天

当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时（厚度变形），将产生如图b所示压缩变形，正、负离子的相时位置随之变动，正、负电荷中心不再重合。硅离子（1）被挤入氧离子（2）和（6）之间，氧离子（4）被挤入硅离子（3）和（5）之间，电偶极矩在x轴方向的分量（P1＋P2＋P3）x>0，（P1＋P2＋P3）y=0，（P1＋P2＋P3）z=0，结果在x轴负向呈负电荷，在x轴正向呈正电荷；如果在

x轴方向施加拉力（长度变形），如图c所示。结果与之相反，在x轴正向呈负电荷，在x轴负向呈正电荷。

这种沿x轴施加力，而在垂直于x轴晶面上产生电荷的现象，称为“纵向压电效应”。第18页,共53页，2024年2月25日，星期天

当石英晶体受到沿y

轴方向的压力作用时（长度变形），晶体产生如图c所示变形。电偶极矩在x轴方向的分量（P1＋P2＋P3）x<0，（P1＋P2＋P3）y=0，（P1＋P2＋P3）z=0，即硅离子（3）和氧离子（2）以及硅离子（5）和氧离子（6）都向内移动同样数值；硅离子（1）和氧离子（4）向x轴方向扩伸，所以y轴方向上不带电荷，而在x轴正向呈负电荷，在x轴负向呈正电荷。如果在y轴方向施加拉力，如图b所示，结果在x轴负向呈负电荷，在x轴正向呈正电荷。

这种沿y轴施加力，而在垂直于x轴的晶面上产生电荷的现象，称为“横向压电效应”。

第19页,共53页，2024年2月25日，星期天

当石英晶体在z轴方向受力作用时，由于硅离子和氧离子是对称平移，正、负电荷中心始终保持重合，电偶极矩在x，y方向的分量为零。所以表面无电荷出现，因而沿光轴z方向施加力，石英晶体不产生压电效应。图（a）是在x轴方向受压力，图（b）是在x轴方向受拉力、图（c）是在y轴方向受压力，图（d）是在y轴方向受拉力。（a）（d）、（b）（c）电荷方向相同，但意义并不一样。

此外，石英晶体除了纵向、横向压电效应外，在切向应力作用下也会产生电荷。第20页,共53页，2024年2月25日，星期天四、压电陶瓷的压电机理

1.压电效应压电陶瓷是人工多晶体压电材料。

压电陶瓷在没有极化之前不具有压电效应，是非压电体；经过极化处理后具有压电效应，压电常数大，一般为石英晶体的几百倍。压电陶瓷的极化方向规定为Z轴；垂直于极化方向（Z轴）的平面内，任意选择一正交轴系为X轴和Y轴。极化压电陶瓷的平面是各向同性的，因此它的X轴和Y轴是可以互易的，对于压电常数，d32=d31。当受到沿极化方向的作用力时（图a），极化面上分别出现正、负电荷，

当受到（图b）所示的横向均匀分布的作用力时，极化面上分别出现正、负电荷，方向不同d33—压电陶瓷的纵向压电常数。Sx：极化面的面积Sy：受力面的面积第21页,共53页，2024年2月25日，星期天

压电陶瓷是人工多晶体（无数微细的单晶组成），它的压电机理与石英晶体不同。压电陶瓷材料内的晶粒有许多自发极化的电畴。极化处理以前，各电畴任意方向无序排列，自发极化的作用相互抵消，陶瓷内极化强度为零。此时压电陶瓷呈电中性，不具有压电性质。

在陶瓷上施加外电场（20～30kV／cm）时，电畴自发极化方向转到与外加电场方向一致，从而使材料得到极化，此时压电陶瓷具有一定极化强度。当（2～3h后）外电场撤销，各电畴的自发极化在一定程度上按原外加电场方向取向，陶瓷极化强度并不立即恢复到零，存在剩余极化强度。同时陶瓷片极化的两端出现束缚电荷，一端为正，另一端为负。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的极化两端面很快吸附一层来自外界的自由电荷，自由电荷与束缚电荷数值相等、极性相反，因此陶瓷片对外不呈现极性。2.压电机理

未极化正在极化极化后第22页,共53页，2024年2月25日，星期天

如果在压电陶瓷片上加一个与极化方向平行的外力（压力），陶瓷片产生压缩变形，片内的束缚电荷之间距离变小，电踌发生偏转，极化强度变小，束缚电荷减少。因此吸附在其表面的自由电荷，有一部分被释放而呈现放电现象。当撤销压力时，陶瓷片恢复原状，片内的束缚电荷之间距离变大，极化强度增大，因此又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。这种因受力而产生的机械效应转变为电效应，将机械能转变为电能，就是压电陶瓷的正压电效应。放电电荷的多少与外力成正比例关系。即式中d33——压电陶瓷的压电系数；

F——作用力。第23页,共53页，2024年2月25日，星期天主要特性：

（1）机-电转换性能：应具有较大的压电常数d。（2）机械性能：压电元件作为受力元件，希望它的强度高，刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。（3）电性能：希望具有高的电阻率和大的介电常数，以期减弱外部分布电容的影响和减小电荷泄漏并获得良好的低频特性。（4）温度和湿度稳定性良好，具有较高的居里点，以期得到较宽的工作温度范围。（5）时间稳定性：压电特性不随时间蜕变。居里点：压电材料开始丧失压电性的温度。5.2压电材料的主要特性第24页,共53页，2024年2月25日，星期天5.3 压电元件常用的结构形式一、压电元件的基本变形（a）厚度变形；（b）长度变形；（c）面剪切变形；（d）厚度剪切变形；（e）体积变形

石英：对能量转换有意义的石英晶体变形方式有以下几种：第25页,共53页，2024年2月25日，星期天2.长度变形（LE方式）：这是石英晶体的横向压电效应，表面电荷密度或电荷为或其中，Sx，Sy分别为产生电荷面和受力面面积。1.厚度变形（TE方式）：这种变形方式就是石英晶体的纵向压电效应，产生的表面电荷密度或表面电荷为或

3.面剪切变形（FS方式）：计算公式为（对Y切晶片）

（对X切晶片）或第26页,共53页，2024年2月25日，星期天4.厚度剪切变形（TS方式）：计算公式为（对Y切晶片）5.弯曲变形（BS方式）：它不是基本变形方式，而是拉、压、切应力共同作用的结果。应根据具体情况选择合适的压电常数。6.体积变形（VE方式）：对于BaTiO3压电陶瓷，除长度变形方式（用d31）、厚度变形方式（用d33）和面剪切变形方式（用d15）以外，还有体积变形方式可以利用。这时产生的表面电荷密度按下式计算由于此时

x=

y=

z=

，同时对BaTiO3压电陶瓷有d31=d32，则式中，dV=2d31+d33为体积压缩的压电常数。这种变形方式可以用来进行液体或气体压力的测量。第27页,共53页，2024年2月25日，星期天

由于外力作用而使压电材料上产生电荷，该电荷只有在无泄漏的情况下才会长期保存，因此需要测量电路具有无限大的输入阻抗，而实际上这是不可能的。所以压电二、压电元件的结构形式传感器不宜作静态测量，只能在其上加交变力，电荷才能不断得到补充，可以供给测量电路一定的电流，故压电传感器只宜作动态测量。

由于要使单压电晶片表面产生足够的表面电荷需要很大的作用力，所以在实际使用中常把两片或两片以上的压电片组合在一起。图中给出了几种结构原理图。第28页,共53页，2024年2月25日，星期天

制作压电传感器时，可采用两片或两片以上具有相同性能的压电晶片粘贴在一起使用。由于压电晶片有电荷极性，因此接法有并联和串联两种。（a）并联

（b）串联

并联连接式压电传感器的输出电容和极板上的电荷分别为单块晶体片的2倍，而输出电压与单片上的电压相等。即

串联时，输出总电荷Q等于单片上的电荷，输出电压为单片电压的2倍，总电容应为单片的1/2。即第29页,共53页，2024年2月25日，星期天

并联接法虽然输出电荷大，但由于本身电容亦大，故时间常数大，只适宜测量慢变化信号，并以电荷作为输出的情况。串联接法输出电压高，本身电容小，适宜用于以电压作为输出信号、且测量电路输入阻抗很高的情况。

压电传感器的灵敏度在出厂时已作了标定，但随着使用时间的增加会有些变化，主要原因是性能发生了变化。实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。灵敏度不变，无需校正。

在制作和使用压电传感器时，要使压电元件有一定的预应力，以保证在作用力变化时，压电元件始终受到压力；其次是保证压电元件与作用力之间的全面均匀接触，获得输出电压（或电荷）与作用力的线性关系。这是因为压电晶片在加工时即使磨得很光滑，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，因此事先要给晶片一定的预应力，但该预应力不能太大，否则将影响压电传感器的灵敏度。第30页,共53页，2024年2月25日，星期天

当压电晶体片受力时，在晶体片的两表面上聚集等量的正、负电荷，晶体片的两表面相当于一个电容的两个极板，两极板间的物质等效于一种介质，因此压电片相当于一只平行板介质电容器。其电容量为

S——极板面积（压电片面积）；

h——压电片厚度；

r——压电材料的相对介电常数；

0——真空介电常数，

0＝8.85×10

12F/m。一、压电式传感器的等效电路5.4压电式传感器的信号调理电路第31页,共53页，2024年2月25日，星期天

对此式可用两种电路来等效压电式传感器：

电压等效电路：一个电压源与一个电容Ca串联构成，此电路输出为电压源

两极板间的开路电压为

只有在外电路负载无穷大，且内部无漏电时，受力产生的电压U才能长期保持不变；如果负载不是无穷大，则电路就要以时间常数RLCa按指数规律放电。

电荷等效电路：电荷源与一个电容Ca并联构成，此电路输出为

此时，该电路被视为一个电荷发生器。电荷源

第32页,共53页，2024年2月25日，星期天

压电传感器在实际使用时要与测量仪器或测量电路相连接，因此还必须考虑连接电缆的等效电容Cc

，放大器的输入电阻Ri和输入电容Ci，以及压电式传感器的泄漏电阻Ra

，这样压电式传感器在测量系统中的等效电路就应如图所示。压电式传感器的灵敏度有两种表示方式：

电压灵敏度：Ku=U／F，它表示单位力所产生的电压；电荷灵敏度：Kq=Q／F，它表示单位力所产生的电荷。它们之间的关系是电压源等效电路

电荷源等效电路

第33页,共53页，2024年2月25日，星期天二、压电式传感器的信号调理电路

压电元件实际上可以等效为一个电容器，因此，它也存在着与电容传感器相同的问题，即具有高内阻（Ra≥1010Ω）和小功率的问题，对于这些问题可以使用转换电路来解决。为了保证压电传感器的测量误差小到一定程度，则要求负载电阻RL要大到一定数值，才能使晶体片上的漏电流相应变小，因此在压电传感器输出端要接入一个输入阻抗很高的前置放大器，然后再接入一般的放大器。其目的：一是放大传感器输出的微弱信号，二是将它的高阻抗输出变换成低阻抗输出。根据前面的等效电路，压电传感器的输出可以是电压，也可以是电荷，因此前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。1.电压放大器

2.电荷放大器

第34页,共53页，2024年2月25日，星期天

设R为Ra和Ri并联等效电阻，C为Cc

和Ci并联等效电容，则1.电压放大器（阻抗变换器）压电传感器的开路电压，若压电元件沿电轴方向施加交变力，则产生的电荷和电压均按正弦规律变化，压电元件上产生的电荷量为d——压电元件所用压电材料的压电系数。其电压为电压的幅值

送到放大器输入端的电压为第35页,共53页，2024年2月25日，星期天因此，前置放大器的输入电压的幅值输入电压和作用力之间的相位差

在理想情况下，传感器的绝缘电阻Ra

和前置放大器的输入电阻Ri

都为无限大，即ωR(Ca+Cc+Ci)>>1，也无电荷泄漏。那么，在理想情况下，前置放大器的理想输入电压的幅值第36页,共53页，2024年2月25日，星期天它与实际输入电压Uim之幅值比为得到电压幅值比和相角与频率比的关系曲线。当作用于压电元件上的力为静态力（ω=0）时，则前置放大器的输入电压等于0。因为电荷会通过放大器输入电阻和传感器本身的漏电阻漏掉，所以压电传感器不能用于静态测量。

当3＞

/

n＞1，即3＞

τ＞1时，前置放大器输入电压Uim

随频率变化不大，当

/

n

3时，可近似认为输入电压与作用力的频率无关。这说明压电传感器的高频响应比较好，所以它用于高频交变力的测量，相当理想。测量电路的时间常数令

n=1/τ=1/R(Ca+Cc+Ci)第37页,共53页，2024年2月25日，星期天

图a给出了一个电压放大器的具体电路。它具有很高的输入阻抗（≫1000MΩ）和很低的输出阻抗（＜100Ω），增益为0.96，频率范围为2~100kHz，因此使用该阻抗变换器可将高内阻的压电传感器与一般放大器匹配。图b是由运算放大器构成的电压比例放大器。该电路输入阻抗极高，输出电阻很小，是一种比较理想的石英晶体的电压放大器。

(a)(b)第38页,共53页，2024年2月25日，星期天2.电荷放大器

电荷放大器是一个有反馈电容Cf的高增益运算放大器。当略去Ra和Ri

并联等效电阻R后，压电传感器常使用的电荷放大器可用如图所示的等效电路表示。图A为运算放大器的开环增益。由于运算放大器具有极高的输入阻抗，因此放大器的输入端几乎没有分流，电荷Q只对反馈电容Cf充电，充电电压接近放大器的输出电压，即式中Uo

——放大器输出电压；

UCf——反馈电容两端的电压由运算放大器基本特性，可求出电荷放大器的输出电压当A≫1，且满足（1+A）Cf＞10（Ca+

Cc+

Ci）时，就可认为。可见电荷放大器的输出电压Uo和电缆电容Cc

无关，而且与Q成正比，这是电荷放大器的最大特点。第39页,共53页，2024年2月25日，星期天优点：压电转换元件具有自发和可逆两种重要性能，体积小、重量轻、结构简单、工作可靠、固有频率高、灵敏度和信噪比高，特别适合于动态测量。缺点：无静态输出，要求有很高的电输出阻抗，需用低电容的低噪声电缆，很多压电材料的工作温度在250℃左右。5.5压电式传感器的应用

广义地讲，凡是利用压电材料各种物理效应构成的各种传感器，都可称为压电式传感器，它们已被广泛地应用在工业、军事和民用等领域。

第40页,共53页，2024年2月25日，星期天一、压电式加速度传感器二、压电式测力传感器三、压电式压力传感器四、微重力压电晶体生物传感器五、压电血压传感器六、医用电子鼻

利用正压电效应可研制成压电电源（煤气灶和汽车发动机的自动点火装置等多种电压发生器）；在测试技术中，压电转换元件是一种典型的力敏元件，能测量最终可变换为力的有关物理量，例如压力、位移、加速度、机械冲击和振动等，因此在声学、力学、医学和宇航等广阔领域中都可见到压电式传感器的应用。

利用逆压电效应可制成多种超声波发生器和压电扬声器等。利用正、逆压电效应可制成压电陀螺、压电线性加速度计、压电变压器、声纳和压电声表面波器件等。第41页,共53页，2024年2月25日，星期天一、压电式加速度传感器

用于测量加速度的传感器种类很多，压电式加速度传感器是一种最常用的加速度计（80％以上）。具有一系列优点：体积小，重量轻，坚实牢固，有较好的频率响应（几千赫～几十千赫），如果配以电荷放大器，低频响应也很好（可低至零点几赫），测量范围大（加速度为10-5~10-4g，g

为重力加速度9.8m／s2）等。第42页,共53页，2024年2月25日，星期天

因为F=ma

（m为重块质量，a为加速度），当传感器选定后，m为常数，所以传感器输出电荷为Q与加速度a成正比。因为，压电传感器的输出电压为，若传感器中电容量C不变，那么，因此，可以用电压值表示测量的加速度。

压电元件（一般由两片压电晶片并联）置于基座上，其上面加一块比重较大的质量块，质量块上用弹簧压紧，从而对压电晶片施加预应力。测量加速度时，被测物件与传感器刚性固定在一起，质量块也受加速度的作用产生一个与加速度成正比的惯性力F作用于压电元件上，因而产生电荷Q。第43页,共53页，2024年2月25日，星期天

二、压电式测力传感器

压电式测力传感器在直接测量拉力或压力时，通常多采用双片或多片石英晶体作压电元件。按测力状态分为单向力、双向力和三向力传感器。

第44页,共53页，2024年2月25日，星期天

单向压电石英力传感器的结构如图所示。压电元件采用xy（即0ºX）切型石英晶片，利用其纵向压电效应，通过d11实现力－电转换。它用两块晶片（φ8×1mm）作传感元件，被测力通过传力上盖（1）使石英晶片（2）沿电轴方向受压力作用，由于纵向压电效应使石英晶片在电轴方向上出现电荷，两块晶片沿电轴方向并联叠加，负电荷由片形电极（3）输出，压电晶片正电荷一侧与底座连接。两片并联可提高其灵敏度。压力元件弹性变形部分的厚度较薄，其厚度由测力大小决定。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50~60kHz），可检测高达5000N的动态力，分辨率为10-3N。

1.单向力传感器

1—传力上盖2—石英晶片3—电极4—底座5—电极引出插头

6—绝缘材料第45页,共53页，2024年2月25日，星期天2.

双向力传感器

双向力传感器基本用于测量垂直分力Fz与切向分力Fx或Fy，以及测量互相垂直的两个切向分力，即Fx和Fy。无论哪一种测量，传感器的结构形式相似。图（a）为双向压电石英晶片的力传感器的结构。两组石英晶片分别测量两个分力，下面一组采（a）双向力石英传感器（b）厚度剪切的yx（0ºY

）切型

用xy（0ºX）切型，通过d11实现力－电转换，测量轴向力Fz；上面一组采用yx（0ºY）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б6（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（b）所示。这一组石英晶体通过d26实现力－电转换来测量Fy。第46页,共53页，2024年2月25日，星期天3.

三向力传感器

（a）结构（b）压电组件（c）x，y，z双晶片

压电组件为三组双晶片石英叠成并联方式。它可以测量空间任一个或三个方向的力。三组石英晶片的输出极性相同。其中一组取xy（0ºX）切型晶片，利用厚度压缩纵向压电效应d11来实现力－电转换，测量主轴切削力Fz；另外两组采用厚度剪切变形的yx（0ºY）切型晶片，利用剪切压电系数d26来分别测量Fy和Fx。由于Fy和Fx正交，因此，这两组晶片安装时应使其最大灵敏轴分别取向x和y方向。

第47页,共53页，2024年2月25日，星期天三、压电式压力传感器

图(a)是一种压电式压力传感器结构图。拉紧的薄壁管对晶片提供预载力，而感受外部压力的是由挠性材料做成的很薄的膜片。预载筒外的空腔可以连接冷却系统，以保证传感器工作在一定的环境温度下，避免因温度变化造成预载力变化引