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1、压电传感器压电传感器是一种典型的自发电式传感器。它以某些电介质的压电效应为基础，在外力 作用下，在电介质的表面上产生电荷，实现力与电荷的转换，从而完成非电量如动态力、加 速度等的检测，但不能用于静态参数的测量。压电传感器具有结构简单、质量轻、灵敏度高、信噪比高、频响高、工作可靠、测量范 围广等优点。近年来，随着电子技术的飞速发展，测量转换电路与压电元件已被固定在同一 壳体内，使压电传感器使用更为方便。某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，内部会产生极化现象，同时在其 表面上产生电荷；当外力去掉后，又重新回到不带电的状态；当作用力方向改变时，电荷的 极性也随之改变，这种现象称为压电效应
2、。在电介质的极化方向上施加交变电场或电压，它会产生机械振动。当去掉外加电场时， 电介质变形随之消失，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）。音乐贺卡中的压电片就 是利用逆压电效应而发声的。自然界中与压电效应有关的现象很多。例如在完全黑暗的环境中，将一块干燥的冰糖用 榔头敲碎，可以看到冰糖在破碎的一瞬间，发出暗淡的蓝色闪光，这是强电场放电所产生的 闪光，产生闪光的机理是晶体的压电效应。在敦煌的鸣沙丘，当许多游客在沙丘上蹦跳或从 鸣沙丘上往下滑时，可以听到雷鸣般的隆隆声，产生这个现象的原因是无数干燥的沙子（SiO2 晶体）受重压引起振动，表面产生电荷，在某些时刻，恰好形成电压串联，产生很高的电压，
3、 并通过空气放电而发出声音。在电子打火机中，多片串联的压电材料受到敲击，产生很高的 电压，通过尖端放电而点燃火焰。1压电材料压电式传感器中的压电元件材料主要有压电晶体（单晶体）、经过极化处理的压电陶瓷 （多晶体）和高分子压电材料。选用合适的压电材料是设计高性能传感器的关键，一般应考 虑以下几个方面： 转换性能。具有较高的耦合系数或较大的压电系数。压电系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。 机械性能。作为受力元件，压电元件应具有较高的机械强度和较大的机械刚度。 电性能。具有较高的电阻率和大的介电常数。 温度和湿度稳定性。具有较高的居里点。 时间稳定性。压电特性不随时间
4、锐变。（ 1 ）压电晶体 石英晶体石英晶体是一种性能非常稳定的压电晶体。在20200C的范围内压电常数的变化率只 有-0.000 1/C。此外，石英晶体还具有机械强度高、自振频率高、动态响应好、绝缘性能好、 线性范围宽等优点，因此主要用于精密测量。但石英晶体具有压电常数较小（d=2.31 1012 C/N ）的缺点，大多只在标准传感器、高精度传感器或测高温用传感器中使用。 水溶性压电晶体单斜晶系的压电晶体主要有酒石酸钾钠、酒石酸乙烯二铵、酒石酸二钾、硫酸锂；正方 晶系的压电晶体主要有磷酸二氢钾、磷酸二氢氨、砷酸二氢钾、砷酸二氢氨等。（2）压电陶瓷 压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比石英晶体
5、的压电灵敏度高得多，但机械强度 较石英晶体稍低，而且制造成本也较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压 电陶瓷。如图 3.16 所示为部分压电陶瓷的外形。一般测量中基本上多采用压电陶瓷，用在测力和振动传感器中。另外，压电陶瓷也存在逆压电效应。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷(PZT)及非铅系列压电陶瓷(如BaTiO3等)。图 3.16 部分压电陶瓷的外形 锆钛酸铅系列压电陶瓷(PZT)锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)是由钛酸铅(PbTiO2 )和锆酸铅(PbZrO3)组成的固溶体。在锆钛酸 铅的基础上添加微量的其他元素，如镧(La)、铌(Nb)、锑(Sb)、锡(Sn)等，可获得不同
6、 性能的 PZT 系列压电材料。 PZT 系列压电材料均具有较高的压电系数，是目前常用的压电 材料。 非铅系列压电陶瓷 为减少铅对环境的污染，非铅系列压电陶瓷的研制尤为重要。目前非铅系列压电陶瓷体系主要有BaTiO3基无铅压电陶瓷、BNT基无铅压电陶瓷、铌酸盐基无铅压电陶瓷、钛酸铋 钠钾无铅压电陶瓷和钛酸铋锶钙无铅压电陶瓷等，它们的各项性能多已超过含铅系列压电陶 瓷，是今后压电铁电陶瓷的发展方向。(3)高分子压电材料 高分子压电材料是近年来发展很快的一种新型材料，如图3.17 所示。高分子压电材料 有聚偏二氟乙烯(PVF2或PVDF),聚氟乙烯(PVF),改性聚氯乙烯(PVC)等。其中以PVF
7、2和 PVDF的压电常数最高，其输出脉冲电压有的可以直接驱动COMS集成门电路。图 3.17 高分子压电薄膜高分子压电材料是一种柔软的压电材料，可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。它不 易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制成较大面积或较长的尺度，因此价格便宜。测量动 态范围可达80 dB,频率响应范围可从0.1 Hz直至109 Hz.因此在一些不要求测量精度的场合 多用做定性测量。但高分子压电材料具有械强度低，耐紫外线能力较差，而且随着温度的升高(工作温度 一般低于100C)灵敏度将明显下降，暴晒后易老化。目前开发出一种压电陶瓷高聚物复合材料，由无机压电陶瓷和有机高分子树脂构成， 兼备无机和有
8、机压电材料的性能，可以根据需要，综合两种材料的优点，制作性能更好的换 能器和传感器，它的接收灵敏度很高，更适合于制作水声换能器。2、压电式传感器测量电路1)压电元件的等效电路当压电元件受到沿敏感轴方向的外力作用时就产生电荷，因此压电元件可以看成是一个 电荷发生器，同时它也是一个电容器。因此可以把压电元件等效为一个电荷源与电容相并联 的电荷等效电路，如图 3.18 所示。电容器上的电压U0、电荷Q与电容Ca三者之间的关系为Qu(3.6)0Ca在压电式传感器中，压电材料一般不用一片，而常常采用两片(或是两片以上)黏结在 一起，如图3.19所示。图3.19 (a)为两压电片的“串联”接法，其输出电容
9、C为单片电容C 的1/n,即C=C/n，输出电荷量Q与单片电荷量Q相等，即Q=Q，输出电压U为单片电压U的 n倍，即U=nU；图3.18 (b)为两压电片“并联”接法，其输出电容C为单片电容C的n 倍, 即C=nC,输出电荷量Q,是单片电荷量Q的n倍，即Q=nQ，输出电压U与单片电压U相等， 即 U=U。图 3.18 压电元件的等效电路.图 3.19 压电元件的串联和并联法在以上两种连接方式中，串联接法输出电压高，本身电容小，适用于以电压为输出信号 和测量电路输入阻抗很高的场合；并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，适用于 测量缓变信号，并以电荷量作为输出的场合。压电元件在压电传感器中必
10、须有一定的预应力，这样可以保证在作用力变化时，压电片 始终受到压力，同时也保证了压电片的输出与作用力的线性关系。(2)压电式传感器的等效电路 在压电式传感器正常工作时，如果把它与测量仪表连在一起，必定与测量电路相连接。因此必须考虑连接电缆电容C、放大器的输入电阻R.和输入电容C.等因素的影响。压电传cii感器与二次仪表连接的实际等效电路如图3.20所示。图 3.20 压电式传感器的实际等效电路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
11、以供给测量回路一定的电流，因此只适用 于动态测量。(3)压电式传感器的测量电路压电传感器的内阻抗很高，而输出信号却很微弱，这就要求负载电阻rl很大时，才能使测量误差减小到一定范围。因此常在压电式传感器输出端后面先接入一个高输入阻抗的前 置放大器，然后再接一般的放大电路及其他电路。压电传感器的前置放大器有两个作用。第一是把压电式传感器的微弱信号放大；第二是 把传感器的高阻抗输出变为低阻抗输出。压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷 信号，所以前置放大器也有两种形式，即电压放大器和电荷放大器。实用中多采用性能稳定的电荷放大器，这里重点以电荷放大器为例加以说明。 电荷放大器(电荷电压转换器)能
12、将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源，而且输 出电压正比于输入电荷。同时，电荷放大器兼备阻抗变换的作用，其输入阻抗高达 1010-1012 Q，输出阻抗小于100Q。电荷放大器常作为压电传感器的输入电路，由一个反馈电容 Cf 和高增益运算放大器构 成，如图 3.21 所示。由运算放大器基本特性可求出电荷放大器的输出电压为-AQu =、(3.7)o C + C + C + 1 + AJC0 Cif由于运算放大器输入阻抗极高，放大器输入端几乎没有电流，放大倍数A=104-106，因此 (1+A)Cf远大于(C+C+C.),所以C+C.的影响可忽略不计，放大器的输出电压近似为 fa c ic i-Q u =(3.8)oCf由式(3.8)可见，电荷放大器的输出电压 u0 仅与输入电荷和反馈电容有关，与电缆电容Cc 无关，也就是说与电缆的长度等因素的影响很小，这是电荷放大器的最大特点。内部包C括电荷放大器的便携式测振仪，外形如图3.22 所示。II图 3.20 电荷放大等效电路1一量程选择开关；2一压电传感器输入信号插座；3一多路选择开关；4一带宽选择开关5 一带背光点阵液晶显示器；6 一电池盒；7 一可变角度支架图 3.22 便携式测振仪外形
