一文读懂压电式传感

　　文 | 传感器技术（WW_CGQJS）

　　压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动进行测量，在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用。它具有体积小、质量轻、频响高、信噪比大等特点。

　　压电式传感器

　　压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应，是典型的有源传感器。当材料受力作用而变形时，其表面会有电荷产生，从而实现非电量测量。

　　压电效应

　　某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，其内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，其又重新恢复到不带电状态，这种现象称压电效应。相反，当在电介质极化方向施加电场，这些电介质也会产生变形，这种现象称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。

　　压电材料

　　石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。应用于压电式传感器中的压电元件材料一般有三类：压电晶体、经过极化处理的压电陶瓷、新型压电材料。

　　他们都具有较大的压电常数，机械性能良好，时间稳定性好，温度稳定性好等特性，所以是较理想的压电材料。

　　1、压电晶体

　　天然形成的石英晶体外形

　　石英晶体切片及封装

　　石英晶体在振荡电路中工作时，压电效应与逆压电效应交替作用，从而产生稳定的振荡输出频率。

　　石英晶体振荡器（晶振）

　　石英晶体是一种应用广泛的压电晶体。它是二氧化硅单晶体，属于六角晶系。它为规则的六角棱柱体。石英晶体有3个晶轴：x轴、y轴和z轴。vz轴又称光轴，它与晶体的纵轴线方向一致：x轴又称电轴，它通过六面体相对的两个棱线并垂直于光轴：y轴又称为机械轴，它垂直于两个相对的晶柱棱面。

　　石英晶体的压电效应与其内部结构有关，产生极化现象的机理可说明。石英晶体的化学式为SiO2，它的每个晶胞中有3个硅离子和6个氧离子，一个硅离子和两个氧离子交替排列（氧离子是成队出现的）。沿光轴看去，可以等效地认为正六边形排列结构。

　　图中1—正电荷等效中心 2—负电荷等效中心

　　（1）在无外力作用时

　　（2）当晶体沿电轴（x轴）方向受到压力时，晶格产生变形

　　（3）同样，当晶体的机械轴（y轴）方向受到压力时，也会产生晶格变形

　　（4）当晶体的光轴（z轴）方向受到受力时，由于晶格的变形不会引起正负电荷中心的分离，所以不会产生压电效应。

　　沿机械轴方向的力作用在晶体上时，产生的电荷与晶体切面的几何尺寸有关，式中的负号说明沿机械轴的压力引起的电荷极性与沿电轴的压力引起的电荷极性恰好相反。

　　2、压电陶瓷

　　压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴，它有一定的极化方向，从而存在电场。在无外电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们各自的极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。

　　在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场方向的排列，从而使材料得到极化。外电场愈强，就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度，即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时，当外电场去掉后，电畴的极化方向基本没变化，即剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性。

　　压电陶瓷的极化 (a) 未极化; (b) 电极化

　　压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多，所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。极化处理后的压电陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温度有关，它的参数也随时间变化，从而使其压电特性减弱。

　　3、新型压电材料

　　压电薄膜

　　（1） 压电半导体材料

　　压电半导体材料有ZnO、CdS（硫化镉） 、CdTe（碲化镉 ）等，这种力敏器件具有灵敏度高，响应时间短等优点。此外用ZnO作为表面声波振荡器的压电材料，可检测力和温度等参数。

　　（2） 高分子压电材料

　　某些合成高分子聚合物薄膜经延展拉伸和电场极化后，具有一定的压电性能，这类薄膜称为高分子压电薄膜。目前出现的压电薄膜有聚二氟乙烯PVF2、聚氟乙烯PVF、聚氯乙烯PVC、聚γ甲基-L谷氨酸脂PMG等。高分子压电材料是一种柔软的压电材料，不易破碎，可以大量生产和制成较大的面积。

　　4、压电材料的主要特性参数

　　1）压电常数：压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数，它直接关系到压电输出的灵敏度。

　　2）弹性常数：压电材料的弹性常数、 刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。

　　3）介电常数：对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容与介电常数有关；而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。

　　4） 机械耦合系数：在压电效应中，其值等于转换输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根；它是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。

　　5）电阻压电材料的绝缘电阻：将减少电荷泄漏，从而改善压电传感器的低频特性。

　　6）居里点：压电材料开始丧失压电特性的温度称为居里点。

　　压电式传感器的测量电路

　　1、压电式传感器的等效电路

　　将压电晶片产生电荷的两个晶面封装上金属电极后，就构成了压电元件。当压电元件受力时，就会在两个电极上产生电荷，因此，压电元件相当于一个电荷源；两个电极之间是绝缘的压电介质，因此它又相当于一个以压电材料为介质的电容器，其电容值为 Ca = εRε0A/δ

　　v压电元件等效为一个与电容相并联的电荷源，也可以等效为一个与电容相串联的电压源

　　压电式传感器不能用于静态测量。压电元件只有在交变力的作用下，电荷才能源源不断地产生，可以供给测量回路以一定的电流，故只适用于动态测量。

　　2、压电式传感器测量电路

　　压电式传感器的内阻很高，要求与高输入阻抗的前置放大电路配合，与一般的放大、检波、显示、记录电路连接，防止电荷的迅速泄漏而使测量误差减少。

　　压电式传感器的前置放大器的作用有两个：一是把传感器的高阻抗输出变为低阻抗输出；二是把传感器的微弱信号进行放大。

　　根据压电式传感器的工作原理及等效电路，它的输出可以是电荷信号，也可以是电压信号，因此与之配套的前置放大器也有电荷放大器和电压放大器两种形式。

　　由于电压前置放大器的输出电压与电缆电容有关，故目前多采用电荷放大器。

　　(1)电荷放大器

　　v并联输出型压电元件可以等效为电荷源。电荷放大器实际上是一个具有反馈电容Cf的高增益运算放大器电路

　　电荷放大器原理图

　　电荷放大器的输出电压仅与输入电荷和反馈电容有关，电缆电容等其他因素的影响可以忽略不计。

　　(2)电压放大器（阻抗变换器）

　　串联输出型压电元件可以等效为电压源，但由于压电效应引起的电容量很小，因而其电压源等效内阻很大，在接成电压输出型测量电路时，要求前置放大器不仅有足够的放大倍数，而且应具有很高的输入阻抗

　　压电式传感器的应用

　　1、玻璃打碎报警装置

　　将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到玻璃破碎时会发出的振动，并将电压信号传送给集中报警系统。

　　将厚约0.2mm左右的PVDF薄膜裁制成10′20mm大小。在它的正反两面各喷涂透明的二氧化锡导电电极，再用超声波焊接上两根柔软的电极引线。并用保护膜覆盖。

　　使用时，用瞬干胶将其粘贴在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎的瞬间，压电薄膜感受到剧烈振动，表面产生电荷Q，在两个输出引脚之间产生窄脉冲报警信号。

　　压电传感器只能应用于动态测量。由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，因此压电式传感器不能用于静态测量。压电元件在交变力的作用下，电荷可以不断补充，可以供给测量回路以一定的电流，故只适用于动态测量（一般必须高于100Hz，但在50kHz以上时，灵敏度下降）。

　　2．压电式周界报警系统

　　将长的压电电缆埋在泥土的浅表层，可起分布式地下麦克风或听音器的作用，可在几十米范围内探测人的步行, 对轮式或履带式车辆也可以通过信号处理系统分辨出来。下图为测量系统的输出波形。

　　3.交通监测

　　将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息（包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）、车速监测、收费站地磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。

　　4、压电式动态力传感器

　　车床中用于动态切削力的测量

　　5、压电式振动加速度传感器

　　加速度传感器可以用于判断汽车的碰撞，从而使安全气囊迅速充气，从而挽救生命；还可安装在气缸的侧壁上，尽量使点火时刻接近爆震区而不发生爆震，但又能使发动机输出尽可能大的扭矩。

　　汽车发动机中的气缸点火时刻必须十分精确。如果恰当地将点火时间提前一些，即有一个提前角，就可使汽缸中汽油与空气的混合气体得到充分燃烧，使扭矩增大，排污减少。但提前角太大时，混合气体产生自燃，就会产生冲击波，发出尖锐的金属敲击声，称为爆震，可能使火花塞、活塞环熔化损坏，使缸盖、连杆、曲轴等部件过载、变形，可用压电传感器检测并控制之。

　　向微型化智能化方向发展

　　现在的大型精密系统对质量和体积大小都非常的关注，传统的大块头的压电传感器将逐步的失去其市场。随着新材料及新加工技术的开发，利用激光等各种微细加工技术制成的硅加速度传感器由于具有体积非常的小、互换性及可靠性都很好的吸引力，正在逐步取代传统的压电传感器。

　　压电传感器的功能已经突破传统的功能，其输出不再是一个单一的模拟信号，而是经过微电脑处理后的数字信号，有的压电传感如集成后的压电传感器其本身带有控制功能，这就是所说的数字传感器。

　　现代半导体技术日趋先进和成熟的情况下，未来的压电加速度传感器会与后续处理电路集成在一块，体积更小，性能却更优。