压电式传感器的原理与影响因素研究

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压电式传感器的原理与影响因素研究
长江大学 段 斌
压电式传感器是利用材料的压电效应，将被测力、加速度等参数转换为电荷量或电压参数的变化进行输出的一种传感器装置。

它是典型的有源传感器，具有体积小、重量轻、频带宽、灵敏度高等优点。

一、压电效应和压电材料
某些晶体当受到一定方向外力的作用时，内部将产生极化现象，同时在它的两个对应晶面上产生符号相反的等量电荷，当外力取消后，电荷也随之消失，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，当在晶体的极化方向上施加电场作用时，这些晶体会在一定的晶轴方向产生机械变形，外加电场消失，变形也随之消失，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）。

目前压电材料可分为三大类：一是压电晶体（单晶），它包括压电石英晶体和其它压电单晶；二是压电陶瓷（多晶半导瓷）；三是新型压电材料，又可分为压电半导体和有机高分子压电材料两种。

二、测量电路
1、传感器的等效电路
压电晶片受外力作用时，将在两个电极表面产生电荷，这时它相当于一个以压电材料为电介质的电容器，因此，可以把压电式传感器等效为一个与电容并联的电荷源，也可以等效为一个与电容串联的电压源必须指出的是，上述等效电路及其输出，只有在压电器件本身理想绝缘、无泄漏、输出端开路（即Ra =RI=∞）的条件下才成立。

在构成传感器时，总要利用电缆将压电器件接入测量线路或仪器。

这样，就引入了电缆的分布电容Cc、测量放大器的输入电阻Ri 和电容Ci 等形成的负载阻抗影响。

2、压电晶片的串联与并联
实际应用中为提高传感器的灵敏度，通常将多个压电晶片组合在一起使用，连接方法有两种：并联或串联。

压电晶片串联时，输出电压比单片时提高一倍，输出电荷量则保持不变。

压电晶片并联时，输出电压与单片时相同，而输出电荷量则是单片时的两倍。

3、测量电路
压电式传感器的内阻抗很高，而输出的信号很弱，因此一般不能直接显示
和记录，也不能做静态信号的测量。

它的测量电路需要一个高输入阻抗的前置放大器作为阻抗匹配，这样才能防止电荷迅速泄漏，从而使测量误差减小。

压电式传感器的前置放大器有两个作用：一是阻抗变换（把压电式传感器的高输出阻抗变换成低阻抗输出）；二是放大压电式传感器输出的微弱信号。

压电式传感器的输出信号可以是电压，也可以是电荷。

因此，前置放大器也有两种形式：一种是电压放大器，它的输出电压与输入电压（传感器的输出电压）成正比；一种是电荷放大器，其输出电压与传感器的输出电荷成正比。

电压放大器与电荷放大器相比，电路简单、元件少、价格便宜、工作可靠，但是，电缆长度对测量精度的影响较大，而使用电荷放大器则可以在一定的条件下，使传感器的灵敏度与电缆长度无关。

三、影响压电式传感器工作的主要因数
1、横向灵敏度
横向灵敏度是衡量横向干扰效应的指标。

一只理想的单轴压电传感器，应该仅敏感其轴向的 作用力，而对横向作用力不敏感。

如对于压缩式压电传感器，就要求压电元件的敏感轴（电 极向）与传感器轴线（受力向）完全一致。

但实际的压电传感器由于压电切片、极化方向的偏 差，压电片各作用面的粗糙度或各作用面的不平行，以及装配、安装不精确等种种原因，都 会造成如图压电传感器电轴E 向与力轴Z 向不重合。

产生横向灵敏度的必要条件：一是伴随轴向作用力的同时，存在横向力；二是压电元件本 身具有横向压电效应。

因此，消除横向灵敏度的技术途径也相应有二：一是从设计、工艺和 使用诸方面确保力与电轴的一致；二是尽量采用剪切型力－电转换方式。

一只较好的压电传 感器，最大横向灵敏度不大于5％。

2、环境温度和湿度
环境温度对压电传感器工作性能的影响主要通过三个因素：①压电材料的特性参数；②某 些压电材料的热释电效应；③传感器结构。

环境温度变化将使压电材料的压电常数d、介电常数ε、电阻率ρ和弹性系数k 等机电特性参 数发生变化。

d 和k 的变化将影响传感器的输出灵敏度；ε和ρ的变
化会导致时间常数τ=RC 的变化，从而使传感器的低频响应变坏。

在必须考虑温度——尤其是高温对传感器低频特性 影响的情况下，采用电荷放大器将会得到满意的低频响应。

环境湿度主要影响压电元件的绝缘电阻，使其明显下降，造成传感器低频响应变坏。

因此在 高湿度环境中工作的压电传感器，必须选用高绝缘材料，并采取防潮密封措施。

3、安装差异及基座应变
在应用中，压电传感器总是要通过一定的方式紧密安装在被测试件上进行接触测量。

由于传 感器和试件都是质量－弹簧系统，通过安装连接后，两者将相互影响原来固有的机械特性（ 固有频率）。

安装方式的不同，安装质量的差异，对传感器频响特性影响很大。

因此在应用中，第 一，要保证传感器的敏感轴向与受力向的一致性不因安装而遭到破坏，以避免横向灵敏度的 产生。

第二 ，应根据承载能力和频响特性所要求的按装谐振频率，选择合适的安装方式。

第三，只有当传感器质量远小于试件 质量，试件对传感器的耦合影响，或传感器对试件的负载 影响可减至最小。

因此，对刚度、质量和接触面小的试件，只能用微小型压电传感器测量。

4、噪声等
压电元件是高阻抗、小功率元件，及易受外界机、电振动引起的噪声干扰，主要有声场、电源和接地回路噪声等。

压电传感器在强声中工作将受到声波振动激励而产生寄生电信号输出，谓之声噪声。

目前大多数压电传感器设计成隔离基 座和独立外壳结构，声噪声影响极小。

电缆噪声是同轴电缆在振动或弯曲变形时，电缆屏蔽层、绝缘层和芯线间将引起局部相对滑 移摩擦和分离，而在分离层之间产生的静电感应电荷干扰，它将混入主信号中被放大。

减小 电缆噪声的方法：一是在使用中固定好传感器的引出电缆；二是选用低噪声同轴电缆。

接地回路噪声是压电传感器接入二次测量线路或仪表而构成测试系统后，由于不同电位处的多点接地，形成了接地回路和回路电流所致。

克服的根本途径是消除接地回路。

常用的方法是在安装传感器时，使其与接地的被测试件绝缘连接，并在测试系统的末端一点接地。

这样就大大消除了接地回路噪声。