一文讀懂壓電式傳感器

壓電式傳感器可以對各種動態(tài)力、機械沖擊和振動進行測量，在聲學、醫(yī)學、力學、導(dǎo)航方面都得到廣泛的應(yīng)用。它具有體積小、質(zhì)量輕、頻響高、信噪比大等特點。

壓電式傳感器

壓電式傳感器的工作原理是基于某些介質(zhì)材料的壓電效應(yīng)，是典型的有源傳感器。當材料受力作用而變形時，其表面會有電荷產(chǎn)生，從而實現(xiàn)非電量測量。

壓電效應(yīng)

某些電介質(zhì)，當沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r，其內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個表面上便產(chǎn)生符號相反的電荷，當外力去掉后，其又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱壓電效應(yīng)。相反，當在電介質(zhì)極化方向施加電場，這些電介質(zhì)也會產(chǎn)生變形，這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)”（電致伸縮效應(yīng)）。

壓電材料

石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料是性能優(yōu)良的壓電材料。應(yīng)用于壓電式傳感器中的壓電元件材料一般有三類：壓電晶體、經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷、新型壓電材料。

他們都具有較大的壓電常數(shù)，機械性能良好，時間穩(wěn)定性好，溫度穩(wěn)定性好等特性，所以是較理想的壓電材料。

1、壓電晶體

天然形成的石英晶體外形

石英晶體切片及封裝

石英晶體在振蕩電路中工作時，壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)交替作用，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩輸出頻率。

石英晶體振蕩器（晶振）

石英晶體是一種應(yīng)用廣泛的壓電晶體。它是二氧化硅單晶體，屬于六角晶系。它為規(guī)則的六角棱柱體。石英晶體有3個晶軸：x軸、y軸和z軸。vz軸又稱光軸，它與晶體的縱軸線方向一致：x軸又稱電軸，它通過六面體相對的兩個棱線并垂直于光軸：y軸又稱為機械軸，它垂直于兩個相對的晶柱棱面。

石英晶體的壓電效應(yīng)與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，產(chǎn)生極化現(xiàn)象的機理可說明。石英晶體的化學式為SiO2，它的每個晶胞中有3個硅離子和6個氧離子，一個硅離子和兩個氧離子交替排列（氧離子是成隊出現(xiàn)的）。沿光軸看去，可以等效地認為正六邊形排列結(jié)構(gòu)。

圖中1—正電荷等效中心2—負電荷等效中心

（1）在無外力作用時

（2）當晶體沿電軸（x軸）方向受到壓力時，晶格產(chǎn)生變形

（3）同樣，當晶體的機械軸（y軸）方向受到壓力時，也會產(chǎn)生晶格變形

（4）當晶體的光軸（z軸）方向受到受力時，由于晶格的變形不會引起正負電荷中心的分離，所以不會產(chǎn)生壓電效應(yīng)。

沿機械軸方向的力作用在晶體上時，產(chǎn)生的電荷與晶體切面的幾何尺寸有關(guān)，式中的負號說明沿機械軸的壓力引起的電荷極性與沿電軸的壓力引起的電荷極性恰好相反。

2、壓電陶瓷

壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。材料內(nèi)部的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇，它有一定的極化方向，從而存在電場。在無外電場作用時，電疇在晶體中雜亂分布，它們各自的極化效應(yīng)被相互抵消，壓電陶瓷內(nèi)極化強度為零。因此原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質(zhì)。

在陶瓷上施加外電場時，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動，趨向于按外電場方向的排列，從而使材料得到極化。外電場愈強，就有更多的電疇更完全地轉(zhuǎn)向外電場方向。讓外電場強度大到使材料的極化達到飽和的程度，即所有電疇極化方向都整齊地與外電場方向一致時，當外電場去掉后，電疇的極化方向基本沒變化，即剩余極化強度很大，這時的材料才具有壓電特性。

壓電陶瓷的極化 (a) 未極化; (b) 電極化

壓電陶瓷的壓電系數(shù)比石英晶體的大得多，所以采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器的靈敏度較高。極化處理后的壓電陶瓷材料的剩余極化強度和特性與溫度有關(guān)，它的參數(shù)也隨時間變化，從而使其壓電特性減弱。

3、新型壓電材料

壓電薄膜

（1） 壓電半導(dǎo)體材料

壓電半導(dǎo)體材料有ZnO、CdS（硫化鎘） 、CdTe（碲化鎘 ）等，這種力敏器件具有靈敏度高，響應(yīng)時間短等優(yōu)點。此外用ZnO作為表面聲波振蕩器的壓電材料，可檢測力和溫度等參數(shù)。

（2） 高分子壓電材料

某些合成高分子聚合物薄膜經(jīng)延展拉伸和電場極化后，具有一定的壓電性能，這類薄膜稱為高分子壓電薄膜。目前出現(xiàn)的壓電薄膜有聚二氟乙烯PVF2、聚氟乙烯PVF、聚氯乙烯PVC、聚γ甲基-L谷氨酸脂PMG等。高分子壓電材料是一種柔軟的壓電材料，不易破碎，可以大量生產(chǎn)和制成較大的面積。

4、壓電材料的主要特性參數(shù)

1）壓電常數(shù)：壓電常數(shù)是衡量材料壓電效應(yīng)強弱的參數(shù)，它直接關(guān)系到壓電輸出的靈敏度。

2）彈性常數(shù)：壓電材料的彈性常數(shù)、 剛度決定著壓電器件的固有頻率和動態(tài)特性。

3）介電常數(shù)：對于一定形狀、尺寸的壓電元件，其固有電容與介電常數(shù)有關(guān)；而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限。

4） 機械耦合系數(shù)：在壓電效應(yīng)中，其值等于轉(zhuǎn)換輸出能量（如電能）與輸入的能量（如機械能）之比的平方根；它是衡量壓電材料機電能量轉(zhuǎn)換效率的一個重要參數(shù)。

5）電阻壓電材料的絕緣電阻：將減少電荷泄漏，從而改善壓電傳感器的低頻特性。

6）居里點：壓電材料開始喪失壓電特性的溫度稱為居里點。

壓電式傳感器的測量電路

1、壓電式傳感器的等效電路

將壓電晶片產(chǎn)生電荷的兩個晶面封裝上金屬電極后，就構(gòu)成了壓電元件。當壓電元件受力時，就會在兩個電極上產(chǎn)生電荷，因此，壓電元件相當于一個電荷源；兩個電極之間是絕緣的壓電介質(zhì)，因此它又相當于一個以壓電材料為介質(zhì)的電容器，其電容值為 Ca =εRε0A/δ

v壓電元件等效為一個與電容相并聯(lián)的電荷源，也可以等效為一個與電容相串聯(lián)的電壓源

壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測量。壓電元件只有在交變力的作用下，電荷才能源源不斷地產(chǎn)生，可以供給測量回路以一定的電流，故只適用于動態(tài)測量。

2、壓電式傳感器測量電路

壓電式傳感器的內(nèi)阻很高，要求與高輸入阻抗的前置放大電路配合，與一般的放大、檢波、顯示、記錄電路連接，防止電荷的迅速泄漏而使測量誤差減少。

壓電式傳感器的前置放大器的作用有兩個：一是把傳感器的高阻抗輸出變?yōu)榈妥杩馆敵?；二是把傳感器的微?a target="_blank">信號進行放大。

根據(jù)壓電式傳感器的工作原理及等效電路，它的輸出可以是電荷信號，也可以是電壓信號，因此與之配套的前置放大器也有電荷放大器和電壓放大器兩種形式。

由于電壓前置放大器的輸出電壓與電纜電容有關(guān)，故目前多采用電荷放大器。

(1)電荷放大器

v并聯(lián)輸出型壓電元件可以等效為電荷源。電荷放大器實際上是一個具有反饋電容Cf的高增益運算放大器電路

電荷放大器原理圖

電荷放大器的輸出電壓僅與輸入電荷和反饋電容有關(guān)，電纜電容等其他因素的影響可以忽略不計。

(2)電壓放大器（阻抗變換器）

串聯(lián)輸出型壓電元件可以等效為電壓源，但由于壓電效應(yīng)引起的電容量很小，因而其電壓源等效內(nèi)阻很大，在接成電壓輸出型測量電路時，要求前置放大器不僅有足夠的放大倍數(shù)，而且應(yīng)具有很高的輸入阻抗

壓電式傳感器的應(yīng)用

1、玻璃打碎報警裝置

將高分子壓電測振薄膜粘貼在玻璃上，可以感受到玻璃破碎時會發(fā)出的振動，并將電壓信號傳送給集中報警系統(tǒng)。

將厚約0.2mm左右的PVDF薄膜裁制成10′20mm大小。在它的正反兩面各噴涂透明的二氧化錫導(dǎo)電電極，再用超聲波焊接上兩根柔軟的電極引線。并用保護膜覆蓋。

使用時，用瞬干膠將其粘貼在玻璃上。當玻璃遭暴力打碎的瞬間，壓電薄膜感受到劇烈振動，表面產(chǎn)生電荷Q，在兩個輸出引腳之間產(chǎn)生窄脈沖報警信號。

壓電傳感器只能應(yīng)用于動態(tài)測量。由于外力作用在壓電元件上產(chǎn)生的電荷只有在無泄漏的情況下才能保存，即需要測量回路具有無限大的輸入阻抗，這實際上是不可能的，因此壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測量。壓電元件在交變力的作用下，電荷可以不斷補充，可以供給測量回路以一定的電流，故只適用于動態(tài)測量（一般必須高于100Hz，但在50kHz以上時，靈敏度下降）。

2．壓電式周界報警系統(tǒng)

將長的壓電電纜埋在泥土的淺表層，可起分布式地下麥克風或聽音器的作用，可在幾十米范圍內(nèi)探測人的步行, 對輪式或履帶式車輛也可以通過信號處理系統(tǒng)分辨出來。下圖為測量系統(tǒng)的輸出波形。

3.交通監(jiān)測

將高分子壓電電纜埋在公路上，可以獲取車型分類信息（包括軸數(shù)、軸距、輪距、單雙輪胎）、車速監(jiān)測、收費站地磅、闖紅燈拍照、停車區(qū)域監(jiān)控、交通數(shù)據(jù)信息采集（道路監(jiān)控）及機場滑行道等。

4、壓電式動態(tài)力傳感器

車床中用于動態(tài)切削力的測量

5、壓電式振動加速度傳感器

加速度傳感器可以用于判斷汽車的碰撞，從而使安全氣囊迅速充氣，從而挽救生命；還可安裝在氣缸的側(cè)壁上，盡量使點火時刻接近爆震區(qū)而不發(fā)生爆震，但又能使發(fā)動機輸出盡可能大的扭矩。

汽車發(fā)動機中的氣缸點火時刻必須十分精確。如果恰當?shù)貙Ⅻc火時間提前一些，即有一個提前角，就可使汽缸中汽油與空氣的混合氣體得到充分燃燒，使扭矩增大，排污減少。但提前角太大時，混合氣體產(chǎn)生自燃，就會產(chǎn)生沖擊波，發(fā)出尖銳的金屬敲擊聲，稱為爆震，可能使火花塞、活塞環(huán)熔化損壞，使缸蓋、連桿、曲軸等部件過載、變形，可用壓電傳感器檢測并控制之。

向微型化智能化方向發(fā)展

現(xiàn)在的大型精密系統(tǒng)對質(zhì)量和體積大小都非常的關(guān)注，傳統(tǒng)的大塊頭的壓電傳感器將逐步的失去其市場。隨著新材料及新加工技術(shù)的開發(fā)，利用激光等各種微細加工技術(shù)制成的硅加速度傳感器由于具有體積非常的小、互換性及可靠性都很好的吸引力，正在逐步取代傳統(tǒng)的壓電傳感器。

壓電傳感器的功能已經(jīng)突破傳統(tǒng)的功能，其輸出不再是一個單一的模擬信號，而是經(jīng)過微電腦處理后的數(shù)字信號，有的壓電傳感如集成后的壓電傳感器其本身帶有控制功能，這就是所說的數(shù)字傳感器。

現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)日趨先進和成熟的情況下，未來的壓電加速度傳感器會與后續(xù)處理電路集成在一塊，體積更小，性能卻更優(yōu)。

審核編輯：湯梓紅