3力敏傳感器力敏傳感器指對力學量敏感的一類器件或裝置。按工作原理分：①應變式力敏傳感器②壓阻式力敏傳感器③壓電式力敏傳感器④電感式力敏傳感器⑤電容式力敏傳感器⑥諧振式力敏傳感器2023/9/222

某些電介質在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，其內部會產生極化現象，同時在它的兩個相對表面上出現正負相反的電荷。當外力去掉后，它又會恢復到不帶電的狀態，這種現象稱為正壓電效應。

若在電介質的極化方向上施加交變電壓，它就會產生機械變形。當去掉外加電場時，電介質的變形隨之消失，這種現象稱為逆壓電效應（電致伸縮效應）。

依據電介質壓電效應研制的一類傳感器稱為壓電傳感器。3.4壓電式傳感器3.4.1壓電傳感器的工作原理壓電效應2023/9/2233.4.2壓電材料

無機壓電材料有機壓電材料

換能器壓電材料1.壓電晶體石英晶體是單晶結構，為六角形晶柱，兩端呈六棱錐形狀，石英晶體為六棱形。它有三個互相垂直的軸。其中x軸稱為電氣軸，y軸稱為機械軸，z軸稱為光學軸。石英晶體外形石英晶體薄片常用的壓電單晶有石英（SiO2）、鈮酸鋰（LiNbO3）、α碘酸鋰（α-LiIO3）、硫酸鋰（Li2SO4）等雙面鍍銀并封裝電氣軸機械軸光軸?“縱向壓電效應”

沿電軸x方向施加作用力產生的壓電效應稱為縱向壓電效應?“橫向壓電效應”

沿機械軸y方向施加作用力產生的壓電效應稱為橫向壓電效應；?沿光軸Z方向施加作用力則不產生壓電效應。

圖3.4.2石英晶體?石英晶體的壓電效應具有各向異性——

電荷的符號由受拉力還是受壓力作用所決定。電荷量的大小：

Qx與晶片幾何尺寸無關，而Qy則與晶片幾何尺寸有關。2023/9/226石英晶體振蕩器（晶振）晶振石英等壓電單晶壓電系數小，介電常數很低，受切型限制存在尺寸局限，但機械強度和品質因素高，穩定性好，機械品質因子高，多用來作標準頻率控制的振子、高選擇性（多屬高頻狹帶通）的濾波器以及高頻、高溫超聲換能器等。2023/9/227（2）壓電陶瓷

壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它比石英晶體的壓電靈敏度高得多，工藝性好，而制造成本卻較低，因此目前國內外生產的壓電元件絕大多數都采用壓電陶瓷。

常用的壓電陶瓷材料有：鈦酸鋇BT(BaTiO3)、鋯鈦酸鉛PZT、改性鋯鈦酸鉛、偏鈮酸鉛、鈮酸鉛鋇鋰PBLN、改性鈦酸鉛PT等。鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（PZT）及非鉛系壓電陶瓷（如BaTiO3等）。

不足：機械品質因子較低、電損耗較大、穩定性差，因而適合于大功率換能器和寬帶濾波器等應用，但對高頻、高穩定應用不理想。自發極化電疇極化強度為零，無壓電效應施加高壓電場極化，電疇轉向，有一定的極化強度電場撤銷后，有剩余極化強度陶瓷片兩端出現束縛電荷電場強度：1-4kV/mm?壓電陶瓷極化過程直流電場E剩余極化強度剩余伸長電場作用下的伸長(a)極化處理前(b)極化處理中(c)極化處理后

＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋

極化方向正壓電效應示意圖（實線代表形變前的情況，虛線代表形變后的情況）F－＋

正壓電效應將機械能轉換為電能2023/9/2210壓電陶瓷外形

2023/9/2211無鉛壓電陶瓷及其換能器外形

（上海硅酸鹽研究所研制）

2023/9/2212（3）有機聚合物

又稱壓電聚合物，典型的高分子壓電材料有聚偏氟乙烯（PVDF）、偏聚二氟乙烯（PVF2）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。這類材料具其材質柔韌，低密度，低阻抗和高壓電電壓常數(g)等優點。高分子壓電薄膜及拉制2023/9/2213高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜

2023/9/2214又稱復合型高分子壓電材料，這類材料是在有機聚合物基底材料中嵌入片狀、棒狀、桿狀或粉末狀壓電材料構成的。兼有無機壓電材料優良壓電性和高分子壓電材料的優良加工性能，而且不需要進行拉伸等處理，即可獲得壓電性。而這種壓電性在薄膜內無各向異性，故在任何方向上都顯示出相同的壓電性。至今已在水聲、電聲、超聲、醫學等領域得到廣泛的應用。如果它制成水聲換能器，不僅具有高的靜水壓響應速率，而且耐沖擊，不易受損且可用與不同的深度。

(4)壓電復合材料F+

最簡單的壓電式傳感器的結構及工作原理如圖所示。在壓電晶片的兩個工作面上進行金屬蒸鍍，形成金屬膜，構成兩個電極。當壓電晶片受到壓力F的作用時，分別在兩個極板上積聚數量相等而極性相反的電荷，形成電場。

因此，壓電傳感器可以看作是一個電荷發生器，也可以看成是一個電容器。1.結構形式3.4.3壓電元件的常用結構形式及轉換電路

壓電元件的等效電路＋＋＋＋――――qq電極壓電晶體Ca(b)(a)2.壓電傳感器的等效電路當壓電傳感器的壓電元件受到外力作用時，就會在受力縱向或橫向表面上出現電荷。在一個極板上聚集正電荷，而在另一個極板上聚集負電荷。因此壓電傳感器可以看成是一個電荷發生器。同時，它也是一個電容器，其電容值為：＋＋＋＋――――qq電極壓電晶體Ca(b)(a)

壓電傳感器的等效電路

壓電元件可以等效成一個與電容相并聯的電荷源——電荷等效電路；也可以等效為一個電壓源與電容串聯——電壓等效電路（1）

壓電元件等效電路qq＝UaCaCaCaUaUa＝q/Ca（a）電荷等效電路（b）電壓等效電路

傳感器內部信號電荷無“漏損”，外電路負載無窮大時，壓電傳感器受力后產生的電壓或電荷才能長期保存，否則電路將以某時間常數按指數規律放電。這對于靜態標定以及低頻準靜態測量極為不利，必然帶來誤差。事實上，傳感器內部不可能沒有泄漏，外電路負載也不可能無窮大，只有外力以較高頻率不斷地作用，傳感器的電荷才能得以補充，因此，壓電晶體不適合于靜態測量。2023/9/2218石英晶體的壓電效應演示

當力的方向改變時，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動態力的頻率相同；當動態力變為靜態力時，電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失。

壓電傳感器與測量儀表聯接時，還必須考慮電纜電容CC，放大器的輸入電阻Ri和輸入電容Ci以及傳感器的泄漏電阻RaCaRaCcRiCiqRaCcRiCiCaUa壓電傳感器的完整等效電路Ca傳感器的固有電容Ci

前置放大器輸入電容

Cc

連線電容Ra傳感器的漏電阻Ri前置放大器輸入電阻

壓電傳感器的絕緣電阻Ra與前置放大器的輸入電阻Ri相并聯。為保證傳感器和測試系統有一定的低頻或準靜態響應，要求壓電傳感器絕緣電阻應保待在1013Ω以上，才能使內部電荷泄漏減少到滿足一般測試精度的要求。與上相適應，測試系統則應有較大的時間常數，亦即前置放大器要有相當高的輸入阻抗，否則傳感器的信號電荷將通過輸入電路泄漏，即產生測量誤差。

（2）測量等效電路

壓電式傳感器輸出電信號很微弱，通常應把傳感器信號先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經過阻抗變換后，方可輸入到后續顯示儀表中。

壓電傳感器的輸出可以是電壓信號，也可以是電荷信號，因此前置放大器也有兩種形式：電壓放大器和電荷放大器。前置放大器的作用：一是把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗；二是放大傳感器輸出的微弱信號。電壓放大器－A－ACaCaRaRiCiCcCRUiUSCUSCUa(a)(b)UaC=Cc+Ci壓電元件所受作用力：壓電元件產生的電壓值為：放大器輸入端的電壓Ui：電荷放大器

其低頻響應優于電壓放大器，由于電荷放大器電路的電纜長度變化的影響不大，幾乎可以忽略不計，故而電荷放大器應用日益廣泛；但電路較復雜，調整困難，價格較高。

－A0CaU∑USCiRaqCFRF輸出電壓：當A0足夠大時,傳感器本身的電容和電纜長短將不影響電荷放大器的輸出。因此輸出電壓USC只決定于輸入電荷q及反饋回路的參數CF和RF。由于1／RF<<ωCF,則可見當A0足夠大時，輸出電壓與A0無關，只取決于輸入電荷q和反饋電容CF，改變CF的大小便可得到所需的電壓輸出。

CF一般取值100-104pF。

由于外力作用在壓電元件上產生的電荷只有在無泄漏的情況下才能保存，即需要測量回路具有無限大的輸入阻抗，這實際上是不可能的，因此壓電式傳感器不能用于靜態測量。壓電元件在交變力的作用下，電荷可以不斷補充，可以供給測量回路以一定的電流，故只適用于動態測量（一般必須高于100Hz，但在50kHz以上時，靈敏度下降）。3.4.4壓電傳感器及其應用壓電元件的串聯和并聯a)b)

在實際應用中，由于單片的輸出電荷很小，因此，常常將兩片或兩片以上的晶片粘結在一起（即并聯和串聯），組成壓電式傳感器。由于壓電材料是有極性的，因此連接方法有兩種。+并聯+串聯并聯和串聯：并聯時串聯時設單片壓電元件的電容為，電荷為，電壓為，則當兩片疊加后電荷靈敏度高電壓靈敏度高+并聯+串聯并聯和串聯：

并聯時（2C,2Q,U），傳感器的電容量大、輸出電荷量大、時間常數也大，故適用于測量緩變信號及電荷量輸出信號。

串聯時（C/2，Q,2U），傳感器本身的電容量小、響應快、輸出電壓大，故適用于測量以電壓作輸出的信號和頻率較高的信號。+-++-+-+-+-+-+--+-+-+-+-

并聯

串聯3.4.4壓電傳感器及其應用1．壓電加速度傳感器

壓電加速度傳感器是一種常用的加速度計。因其固有頻率高，高頻(幾千赫至十幾千赫范圍)響應好，如配以電荷放大器，低頻特性也很好(可低至0.3Hz)。壓電加速度傳感器的優點是體積小、重量輕，缺點是要經常校正靈敏度?；鶋弘娖|量塊m壓簧殼體壓電加速度傳感器結構：壓電片用高壓電系數的壓電陶瓷制成。兩個壓電片并聯。質量塊用高比重的金屬塊，對壓電元件施加預載荷。測得加速度傳感器輸出的電荷便可知加速度的大小。F=ma,F∝a又q∝F∴q∝a基座壓電片質量塊m壓簧殼體壓電加速器傳感器的另一種結構形式是利用壓電元件的切變效應。2．壓電式壓力傳感器

壓電壓力傳感器主要用于發動機內部燃燒壓力的測量與真空度的測量，它既可用來測量大的壓力，也可以用來測量微小的壓力。壓電式壓力傳感器１－壓電晶片２－膜片彈簧３－薄壁圓筒４－外殼５－引線預壓圓筒殼體絕緣體引線電極壓電堆片膜片彈簧壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器特點:(1)體積小，結構簡單，工作可靠；(2)測量范圍寬，可測100MPa以下的壓力；(3)測量精度較高；(4)頻率響應高，可達30KHz，是動態壓力檢測中常用的傳感器，但由于壓電元件存在電荷泄漏，故不適宜測量緩慢變化的壓力和靜態壓力。

壓電式動態力傳感器以及在車床中用于動態切削力的測量

利用超聲波在順流方向和逆流方向的傳播速度進行測量。其測量裝置是在管外設置兩個相隔一定距離的收發兩用壓電超聲換能器，每隔一段時間(如1/100s)，發射和接收互換一次。在順流和逆流的情況下，發射和接收的相位差與流速成正比。據這個關系，可精確測定流速。流速與管道橫截面積的乘積等于流量。

流量顯示1789輸出信號換能器換能器接收接收發射發射壓電式流量計此流量計可測量各種液體的流速，中壓和低壓氣體的流速，不受該流體的導電率、粘度、密度、腐蝕性以及成分的影響。其準確度可達0.5%，有的可達到0.01%。根據發射和接收的相位差隨海洋深度深度的變化，測量聲速隨深度的分布情況3

壓電式流量計（超聲波流量計）

一種高性能、低成本動態微壓傳感器，產品采用壓電薄膜作為換能材料，動態壓力信號通過薄膜變成電荷量，再經傳感器內部放大電路轉換成電壓輸出。該傳感器具有靈敏度高，抗過載及沖擊能力強，抗干擾性好，操作簡便，體積小、重量輕、成本低等特點，廣泛應用于醫療、工業控制、交通、安全防衛等領域。

脈搏計照片