3.3压电传感器

¢压电式传感器是一种能量转换型传感器。它既可以将机械能转换为电能，又可以将电能转化为机械能。压电式传感器是以具有压电效应的压电器件为核心组成的传感器。

1.变换原理

 某些物质，如石英，当受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部被极化，表面会产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。（positive piezodielectric effect）。其中电荷大小与外力大小成正比，极性取决于变形是压缩还是伸长，比例系数为压电常数，它与形变方向有关，固定材料的确定方向为常量。它属于将机械能转化为电能的一种效应.

¢当在电介质的极化方向施加电场，某些电介质在一定方向上将产生机械变形或机械应力，当外电场撤去后，变形或应力也随之消失，这种物理现象称为逆压电效应或“电致伸缩效应”（reversepiezodielectric effect），其应变的大小与电场强度的大小成正比，方向随电场方向变化而变化。它属于将电能转化为机械能的一种效应。1880-1881年，雅克（Jacques）和皮埃尔·居里（PiereCurie）发现了这两种效应。图3-1为压电效应示意图。

               （a）正压电效应；                           （b）压电效应的可逆性

                                                                       图3-1压电效应

2、明显呈现压电效应的敏感功能材料叫压电材料

常用的压电材料有：压电单晶体，如石英、酒石酸钾钠等；多晶压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅、铌镁酸铅等，又称为压电陶瓷。此外，聚偏二氟乙烯(PVDF)作为一种新型的高分子物性型传感材料得到广泛的应用。 

                石英晶体                             钛酸钡毛坯

                          压电陶瓷

压电材料的主要特性参数有：

（1）压电常数    是衡量材料压电效应强弱的参数，它直接关系到压电输出灵敏度。 

（2）弹性常数    压电材料的弹性常数（刚度）决定着压电器件的固有频率和动态特性。

（3）介电常数    对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容与介电常数有关，而固  有电容又影响着压电传感器的频率下限。

（4）机电耦合系数它定义为：在压电效应中，转换输出的能量（如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根。它是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。     （5）电阻    压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏，从而改善压电传感器的低频特性。

（6）居里点  即压电材料开始丧失压电性的温度。

常用压电晶体和陶瓷材料的主要性能列于表3-1。

                                压电效应模式   

3、压电式传感器及其等效电路

并联连接：两压电元件的负极集中在中间极板上，正极在上下两边并连接在一起，此时电容量大，输出电荷量大，适用于测量缓变信号和以电荷为输出的场合。

串联连接：上极板为正极，下极板为负极，在中间是一元件的负极与另一元件的正极相连接，此时传感器本身电容小，输出电压大，适用于要求以电压为输出的场合，并要求测量电路有高的输入阻抗。

2．压电变换元件的应用特性：

压电变换元件相当于电荷源，其等效电路为：