压电式传感器及其应用

6.4　压电式传感器及其应用

6.4.1　应用类型、形式和特点

广义地讲，凡是利用压电材料各种物理效应构成的种类繁多的传感器，都可称为压电式传感器。表6-4列出了它们的主要应用类型。但目前应用最多的还是力敏类型。因此本章主要介绍基于正压电效应的力—电转换型压电式传感器。

1.力—电转换的变形方式

从优化设计和择优选用压电传感器考虑，首先必须了解其力—电转换的变形方式。

由式（6-7）和式（6-10）压电常数矩阵可以看出，石英晶体和压电陶瓷的压电效应基本变形方式有五种，见表6-5所列。

表6-4　压电传感器的主要应用类型

表6-5　压电效应的基本变形方式

压电常数值反映了压电效应的强弱。由表可知，压电陶瓷的压电效应比石英晶体的强数十倍。对石英晶体，长宽切变压电效应最差，故很少取用；对压电陶瓷，厚度切变压电效应最好，应尽量取用；对三维空间力场的测量，压电陶瓷的体积压缩压电效应显示了独特的优越性。

2.压电元件的结构与组合形式

根据压电传感器的应用需要和设计要求，以某种切型从压电材料切得的晶片（压电元件），其极化面经过镀覆金属（银）层或加金属薄片后形成电极，这样就构成了可供选用的压电器件。压电元件的结构型式很多，如图6-17所示。按结构形状分，有圆形、长方形、环形、柱状和球壳状等等。按元件数目分，有单晶片、双晶片和多晶片。按极性连接方式分，有串联［图（g）、（h）］或并联［图（f）、（i）］。为提高压电输出灵敏度，通常多采用双晶片（有时也采用多晶片）串、并联组合方式。n片串、并联两种组合形式的特点列于表6-6。

图6-17　压电元件的结构与组合形式

3.应用特点

凡是能转换成力的机械量如位移、压力、冲击、振动加速度等，都可用相应的压电传感器测量。

表6-6　压电片串并联组合的特点

压电式传感器的应用特点是:

（1）灵敏度和分辨力高，线性范围大，结构简单、牢固，可靠性好，寿命长；

（2）体积小，重量轻，刚度、强度、承载能力和测量范围大，动态响应频带宽，动态误差小；

（3）易于大量生产，便于选用，使用和校准方便，并适用于近测、遥测。

目前压电式传感器应用最多的仍是测力，尤其是对冲击、振动加速度的测量。迄今在众多型式的测振传感器中，压电加速度传感器占80%以上。因此下面主要介绍压电式加速度和力传感器。

6.4.2　压电式加速度传感器

6.4.2.1　结构类型

目前压电加速度传感器的结构型式主要有压缩型、剪切型和复合型三种。

1.压缩型

图6-18所示为常用的压缩型压电加速度传感器结构；压电元件取用d₁₁和d₃₃形式。

图6-18　压缩型压电加速度传感器

（a）正装中心压缩式；（b）隔离基座压缩式；（c）倒装中心压缩式；（d）隔离预载筒压缩式

1—壳体；2—预紧螺母；3—质量块；4—压电元件；5—基座；6—引线接头；7—预紧筒

图（a）正装中心压缩式的结构特点是，质量块和弹性元件通过中心螺栓固紧在基座上形成独立的体系，与易受非振动环境干扰的壳体分开，具有灵敏度高、性能稳定，频响好，工作可靠

等优点。但受基座的机械和热应变影响。为此，设计出改进型如图（b）所示的隔离基座压缩式，和图（c）的倒装中心压缩式。图（d）是一种双筒双屏蔽新颖结构，它除外壳起屏蔽作用外，内预紧套筒也起屏蔽作用。由于预紧筒横向刚度大，大大提高了传感器的综合刚度和横向抗干扰能力，改善了特性。这种结构还在基座上设有应力槽，可起到隔离基座的机械和热应变干扰的作用，不失为一种采取综合抗干扰措施的好设计，但工艺较复杂。

2.剪切型

表6-7　压缩型与剪切型压电加速度传感器性能比较

由表6-5所列压电元件的基本变形方式可知，剪切压电效应以压电陶瓷为佳，且理论上不受横向应变等干扰和无热释电输出（见表6-7）。因此剪切型压电传感器多采用极化

图6-19　剪切型压电式加速度传感器结构

（a）中空柱形；（b）两种极化；（c）扁环形；（d）三角形；（e）H形

1—壳体；2—质量块；3—压电元件；4—基座；5—引线接头；6—预紧件

压电陶瓷作为压电转换元件。图6-19示出了几种典型的剪切型压电加速度传感器结构。图（a）为中空圆柱形结构。其中柱状压电陶瓷可取两种极化方案，如图（b）:一是取轴向极化，呈现图6-10（c）中d₂₄剪切压电效应，电荷从内外表面引出；一是取经向极化，呈现图6-10（c）中d₁₅剪切压电效应，电荷从上下端面引出。剪切型结构简单、轻小，灵敏度高。存在的问题是压电元件作用面（结合面）需通过粘结（d₂₄方案需用导电胶粘结），装配困难，且不耐高温和高载。

图（c）为扁环形结构。它除上述中空圆柱形结构的优点外，还可当作垫圈一样在有限的空间使用。

图（d）为三角剪切式新颖结构。三块压电片和扇形质量块呈等三角空间分布，由预紧筒固紧在三角中心柱上，取消了胶结，改善了线性和温度特性，但材料的匹配和制作工艺要求高。

图（e）为H形结构。左右压电组件通过横螺栓固紧在中心立柱上。它综合了上述各种剪切式结构的优点，具有更好的静态特性，更高的信噪比和宽的高低频特性，装配也方便。

3.复合型

复合型加速度传感器泛指那些具有组合结构、差动原理、组合一体化或复合材料的压电传感器。现列举几种介绍如下。

图6-20为多晶片三向压电加速度传感器的结构。压电组件由三组（双晶片）具有x、y、z三向互相正交压电效应的压电元件组成。三向加速度通过质量块，前置转换成x、y、z三向力作用在三组压电元件上，分别产生正比于三向加速度的电量输出。其作用原理同后述的（图6-27）三向测力传感器。

图6-20　三向压电加速度传感器

图6-21　压电薄膜加速度传感器

图6-22　组合一体化压电加速度传感器

1—质量块；2—压电石英片；3—超小型阻抗变换器；4—电缆插座；5—绝缘螺钉；6—绝缘垫圈；7—引线

在民用方面，诸如对洗衣机滚筒的不平衡，关门时的冲击，车辆与障碍物之间的碰撞等进行检测时，就需要价廉、简单的加速度计。图6-21所示的由PVF₂高分子压电薄膜做成的加速度传感器，不仅价廉、简单，而且可做成任何形状，实现软接触测量。它由支架1夹持一片PVF₂压电薄膜2构成，薄膜中央有一圆管状瘤3作为质量块，敏感上下方向的加速度，并转换成相应的惯性力作用于薄膜，产生电荷，由电极4输出。国外已采用d＝5×10^-12C/N的PVF₂研制成φ＝2mm，t＝30μm，l₁×l₂＝5mm×10mm，输出灵敏度为3pC/g的加速度传感器。

20世纪70年代以来，国外开始研制集传感器与电子线路于一身的组合一体化压电-电子传感器（压电管）。80年代以来，又利用集成工艺开始研制完全集成化压电加速度传感器。图6-22为一典型的组合一体化压电加速度传感器结构。

6.4.2.2　工作原理和特性

振动存在于所有具有动力设备的各种工程或装置中，并成为这些工程装备的工作故障源，以及工况监测信号源。目前对这种振动的监控检测，多数采用压电加速度传感器。

1.工作原理

图6-23　汽轮发电机组工况监测系统

图6-23为电厂汽轮发电机组工况（振动）监测系统工作示意图。众多的加速度传感器布点在轴承等高速旋转的要害部位，并用螺栓刚性固连在振动体上。其工作原理如图6-24所示。

图6-24　压电加速度传感器工作原理图

我们以图6-18（a）的压缩型加速度传感器为例。当加速度传感器感受振动体的振动加速度时，质量块产生的惯性力F作用于压电元件上，从而产生电荷Q输出。当这种传感器所包含的质量—弹簧—阻尼系统能实现线性转换时，传感器输出Q或电压U_o与输入加速度a成正比。这时传感器的电荷灵敏度和电压灵敏度分别为

和

式中C＝C_a＋C_c＋C_i——回路等效电容。

图6-25　压电加速度传感器的力学模型

由上式可见，可通过选用较大的m和d来提高灵敏度。但质量的增大将引起传感器固有频率下降，频宽减小，而且随之带来体积、重量的增加，构成对被测对象的影响，应尽量避免。通常多采用较大压电常数的材料或多晶片组合的方法来提高灵敏度。

2.动态特性

动态特性分析的目的，就是要揭示上述线性变换的条件。为此我们以图6-18（b）加速度传感器为例，并把它简化成如图6-25所示的“m-k-c”力学模型。其中:k为压电器件的弹性系数，被测加速度为输入。设质量块m的绝对位移为x_a，质量块对壳体的相对位移y＝x_a-x为传感器的输出。由此列出质量块的动力学方程

或整理成

或复数形式

设:代入上式可得

传递函数　　　　　　　　　

和频率特性　　　　　　　　

由上式可得系统对加速度响应的幅频特性

式中为表征二阶系统固有特性的幅频特性。

由于质量块相对振动体的位移y即是压电器件（设压电常数为d₃₃）受惯性力F作用后产生的变形，在其线性弹性范围内有F＝ky。由此产生的压电效应

Q＝d₃₃F＝d₃₃·ky

将上式代入式（6-36）即得压电加速度传感器的电荷灵敏度幅频特性为

若考虑传感器接入两种测量电路的情况:

（1）接入反馈电容为C_f的高增益电荷放大器，则由式（6-26）代入式（6-37）得带电荷放大器的压电加速度传感器的幅频特性为

（2）接入增益为A，回路等效电阻和电容分别为R和C的电压放大器后，由式（6-21）可得放大器的输出为

式中为由电压放大器回路角频率ω₁决定的，表征回路固有特性

的幅频特性。

由式（6-39）和式（6-37）不难得到，带电压放大器的压电加速度传感器的幅频特性为

由式（6-40）描绘的相对频率特性曲线如图6-26所示。

图6-26　压电加速度传感器的幅频特性

综上所述:

（1）由图6-26可知，当压电加速度传感器处于（ω/ω_n）《1，即A（ω_n）→1时，可得到灵敏度不随ω而变的线性输出，这时按式（6-37）和式（6-38）得传感器的灵敏度近似为一常数:

这是我们所希望的；通常取ω_n＞（3～5）ω。

（2）由式（6-40）知，配电压放大器的加速度传感器特性由低频特性A（ω₁）和高频特性A（ω_n）组成。高频特性由传感器机械系统固有特性所决定；低频特性由电回路的时间常数τ＝1/ω₁＝RC所决定。只有当ω/ω_n《1和ω₁/ω《1（即ω₁《ω《ω_n）时，传感器的灵敏度为常数:

满足此线性输出之上述条件的合理参数选择，见上节分析，否则将产生动态幅值误差:

高频段　　　δ_H＝［A（ω_n）-1］%

低频段　　　δ_L＝［A（ω₁）-1］%

此外，在测量具有多种频率成分的复合振动时，还受到相位误差的限制。

6.4.3　压电式力和压力传感器

6.4.3.1　压电式力（矩）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，在拉力、压力和力矩测量场合，通常较多采用双片或多片石英晶片作压电元件。它刚度大，动态特性好；测量范围宽，可测10^-3N～10⁴kN范围内的力；线性及稳定性高；可测单向力，也可测多向力。当采用大时间常数的电荷放大器时，可测量准静态力。

（1）压电石英三向测力传感器　三向测力传感器主要用于三向动态测力系统中，如机床刀具切削力测试。图6-27（a）为YDS-Ⅲ79B型压电式三向力传感器结构，压电组件为三组石英双晶片叠成并联方式，如图6-27（b）所示。其中一组取X0°切型晶片，利用厚度压缩纵向压电效应d₁₁来测量主切削力F_z；另外两组取Y0°切型晶片，利用剪切压电系数d₂₆来分别测量纵横向进刀抗力F_y和F_x，见图6-27（c）。由于F_x与F_y正交，因此这两组晶片安装时应使其最大灵敏轴分别取x向和y向。若取用压电陶瓷晶片，读者可自行考虑。

图6-27　YDS-Ⅲ79B型压电式三向力传感器

（a）结构图；（b）压电组件；（c）x、y、z双晶片

压电式力传感器的工作原理和特性与压电式加速度传感器基本相同。设以单向力F_z作用为例，由图6-27（a）可知，它仍可由图6-25和式（6-32）描述的典型二阶系统加以说明。参照式（6-37）代入F_z＝ma，即可得单向压缩式压电力传感器的电荷灵敏度幅频特性

可见，当（ω/ω_n）《1（即ω《ω_n）时，上式变为

这时，力传感器的输出电荷Q与被测力F_z成正比。

（2）压电石英双向测力和扭矩传感器　上述三向测力传感器的设计原理可推广应用于力和扭矩的测量。图6-28为D_n-829Y型双向力、扭矩传感器结构图。该传感器可用来测量Z向力F_z和绕Z轴的扭矩M_z。在直径d₀＝47.6mm的中心圆上，上下各匀布6组石英双晶片压电器件。其中上面6组采用xy切型双晶片，利用厚度压缩纵向压电效应d₁₁来测量F_z；且使y晶轴正向设置成:上层片取离心方向，下层片取向心方向。这样布局的目的在于减小M_z对xy晶组引起横向干扰影响。另下面6组采用yx切型双晶片，利用剪切压电效应d₂₆来测量M_z，且使z晶轴取向心排列；这样，x晶轴向则为中心圆切向，从而确保yx晶组有最大的输出。

图6-28　Dn-829Y型双向扭矩传感器结构图

1—承力件；2—绝缘套筒；3—压电器件；4—引线接头；5—引线；6—座体

6.4.3.2　压电式压力传感器

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前述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压电元件。在结构设计中，必须注意:（1）确保弹性膜片与后接传力件间有良好的面接触，否则，接触不良会造成滞后或线性恶化，影响静、动态特性。（2）传感器基体和壳体要有足够的刚度，以保证被测压力尽可能传递到压电元件上。（3）压电元件的振动模式选择要考虑到频率覆盖:弯曲（0.4～100kHz）；压缩（40kHz～15MHz）；剪切（100kHz～125MHz）。（4）涉及传力的元件，尽量采用高音速材料和扁薄结构，以利快速、无损地传递弹性元件的弹性波，提高动态性能。（5）考虑加速度、温度等环境干扰的补偿。

图6-29　7031型压电式压力传感器

图6-29所示为综合考虑了上述设计思想的Kistler7031型压电式压力传感器的结构。压缩式石英晶片组通过薄壁厚底的弹性套筒施加预载，其厚底起着传力件的作用。被测压力通过膜片和预紧筒传递给压电组件。在压电组件和膜片间垫有陶瓷与铁镍铍青铜两种材料制成的温度补偿片，尺寸为φ6×0.5mm²，用来补偿长时间缓变（尤其在低频测量时）的热干扰对弹性套筒预载的影响。在压电组件上方，安装有φ6.6×7mm²高密度合金质量块，以及尺寸为φ6×0.5mm²，且输出极性相反的加速度补偿晶片，用以消减环境加速度干扰。这种传感器量程大（0～2.5×10⁷Pa），工作温度范围宽（-150～＋240℃），温度误差小（0.02%/℃），加速度误差小（达4×10^-7/m·s^-2）。

图6-30所示为血压计采用的两种不同型式的压电血压传感器。图6-30（a）采用了PZT-5H压电陶瓷，尺寸为12.7mm×1.575mm×0.508mm的双晶片悬梁结构。双晶片极化方向相反，并联连接。在敏感振膜中央上下两侧各胶粘有半圆柱塑料块。被测动脉血压通过上塑料块、振膜、下塑料块传递到压电悬梁的自由端。压电梁弯曲变形产生的电荷经前置电荷放大器输出。

图-30（b）为采用复合材料的血压传感器结构。压电元件为掺杂PZT陶瓷的PVF2复合压电薄膜。它的韧性好，易与皮肤吻合，力阻抗与人体匹配，可消除外界脉动干扰。这种传感器结构简单，组装容易，体积小，可靠耐用，输出再现性好，适用于人体脉压，脉率的检测或脉波再现。

图6-30　压电式血压传感器

（a）双晶片悬梁式；（b）复合材料式

6.4.4　逆压电效应的应用

逆压电效应的应用也很广泛。基于逆压电效应（电致伸缩）的超声波发生器（换能器）和声表面波谐振器（振荡器）分别是超声检测和声表面波检测技术及仪器的关键器件。此外，逆压电效应还可作力和微运动（位移、速度、加速度）发生器——压电致动器。

图6-31　压电陶瓷微位移装置结构简图

（a）叠片式；（b）圆管式

1—电极；2—压电陶瓷；3—芯体；4—工作件

利用压电陶瓷的逆压电效应来实现微位移，可不必像传统的传动系统那样，需通过机械传动机构把转动变为直线运动，从而避免了机构造成的误差；而且具有位移分辨力极高（可达10^-3μm级），结构简单，尺寸小，发热少，无杂散磁场和便于遥控等特点。图6-31所示为压电陶瓷微位移装置结构简图。

图6-31（a）为叠片式。压电组件由n片相同的、取轴向极化的压电陶瓷片并联（相邻片极化方向相反）叠加而成。如图施加电场后，每片均有相同的伸长量Δs，总的伸长量使工作件4相对芯体3产生ΔS＝nΔs的轴向微位移量。如采用50片1mm厚的PTZ压电陶瓷叠片，外加2000V直流电压，就可得到50μm位移量。如外加交变电压，就可获得交变振幅输出。

图6-31（b）为圆管式。压电陶瓷管2取径向极化，其外柱面镀有8个相互间隔的环状电极1。压电管2与芯体3之间取0.5μm的过盈配合。对某一极外加电场后，该段即产生径向膨胀和轴向伸张。这种形式的优点是，根据所要求的位移大小和不同运动方式（如匀位移式或蚯蚓爬行式等），可通过对多电极程控施加脉冲电压的方法来实现，灵活机动。