压电传感器

压电传感器类似于压阻式传感器，其中应变引起的机械弯曲或力产生电荷。

发件人：医疗点（POC）应用医疗生物传感器，2017年

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压电材料结构健康监测传感器声发射致动器样品压电致动器

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压电传感器

Paul Regtien，Edwin Dertien，《机电一体化传感器》（第二版），2018年

8.2力、压力和加速度传感器

8.2.1施工

大多数力传感器基于弹性或弹簧元件：力产生的变形由位移传感器测量（如前几章所述）。弹簧元件的弹性决定了这种传感器的灵敏度。高灵敏度需要大变形，这是通过弹簧元件的低刚度实现的。然而，如此大的位移可能会无意中影响必须测量力的结构。另一方面，压电式力传感器直接对施加的力作出反应：在大多数情况下，相关的变形很小，可以忽略不计，从而确保力测量中的小负载误差。虽然力是压电传感器测量的主要量，但是使用适当的结构，也可以很容易地测量其他量，如压力、应变和加速度。

压电传感器也有缺点。施加的力产生的表面电荷可以通过环境电荷（空气中的电荷）、电流泄漏（由于电介质的非零导电性）或仅仅通过连接的电子设备的输入电阻（在第8.3节中进一步讨论）很容易中和。这使得传感器作为输入信号的高通滤波器，阻碍了纯静态测量。

另一个注意点是温度敏感性。造成这种温度效应的原因是多方面的。首先，压电材料是热释电的，所以它们也对温度变化作出反应。其次，温度变化可能会引起晶体变形，从而产生电输出。此外，当连接到压电晶体的材料具有不同的热膨胀系数（例如夹紧部件和电极）时，晶体会受到不必要的力。幸运的是，只要这些变化是缓慢的，它们不会因为前面讨论的固有高通特性而限制适用性。

通常传感器的元件是通过夹紧而不是通过胶合保持在一起的。结果就是晶体被预加载。图8.5以非常示意的方式显示了一些基本结构。

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图8.5。压电传感器原理（A）力传感器（纵向），（B）压缩式加速度计，（C）剪切式加速度计，（D）俯视图（C）；箭头表示灵敏度的主轴；电气端子未显示。

在力传感器（图8.5A）中，要测量的力直接传递到压电晶体上。显然，这种结构提供了一种将晶体的电极连接到外部连接器的方法（图中未显示）。通常情况下，外壳充当接地端子。

在压电式压力传感器中，要测量的压力被施加在薄金属膜上。作用在膜上的总力（即压力乘以膜的有效面积）通过机械方式转移到晶体上。压电压力传感器对加速度也很敏感，因为壳体的质量在加速时会在晶体上产生惯性力。对于必须在振动或其他移动环境中测量压力的应用，特殊压力传感器设计有补偿晶体，以最小化加速度灵敏度。

加速度计基本上由一个或多个压电晶体和一个验证质量（或地震质量）组成。在这里，质量也是固定的预加载到晶体上。图8.5B显示了压缩模式加速计。该示例包括两个晶体，背靠背安装在地震块和底板之间。一个电极连接到晶体的公共表面，另一个连接到外壳。在这种结构中，晶体在电气上并联，在机械上串联，导致灵敏度加倍。此外，还实现了对常见干扰的补偿。图8.5C和D所示的剪切式加速度计包含安装在矩形柱上的四个晶体。质量和晶体固定在中心柱和夹紧环之间（作为预紧力）。

由于没有运动部件，压电传感器可以安装在坚固的封装中并密封。图8.6给出了两个模型的真实结构