压电式压力传感器

压电式压力传感器根据使用要求不同，有各种不同的结构，但工作原理相同。图6－10所示为其结构。

当压力p作用在膜片上时，压电元件的上、下表面产生电荷，电荷量与作用力F成正比，而F＝p S（式中S为压电元件受力面积），因此，对于选定结构的传感器，输出电荷量 （或电压）就与输入压力成正比关系，所以线性度较好。

压电式压力传感器的测量范围很宽，能测低至102N／m2的低压，高至108N／m2的高压，且频响特性好、结构坚实、体积小、质量轻、使用寿命长，所以广泛应用于内燃机的气缸、油管、进排气管的压力测量，在航空和军事工业上的应用也很广泛。

图6－10 压电式压力

传感器的结构1—引线插件；2—绝缘体；3—壳体；4—压电元件；5—膜片

知识拓展

影响压电式传感器精度的因素分析

1.非线性

压电传感器的幅值线性度是指被测物理量 （如力、压力、加速度等）的增加，其灵敏度的变化程度。

现以压电加速度传感器为例，说明幅值线性度。

我国规定：压电加速度传感器，用于测量振动信号的幅值线性度不得大于5％，用于测量冲击不得小于10％。

压电加速度传感器的幅值线性度的确定是由冲击和振动校准实验来完成的。

2.横向灵敏度

压电加速度传感器的横向灵敏度是指当加速度传感器感受到与其主轴向 （轴向灵敏度方向）垂直的单位加速度振动时的灵敏度，一般用它与主轴向灵敏度的百分比来表示，称为横向灵敏度比。

对于一只较好的压电加速度传感器，最大横向灵敏度比应不大于5％。理想的压电加速度传感器的最大敏感轴向应与它的主轴方向完全重合，也就是说，它的横向灵敏度应该为零。但实际由于设计、制造、工艺及元件等方面的原因，这种理想情况是达不到的，往往会产生不重合的情况。

3.环境温度的影响

环境温度的变化对压电材料的压电常数和介电常数的影响都很大，它将使传感器灵敏度发生变化，压电材料不同，温度影响的程度也不同。当温度低于400℃时，其压电常数和介电常数都很稳定。

人工极化的压电陶瓷温度的影响比石英要大得多，不同的压电陶瓷材料，压电常数和介电常数的温度特性比钛酸钡好得多。一种新型的压电材料铌酸铿晶体的居里点为 （1210± 10）℃，远比石英和压电陶瓷的居里点高，所以用作耐高温传感器的转换元件。

为了提高压电陶瓷的温度稳定性和时间稳定性，一般应进行人工老化处理。但天然石英晶体无须做人工老化处理，其性能很稳定。

经人工老化后的压电陶瓷在常温条件下性能稳定，但在高温环境中使用时，性能仍会变化，为了减小这种影响，在设计传感器时就采取隔热措施。

为适应在高温环境下工作，除压电材料外，连接电缆也是一个重要的部件。普通电缆是不能耐700℃以上高温的。目前，在高温传感器中大多采用无机绝缘电缆和含有无机绝缘材料的柔性电缆。

4.湿度的影响

环境湿度对压电式传感器性能的影响也很大。如果传感器长期在高湿度环境下工作，其绝缘电阻将会减小，低频响应变坏。现在，压电式传感器的一个突出指标是绝缘电阻要高达1014Ω。为了能达到这一指标，采取必要的措施是：合格的结构设计。把转换元件组成一个密封式整体，有关部分一定要良好绝缘，严格的清洁处理和装配，电缆两端必须气密焊封，必要时可采用焊接全密封方案。

5.电缆噪声

普通的同轴电缆是由聚乙烯或聚四氟乙烯作绝缘保持层的多股绞线组成，外部屏蔽是一个编织的多股镀银金属套包在绝缘材料上。工作时，电缆受到弯曲或振动时，屏蔽套、绝缘层和电缆芯线之间可能发生相对位移或摩擦而产生静电荷。由于压电式传感器是电容性的，这种静电荷不会很快消失而被直接送到放大器，这就形成电缆噪声。为了减小这种噪声，可使用特制的低噪声电缆，同时将电缆紧固，以免产生相对运动。

6.接地回路噪声

在测试系统中接有多种测量仪器，如果各仪器与传感器分别接地，各接地点又有电位差，这便在测量系统中产生噪声。防止这种噪声的有效办法是整个测量系统在一点接地，而且选择指示器的输入端为接地点。

影响压电式传感器精度除以上分析的几个因素外，还存在有声场效应、磁场效应、射频场效应及基座应变效应等因素。

先导案例解决

高分子压电材料在报警装置 （系统）中的典型应用有：

1.玻璃打碎报警装置

玻璃破碎时会发出几千赫兹至超声波 （高于20k Hz）的振动。将高分子压电薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到这一振动，并将电压信号传送给集中报警系统。图6－11所示为某种高分子压电薄膜振动感应片。

高分子薄膜厚约0.2mm，用聚偏二氟乙烯 （PVDF）薄膜裁制成10mm×20mm大小。在它的正反两面各喷涂透明的二氧化锡导电电极，也可以用热印制工艺制作铝薄膜电极，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 （502等）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电压uo，Ca是两电极之间的电容量。脉冲信号经放大后，用电缆输送到集中报警装置，产生报警信号。

图6－11 高分子压电

薄膜振动感应片1—正面透明电极；2—PVDF薄膜；3—反面透明电极；4—保护膜；5—引脚

由于感应片很小且透明，不易察觉，所以可安装于贵重物品柜台、展览橱窗、博物馆及家庭等玻璃窗角落处。

2.压电式周界报警系统

周界报警系统又称线控报警系统。它警戒的是一条边界包围的重要区域。当入侵者进入防范区之内时，系统就会发出报警信号。

周界报警器最常见的是安装有报警器的铁丝网，但在民用部门常使用隐蔽的传感器。常用的有以下几种形式：地音传感器、高频辐射漏泄电缆、红外激光遮断式、微波多普勒式、高分子压电电缆等。下面简单分析压电式周界报警系统，如图6－12所示。

图6－12 高分子压电式周界报警系统

（a）原理框图；（b）高分子压电电缆1—铜芯线 （分布电容内电极）；2—管状高分子压电塑料绝缘层；3—铜网屏蔽层（分布电容外电极）；4—橡胶保护层 （承压弹性元件）

在警戒区域的四周埋设多根以高分子压电材料为绝缘物的单芯屏蔽电缆。屏蔽层接大地，它与电缆芯线之间以PVDF为介质而构成分布电容。当入侵者踩到电缆上面的柔性地面时，该压电电缆受到挤压，产生压电脉冲，引起报警。通过编码电路，还可以判断入侵者的大致方位。压电电缆可长达数百米，可警戒较大的区域，不易受电、光、雾、雨水等干扰，费用也比微波等方法便宜。