压电式传感器测量振动

图2-3　半导体应变片

（2）半导体应变片

半导体应变片如图2-3所示，它是利用半导体材料作为敏感栅而制成的，当半导体材料受到一定的载荷而产生应力时，它的电阻率会随应力的变化而发生变化。和金属应变片相比较，它的灵敏度很高，但是灵敏度一致性差、温漂大、电阻和应变之间非线性严重。在实际使用中，需采用温度补偿及非线性补偿等措施。图中N型和P型半导体受力，一个电阻增大，一个减小，可构成双臂半桥，实现温度自动补偿功能。

表2-1给出了上海华东电子仪器厂生产的一些应变片的主要技术参数，其中，PZ为纸基丝式应变片，PJ型为胶基丝式应变片，BA型、BB型、BX型为箔式应变片，PBD型为半导体应变片。

表2-1　应变片的技术参数

二、测量转换电路

电阻应变片把被测试件的应变转换成ΔR／R后，由于应变量及其应变电阻变化一般都很微小，既难以直接精确测量，又不便直接处理，因此，必须采用测量转换电路将应变电阻片的ΔR／R变化转化为可用的电压或电流输出。

在应变电阻式传感器中，最常用的测量转换电路是桥式电路，可将ΔR／R变化转化为电压输出，因其灵敏度高、精度高、测量范围宽、电路结构装箱单，易于实现温度补偿等特点，能很好地满足应变测量的要求。根据电源性质的不同，桥式电路可分为交流电桥和直流电桥两大类。下面以直流电桥为例分析桥式电路的工作原理及特点。

1.电桥的工作原理

典型的桥式测量转换电路如图2-4（a）所示。4个臂R1，R2，R3，R4按顺时针方向为序，对角线节点ac接电源电压Ui，另一个对角线节点接输出电压Uo，输出电压Uo为

为了使电桥在测量时输出电压为零，4个桥臂电阻的选择应满足R1R3=R2R4或R1／R2=R4／R3，这就是电桥平衡的条件。在实际使用时，R1，R2，R3，R4不可能严格地成比例关系，使得在即使没有受到外力作用时，桥路的输出也不一定为零，从而造成测量误差。因此，桥路必须设置调零电路，如图2-4（b）所示。调节RP，可以使得最终R忆1／R忆2=R4／R3，电桥平衡，输出电压为零，这一过程称为调零。上述调零广泛应用于力和应变相关的测量仪表中，如电子秤等。

每个桥臂的电阻变化值一般满足ΔRi≤Ri，当电桥输出端的负载电阻足够大，并且以全等臂（初值R1=R2=R3=R4）形式工作时，电桥的输出电压Uo可以近似表示为

图2-4　桥式测量转换电路

由于=Kεx，因此，当各臂上应变片灵敏度相同时有

式（2-4）中的ε1，ε2，ε3和ε4可以是被测试件的拉应力，也可以是压应力，取决于应变片的粘贴方向和受力方向。若为拉应力，ε应以正值代入；若为压应力，则ε以负值代入。

2.电桥的形式

在测量技术中，根据在工作时电阻值发生变化的桥臂数目的不同，电桥可分为单臂半桥、双臂半桥及全桥3种形式，如图2-5所示，箭头表示应变片的受力方向。设图2-5中均为全等臂电桥（R1=R2=R3=R4=R），且桥路初始平衡，电桥电路如图2-5所示。

图2-5　电桥的3种形式

（1）单臂半桥

如图2-5（a）所示，单臂半桥只有一个臂R1为应变片，其余3臂均为固定电阻。因此，受力时只有R1阻值会变化（ΔR1），ΔR2～ΔR4均为零，根据式（2-3）和式（2-4），电桥的输出电压为

（2）双臂半桥

如图2-5（b）所示，双臂半桥有两个臂R1，R2为应变片，其余两臂均为固定电阻。受力时，R1的阻值会变化（±ΔR1），R2的阻值也随之变化（±ΔR2），ΔR3=ΔR4=0。当ΔR1=ΔR2=ΔR时，根据式（2-3）和式（2-4），电桥的输出电压为

（3）全桥

如图2-5（c）所示，全桥的4个臂R1，R2，R3，R4均为应变片。受力时，R1的阻值会变化（± ΔR1），R2的阻值会变化（±ΔR2），R3的阻值会变化（±ΔR3），R4的阻值会变化（±ΔR4）。当ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4=ΔR时，根据式（2-3）和式（2-4），电桥的输出电压为

由此可知，设法被测试件受力后，电阻应变片R1～R4的电阻增量（或感受到的应变ε1～ε4）正负号相间，就可以使输出电压Uo成倍增大。同时形式不同，其灵敏度也不同，全桥方式的灵敏度最高，双臂半桥的次之，单臂半桥的灵敏度最低。

3.电桥的温度补偿

在实际应用中，除了应变能力导致应变片的阻值变化外，环境温度的变化也会导致应变片阻值的变化，从而带来测量误差。采用一定的措施来消除或减小温度变化的影响，这种方法称为温度补偿。常用的温度补偿方法，一是电阻应变片的敏感栅材料和制造工艺采取措施；二是采用适当的贴片技巧和桥路形式来消除温度的影响。这里主要介绍桥路补偿法。

采用单臂半桥测量如图2-6（a）所示的试件上表面某点的应变式，可采用两片型号初始电阻值、灵敏度都相同的应变片R1和R2。R1贴在试件的测量点上，R2贴在补偿块上。补偿块就是与试件材料、温度相同，但不受力的试块，如图2-6（b）所示。R1和R2所处于相同的温度场中，并按照图2-6（b）的方式接入相邻两臂上。当试件受力环境温度变化时，应变片R1的电阻变化率为

图2-6　补偿块实现温度补偿

应变片R2（温度补偿片）只有受温度变化引起的电阻变化率为

由于，因此，根据式（2-3）可知输出电压为

从式（2-10）可知，桥路的输出电压只和所受应变有关，而不受温度变化的影响，因而这种补偿

块补偿法可以克服温漂，实现温度补偿。

上述方法是单臂半桥的补偿技术，如果测量转换电路采用的是双臂半桥或全桥的工作方式，由于电桥相邻两臂同时受温度影响，温度变化引起的应变片阻值变化大小、符号均相同，所以，代入式（2-3）可以互相抵消，从而达到温度补偿的目的。因此，双臂半桥和全桥具有温度自补偿的功能。

【任务实施】

一、模块选择

本任务使用电阻应变式传感器、调零电桥、差动放大器板、直流稳压电源、数字电压表、位移台架模块来完成。

①电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其阻值发生变化，这就是电阻应变效应，其关系为：ΔR／R=Kε，ΔR为电阻丝变化值，K为应变灵敏系数，ε为电阻丝长度的相对变化量ΔL／L。通过测量电路将电阻变化转换为电流或电压输出。

②电阻应变式传感器如图2-7所示。传感器的主要部分是上、下两个悬臂梁，4个电阻应变片贴在梁的根部，可组成单臂、半桥与全桥电路，最大测量范围为±3mm。

图2-7　电阻应变式传感器

1—外壳；2—电阻应变片；3—测杆；4—等截面悬臂梁；5—面板接线图

③电阻应变式传感器的单臂电桥电路如图2-8所示，图中R1，R2，R3为固定电阻，R为电阻应变片，输出电压Uo=EKε，E为电桥转换系数。

图2-8　电阻式传感器单臂电桥实验电路图

④接线图。单元连接电路图如图2-9所示。

图2-9　单元连接电路图

二、数据检测

①固定好位移台架，将电阻应变式传感器置于位移台架上，调节测微器使其指示15mm左右。将测微器装入位移台架上部的开口处，旋转测微器测杆使其与电阻应变式传感器的测杆适度旋紧，然后调节两个滚花螺母使电阻式应变传感器上的两个悬梁处于水平状态，两个滚花螺母固定在开口处上下两侧。

②将实验箱（实验台内部已连接）面板上的±15V和地端，用导线接到差动放大器上；将放大器放大倍数电位器RP1旋钮（实验台为增益旋钮）逆时针旋到终端位置。

③用导线将差动放大器的正负输入端连接，再将其输出端接到数字电压表的输入端；按下面板上电压量程转换开关的20V挡按键（实验台为将电压量程拨到20V挡）；接通电源开关，旋动放大器的调零电位器RP2旋钮，使电压表指示向零趋近，然后换到2V量程，旋动调零电位器RP2旋钮使电压表指示为零；此后调零电位器RP2旋钮不再调节，根据实验适当调节增益电位器RP1。

④按图2-8接线，R1，R2，R3（电阻传感器部分固定电阻）与一个应变片构成单臂电桥形式。

⑤调节平衡电位器RP，使数字电压表指示接近零，然后旋动测微器使电压表指示为零，此时测微器的读数视为系统零位。分别上旋和下旋测微器，每次0.4mm，上下各2mm，将位移量X和对应的输出电压值Uo记入表2-2中。

表2-2　位移量和对应的输出电压

【展示评价】

续表

【思考与练习】

一、填空题

1.金属材料的应变效应是指金属材料在受到外力作用时，产生机械变形，导致其阻值发生变化的现象称为金属材料的_________。

2.采用应变片进行测量时要进行温度补偿的原因是①；__________________②__________________。

3.对电阻应变式传感器常用温补方法有_________，_________和_________ 3种。

二、选择题

1.箔式应变片的箔材厚度多在（　　）。

A.0.003～0.01mm　　　　B.0.01～0.1mm

C.0.01～0.1μm　　　　　D.0.0001～0.001μm

2.（　　）是采用真空蒸发或真空沉积等方法，将电阻材料在基底上制成一层各种形式敏感栅而形成应变片。这种应变片灵敏系数高，易实现工业化生产，是一种很有前途的新型应变片。

A.箔式应变片　　　　B.半导体应变片

C.沉积膜应变片　　　D.薄膜应变片

3.蠕变是指已粘贴好的应变片，在温度一定并承受一定的机械应变时，指示应变值随（　　）的变化。

A.位移　　　B.压强　　　C.时间　　　D.外力作用

4.由（　　）和应变片，以及一些附件（补偿元件、保护罩等）组成的装置称为应变式传感器。

A.弹性元件　　　　　B.调理电路

C.信号采集电路　　　D.敏感元件

三、简答题

1.由于交流电桥要受到分布电容的影响，试画出该电路图，并列写出交流电桥的平衡条件。

2.简述应变片式传感器的工作原理。

【知识拓展】

应变式加速度计根据电阻应变效应和振动系统惯性力的原理实现信号的转换，对于电阻应变效应，这里不再详述。惯性式测振传感器的原理：测量结构为某一点的振动，往往很难找到一个相对不动的基准点来安装仪器，因此，就考虑设计这样一种仪器，其内部设置一个“质量弹性系统”。测振时，把它固定在被测物上，使仪器的外壳与结构物仪器振动，直接测量的是质量块相对于外壳的振动。应变式加速度计是将电阻应变效应与系统惯性力原理良好的组合，在实际测试工作中具有很好的应用性。它具有结构简单、低频特性好等优点，但灵敏度相对较低，适用量程为1～2g，频率范围为0～100Hz，与动态应变仪配套使用。

任务二　扩散硅压阻式压力传感器的压力测量

【任务分析】

利用全桥测量原理，通过对电路输出电压和标准压强的线性关系，建立具体的数学模型，将电压量的变化改为压力的变化，即可以测出一定范围内的压力值。其中测量电路中最主要的元器件就是扩散硅压阻式压力传感器。本设计采用全桥测量电路，使系统产生的误差更小，输出的数据更精确。

【知识准备】

硅压阻式传感器一般对温度比较敏感，但随着集成工艺技术的进步，扩散硅敏感膜的4个电阻一致性也得到进一步提高，而且在新一代的传感器中，原始的手工补偿已被激光调阻、计算机自动休整等技术所替代，传感器的温度系数已经非常小，工作温度范围也大幅度提高了；因为扩散硅压力传感器的感受、敏感转换和检测三位一体，却无机械动件连接转换环节，因此不重复性和迟滞误差很小；由于硅材料的刚性好，形变小，因而传感器的线性也非常好。故综合表态精度很高；扩散硅敏感膜片的弹性形变量在微应变数量级，膜片最大位移量在微米数量级，且无机械磨损、无疲劳、无老化，平均无故障时间长，性能稳定，可靠性高；由于扩散硅材料本身优良的化学防腐性能好，即使传感器受压面不隔离，也能在普通使用中适应各种介质，硅材料又与硅油有良好的兼容性，使它在采用防腐材料隔离时结构工艺更易于实现。加之它的低电压、低电流、低功耗、低成本和安全防爆的特点，可替代诸多同类型的同功能产品，具有最优良的性能价格比。

一、扩散硅压阻式压力传感器内部结构

扩散硅压阻式压力传感器内部结构如图2-10所示。

二、扩散硅压阻式压力传感器工作原理

压阻式传感器是利用压阻效应开发的一种传感器。压阻效应是指半导体材料在外力作用下电阻率会发生变化的物理现象。压阻式传感器的优点是：灵敏度高，测量元件尺寸小，频率响应高，横向效应小。其缺点是：温度稳定性差，在较大的应变下，灵敏度的非线性误差大。

图2-10　扩散硅压阻式压力传感器结构简图

1—低压腔；2—高压腔；3—硅杯；4—引线；5—硅膜片

压阻式传感器主要有体型、薄膜型和扩散型等。体型是利用半导体材料的电阻制成粘贴式的应变片；薄膜型是利用真空沉积技术将半导体材料沉积在带有绝缘层的基底上而制成的；扩散型是在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成扩散电阻，作为测量传感元件。

压阻式传感器在工业上多用于与应变有关的力、压力、压差、真空度等物理的测量。经过适当的换算，也可用于液位、流量、加速度等参量的测量。下面以压阻式压力传感器为例对其作一简单介绍。

三、扩散硅压阻式压力传感器的使用

压阻式压力传感器主要用于流体压力的测量。其主要性能指标如下：

量程：目前最高量程达6×105Pa；

精度：一般为0.2%F·S^[1]～0.5%F·S，最高达0.1%F·S；

满量程输出：通常不低于几十毫伏；

稳定度：零漂要求小于5×10-4F·S／℃；时漂要求小于0.3%F·S／4h；

阻抗：从几十欧到几千欧不等，用户可根据阻抗匹配及功耗要求进行选择；

工作电压：一般为5～10V；

工作温度：一般型小于等于80℃，高温型高达400℃。

该传感器的组成结构如图2-10（a）所示，其核心部分围做成杯状的硅膜片（也称硅杯），如图2-10（b）所示。中间硅膜片有效直径为4mm，膜厚视量程通常为5～50nm。在硅膜片上用扩散掺杂工艺设置4个阻值相等的电阻，如图2-10（c）所示，经蒸镀铝电极及连线接成电桥，再用压焊法与引线相连。膜片一侧是与被测对象相接的高压腔，另一侧是与大气相通或抽真空的低压腔。工作时，膜片受两侧压差作用而产生变形，产生的应力使得扩散应变片电阻有所变化。受压差沿直径方向各点的径向应变式是不同的，由于R2，R4离圆心较近，它们产生的是正应变力；R1，R3离圆心较远，它们产生的是负应变力。这样合理连接后导致电桥失衡，可输出与膜片两侧压差成正比的电压。

【任务实施】

一、模块选择

本单元模块使用压阻式压力传感器、压阻式压力传感器转换电路板、橡皮气囊、储气箱、三通连接导管、压力表、位移台架、直流稳压电源、数字电压表来实现。

扩散硅式压阻式压力传感器，在单晶硅的基片扩散出P型或N型电阻条，接成电桥。在压力作用下根据半导体的压阻效应，基片产生应力，电阻条的电阻率产生变化，引起电阻的变化，将这一变化引入测量电路，通过输出电压可测量出其所受的压力大小。测量电路如图2-11所示，其中RP1用于调节放大倍数，RP2用于调节零点。压力传感器实验连线图如图2-12所示。

图2-11　压力传感器实验电路图

图2-12　压力传感器实验连线图

二、数据检测

①固定好位移台架，将压力传感器放在台架的圆孔中。

②将压力传感器上的插头连接至转换电路板上的插座。转换电路板的输出连接至数字电压表。

③按照图2-13连接管路。

图2-13　压力传感器实验系统示意图

④打开橡皮囊上的单向阀，接通电源，调节转换电路板上的RP2使输出电压为零。

⑤拧紧单向阀，轻按加压皮囊，注意不要用力过大，使压力表显示100mmHg，调节RP1使输出电压为10V。

⑥重复步骤④和步骤⑤，使得压力为0mmHg时输出电压为0V，压力为100mmHg^[2]时，输出电压为10V。

⑦打开单向阀，开始加压，每上升10mmHg读取输出电压，并记入表2-3中。

表2-3　读取每上升10mmHg的输出电压

【展示评价】

【思考与练习】

一、填空题

1.半导体材料受到应力作用时，其电阻率会发生变化，这种现象就称为__________________。

2.金属丝应变片和半导体应变片比较其相同点是___________________________，从而导致材料的电阻发生变化。

3.压阻式传感器主要有_________型、_________型和_________型。

4.压阻式压力传感器主要用于_________的测量。

二、简答题

1.简述扩散硅压阻式压力传感器工作原理。

2.压组式传感器在工业上的应用有哪些？

【知识拓展】

利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出。压阻式传感器用于压力、拉力、压力差和可转变为力的变化的其他物理量（如液位、加速度、总重、应变、流量、真空度）的测量和控制（见加速度计）。

1.压阻效应

当力作用于硅晶体时，晶体的晶格产生变形，使载流子从一个能谷向另一个能谷散射，引起载流子的迁移率发生变化，扰动了载流子纵向和横向的平均量，从而使硅的电阻率发生变化。这种变化随晶体的取向不同而异，因此，硅的压阻效应与晶体的取向有关。硅的压阻效应不同于金属应变计（见电阻应变计），前者电阻随压力的变化主要取决于电阻率的变化，后者电阻随压力的变化则主要取决于几何尺寸的变化（应变），而且前者的灵敏度比后者大50～100倍。

2.压阻式压力传感器的结构

这种传感器采用集成工艺将电阻条集成在单晶硅膜片上，制成硅压阻芯片，并将此芯片的周边固定封装于外壳之内，引出电极引线。压阻式压力传感器又称为固态压力传感器，它不同于粘贴式应变计，需通过弹性敏感元件间接感受外力，而是直接通过硅膜片感受被测压力。硅膜片的一面是与被测压力连通的高压腔，另一面是与大气连通的低压腔。硅膜片一般设计成周边固支的圆形，直径与厚度比为20～60。在圆形硅膜片（N型）定域扩散4条P杂质电阻条，并接成全桥，其中两条位于压应力区，另两条处于拉应力区，相对于膜片中心对称。硅柱形敏感元件也是在硅柱面某一晶面的一定方向上扩散制作电阻条，两条受拉应力的电阻条与另两条受压应力的电阻条构成全桥。

3.发展状况

1954年C.S.史密斯详细研究了硅的压阻效应，从此开始用硅制造压力传感器。早期的硅压力传感器是半导体应变计式的。后来在N型硅片上定域扩散P型杂质形成电阻条，并接成电桥，制成芯片。此芯片仍需粘贴在弹性元件上才能敏感压力的变化。采用这种芯片作为敏感元件的传感器称为扩散型压力传感器。这两种传感器都同样采用粘片结构，因而存在滞后和蠕变大、固有频率低、不适于动态测量以及难于小型化和集成化、精度不高等缺点。20世纪70年代以来，制成了周边固定支撑的电阻和硅膜片的一体化硅杯式扩散型压力传感器。它不仅克服了粘片结构的固有缺陷，而且能将电阻条、补偿电路和信号调整电路集成在一块硅片上，甚至将微型处理器与传感器集成在一起，制成智能传感器（见单片微型计算机）。

这种新型传感器的优点是：

①频率响应高（例如，有的产品固有频率达1.5MHz以上），适于动态测量；

②体积小（例如，有的产品外径可达0.25mm），适于微型化；

③精度高，可达0.1%～0.01%；

④灵敏高，比金属应变计高出很多倍，有些应用场合可不加放大器；

⑤无活动部件，可靠性高，能工作于振动、冲击、腐蚀、强干扰等恶劣环境。

其缺点是：温度影响较大（有时需进行温度补偿）、工艺较复杂和造价高等。

4.应用

压阻式传感器广泛应用于航天、航空、航海、石油化工、动力机械、生物医学工程、气象、地质、地震测量等各个领域。在航天和航空工业中压力是一个关键参数，对静态和动态压力，局部压力和整个压力场的测量都要求很高的精度。压阻式传感器是用于这方面的较理想的传感器。例如，用于测量直升机机翼的气流压力分布，测试发动机进气口的动态畸变、叶栅的脉动压力和机翼的抖动等。在飞机喷气发动机中心压力的测量中，使用专门设计的硅压力传感器，其工作温度达500℃以上。在波音客机的大气数据测量系统中采用了精度高达0.05%的配套硅压力传感器。在尺寸缩小的风洞模型试验中，压阻式传感器能密集安装在风洞进口处和发动机进气管道模型中。单个传感器直径仅2.36mm，固有频率高达300kHz，非线性和滞后均为全量程的±0.22%。在生物医学方面，压阻式传感器也是理想的检测工具。已制成扩散硅膜薄到10μm，外径仅0.5mm的注射针型压阻式压力传感器和能测量心血管、颅内、尿道、子宫和眼球内压力的传感器。压阻式传感器还有效地应用于爆炸压力和冲击波的测量、真空测量、监测和控制汽车发动机的性能以及诸如测量枪炮膛内压力、发射冲击波等兵器方面的测量。此外，在油井压力测量、随钻测向和测位地下密封电缆故障点的检测以及流量和液位测量等方面都广泛应用压阻式传感器。随着微电子技术和计算机的进一步发展，压阻式传感器的应用还将迅速发展。

5.压阻式压力传感器的优点

①频率响应高，f0可达1.5MHz；

②体积小、耗电少；

③灵敏度高、精度好，可测量到0.1%的精确度；

④无运动部件（敏感元件与转换元件一体）；

压阻式压力传感器的缺点如下：

①温度特性差；

②工艺复杂。

任务三　压电式传感器测量振动

【任务分析】

基于压电效应的传感器，是一种自发电式和机电转换式传感器。它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量。它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和质量轻等。缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。

【知识准备】

一、压电式传感器的工作原理

某些电介质在受到一定方向的外力作用下发生形变时，内部会产生极化现象，同时在其面会产生电荷，且所产生的电荷量Q和外力的大小F成正比，即

其中，d表示压电常数，Fx表示x在方向的外力。当外力方向改变时，电荷的极性也随之发生改变；当外力消失后，电荷消失，又恢复到原来的状态，如图2-14（a）所示，这种现象称为压电效应或正压电效应。与之相反，如果在这些电介质的极化方向上施加交变电场，它们会产生机械形变；当外加电场取消后，形变也随之消失。这种现象则称为逆压电效应或电致伸缩效应。压电效应具有可逆性，能实现机械能和电能之间的相互转换，如图2-14（b）所示。

图2-14　压电效应

力学压电式传感器都是利用压电材料的正压电效应，而在水声和超声技术中，则利用逆压电效应制作声波和超声波的发射换能器。

二、压电材料及特性

在自然界中，大多数晶体都具有压电效应，由于大多数晶体的压电效应过于微弱，因此使用价值不大。压电式传感器中的压电材料基本可以分为3类：压电晶体、压电陶瓷和新型压电材料。压电晶体是一种单晶体，如石英晶体、酒石酸钾钠等；压电陶瓷是一种人工制作的多晶体，如钛酸钡、锆钛酸铅、铌酸锶等；新型压电材料属于新一代的压电材料，其中较为重要的有压电半导体和高分子压电材料。

1.石英晶体

（1）压电机理

目前发现的自然界晶体中最具有代表性、应用最广泛的是石英晶体。石英晶体结构是结晶门边形体系，棱柱体是它的基本组织，在它上面有3个直角坐标轴，如图2-15（a）所示，图2-15（b）是石英晶体中间棱柱断面的下半部分，其断面为正六边形。z轴是晶体的对称轴，称为光轴，该轴方向上没有压电效应；x轴称为电轴，垂直于x轴晶面上的压电效应最为显著；y轴称为机械轴，在电场的作用下，沿此轴方向的机械应变最为显著。如果从石英晶体上切割出一个平行六面体，使它在晶面分别平行于电轴、光轴和机械轴，如图2-15（b）所示的阴影部分，那么，在垂直于光轴的力（Fx或Fy）的作用下，晶体会发生极化现象，并且其极化矢量是沿着电轴，即电荷出现在垂直于电轴的平面上。

在沿着电轴x方向力的作用下，产生电荷的现象称为纵向压电效应；沿机械轴y方向力的作用下产生电荷的现象称为横向压电效应。当沿光轴z方向受力时，晶体不会产生压电效应。

在晶体切片上，产生电荷的极性与受力的方向有关。图2-16给出了电荷极性与受力方向的关系。若沿晶片的x轴施加压力Fx，则在加压的两表面上分别出现正、负电荷，如图2-16（a）所示。若沿晶体的y轴施加压力Fy时，则在加压的表面不出现电荷，电荷仍出现在垂直于x轴的表面上，只是电荷的极性相反，如图2-16（c）所示。若将x，y轴方向施加的压力改为拉力，则产生电荷的位置不变，只是电荷的极性相反，如图2-16（b）、图2-16（d）所示。

图2-15　石英晶体

图2-16　晶片电荷极性与受力方向的关系

（2）压电石英的特点

石英晶体不但绝缘性能好、机械强度高，而且它的压电温度系数小，在20～200℃的温度范围内，温度每上升1℃，压电系数仅减小0.016%。除此之外，它的居里温度（压电材料开始丧失压电性的温度）为575℃。石英晶体资源较少，价格较贵，而且它的压电系数比压电陶瓷的压电系数低很多，鉴于以上优缺点，石英晶体主要在校准用的标准传感器以及精度要求很高的传感器中使用，在一般测量情况下，主要是采用压电陶瓷作为压电元件。

2.压电陶瓷

（1）压电机理

压电陶瓷是一种经人工极化处理后的多晶体压电材料，它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。每一个单晶形成一单个电畴，无数个单晶电畴无规则地排列。图2-17（a）给出了钛酸钡压电陶瓷未极化时的电畴分布情况，这时压电陶瓷不具有压电性。为了使压电陶瓷具有压电效应，需作极化处理，即在一定温度（100～170℃）下，对两个镀银电极的极化面加上高压电场。此时电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场方向排列，从而使材料得到极化，如图2-17（b）所示。极化处理后，陶瓷材料内部仍存在有很强的剩余极化强度，如图2-17（c）所示，当压电陶瓷受外力作用时，其表面也能产生电荷，压电陶瓷就呈现出压电效应。

图2-17　钛酸钡压电陶瓷的极化

（2）压电陶瓷的特点

经过极化的压电陶瓷具有很高的压电系数且灵敏度高。压电陶瓷制造工艺成熟，可通过合理配方和掺杂等人工控制来达到所要求的功能。同时，其成形工艺件好，成本低廉，利于广泛应用，目前，国内外生产的压电元件绝大部分采用压电陶瓷。压电陶瓷除有压电性外，还具有热释电性，因此，它可制作热电传感器件而用于红外探测器中。作压电器件应用时，会给压电传感器造成热干扰，降低稳定性，因此，对于高稳定性的传感器，压电陶瓷的应用受到限制。

（3）压电陶瓷的常用材料

常用的压电陶瓷材料主要有以下3种：

·钛酸钡（BaTiO3）：钛酸钡具有较高的压电常数（d33=190×10-12C／N）和相对介电常数（1000～5000），但它的居里点较低（约120℃），机械强度低于石英晶体。

·锆钛酸铅压电陶瓷（PZT）：锆钛酸铅压电陶瓷是由钛酸铅和铅酸铅组成的固熔体，具有较高的压电常数［（200～500）×10-12C／N］，是目前经常采用的一种压电材料。在上述材料中加入微量的镧、铌或锑等，可得到不同性能的PZT材料。PZT是工业中应用较多的压电陶瓷。

·铌镁酸铅压电陶瓷（PMN）：铌镁酸铅压电陶瓷具有较高的压电常数［（800～900）× 10-12C／N］和居里点（260℃），它能承受7×107Pa的压力，因此，可作为高压下的力传感器。

3.新型压电材料

（1）压电半导体

1968年以来出现了多种压电半导体硫化锌（ZnS）、碲化镉（CdTe）、氧化锌（ZnO）、硫化镉（CdS）、碲化锌（ZnTe）和砷化稼（GaAs）等。这些材料的显著特点是：既具有压电特性，又具有半导体特性。因此，既可用其压电性研制传感器，又可用其半导体特性制作电子器件；也可以两者结合，集元件与电路于一体，研制成新型集成压电传感器系统。

（2）高分子压电材料

高分子压电材料是近年来发展很快的一种新型材料。典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、聚氯乙烯（PVC）等，其中以PVF2压电常数最高。

高分子压电材料是一种柔软的压电材料，极化后显示出压电特性，它不易破碎，具有防水性，可以大量生产并可制成较大面积或尺寸的成品，因而价格也较为便宜。它的优点是其他压电材料所不具备的，因此，在一些不要求测量精度的传感器中有广泛应用，如水声测量、防盗振动测量等领域。另外，它与空气的声阻抗匹配具有独特的优越性，故它是很有发展潜力的新型电声材料。

高分子压电材料的工作温度一般低于100℃，温度升高时，其灵敏度也下降。它的机械强度不够高，耐紫外线能力较差，不宜暴晒，以防老化。

三、压电式传感器的测量转换电路

1.压电元件的等效电路

当压电元件受力时，在两电极表面会聚集等量且极性相反的电荷，因此，可以把它看成是一个电荷发生器。由电工学可知，在压电元件上下表面聚集电荷，称为绝缘介质，便形成了一个电容器，其电容量为

由于电容器上有电压，它又可以看成是一个电压源电容器。因此，压电元件的等效电路可以有两种形式：一种是等效为一个电荷源Q和一个电容Ca的并联电路，如图2-18（a）所示；另一种是等效为一个电压源Ua和一个电容Ca的串联电路，如图2-18（b）所示。三者关系为

图2-18　压电元件的等效电路

图2-19　实际连接中的压电传感器的等效电路

必须指出的是，上述等效电路只有在压电元件本身理想绝缘、无泄漏、输出端开路的条件下才成立。在构成实际传感器时，总要利用电缆将压电元件接入测量电路或仪器中。这样，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。加之考虑压电元件并非理想元件，它内部存在泄漏电阻Ra，则由压电元件构成传感器的实际等效电路如图2-19所示。

由于压电材料泄漏电阻Ra的存在，压电元件的电荷不可能长久保存，只有外力以较高频率不断作用，传感器的电荷才能得以补充，因此，压电式传感器不适用于静态测量，只适用于动态测量。

2.测量转换电路

压电式传感器的输出信号非常微弱，一般需将电信号放大后才能检测出来。同时，压电式传感器的内阻极高，难以和一般的放大器直接连接使用，而需要进行前置阻抗变换。

由压电式传感器的工作原理和等效电路可知，它可以是电荷信号输出，也可以是电压信号输出。因此，压电式传感器的测量转换电路——前置放大器，对应于电荷源和电压源，有电荷放大器和电压前置放大器两种形式，前置放大器需具备信号放大和阻抗匹配两种功能。

（1）电压放大器

电压放大器的作用是将压电式传感器的高输出阻抗经过放大器变换成低阻抗输出，并将微弱的电压信号进行适当放大，因此，也把这种测量转换电路称为阻抗变换器。图2-20给出了压电式传感器接到电压放大器的等效电路。

图2-20中，等效电路R和等效电容C各为

图2-20　电压放大器的等效电路

一般情况下，这种连接电压放大器的压电式传感器的灵敏度可以表示为

因此，当传感器及电压放大器一经校正，仪器便不能更换，电缆长度不能改变，否则，将导致灵敏度的变化，从而影响测量结果。由于上述原因，目前多采用性能稳定的电荷放大器作为转换电路。

（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（电荷／电压转换器）。压电元件等效为一个电容和一个电荷源并联的形式，而电荷放大器实际上是一个具有深度电容负反馈的高增益运算放大器，其等效电路如图2-21所示。

图2-21　电荷放大器的等效电路

电荷放大器的输出电压与输入电荷量的关系为

这样，电荷放大器的输出电压只与压电元件产生的电荷以及反馈电容有关，而与连接电路的分布电容无关。这是电荷放大器的一个突出优点，它为远距离测试提供了方便。

【任务实施】

一、模块选择

本单元使用压电加速度式传感器、压电加速度转换电路板、低频振荡器、振动台、直流稳压电源、数字电压表、示波器模块来实现。

压电式传感器是一种典型的有源传感器，其中有力敏元件，在压力、应力、加速度等外力作用下，压电介质表面产生电荷，从而实现非电量的测量。本实验采用的传感器的输出信号与传感器移动的加速度成正比，实验电路框图如图2-22所示。

图2-22　压电式传感器实验原理框图

二、数据检测

①将压电加速度式传感器置于台架上固定好。

②观察传感器结构，其中包括双压电陶瓷晶片、惯性质量块、压簧、引出电极等，其中惯性质量块在传感器振动时，对陶瓷晶片产生正比于加速度的交变力，压电陶瓷晶片在此交变力的作用下输出正比于加速度的信号。

③按图2-23接线，并将低频振荡器输出接至振动台小板上的振荡线圈。接通电源，观察输出波形。

图2-23　压电式传感器实验连线图

④调节振幅，比较在不同振幅下输出波形峰值的不同情况。

【展示评价】

续表

【思考与练习】

一、填空题

1.常见的压电材料有_________，_________，_________。

2.压电石英的特点是_________。

3.压电陶瓷的特点是_________。

4.新型压电材料有_________和_________。

二、简答题

1.由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通常先把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗交换后，方可用一般的放大检波电路再将信号输入到指示仪表或记录器中。说明前置放大器的作用和种类，说明电荷放大器应用广泛的原因并画出其等效电路。

2.简述在压电式传感器中，为了提高灵敏度而采取的措施，压电传感器能不能做静态测量。试说明原因。

【知识拓展】

压电式测力传感器

压电式测力传感器是利用压电元件直接实现力—电转换的传感器，在拉、压场合，通常较多采用双片或多片石英晶体作为压电元件。其刚度大，测量范围宽，线性及稳定性高，动态特性好。当采用大时间常数的电荷放大器时，可测量准静态力。按测力状态分，有单向、双向和三向传感器，它们在结构上基本一样。

图2-24所示为压电式单向测力传感器的结构图。传感器用于机床动态切削力的测量。绝缘套用来绝缘和定位。基座内外底面对其中心线的垂直度、上盖及晶片、电极的上下底面的平行度与表面光洁度都有极严格的要求，否则，会使横向灵敏度增加或使片子因应力集中而过早破碎。为了提高绝缘阻抗，传感器装配前要经过多次净化（包括超声波清洗），然后在超净工作环境下进行装配，加盖之后用电子束封焊。

图2-24　压电式单向测力传感器

压电式压力传感器的结构类型很多，但它们的基本原理与结构仍与压电式加速度和力传感器大同小异。突出的不同点是，它必须通过弹性膜、盒等，把压力收集、转换成力，再传递给压电元件。为保证静态特性及其稳定性，通常多采用石英晶体作为压电元件。

压电式加速度传感器

在压电片的两个表面上镀银层，并在银层上焊接输出引线或在两个压电片之间夹一片金属，引线就焊接在金属片上，输出端的另一根引线直接与传感器基座相连。在压电片上放置一个比重较大的质量块，然后用一硬弹簧或螺栓、螺帽对质量块预加载荷。整个组件装在一个厚基座的金属壳体中，为了隔离试件的任何应变传递到压电元件上去，避免产生假信号输出，因此一般要加厚基座或选用刚度较大的材料来制造。

测量时，将传感器基座与试件刚性固定在一起。当传感器感受到振动时，由于弹簧的刚度相当大，而质量块的质量相对较小，可以认为质量块的惯性很小，因此质量块感受到与传感器基座相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力作用。这样，质量块就有一正比于加速度的交变力作用在压电片上。由于压电片具有压电效应，因此，在它的两个表面上就产生了交变电荷（电压），当振动频率远低于传感器固有频率时，传感器的输出电荷（电压）与作用力成正比，即与试件的加速度成正比。输出电量由传感器输出端引出，输入到前置放大器后就可用普通的测量器测出试件的加速度，如在放大器中加进适当的积分电路，就可以测出试件的振动加速度或位移。

【项目小结】

电阻应变式传感器属于电阻传感器的一种，其传感元件应变片是利用电阻应变效应的原理制成的。根据材料的不同它可分为金属应变片和半导体应变片两类。金属应变片有金属丝式、箔式和薄膜式3种结构；半导体应变片具有灵敏度高的显著特点，在使用时需要根据使用场合，合理选择应变片。

电阻应变式传感器的测量转换电路一般采用桥式电路，分为单臂半桥、双臂半桥及全桥3种形式。全桥方式的灵敏度最高，双臂半桥的次之，单臂半桥的灵敏度最低。双臂半桥和全桥具有温度自补偿功能。

电阻应变式传感器实现力的检测是通过将应变片粘贴在弹性敏感元件上的适当位置上，当被测件受力导致弹性敏感元件发生形变，使得应变片产生应变，导致其阻值发生变化，通过桥式测量转化电路输出测量电压。应变片需根据使用对象和使用场合合理选择，并按工艺流程正确粘贴。

电阻应变式传感器除了可以实现测力和称重外，还可实现对压力、加速度、扭矩、位移等参量的检测。压阻式传感器利用半导体材料的压阻效应广泛用于压力、压差等相关物理量的测量。

压电式传感在是一种自发电式传感器，它是利用压电材料的压电效应实现检测的。具有压电效应的压电材料主要有天然压电晶体、人工压电陶瓷以及新型压电材料等几种类型。

压电元件的等效电路有电荷源等效电路和电压源等效电路两种。与此对应，压电式传感器的测量转换电路有电荷放大器和电压放大器两种。由于电荷放大器的输出电压和电荷量的反馈电容有关，而与电缆电容无关，因此，实际测量中，电荷放大器作为测量转换电路更为方便。

由于压电元件的输出电荷量和作用在其上的外力成正比关系，并且电荷量很小，容易泄露，因此，压电式传感器往往用于对变化的动态力、振动、变化加速度的测量，而不能用于静态力的测量。

【注释】

[1]F·S是FallScale的缩写，意为“满量程”，就是传感器最大测量值。

[2]1mmHg=133.322Pa，下同。