《机械工程测试技术》课程教学资源（上课讲稿）11 压电式传感器

压电式传感器(讲稿)李江全石河子大学机电学院电气工程教研室

压 电 式 传 感 器 (讲 稿) 李江全 石河子大学机电学院电气工程教研室

目录一、概述1、什么是压电传感器？2、常用的压电材料二、工作原理1、压电效应2、石英晶体的三轴3、纵向压电效应与横向压电效应4、力与电荷量的关系三、压电元件1、几种变形方式2、等效电路3、联接方式四、压电式传感器1、组成2、测量电路3、类型4、特点5、应用补充问题1、压电式传感器在使用中应注意什么问题？2、为什么压电传感器不能进行静态测量？3、为什么压电力传感器在使用中要预加载荷？

目 录 一、概述 1、什么是压电传感器？ 2、常用的压电材料 二、工作原理 1、压电效应 2、石英晶体的三轴 3、纵向压电效应与横向压电效应 4、力与电荷量的关系 三、压电元件 1、几种变形方式 2、等效电路 3、联接方式 四、压电式传感器 1、组成 2、测量电路 3、类型 4、特点 5、应用 补充问题 1、压电式传感器在使用中应注意什么问题？ 2、为什么压电传感器不能进行静态测量？ 3、为什么压电力传感器在使用中要预加载荷？

一、概述1、什么是压电传感器？以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量电测目的的一种传感器。压电式传感器是一种典型的有源传感器（或发电型传感器），压电式传感器是一种可逆型换能器，既可以将机械能转换为电能，文可以将电能转换为机械能。2、常用的压电材料具有压电效应的材料（电介质）称之为压电材料。压电材料可以分为压电晶体与压电陶瓷两大类，前者是天然形成或人工制成的单晶体，后者为人工制造的多晶体。压电晶体包括石英（即SiO2），酒石酸钾钠、酸锂晶体等压电陶瓷包括：钛酸、锆钛酸铅、银酸铅、锯镁酸铅等。现在声学和传感技术中最普遍应用的是压电陶瓷。压电陶瓷：压电陶瓷是人工制造的多晶体，具有良好的压电效应，它的压电系数比石英晶体大得多，采用压电陶瓷制作的传感器灵敏度高，制作方便，成本低。石英晶体：压电系数较小，但对时间、温度的稳定性很好，机械强度高。二、工作原理1、压电效应压电式传感器的工作原理就是基于某些物质（电介质材料）的压电效应。对某些电介质，当沿着一定方向对它施加力而使它变形时，内部产生极化现象，在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，形成电场：当外力去掉后，材料又重新恢复不带电状态，这种现象称为压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随着改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，其几何尺寸也发生变化，这种由于外电场作用导致物质机械变形的现象称为逆压电效应（也称电致伸缩效

一、概述 1、什么是压电传感器？ 以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生 电荷，从而实现非电量电测目的的一种传感器。 压电式传感器是一种典型的有源传感器（或发电型传感器）， 压电式传感器是一种可逆型换能器，既可以将机械能转换为电能，又可以 将电能转换为机械能。 2、常用的压电材料 具有压电效应的材料（电介质）称之为压电材料。 压电材料可以分为压电晶体与压电陶瓷两大类，前者是天然形成或人工制 成的单晶体，后者为人工制造的多晶体。 压电晶体包括石英（即 SiO2），酒石酸钾钠、铌酸锂晶体等。 压电陶瓷包括：钛酸钡、锆钛酸铅、银酸铅、铌镁酸铅等。 现在声学和传感技术中最普遍应用的是压电陶瓷。 压电陶瓷：压电陶瓷是人工制造的多晶体，具有良好的压电效应，它的压 电系数比石英晶体大得多，采用压电陶瓷制作的传感器灵敏度高，制作方便， 成本低。 石英晶体：压电系数较小，但对时间、温度的稳定性很好，机械强度高。 二、工作原理 1、压电效应 压电式传感器的工作原理就是基于某些物质（电介质材料）的压电效应。 对某些电介质，当沿着一定方向对它施加力而使它变形时，内部产生极化 现象，在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，形成电场；当外力去掉后， 材料又重新恢复不带电状态，这种现象称为压电效应。 当作用力的方向改变时，电荷的极性也随着改变。 相反，当在电介质的极化方向上施加电场，其几何尺寸也发生变化，这种 由于外电场作用导致物质机械变形的现象称为逆压电效应（也称电致伸缩效

应）。外加电场消失，变形也随之消失。2、石英晶体的三轴天然结构的石英晶体的理想外形，是一个正六面体，在晶体学中可以把它用三根互相垂直的轴来表示，其中在石英晶体的右旋直角坐标系中：纵向轴乙称为光轴。沿光轴Z方向受力时不产生压电效应。经过正六面体棱线，并垂直于光轴的X轴称为电轴。垂直于X轴的晶面上压电效应最显著：与X轴和Z轴同时垂直的Y轴（垂直于正六面体的棱面）称为机械轴。沿Y轴方向上的机械变形最显著。3、纵向压电效应与横向压电效应沿电轴文方向施加力时，在力作用的两晶面上产生电荷的压电效应称纵向压电效应。把沿机械轴Y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为横向压电效应。此时受力的两个晶面上不产生电荷，而在沿文轴的两个晶体面上产生电荷。沿相对两平面加力产生切向效应。在压电传感器中，一般利用压电材料的纵向压电效应较多，这时所使用的压电材料大多作成圆片式。4、力与电荷量的关系实验证明：压电体表面积聚的电荷与作用力成正比。若沿单一晶轴x一x方向加力F，则在垂直于x一x方向的压电体表面上积聚的电荷量q为：q=d,F式中d为压电常数，与材质和切片方向有关。若压电体受到多方向的力，压电体各表面都会积聚电荷。每个表面上的电荷量不仅与作用于该表面上的垂直力有关，而且还与压电体其它面上所受的力有关。三、压电元件

应）。外加电场消失，变形也随之消失。 2、石英晶体的三轴 天然结构的石英晶体的理想外形，是一个正六面体，在晶体学中可以把它 用三根互相垂直的轴来表示，其中在石英晶体的右旋直角坐标系中： 纵向轴 Z 称为光轴。沿光轴 Z 方向受力时不产生压电效应。 经过正六面体棱线，并垂直于光轴的 X 轴称为电轴。垂直于 X 轴的晶面上 压电效应最显著； 与 X 轴和 Z 轴同时垂直的 Y 轴（垂直于正六面体的棱面）称为机械轴。 沿 Y 轴方向上的机械变形最显著。 3、纵向压电效应与横向压电效应 沿电轴 X 方向施加力时，在力作用的两晶面上产生电荷的压电效应称纵向 压电效应。 把沿机械轴 Y 方向的力作用下产生电荷的压电效应称为横向压电效应 。 此时受力的两个晶面上不产生电荷，而在沿 X 轴的两个晶体面上产生电荷。 沿相对两平面加力产生切向效应。 在压电传感器中，一般利用压电材料的纵向压电效应较多，这时所使用的 压电材料大多作成圆片式。 4、力与电荷量的关系 实验证明：压电体表面积聚的电荷与作用力成正比。 若沿单一晶轴 x—x 方向加力 F，则在垂直于 x—x 方向的压电体表面上积 聚的电荷量 q 为： q = dcF 式中 dc 为压电常数，与材质和切片方向有关。 若压电体受到多方向的力，压电体各表面都会积聚电荷。 每个表面上的电荷量不仅与作用于该表面上的垂直力有关，而且还与压电 体其它面上所受的力有关。 三、压电元件

1、几种变形方式压电元件按其受力和变形的方式不同，大致有厚度变形、长度变形、体积变形、厚度剪切变形及面剪切变形等儿种形式。但目前最常用的是厚度变形的压缩或和剪切变形的剪切式，尤其前者最为普遍。2、等效电路压电传感器的压电元件，当它受到外力作用时，就会在受力纵向或横向表面上出现电荷，在一个极板上聚集正电荷，而在另一个极板上聚集等量的负电荷，因此压电传感器可以看作是一个电荷发生器，同时，也是一个电容器。所以，压电元件可以等效成一个电荷源和一个电容并联的等效电路。它是内阻很大的信号源，它也可以等效为一个电压源。3、联接方式实际压电传感器中，为提高灵敏度，常把几片同型号的压电元件叠在一起使用。联接方式有两种：1）并联接法两压电片的负极都集中在中间电极上，正电极在两边的电极上，它类似两个电容的并联。特点：在外力作用下正负电极上的电荷量增加一倍，电容量也增加一倍，输出电压与单片时相同。并联接法输出电荷大，电容量也大，时间常数大，宜用于测量缓变信号，并且适用于以电荷作为输出量的场合。2）串联接法压电片不同极性端粘在一起，正电荷集中在上极板，负电荷集中在下极板。特点：两压电片中间粘接处正负电荷中和，上、下极板的电荷量与单片时相同，总电容量为单片的一半，输出电压增大一倍。串联接法，输出电压大，本身电容小，适用于以电压作为输出信号，并且测量电路输入阻抗很高的场合。实际的传感器中，需要压电片叠起来使用时，由于石英压电片每片产生的

1、几种变形方式 压电元件按其受力和变形的方式不同， 大致有厚度变形、长度变形、体积 变形、厚度剪切变形及面剪切变形等几种形式。 但目前最常用的是厚度变形的压缩或和剪切变形的剪切式，尤其前者最为 普遍。 2、等效电路 压电传感器的压电元件，当它受到外力作用时，就会在受力纵向或横向表 面上出现电荷，在一个极板上聚集正电荷，而在另一个极板上聚集等量的负电 荷，因此压电传感器可以看作是一个电荷发生器，同时，也是一个电容器。 所以，压电元件可以等效成一个电荷源和一个电容并联的等效电路。它是 内阻很大的信号源，它也可以等效为一个电压源。 3、联接方式 实际压电传感器中，为提高灵敏度，常把几片同型号的压电元件叠在一起 使用。联接方式有两种： 1）并联接法 两压电片的负极都集中在中间电极上，正电极在两边的电极上，它类似两 个电容的并联。 特点：在外力作用下正负电极上的电荷量增加一倍，电容量也增加一倍， 输出电压与单片时相同。并联接法输出电荷大，电容量也大，时间常数大，宜 用于测量缓变信号，并且适用于以电荷作为输出量的场合。 2）串联接法 压电片不同极性端粘在一起，正电荷集中在上极板，负电荷集中在下极板。 特点：两压电片中间粘接处正负电荷中和，上、下极板的电荷量与单片时 相同，总电容量为单片的一半，输出电压增大一倍。 串联接法，输出电压大，本身电容小，适用于以电压作为输出信号，并且 测量电路输入阻抗很高的场合。 实际的传感器中，需要压电片叠起来使用时，由于石英压电片每片产生的

电荷量小，叠压的数目可多至八片，为减小传感器的体积，每片都磨得很薄。四、压电式传感器1、组成压电式传感器主要由：压电元件、极板、引线、放大器、测量电路、外壳等部分组成。2、测量电路1）前置放大器由于压电式传感器输出的电信号非常微弱，且本身的内阻抗很高，故输出能量甚微，这给后接电路带来一定困难，因此，必须配备具有很高输入阻抗的前置放大器进行阻抗匹配与前置放大，然后，方可用一般的放大、检波电路将信号输给指示仪表或记录器。前置放大器的主要作用有两点：一是将传感器的高阻抗输出变为低阻抗输出；其次是放大传感器输出的微弱电信号。根据压电传感器的工作原理及其等效电路，它的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号。若以电压输出，则配接带电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压（传感器的输出电压）成正比。若以电荷输出，则配接带电容反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷（传感器的输出电荷）成正比。2）电压放大器1）其输出电压与输入电压（传感器的输出电压）成正比：2）输出与被测量频率及测量电路分布电容（电缆对地电容）有关。当改变连接传感器与放大器的电缆长度和形态时，由于分布电容发生变化会引起传感器输出电压的变化，从而使仪器的灵敏度也发生变化，造成测量误差，需通过重新校正放大器灵敏度加以消除：3）电压放大器具有很好的高频响应特性，但其低频响应性能较差；4）相对于电荷放大器，电压放大器的价格较低，具有较好的经济性

电荷量小，叠压的数目可多至八片，为减小传感器的体积，每片都磨得很薄。 四、压电式传感器 1、组成 压电式传感器主要由：压电元件、极板、引线、放大器、测量电路、外壳 等部分组成。 2、测量电路 1）前置放大器 由于压电式传感器输出的电信号非常微弱，且本身的内阻抗很高，故输出 能量甚微，这给后接电路带来一定困难，因此，必须配备具有很高输入阻抗的 前置放大器进行阻抗匹配与前置放大，然后，方可用一般的放大、检波电路将 信号输给指示仪表或记录器。 前置放大器的主要作用有两点：一是将传感器的高阻抗输出变为低阻抗输 出；其次是放大传感器输出的微弱电信号。 根据压电传感器的工作原理及其等效电路，它的输出可以是电压信号，也 可以是电荷信号。 若以电压输出，则配接带电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压 （传感器的输出电压）成正比。 若以电荷输出，则配接带电容反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷 （传感器的输出电荷）成正比。 2）电压放大器 1）其输出电压与输入电压（传感器的输出电压）成正比； 2）输出与被测量频率及测量电路分布电容（电缆对地电容）有关。 当改变连接传感器与放大器的电缆长度和形态时，由于分布电容发生变化 会引起传感器输出电压的变化，从而使仪器的灵敏度也发生变化，造成测量误 差，需通过重新校正放大器灵敏度加以消除； 3）电压放大器具有很好的高频响应特性，但其低频响应性能较差； 4）相对于电荷放大器，电压放大器的价格较低，具有较好的经济性

3）电荷放大器在压电元件输出与测量电路之间常配接电荷放大器。它的特点是：1）在一定条件下，电荷放大器的输出电压与传感器产生的电荷量成正比，2）它是一个带有电容负反馈高放大倍数的运算放大器，该放大器输出电压与电缆分布（对地）电容无关，即使连接电缆长达百米以上，其灵敏度也无明显变化，这是电荷放大器突出的优点：3）电荷放大器采用电容负反馈，对直流相当于开路，因此，放大器的零漂比较大，电荷放大器电路复杂，价格也较昂贵。3、类型根据传感器不同的连接方式及其不同的输出信号，压电式传感器可分为以下两类：1）电荷放大式两压电片并联，其电荷输出量是单片压电片的两倍，而其电容也是单片电容的两倍。此时，压电式传感器等效于一个电容器与其并联的电荷源。在这种情况下，适宜采用电荷放大器作为前置放大装置。2）电压放大式两压电片串联，则传感器输出电压高，电容小，适于进行电压输出，这时，传感器等效于一个电压源。在这种情况下，适宜采用电压放大器作为前置放大装置。4、特点优点：1）体积小，重量轻，结构简单。2）工作可靠，精确度及灵敏度高。3）测量频率范围宽。缺点：不能测量频率太低的被测量，特别是不能用于静态测量，目前多用来测量加速度和动态力或压力。5、应用可用于测量力、应力、压力、振动、加速度、扭矩等。也用于声学和声发

3）电荷放大器 在压电元件输出与测量电路之间常配接电荷放大器。它的特点是： 1）在一定条件下，电荷放大器的输出电压与传感器产生的电荷量成正比， 2） 它是一个带有电容负反馈高放大倍数的运算放大器，该放大器输出电 压与电缆分布（对地）电容无关，即使连接电缆长达百米以上，其灵敏度也无 明显变化，这是电荷放大器突出的优点； 3）电荷放大器采用电容负反馈，对直流相当于开路，因此，放大器的零漂 比较大，电荷放大器电路复杂，价格也较昂贵。 3、类型 根据传感器不同的连接方式及其不同的输出信号，压电式传感器可分为以 下两类： 1）电荷放大式 两压电片并联，其电荷输出量是单片压电片的两倍，而其电容也是单片电 容的两倍。此时，压电式传感器等效于一个电容器与其并联的电荷源。 在这种情况下，适宜采用电荷放大器作为前置放大装置。 2）电压放大式 两压电片串联，则传感器输出电压高，电容小，适于进行电压输出，这时， 传感器等效于一个电压源。 在这种情况下，适宜采用电压放大器作为前置放大装置。 4、特点 优点：1）体积小，重量轻，结构简单。 2）工作可靠，精确度及灵敏度高。 3）测量频率范围宽。 缺点：不能测量频率太低的被测量，特别是不能用于静态测量，目前多用 来测量加速度和动态力或压力。 5、应用 可用于测量力、应力、压力、振动、加速度、扭矩等。也用于声学和声发

射等测量。现在广泛采用压电式传感器来测量加速度。若将加速度信号接入积分电路可间接测量振动物体的线速度与线位移。压电式传感器在汽车、拖拉机、振动测试、发动机内部燃烧压力及真空度，车轮接地压力等方面应用广泛。压电式传感器的工作原理是可逆的，施加电压于压电晶片，压电片便产生伸缩。所以压电片可以反过来做“驱动器”。例如：对压电晶片施加交变电压则压电片可作为振动源，可用于高频振动台、超声发声器、扬声器以及精密的微动装置。也可作为超声波发射与接收装置

射等测量。 现在广泛采用压电式传感器来测量加速度。若将加速度信号接入积分电路， 可间接测量振动物体的线速度与线位移。 压电式传感器在汽车、拖拉机、振动测试、发动机内部燃烧压力及真空度， 车轮接地压力等方面应用广泛。 压电式传感器的工作原理是可逆的，施加电压于压电晶片，压电片便产生 伸缩。所以压电片可以反过来做“驱动器”。例如：对压电晶片施加交变电压则 压电片可作为振动源，可用于高频振动台、超声发声器、扬声器以及精密的微 动装置。也可作为超声波发射与接收装置

补充问题1、压电式传感器在使用中应注意什么问题？1）应加预载荷（测力时）：2）应采取防止电荷泄漏的措施：要求测量电路、传感器本身应有较高难度绝缘电阻：3）应防止外界电场的影响：传感器及连接导线等均需加以良好的屏蔽：4）要经常校准，以消除环境温度、湿度的变化和压电材料本身的时效对传感器灵敏度的影响。2、为什么压电传感器不能进行静态测量？压电传感器所产生的电荷量极其微弱，如果施加在晶片上的外力不变，积聚在极板上的电荷无内部泄漏，外电路负载无穷大，那么在外力作用期间，电荷量始终保持不变，直到外力的作用终止时，电荷才随之消失。由于测量电路的内阻、负载不能达到无穷大，传感器本身的绝缘电阻也不可能无穷大，电路将会按指数规律放电，极板上的电荷无法保持。所以产生的电荷不断泄漏，以致不能测量，所以压电传感器不能进行静态测量。而在动态测量时，变化快，漏电量相对比较小，故压电式传感器适宜作动态测量。3、为什么压电力传感器在使用中要预加载荷？从实际测量中得知，一般压电式传感器在低压使用时，线性度不好。这主要是传感器受力系统中力传递系数为非线性所致，即低压力下力的传递损失较大。为此，在力传递系统中加入预加力，称预载，几乎所有的压电式力传感器在使用中都预加载荷，这样：1）可以保证在作用力变化时，压电片始终受到压力：2）消除低压使用中的非线性外，保证压电片输出电压与作用力成正比（线性关系）：3）还可消除传感器内外接触表面的间隙，提高刚度等：4）也只有加预载才能用压电式传感器测拉力和拉压交变刀、剪力和扭矩等。不过，这个预载荷也不能太大，否则将会影响其灵敏度

补充问题 1、压电式传感器在使用中应注意什么问题？ 1）应加预载荷（测力时）； 2）应采取防止电荷泄漏的措施：要求测量电路、传感器本身应有较高难 度绝缘电阻； 3）应防止外界电场的影响：传感器及连接导线等均需加以良好的屏蔽； 4）要经常校准，以消除环境温度、湿度的变化和压电材料本身的时效对 传感器灵敏度的影响。 2、为什么压电传感器不能进行静态测量？ 压电传感器所产生的电荷量极其微弱，如果施加在晶片上的外力不变，积 聚在极板上的电荷无内部泄漏，外电路负载无穷大，那么在外力作用期间，电 荷量始终保持不变，直到外力的作用终止时，电荷才随之消失。 由于测量电路的内阻、负载不能达到无穷大，传感器本身的绝缘电阻也不 可能无穷大，电路将会按指数规律放电，极板上的电荷无法保持。所以产生的 电荷不断泄漏，以致不能测量，所以压电传感器不能进行静态测量。而在动态 测量时，变化快，漏电量相对比较小，故压电式传感器适宜作动态测量。 3、为什么压电力传感器在使用中要预加载荷？ 从实际测量中得知，一般压电式传感器在低压使用时，线性度不好。这主 要是传感器受力系统中力传递系数为非线性所致，即低压力下力的传递损失较 大。为此，在力传递系统中加入预加力，称预载，几乎所有的压电式力传感器 在使用中都预加载荷，这样：1）可以保证在作用力变化时，压电片始终受到压 力；2）消除低压使用中的非线性外，保证压电片输出电压与作用力成正比（线 性关系）；3）还可消除传感器内外接触表面的间隙，提高刚度等；4）也只有加 预载才能用压电式传感器测拉力和拉压交变刀、剪力和扭矩等。 不过，这个预载荷也不能太大，否则将会影响其灵敏度