在先進制造業中，傳感、通信和計算機技術分別被比作信息技術系統的“感官”“神經”和“大腦”。其中“傳感器”就像人的眼、鼻、耳、舌、手一樣，可以采集各類信息并將它們轉化為特定的信號，是探測和獲取日常生活、工業生產、科學研究中各類信息的主要方式。

智能傳感器成為近年來的關注熱點

傳感器有很多種，其中“壓電式傳感器”是一種基于壓電效應的傳感器，是一種自發電式和機電轉換式傳感器。它的敏感元件由壓電材料制成，壓電材料受力后表面產生電荷。此電荷經電荷放大器和測量電路放大和變換阻抗后就成為正比于所受外力的電量輸出。

壓電式傳感器用于測量力和能變換為電的非電物理量。它的優點是頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結構簡單、工作可靠和重量輕等；缺點是某些壓電材料需要防潮措施，而且輸出的直流響應差，需要采用高輸入阻抗電路或電荷放大器來克服這一缺陷。

傳感器的組成

一、工作原理

壓電式傳感器的工作原理就是基于某些晶體在受力后，在晶體表面產生電荷的壓電效應，可分為正壓電效應和逆壓電效應。

正壓電效應是指：當晶體受到某固定方向外力的作用時，內部就產生電極化現象，同時在某兩個表面上產生符號相反的電荷；當外力撤去后，晶體又恢復到不帶電的狀態；當外力作用方向改變時，電荷的極性也隨之改變；晶體受力所產生的電荷量與外力的大小成正比。壓電式傳感器大多是利用正壓電效應制成的。

逆壓電效應是指：對晶體施加交變電場引起晶體機械變形的現象，又稱電致伸縮效應。用逆壓電效應制造的變送器可用于電聲和超聲工程。

二、壓電材料的分類

為使壓電傳感器的壓電元件同時起著敏感力/壓力和力電轉換的功能，其制作需要使用壓電材料。應用于壓電式傳感器中的壓電元件材料一般有三類：壓電晶體、經過極化處理的壓電陶瓷、新型壓電材料。

1.壓電晶體

石英單晶化學成分為 SiO₂，為天然單晶壓電材料；其機械強度高，莫氏硬度為7；熔點高達1750℃，居里溫度高；絕緣性好，其性能如介電常數和壓電特性非常穩定，轉換效率和轉換精度高、重復性好、線性范圍寬、動態特性好；另外鈮酸鋰（LiNbO₃）、鉭酸鋰（LiTaO）也屬于壓電晶體。壓電晶體 Q值較大，有良好的溫度特性，但存在壓電常數較弱、制作加工困難的缺點。

2.壓電陶瓷

壓電陶瓷屬于鐵電體一類的物質，是人工制造合成的多晶塊狀壓電材料，具有制備簡單、工藝可靠、性能穩定的特點；含有類似鐵磁材料磁疇結構的電疇結構，可按需制成任意形狀和按任意方向極化、壓電性能可調；極化后的成品具有顯著的壓電效應，壓電系數可達到石英晶體的數百倍。

其中鈦酸鋇材料（BaTiO，）是人工制造和應用最早 的壓電陶瓷，首先由鈦酸鋇粉末和二氧化鈦（TiO，）粉末等比例摩爾量配制，然后高溫燒結;得到的鈦酸鋇陶瓷d，較大，比石英提高約 50 倍;但鈦酸鋇壓電陶瓷居里溫度Tc不到120℃，導致工作溫度不能超過 60℃，應用溫度范圍小，其機械性能也弱于石英。

現今普遍使用的是鋯鈦酸鉛（PZT）系列壓電陶瓷，工藝和制造技術成熟、可靠，其居里溫度Tc在300℃以上，性能非常穩定，且壓電性能較鈦酸鋇壓電陶瓷又有大幅提高，具有較高的介電常數和壓電系數。而20世紀60年代發展起來的鈮鎂酸鉛PMN（PbMg，NbO，）壓電陶瓷，也具有較高的壓電常數和工作溫度，而且能承受較高的縱向壓力；可由鈮鎂酸鉛、鋯酸鉛和鈦酸鉛混合按不同比例配出不同性能的多元系PMN-PZT壓電陶瓷，滿足應用需求。

壓電薄膜

3.新型壓電材料

①壓電半導體材料：ZnO、CdS（硫化鎘） 、CdTe（碲化鎘 ）等都屬于壓電半導體材料，這種力敏器件具有靈敏度高，響應時間短等優點。此外用ZnO作為表面聲波振蕩器的壓電材料，可檢測力和溫度等參數。

②高分子壓電材料：某些合成高分子聚合物薄膜經延展拉伸和電場極化后，具有一定的壓電性能，這類薄膜稱為高分子壓電薄膜。目前出現的壓電薄膜有聚二氟乙烯PVF2、聚氟乙烯PVF、聚氯乙烯PVC、聚γ甲基-L谷氨酸脂PMG等。高分子壓電材料是一種柔軟的壓電材料，不易破碎，可以大量生產和制成較大的面積。

三、壓電傳感器的應用

壓電式傳感器有著結構簡單、體積小、重量輕、靈敏度高、可靠性高、測量范圍廣等優點，因此比較適合一些動態力學的測量，主要使用在跟力相關的一些動態參數的測量，如動態力機械沖擊震動，在聲學、醫學、力學、導航方面都有得到廣泛的應用。

1.壓電式測力傳感器

壓電式測力傳感器是利用壓電元件直接實現力-電轉換的傳感器，在拉、壓場合，通常較多采用雙片或多片石英晶體作為壓電元件。其剛度大，測量范圍寬，線性及穩定性高，動態特性好。當采用大時間常數的電荷放大器時，可測量準靜態力。按測力狀態分，有單向、雙向和三向傳感器，它們在結構上基本一樣。

圖所示為壓電式單向測力傳感器的結構圖。傳感器用于機床動態切削力的測量。絕緣套用來絕緣和定位。基座內外底面對其中心線的垂直度、上蓋及晶片、電極的上下底面的平行度與表面光潔度都有極嚴格的要求，否則會使橫向靈敏度增加或使片子因應力集中而過早破碎。為提高絕緣阻抗，傳感器裝配前要經過多次凈化（包括超聲波清洗），然后在超凈工作環境下進行裝配，加蓋之后用電子束封焊。

壓電式壓力傳感器的結構類型很多，但它們的基本原理與結構仍與壓電式加速度和力傳感器大同小異。突出的不同點是，它必須通過彈性膜、盒等，把壓力收集、轉換成力，再傳遞給壓電元件。為保證靜態特性及其穩定性，通常多采用石英晶體作為壓電元件。

2.壓電式加速度傳感器

圖所示為壓縮式壓電加速度傳感器的結構原理圖，壓電元件一般由兩片壓電片組成。在壓電片的兩個表面上鍍銀層，并在銀層上焊接輸出引線，或在兩個壓電片之間夾一片金屬，引線就焊接在金屬片上，輸出端的另一根引線直接與傳感器基座相連。在壓電片上放置一個比重較大的質量塊，然后用一硬彈簧或螺栓、螺帽對質量塊預加載荷。整個組件裝在一個厚基座的金屬殼體中，為了隔離試件的任何應變傳遞到壓電元件上去，避免產生假信號輸出，所以一般要加厚基座或選用剛度較大的材料來制造。

測量時，將傳感器基座與試件剛性固定在一起。當傳感器感受到振動時，由于彈簧的剛度相當大，而質量塊的質量相對較小，可以認為質量塊的慣性很小，因此質量塊感受到與傳感器基座相同的振動，并受到與加速度方向相反的慣性力作用。這樣，質量塊就有一正比于加速度的交變力作用在壓電片上。由于壓電片具有壓電效應，因此在它的兩個表面上就產生了交變電荷（電壓），當振動頻率遠低于傳感器固有頻率時，傳感器的輸出電荷（電壓）與作用力成正比，即與試件的加速度成正比。輸出電量由傳感器輸出端引出，輸入到前置放大器后就可以用普通的測量器測出試件的加速度，如在放大器中加進適當的積分電路，就可以測出試件的振動加速度或位移。

資料來源：

多層壓電陶瓷沖擊傳感器研究，劉天國

傳感器詳解—壓電式傳感器，李渡

一文讀懂壓電式傳感器，傳感器技術（WW_CGQJS）

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