检测技术与仪表课程设计讲解

摘要
压电传感器是利用某些电介质受力后产生的压电效应制成的传感器。

所谓压电效应是指某些电介质在受到某一方向的外力作用而发生形变（包括弯曲和伸缩形变）时，由于内部产生极化现象，会在其表面产生符号相反的电荷，当外力去掉后它又会恢复到不带电的状态，物体产生的电荷与外力成正比，电荷的极性随外力方向改变而变化，这种现象称为压电效应。

压电材料它可分为压电单晶、压电多晶和有机压电材料。

压电式传感器中用得最多的是属于压电多晶的各类压电陶瓷和压电单晶中的石英晶体。

其他压电单晶还有适用于高温辐射环境的铌酸锂以及钽酸锂、镓酸锂、锗酸铋等。

压电传感器广泛应用在科学研究、教学试验上。

压电式传感器大致可以分为4种，即:压电式测力传感器，压电式压力传感器，压电式加速度传感器及高分子材料压力传感器。

关键词：压电效应；工作原理；组成结构；测量原理图；特性及参数选择；应用；发展趋势
目录
引言 (3)
1压电效应及压电方程 (3)
1.1压电效应 (3)
1.2压电方程 (4)
1.2.1第一类压电方程 (4)
1.2.2第二类压电方程 (5)
1.2.3第三类压电方程 (5)
1.2.4第四类压电方程 (5)
2压电材料 (6)
2.1石英晶体 (6)
2.2压电陶瓷 (7)
3压力传感器测量电路 (7)
3.1压电晶片连接方式 (7)
4基本应用 (11)
4.1加速度传感器 (12)
4.1.1压电式加速度计的结构和安装 (12)
4.1.2压电式加速计的灵敏度 (13)
4.1.3常见性能参数 (14)
5压电式加速计的实际应用 (14)
6压电式传感器的发展趋势 (16)
6.1压电式振动加速度传感器在航空发动机中的应用 (16)
6.1.1压电式振动加速度传感器的主要特点 (17)
6.2航空发动机测振用加速度传感器的发展趋势 (17)
总结 (17)
参考文献 (18)
引言
背景介绍：
压电传感器是基于压电效应的传感器，是一种自发电式和机电转换式传感器。

它的敏感元件由压电材料制成，压电材料受力后表面产生电荷，此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。

压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量。

它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。

缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。

压电陶瓷有属于二元系的钛酸钡陶瓷、锆钛酸铅系列陶瓷、铌酸盐系列陶瓷和属于三元系的铌镁酸铅陶瓷。

压电陶瓷的优点是烧制方便、易成型、耐湿、耐高温。

缺点是具有热释电性，会对力学量测量造成干扰。

有机压电材料有聚二氟乙烯、聚氟乙烯、尼龙等十余种高分子材料。

有机压电材料可大量生产和制成较大的面积,它与空气的声阻匹配具有独特的优越性,是很有发展潜力的新型电声材料。

60年代以来发现了同时具有半导体特性和压电特性的晶体，如硫化锌、氧化锌、硫化钙等。

利用这种材料可以制成集敏感元件和电子线路于一体的新型压电传感器，很有发展前途。

压电式传感器的应用:压电传感器结构简单、体积小、质量小、功耗小、寿命长，特别是它具有良好的动态特性，因此适合有很宽频带的周期作用力和高速变化的冲击力。

1压电效应及压电方程
1.1 压电效应
某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。

当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。

当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。

相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称
为电致伸缩现象。

依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感器。

1.2 压电方程
压电材料的压电性涉及到力学和电学之间的相互作用，而压电方程就是描述晶体的力学量和电学量之间的相互关系的表达式。

但是由于应用状态和测试条件的不同，压电晶片（振子）可以处在不同的电学边界条件和机械边界条件下，即压电方程的独立变量可以任意选择，所以根据机械自由和机械夹持的机械边界条件与电学短路和电学开路的电学边界条件，描述压电材料的压电效应的方程共有4类，即d型、e型、g型、h型。

四类边界条件为：
1、电学边界条件：
电学边界条件分为短路和开路
短路：两电极间外电路的电阻比压电陶瓷片的内阻小得多，可认为外电路处于短路状态。

这时电极面所累积的电荷由于短路而流走，电压保持不变。

它的上标用E表示。

开路：两电极间外电路的电阻比压电陶瓷片的内阻大得多，可认为外电路处于开路状态。

这时电极上的自由电荷保持不变，电位移保持不变。

它的上标用D表示。

2、机械边界条件;
机械边界条件分为自由和夹紧
自由：用夹具把压电陶瓷片的中间夹住，边界上的应力为零，即片子的边界条件是机械自由的，片子可以自由变形。

它的上标用T表示。

夹紧：用刚性夹具把压电陶瓷的边缘固定，边界上的应变为零，即片子的边界条件是机械夹紧的。

它的上标用S表示。

四类边界条件对应四类压电方程，根据不同的边界条件选择不同的压电方程。

1.2.1第一类压电方程
第一类压电方程边界条件为机械自由和电学短路，应力T和电场强度E为自变量，应变S和电位移D为因变量。

方程为：
式1
式中，第一个方程叙述了正压电效应，而第二个方程叙述了逆压电效应。

式中d为压电常数，dT—d的转置；s—弹性柔顺常数；ε—介电常数。

而εT 和sE分别表示应力恒定时的介电常数和场强恒定时的弹性柔顺系数。

1.2.2第二类压电方程
湿敏元件比来表示灵敏度。

第二类压电方程边界条件为机械夹持和电学短路，应变S和电场强度E为自变量，应力T和电位移D为因变量（ansys中所应用的就是这个方程）：
式2
式中，c—弹性刚度常数；e—压电应力系数；et—e的转置。

εS为应变恒定时的介电常数（夹紧介电常数），cE为场强恒定时（短路）的弹性刚度系数。

1.2.3第三类压电方程
第三类压电方程边界条件为机械自由和电学开路，应力T和电位移D为自变量，应变S和电场强度E为因变量：
式3
式中，β—自由倒介电常数；g—压电应变常数；gT—g的转置。

βT为恒应力作用下的介质的隔离率。

sD为恒电位移（开路）时弹性柔顺系数。

1.2.4第四类压电方程
第四类压电方程边界条件为机械夹持和电学开路，应变S和电位移D为自变量，应力T和电场强度E为因变量：
式4
式中，h—压电应力常数；ht—h的转置。

βS为恒应变下（夹紧）的介质隔离率；cD为恒电位移（开路）时弹性刚度系数。

理解并掌握了压电理论的基础知识、熟悉压电陶瓷的极化和压电方程等对于全面理解压电换能器的工作原理提供了相关的理论基础，因此是十分必要的。

2压电材料
压电材料可分为压电单晶、压电多晶和有机压电材料。

压电式传感器中用得最多的是属于压电多晶的各类压电陶瓷和压电单晶中的石英晶体。

其他压电单晶还有适用于高温辐射环境的铌酸锂以及钽酸锂、镓酸锂、锗酸铋等。

压电陶瓷有属于二元系的钛酸钡陶瓷、锆钛酸铅系列陶瓷、铌酸盐系列陶瓷和属于三元系的铌镁酸铅陶瓷。

压电陶瓷的优点是烧制方便、易成型、耐湿、耐高温。

缺点是具有热释电性，会对力学量测量造成干扰。

有机压电材料有聚二氟乙烯、聚氟乙烯、尼龙等十余种高分子材料。

有机压电材料可大量生产和制成较大的面积,它与空气的声阻匹配具有独特的优越性,是很有发展潜力的新型电声材料。

60年代以来发现了同时具有半导体特性和压电特性的晶体，如硫化锌、氧化锌、硫化钙等。

利用这种材料可以制成集敏感元件和电子线路于一体的新型压电传感器，很有发展前途。

2.1 石英晶体
典型的石英的化学成分为SiO2，晶体属三方晶系的氧化物矿物，即低温石英（a-石英），是石英族矿物中分布最广的一个矿物种。

广义的石英还包括高温石英（b-石英）。

低温石英常呈带尖顶的六方柱状晶体产出，柱面有横纹，类似于六方双锥状的尖顶实际上是由两个菱面体单形所形成的。

石英集合体通常呈粒状、块状或晶簇、晶腺等。

纯净的石英无色透明，玻璃光泽，贝壳状断口上具油脂光泽，无解理。

受压或受热能产生电效应。

当晶片在沿电轴，方向受力八时，在切片的表面，即与电轴垂直的平面上会产生电荷Qx，其大小为Qx
式5X
X X F
K Q
2.2 压电陶瓷
压电陶瓷是一类具有压电特性的电子陶瓷材料. 与典型的不包含铁电成分的压电石英晶体的主要区别是: 构成其主要成分的晶相都是具有铁电性的晶粒. 由于陶瓷是晶粒随机取向的多晶聚集体，因此其中各个铁电晶粒的自发极化矢量也是混乱取向的. 为了使陶瓷能表现出宏观的压电特性，就必须在压电陶瓷烧成并于端面被复电极之后，将其置于强直流电场下进行极化处理，以使原来混乱取向的各自发极化矢量沿电场方向择优取向. 经过极化处理后的压电陶瓷，在电场取消之后，会保留一定的宏观剩余极化强度，从而使陶瓷具有了一定的压电性质.
3压力传感器测量电路
3.1 压电晶片连接方式
在实际应用中，由于单片的输出电荷很小，因此，组成压电式传感器的晶片不止一片，常常将两片或两片以上的晶片粘结在一起。

粘结的方法有两种，即并联和串联。

并联方法两片压电晶片的负电荷集中在中间电极上，正电荷集中在两侧的电极上，传感器的电容量大、输出电荷量大、时间常数也大，故这种传感器适用于测量缓变信号及电荷量输出信号。

='
2='
；
q2
='；
U
C
C
U
q
式7
图（1）
串联方法正电荷集中于上极板，负电荷集中于下极板，传感器本身的电容量小、响应快、输出电压大，故这种传感器适用于测量以电压作输出的信号和频率较高的信号。

式8
图（2）
图（3）
C C U U q q 2
12='='='；；
在上述两种接法中，并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的场合。

而串联接法输出电压大，本身电容小，适宜用于以电压作输出信号，并且测量电路输入阻抗很高的场合。

压电传感器等效电路
当压电晶体承受应力作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。

故可把压电传感器看成一个电荷源与一个电容并联的电荷发生器。

式9
当两极板聚集异性电荷时，板间就呈现出一定的电压，其大小为
式10
因此，压电传感器还可以等效为电压源U a 和一个电容器C a 的
串联电路，如图 (b)。

图（4）
图4压电传感器的等效电路
（a ） 电压源; （b ） 电荷源
实际使用时，压电传感器通过导线与测量仪器相连接，连接导线的等效电容C C 、前置放大器的输入电阻R i 、输入电容C i 对电路的影响就必须一起考虑进去。

当考虑了压电元件的绝缘电阻R a 以后，压电传感器完整的等效电路可表示成图4-1所示的电压等效电路（a ）和电荷等效电路（b ）。

这两种等效电路是完全等效的。

δ
εεδεS S C r a 0==a
a C q
U
=u
a q (a )(
b )
昆明理工大学 课程设计
图（5）
图5 压电传感器的完整等效电路
（a ） 电压源; （b ） 电荷源
利用压电式传感器测量静态或准静态量值时，必须采取一定的措施，使电荷从压电晶片上经测量电路的漏失减小到足够小程度。

而在动态力作用下，电荷可以得到不断补充，可以供给测量电路一定的电流，故压电传感器适宜作动态测量。

压电式传感器的测量电路
由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通常先把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗交换以后，方可用一般的放大检波电路再将信号输入到指示仪表或记录器中。

(其中，测量电路的关键在于高阻抗输入的前置放大器。

）
前置放大器的作用：一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；二是放大传感器输出的微弱电信号。

前置放大器电路有两种形式：一是用电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压(即传感器的输出)成正比；另一种是用带电容板反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。

由于电荷放大器电路的电缆长度变化的影响不大，几乎可以忽略不计，故而电荷放大器应用日益广泛。

图（6）并联型连接
U C a q (a )(b )
电荷输出，等效为与电容相并联的电荷源，如图6
开路状态，Q＝CaUa，Ua为极板电荷电压。

图（7）串联型连接
电压输出，等效为与电容串联的电压源，如图7。

开路状态，Ua＝Q/Ca，Q —电荷量。

压电传感器及其应用
4基本应用
（1）力测量压电式传感器主要利用石英晶体的纵向和剪切的压电效应，因为石英晶体刚度大、滞后小，灵敏度高、线性好，工作频率宽、热释电诳应小。

力传感器除可测单向作用力外还可利用不同切割方向的多片晶体依靠其不同的压电效应测量多方向力，如空间作用力3个方向的分力Fx、Fy、Fz
（2）压力测量：压电式压力传感器主要利用弹性元件（膜片、活塞等）收集压力变成作用于晶体片上的力，因为弹性元件所用材料的性能对传感器的特性有很大影响。

（3）加速度测量：压电式加速度传感器是利用质量块m由预紧力压在晶体片上，娄被测加速度a作用时，晶体处会受到惯性力F=ma,由此产生压电效应，因此质量块的质量决定了传感器的灵敏度，也影响着传感器的高频响应。

4.1 加速度传感器
压电式加速度传感器又称压电加速度计。

它也属于惯性式传感器。

它是利用某些物质如石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。

当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比
4.1.1压电式加速度计的结构和安装
（图）压电式加速度计的结构形式
（图）压电式加速度计的幅频特性曲线
图（
4.1.2压电式加速计的灵敏度
压电加速度计属发电型传感器，可把它看成电压源或电荷源，故灵敏度有电压灵敏度和电荷灵敏度两种表示方法。

前者是加速度计输出电压（mV）与所承受加速度之比；后者是加速度计输出电荷与所承受加速度之比。

加速度单位为m/s2，但在振动测量中往往用标准重力加速度g作单位，1g= 9.80665m/s2。

这是一种已为大家所接受的表示方式，几乎所有测振仪器都用g作为加速度单位并在仪器的板面上和说明书中标出。

对给定的压电材料而言，灵敏度随质量块的增大或压电元件的增多而增大。

一般来说，加速度计尺寸越大，其固有频率越低。

因此选用加速度计时应当权衡灵敏度和结构尺寸、附加质量的影响和频率响应特性之间的利弊。

压电晶体加速度计的横向灵敏度表示它对横向（垂直于加速度计轴线）振动的敏感程度，横向灵敏度常以主灵敏度（即加速度计的电压灵敏度或电荷灵敏度）的百分比表示。

一般在壳体上用小红点标出最小横向灵敏度方向，一个优良的加速度计的横向灵敏度应小于主灵敏度的3％。

因此，压电式加速度计在测试时具有明显的方向性。

4.1.3常见性能参数
测量范围0.001～800MPa
灵敏度0.2～1000PC/MPa
非线性0.3～1%FS
重复性0.5～1%FS
迟滞1%FS
固有频率75～500kHz
温度漂移0.02～0.5% FS /℃
加速度灵敏度0.01～100MPa/g
灵敏度温度系数0.02～0.5%/℃
工作温度-196～+200℃
5压电式加速计的实际应用
目前最新IBM Thinkpad手提电脑里就内置了加速度传感器，能够动态的监测出笔记本在使用中的振动，并根据这些振动数据，系统会智能的选择关闭硬盘还是让其继续运行，这样可以最大程度的保护由于振动，比如颠簸的工作环境，或者不小心摔了电脑做造成的硬盘损害，最大程度的保护里面的数据。

另外一个用处就是目前用的数码相机和摄像机里，也有加速度传感器，用来检测拍摄时候的手部的振动，并根据这些振动，自动调节相机的聚焦。

概括起来，加速度传感器可应用在控制，手柄振动和摇晃，仪器仪表，汽车制动启动检测，地震检测，报警系统，玩具，结构物、环境监视，工程测振、地质勘探、铁路、桥梁、大坝的振动测试与分析；鼠标，高层建筑结构动态特性和安全保卫振动侦察上。

压力测量传感器：
压电式压力传感器大多是利用正压电效应制成的。

基于压电效应的压力传感器。

它的种类和型号繁多，按弹性敏感元件和受力机构的形式可分为膜片式和活塞式两类。

膜片式主要由本体、膜片和压电元件组成。

图（11）
压电式压力传感器大多是利用正压电效应制成的。

正压电效应是指:当晶体受到某固定方向外力的作用时，内部就产生电极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷;当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态;当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变;晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。

逆压电效应又称电致伸缩效应，是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象。

用于电声和超声工程的一般使用逆压电效应制造的变送器。

基于压电效应的压力传感器。

它的种类和型号繁多，按弹性敏感元件和受力机构的形式可分为膜片式和活塞式两类。

膜片式主要由本体、膜片和压电元件组成(见图)。

压电元件支撑于本体上，由膜片将被测压力传递给压电元件，再由压电元件输出与被测压力成一定关系的电信号(见压电式传感器)。

这种传感器的特点是体积小、动态特性好、耐高温等。

现代测量技术对传感器的性能出越来越高的要求。

例如用压力传感器测量绘制内燃机示功图，在测量中不允许用水冷却，并要求传感器能耐高温和体积小。

压电材料最适合于研制这种压力传感器。

比较有效的办法是选择适合高温条件的石英晶体切割方法,例如XYδ(+20°~+30°)割
型的石英晶体可耐350℃的高温。

而LiNbO3单晶的居里点高达1210℃，是制造高温传感器的理想压电材料。

压电式压力测量传感器的应用：
压电式压力传感器广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的，压电压力传感器常用于动态压力，所以压电压力传感器的应用就非常广。

6压电式传感器的发展趋势
压电式传感器是一种自发电式和机电转换式传感器。

它的敏感元件由压电材料制成。

压电材料受力后表面产生电荷。

此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。

压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量。

它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。

缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。

压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。

压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。

它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。

压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。

压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。

也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。

它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。

压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电传感器的应用就非常广泛。

6.1 压电式振动加速度传感器在航空发动机中的应用
发动机是飞机的心脏，为保证飞机操作系统绝对安全可靠、飞行安全，必须在发动机上安装相应的传感器，用来测量发动机的工作参数，随时监控发动机的工作状态。

加速度传感器在发动机研制、生产和使用过程中，对发动机进行振动测量和监视。

目前用于航空发动机振动测量的传感器主要是磁电式速度传感器和压电加速度传感器。

航空发动机振动非常复杂，工作环境又比较恶劣，对振动传感器的要求非常苛刻，不仅要有好的性能指标，更重要的要具有长时间工作的可靠性和稳定性。

6.1.1压电式振动加速度传感器的主要特点
(1)内部结构坚固，没有活动部件，是一种惯性式固态传感器，因而寿命较长。

(2)频率范围很宽，从几赫兹到几千赫兹甚至几十千赫兹，而且动态范围很大，能测量从零点几个g到几千个g的加速度，这特别适合于宽频带振动测量和分析。

(3)能够设计成耐高温型，能在高温环境中有效地工作，现在压电加速度计最高使用温度为700℃以上，能满足发动机高温部位振动测量的要求，可在台架试车时用于涡轮外环等高温部位的振动测量。

(4)灵敏度高，稳定性好，体积小，重量轻，安装方便，能进行长时间的振动测量和监视，而且其工作方向是任意的。

因此，用于机载振动监视的传感器大多是压电式振动加速度传感器。

6.2 航空发动机测振用加速度传感器的发展趋势
1. 发展航空发动机转子轴承用加速度传感器。

在外部机匣上测量振动，增加了测量误差。

发展发动机内部测振用传感器，具备防污染性强、可靠性好、整体式封装等特点。

同时开展由于测振点转移带来的振动信号的可靠传输、振动极限的控制等一系列技术
研究。

2. 发展耐高温加速度传感器。

开发新型耐高温材料，加强耐高温传感器的设计、制造及装调以满足发动机机载振动需求。

3. 发展航空发动机测振传感器校准研究。

航空发动机振动传感器在安装、信号输出、整体质量等方面都不同于一般振动传感器。

如高频响应和高温响应试验，通用设备和方法根本不能实现。

总结
著民科学家钱学森在对新技术革命的论述当中讲到：“新技术革命的关键是信息技术，信息技术有测量技术、计算机技术、通信技术三部分组成，测量技术则是关键和基础。

而信息处理技术取得的进展以及微处理器和计算机技术的高速发展，以及测量技术的发展都需要在传感器的开发方面有相应的进展。

微处理器现在已经在测量和控制系统中得到了广泛的应用。

随着这些系统能力的增强，作为信息采集系统的前端单元，传感器的作用越来越重要。

传感器已成为自动化系。