压电式传感器原理与测力应用

压电

压电式传感器的工作原理以晶体的压电效应为理论依据。压电效应分正、逆压电效应，利用正压电效应制作成了电势型传感器。压电式传感器具有体积小、重量轻、结构简单、工作可靠、动态特性好、静态特性差的特点。该传感器多用于加速度和动态力或压力的测量。某些物质在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生改变时，其表面上会产生电荷，若将外力去掉时，它们又重新回到不带电的状态，这种现象就称为正压电效应。在压电材料的两个电极面上，如果加以交流电压，那么压电片能产生机械振动，即压电片在电极方向上有伸缩的现象，压电材料的这种现象称为电致伸缩效应，也叫做逆压电效应。而具有压电效应的物体称为压电材料。常见的压电材料有石英、钛酸钡、锆钛酸铅等。 1.石英晶体的压电效应

图中所示为天然结构的石英晶体，它是个六角形晶柱。在直角坐标系中，x轴平行于正六面体的棱线，称为电轴或1轴；y轴垂直于六面体棱面，称为机械轴或2轴；z轴表示其纵向轴，称为光轴或3轴。通常把沿电轴方向的力作用下产生电荷的压电效应称为纵向压电效应；而把沿机械轴方向的力作用下产生电荷的压电效应称为横向压电效应，在光轴方向时则不产生压电效应。

从晶体上沿轴线切下的薄片称为晶体切片，在每一切片中，当沿电轴方向加作用力Fx时，则在与电轴垂直的平面上产生电荷Qx，它的大小为Qx=d11Fx 式中，d11为压电系数（C/N）。

电荷Qx的符号由Fx是受压还是受拉而决定。

石英晶体 石英晶体切片

石英晶体是一种天然晶体，它的压电系数为d11=2.31×10?12C/N。石英晶体的莫氏硬度为7，熔点为1750摄氏度，膨胀系数仅为钢的1/30。作为常用的压电传感器，具有转换效率和转换精度高、线性范围宽、重复性好、固有频率高、动态特性好、工作温度高达500摄氏度、工作湿度高达100%等优点，它的稳定性是其他压电材料所无法比拟的。 2.压电陶瓷的压电效应

压电陶瓷是人工制造的多晶体，它的压电机理与压电晶体不同，它的晶体粒内有许多自发极化的电畴。在极化处理以前，各晶粒的电畴按任意方向排列，自发极化作用相互抵消，陶瓷内极化强度为零。当陶瓷施加外电场E时，电畴由自发极化方向转到与外电场方向一致，既然进行了极化，此时压电陶瓷具有一定极化强度，当场撤销以后，各电畴的自发极化在一定程度上按原外加电场方向取向，强度不再为零，这种极化强度，称为剩余极化强度。这样在陶瓷片极化的两端就出现了束缚电荷，一端为正电荷，另一端为负电荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极表面上很快就吸附了一层来自外界的自由电荷。这些电荷与陶瓷片内的束缚电荷方向相反而数值相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外的作用，因此陶瓷片对外不表现极性。如果压电陶瓷片上加上一个与极化方向平行的外力，陶瓷片将产生压缩变形，片内的正、负束缚电荷之间距离变小，电畴发生偏转，极化强度也变小，因此原来吸附在极板上的自由电荷，有一部分被释放而出现放电现象。当压力撤销后，陶瓷片恢复原状，片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。这种由机械能转变为电能的现象，就是压电陶瓷的正压电效应。放电电荷的多少与外力的大小成比例关系，即Q=d33F式中，Q为电荷量；d33为压电陶瓷的压电系数；F为作用力。 3.压电式传感器的应用 ①压电式测力传感器

压电式测力传感器是利用压电元件直接实现力-电转换的传感器，在拉、压场合，通常较多采用双片或多片石英晶体作为压电元件。其刚度大，测量范围宽，线性及稳定性高，动态特性好。当采用大时间常数的电荷放大器时，可测量准静态力。按测力状态分，有单向、双向和三向传感器，它们在结构上基本一样。 图所示为压电式单向测力传感器的结构图。传感器用于机床动态切削力的测量。绝缘套用来绝缘和定位。基座内外底面对其中心线的垂直度、上盖及晶片、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，否则会使横向灵敏度增加或使片子因应力集中而过早破碎。为提高绝缘阻抗，传感器装配前要经过多次净化（包括超声波清洗），然后在超净工作环境下进行装配，加盖之后用电子束封焊。

压电式压力传感器的结构类型很多，但它们的基本原理与结构仍与压电式加速度和力传感器大同小异。突出的不同点是，它必须通过弹性膜、盒等，把压力收集、转换成力，再传递给压电元件。为保证静态特性及其稳定性，通常多采用石英晶体作为压电元件。 ②压电式加速度传感器

图所示为压缩式压电加速度传感器的结构原理图，压电元件一般由两片压电

片组成。在压电片的两个表面上镀银层，并在银层上焊接输出引线，或在两个压电片之间夹一片金属，引线就焊接在金属片上，输出端的另一根引线直接与传感器基座相连。在压电片上放置一个比重较大的质量块，然后用一硬弹簧或螺栓、螺帽对质量块预加载荷。整个组件装在一个厚基座的金属壳体中，为了隔离试件的任何应变传递到压电元件上去，避免产生假信号输出，所以一般要加厚基座或选用刚度较大的材料来制造。

测量时，将传感器基座与试件刚性固定在一起。当传感器感受到振动时，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，因此质量块感受到与传感器基座相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力作用。这样，质量块就有一正比于加速度的交变力作用在压电片上。由于压电片具有压电效应，因此在它的两个表面上就产生了交变电荷（电压），当振动频率远低于传感器固有频率时，传感器的输出电荷（电压）与作用力成正比，即与试件的加速度成正比。输出电量由传感器输出端引出，输入到前置放大器后就可以用普通的测量器测出试件的加速度，如在放大器中加进适当的积分电路，就可以测出试件的振动加速度或位移。