压电式传感器.pdf

压电式传感器是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。压电材料受到力后表面产生电荷。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、
工作可靠和重量轻等。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。

2压电式传感器的基本原理

2.1压电效应

压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。正压电效应是指：当晶体受到某固定方
向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当
外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之
改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电
效应制成的。逆压电效应是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象，又称电致
伸缩效应。用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。压电敏感元件的受力变
形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型5种基本形式，
如下图所示。压电晶体是各向异性的，并非所有晶体都能在这5种状态下产生压电效应。
例如石英晶体就没有体积变形压电效应，但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。

2.2压电材料

压电式传感器可分为压电单晶、压电多晶和有机压电材料。压电式传感器中用得最
多的是属于压电多晶的各类压电陶瓷和压电单晶中的石英晶体。其他压电单晶还有适用
于高温辐射环境的铌酸锂以及钽酸锂、镓酸锂、锗酸铋等。压电陶瓷有属于二元系的钛

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酸钡陶瓷、锆钛酸铅系列陶瓷、铌酸盐系列陶瓷和属于三元系的铌镁酸铅陶瓷。压电陶
瓷的优点是烧制方便、易成型、耐湿、耐高温。缺点是具有热释电性，会对力学量测量
造成干扰。有机压电材料有聚二氟乙烯、聚氟乙烯、尼龙等十余种高分子材料。有机压
电材料可大量生产和制成较大的面积,它与空气的声阻匹配具有独特的优越性,是很有
发展潜力的新型电声材料。60年代以来发现了同时具有半导体特性和压电特性的晶体，
如硫化锌、氧化锌、硫化钙等。利用这种材料可以制成集敏感元件和电子线路于一体的
新型压电传感器，很有发展前途。压电式传感器大致可以分为4种，即：压电式测力传
感器，压电式压力传感器，压电式加速度传感器及高分子材料压力传感器。

3压电式传感器在行业中的应用

3.1在航空航天领域的应用

目前,在太空环境中实现结构的损伤监测普遍采用压电片阵列进行传感,通过传感
器所得到的结构动态应变信息对其损伤的程度和位置进行监测,而且可为太空结构的
优化设计和合理制造提供可靠数据。在航空领域,飞机表层采用智能材料结构形成智能
表层,可以协助飞机结构安全监测、飞机控制系统通信、导航、雷达以及光电系统的工
作,并有助于电子战争。埋入飞机表层的传感器和处理单元可以共用,从而可减少信号源
重叠,降低成本,减少动力消耗,减轻重量,提高系统功能与维护能力。在航天领域,空间
大型结构需要在地面组装进一较小容器内,到达预定轨道后再展开成大型结构,因此,可
利用智能材料结构的自适应技术,采用传感器测量目前结构状态偏离希望状态的程度,
同时,控制驱动器调整结构,以满足结构展开的精度要求压电智能结构用于空间柔性结
构的减振降噪,研究成果也比较丰富。如波音防御与空间集团公司进行的智能结构抑制

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直升机旋翼振动的研究,弗吉尼亚理工学院与州立大学从事的降低飞机座舱振动与噪声
的研究，NASA的兰立研究中心与麻省理工学院一起在F/A18E/F模型上研究用智能结
构控制机翼的颤振，以及用于飞行器三维封闭空间内部噪声的控制。

3.2在土木工程领域中的应用

采用压电传感器测量结构振动所引起的动态应变,实现结构的振动监测[18];将先
进的传感元器件网络嵌入或以其他方式集成在传统的土木结构中,通过在线实时获取
与结构健康状况相关的信息(如,应力、应变、温度等),对结构的冲击、损伤、缺
陷等状态进行实时监测和控制,实现健康自诊断,以保证工程结构和基础设施的安全可
靠及降低维修费用;采用压电传感器和执行器对刚架桥梁的螺钉松动情况进行监测;还
可以利用压电传感器测量材料破坏时的声发射信号,从而得知裂纹的位置,以及通过
测量冲击激起的弹性波信号实现冲击的定位等。

3.3在医学领域的应用

利用PVDF薄膜的压电、热电特性以及柔软性,与人体皮肤匹配性好的特点,可制成
多种医用传感器。PVDF压电薄膜的红外光谱在7～20μm波长范围有很强的吸收,而人体
的热辐射也基本处于这个范围,因此,它可用于人体探测、热电夜视设备、激光束探测等
方面。PVD压