压电式传感器

摘要 (1)

一、引言 (1)

二、压电式传感器原理 (1)

2.1压电传感器所应用的原理 (1)

2.2压电效应的产生 (2)

2.3石英晶体的压电效应 (3)

三、压电传感器在汽车上的应用 (4)

3.1压电式爆震传感器 (4)

3.1.1共振型压电式爆震传感器 (4)

3.1.2非共振型压电式传感器 (5)

3.2碰撞传感器 (6)

3.3压电式加减速传感器 (6)

四、压电式传感器的发展趋势 (7)

参考文献 (7)

压电式传感器及应用

摘要

近年来，由于电子技术的飞速发展，随着与之配套的二次仪表以及低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现，使得压电传感器在工程力学、生物医学、石油勘探、声波测井、电声学等许多技术领域中获得了广泛的应用。本文将以压电式传感器的应用与发展为核心，首先对压电效应的原理进行介绍，紧接着是在行业、具体工程方面尤其是在汽车领域的应用以及应用的方法，最后介绍了压电式式传感器未来的发展趋势。

关键字：压电式传感器；压电效应；应用；发展

一、引言

传感器是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受与检出功能, 并使之按照一定规律转换与之对应有用输出信号的元器件或装置，是新技术革命和信息社会的重要技术基础，是现代科技的开路先锋，美国早在80年代就声称世界已进入传感器时代，日本则把传感器技术列为十大技术之创立。

压电式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。

二、压电式传感器原理

2.1压电传感器所应用的原理

压电式传感器所采用的是压电效应，即，当沿着一定方向对某些物质加力而使其变形时，

在一定表面上将产生电荷，当外力去掉后，又重新回到不带电状态。相反，当对压电材料沿极化方向施加电场作用时，在一定的晶轴方向将产生机械变形或机械应力；当外加电场撤去后，其内部的应力或变形也随之消失。这种现象称为逆压电效应，又称电致伸缩效应。

压电材料实现了机械能与电能的相互转化，因此，采用压电效应的压电式传感器是一种双向传感器。在汽车上的压电式传感器多是运用正压电效应，将震动转化成电信号，再交与ECU进行处理。由于压电传感器的特性，在汽车上多应用在测量发动机震动及车辆加速等方面。

2.2压电效应的产生

正压电效应：

如图1，当压电材料在受到外力作用时，内部正负电荷的中心发生相对的偏移，导致在材料表面出现电荷分布布局的情况。当外力消失后，正负电荷的中心再次重合，是其回到不带电的状态。当所受的压力方向发生改变的时候，压电材料所表现出的电荷极性也发生改变。

图1

逆压电效应：

当压电材料受到外加的电场的时候，内部正负电荷在电厂的影响下，自发地进行移动，使正负电荷的中心相对偏移，导致材料形状发生改变。压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型5种基本形式。压电晶体是各向异性的，并非所有晶体都能在这5种状态下产生压电效应。例如石英晶体就没有体积变形压电效应，但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。

2.3石英晶体的压电效应

下图（图2）是石英晶体的外形，它具有规则的几何形状。这是由于晶体内部结构对称性的缘故。石英晶体有3个晶轴，其中Z轴是用光学方法确定的。Z方向上没有压电效应；经过晶体的棱线，并垂直于光轴的X轴称电轴；沿X轴方向施加外力时，在垂直于此轴的棱面上压电效应最为明显；垂直于X-Z平面的Y轴为机械轴。沿Y与X方向施加机械应力（拉或压）时，在Y方向不产生压电效应，只产生形变。

图2 石英晶体的压电效应

a、当未受到力作用时，正负离子（硅与氧）正好分布在正六边形的顶角上，形成3个大小相等、互成120度的电偶矩P1，P2，P3。P=ql,q为电荷量,l为正负电荷之间距离。电偶极矩方向为负电荷指向正电荷。此时，正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零。这时晶体表面不产生电荷，石英晶体从整体上是呈电中性的。

b、当石英晶体受到沿X方向的压力作用时，晶体沿X方向产生压缩变形，正负离子的相对位置随之变动，正负电荷中心不再重合，电偶极矩在X轴方向的分量为（P1+P2+P3）>0,在X轴在正方向的晶体表面上出现正电荷。其它轴为0。称为“纵向压电效应”。

c、当石英晶体受到没Y方向作用的压力作用时，电偶极矩在X方向的分量小于0,晶体表面正电荷，其它方向为0。称为“横向压电效应”。

三、压电传感器在汽车上的应用

3.1压电式爆震传感器

3.1.1共振型压电式爆震传感器

共振型压电式爆震传感器的结构如图3所示。该传感器中压电元件紧密地贴合在振荡片上，振荡片则固定在传感器的基座上。振荡片随发动机的振动而振荡，波及压电元件，使其变形产生电压信号。当发动机爆震时的振动频率与振荡片的固有频率相符合时，振荡片产生共振（图4）。此时，压电元件将产生最大的电压信号。

图3 共振型压电式爆震传感器

图4 共振型压电式爆震传感器输出信号

3.1.2非共振型压电式传感器

当发动机产生爆震时，安装在缸体上的爆震传感器内部平衡重因受振动的影响雨产生加速度。因此，在压电元件上受到加速度惯性力的作用而产生压电信号。在发动机爆震发生时，这种传感器输出的电压不大，具有平缓的输出特性，如图5所示。因此，需要将反映发动机振动频率的输出电压信号送到识别爆震的滤波器中，判别是否有爆震产生的信号。

该爆震传感器的优点是其检测频率范围宽，可设计成由零至数十千赫兹，可检测很宽频带的发动机振动频率。用于不同发动机上时，只需将滤波器的过滤频率调整即可使用，而不需要更换传感器。

相比之下，共振型传感器要求固有振动频率与发动机爆震频率相同，爆震时，发生谐振，输出电压信号最大，无需使用滤波器即可识别爆震。非共振型传感器不要求与爆震频率相同，且传感器输出电压不大，具有平缓的输出特性，需将信号送到滤波器中识别是否发生爆震，适用范围广。但需要屏蔽线进行屏蔽，以防止外在磁场与电场对输出信号产生干扰。

图5 非共振型压电式传感器