压电式力传感器
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目录5力传感器
5.3压电式力传感器
5.3.1压电式传感器工作原理
5.3.2压电式传感器测量电路
5.3.3压电式传感器的结构
5.3.4压电式传感器的应用
5.3.1压电式传感器工作原理
1.压电效应
（1）正压电效应
（2）逆压电效应
利用逆压电效应可制成多种超声波发生器和压电扬声器。

如图所示是压电效应的示意图。

2.压电材料的分类及特性
压电式传感器中的压电元件材料一般有三类：一类是压电晶体（单晶体）；另一类是经过极化处理的压电陶瓷（多晶体）；第三类是高分子压电材料。

（1）石英晶体
（2）水溶性压电晶体
（3）铌酸锂晶体
（4）压电陶瓷
1）钛酸钡压电陶瓷
2)锆钛酸铅系压电陶瓷
3)铌酸盐系压电陶瓷
（5）压电半导体
（6）高分子压电材料
3.压电元件常用的结构形式
在压电传感器中，常用两片或多片组合在一起使用。

如图所示。

在以上两种连接方式中，并联法输出电荷大，本身电容大，因此时间常数也大，适用于测量缓变信号，并以电荷量作为输出的场合。

串联法输出电压高，本身电容小，适用于以电压作为输出量以及测量电路输入阻抗很高的场合。

4.压电材料的选择
（1）具有较大的压电常数。

（2）压电元件的机械强度高、刚度大并具有较高的固有振动频率。

（3）具有高的电阻率和较大的介电常数，以期减少电荷的泄露以及外部分布电容的影响，获得良好的低频特性。

（4）具有较高的居里点。

（5）压电材料的压电特性不随时间蜕变，有较好的时间稳定性。

5.3.2压电式传感器测量电路
1.压电式传感器的等效电路
压电式传感器在受外力作用时，在两个电极表面将要聚集电荷，且电荷相等，极性相反。

这时它相当于一个以压电材料为电介质的电容器，其电容量为：
因此，可以把压电式传感器等效成一个与电容相并联的电荷源，如图a所示，也可以等效成一个电压源，如图b所示。

压电式传感器与测量仪表连接，还必须考虑电缆电容Cc，放大器的输入电阻Ri 和输入电容Ci以及传感器的泄露电阻Ra。

如图所示压电式传感器完整的等效电路。

2.压电式传感器的测量电路
（1）电压放大器
压电传感器接电压放大器的等效电路如图所示。

（2）电荷放大器
电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的前置放大器。

它实际上是一个具有反馈电容的高增益运算放大器。

如图示是压电传感器与电荷放大器连接的等效电路。

由于引入了电容负反馈，电荷放大器的输出电压仅与传感器产生的电荷量及放大器的反馈电容有关，电缆电容等其他因素对灵敏度的影响可以忽略不计。

电荷放大器的灵敏度为：
K=Uo/Q=1/Cf
5.3.3压电式传感器的结构
1.压电式测力传感器
压电式测力传感器常用的形式为荷重垫圈式，它由基座、盖板、石英晶片、电极以及引出插座等组成。

如图5-26 所示。

这种测力传感器可以用来测量机床动态切削力以及测量各种机械设备所受的冲击力。

2.压电式压力传感器
图5-27 所示为两种膜片式压电压力传感器，它可以测量动态压力，如发动机内部的燃烧压力。

3.压电式加速度传感器
压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。

它的主要优点是：灵敏度高，体积小，质量轻，测量频率上限很高，动态范围大。

但它易受外界干扰，在测试前需进行各种校验。

图5-28 所示为压电式加速度传感器。

四、压电式传感器的应用
1.压电式金属加工切削力测量
图5-29 所示是利用压电陶瓷传感器测量刀具切削力的示意图。

由于压电陶瓷元件的自振频率高，所以特别适合测量变化剧烈的载荷。

图中压电传感器位于车刀前部的下方，当进行切削加工时，切削力通过刀具传给压电传感器，压电传感器将切削力转换为电信号输出，记录下电信号的变化便测得切削力的变化。

2.压电式玻璃破碎报警器
BS-D2 压电式传感器是专门用于检测玻璃破碎的一种传感器，它利用压电元件对振动敏感的特性来感知玻璃受撞击和破碎时产生的振动波。

传感器把振动波转换成电压输出，输出电压经放大、滤波、比较等处理后提供给报警系统。

BS-D2 压电式玻璃破碎传感器的外形以及内部电路如图5-30 所示。

传感器的最小输出电压为100mV，内阻抗为15~20kΩ。

报警器的电路框图如图5-31 所示。

使用时传感器用胶粘贴在玻璃上，然后通过电缆和报警电路相连。

为了提高报警器的灵敏度，信号经放大后，需经带通滤波器进行滤波，要求它对选定的频谱通带的衰减要小，而带外衰减要尽量放大。

由于玻璃振动的波长在音频和超声波的范围内，这就使滤波器成为电路中的关键。

当传感器输入信号高于设定的阀值时输出报警信号，驱动报警执行机构工作。

玻璃破碎报警器广泛用于文件保管，贵重商品保管及其他商品柜台等场合。

3.煤气灶电子点火装置
煤气灶电子点火装置如图5-32 所示，它通过高压跳火来点燃煤气。

当使用者将开关往里压时，气阀打开，将开关旋转，则使弹簧往左压。

此时，弹簧有一很大的力撞击压电晶体，产生高压放电，导致燃烧盘点火。

在工程和机械加工中，压电传感器可用于测量各种机械设备及部件所受冲击力。

例如锻锤、打夯机、打桩机、振动给料机的激振器、地质钻机钻探冲击器、船舶、车辆碰撞等机械设备冲击力的测量均可采用压电式传感器。

参考文献：传感器应用技术王涵。