壓電傳感器是基于壓電效應(yīng)的傳感器，是一種自發(fā)電、機(jī)電轉(zhuǎn)換型傳感器，它的敏感元件是用壓電材料制成的。當(dāng)壓電材料受到力的作用時(shí)，其表面便會(huì)產(chǎn)生電荷，此電荷經(jīng)壓電用電荷放大器放大、阻抗變換后，變成與外力成比例的電功率輸出。壓電傳感器將力和能轉(zhuǎn)換成電能后，用來測量非電的物理量。它的優(yōu)點(diǎn)是頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、重量輕。缺點(diǎn)是有些壓電材料需要采取防潮措施，輸出端的直流響應(yīng)較差，需采用高輸入阻抗電路或電荷放大器來克服這一缺陷。
壓電材料
它們可分為壓電單晶、壓電多晶和有機(jī)壓電材料。目前使用最多的壓電傳感器是壓電單晶中屬于壓電多晶和石英晶體的各種壓電陶瓷。壓電陶瓷的優(yōu)點(diǎn)是燒成方便、易成型、防潮、耐高溫，缺點(diǎn)是有熱電性，會(huì)干擾力學(xué)量的測量。有機(jī)壓電材料包括聚偏氟乙烯、聚氟乙烯、尼龍等十余種高分子材料。有機(jī)壓電材料可以批量生產(chǎn)，做成更大面積，在與空氣的聲阻匹配方面有獨(dú)特的優(yōu)勢，是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ男滦碗娐暡牧稀?0世紀(jì)60年代以來，又發(fā)現(xiàn)了兼具半導(dǎo)體性能和壓電性能的晶體，如硫化鋅、氧化鋅、硫化鈣等。利用這種材料，可以制成集敏感元件與電子電路于一體的新型壓電傳感器，非常有前景。
壓電晶體與壓電陶瓷的比較：
相同點(diǎn)：都是壓電材料，具有壓電效應(yīng)。
不同點(diǎn)：石英的優(yōu)點(diǎn)是介電常數(shù)和壓電常數(shù)具有良好的溫度穩(wěn)定性，適合做工作溫度范圍較寬的傳感器。極化的壓電陶瓷，在受到外力作用而變形時(shí)，由于電極矩的重新定位而產(chǎn)生電荷。壓電陶瓷的壓電系數(shù)是石英的幾十倍甚至幾百倍，但其穩(wěn)定性不如石英。
壓電傳感器類型
壓電傳感器可分為四種類型：壓電力傳感器、壓電壓力傳感器、壓電加速度傳感器和聚合物壓力傳感器。
壓電傳感器如何工作？
壓電傳感器的工作原理 主要是基于壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)可分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。正壓電效應(yīng)是指當(dāng)晶體受到一定方向的外力時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生電極化，在兩個(gè)表面同時(shí)產(chǎn)生符號相反的電荷；當(dāng)撤去外力時(shí)，晶體又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)；當(dāng)外力的方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變；力作用在晶體上產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。壓電傳感器大多是利用正壓電效應(yīng)制成的。逆壓電效應(yīng)是指對晶體施加交變電場，引起晶體發(fā)生機(jī)械變形的現(xiàn)象，又稱電致伸縮效應(yīng)。利用逆壓電效應(yīng)制成的變送器可用于電聲、超聲工程中。壓電敏感元件的應(yīng)力變形有五種基本形式：厚度變形、長度變形、體積變形、厚度剪切、平面剪切。壓電晶體具有各向異性，并不是所有晶體都能在這五種狀態(tài)下產(chǎn)生壓電效應(yīng)。例如石英晶體沒有體積變形壓電效應(yīng)，但具有良好的厚度變形和長度變形壓電效應(yīng)。
壓電傳感器應(yīng)用
下面，道合順傳感將詳細(xì) 討論壓電傳感器的應(yīng)用。
1.壓電力傳感器
壓電力傳感器是利用壓電元件直接實(shí)現(xiàn)力—電轉(zhuǎn)換的傳感器。在拉、壓場合，通常采用兩片或多片石英晶體作壓電元件。剛度大，測量范圍寬，線性度和穩(wěn)定性高，動(dòng)態(tài)特性好。采用時(shí)間常數(shù)大的電荷放大器時(shí)可測量準(zhǔn)靜態(tài)力。根據(jù)測力狀態(tài)有單向、雙向、三向傳感器，結(jié)構(gòu)基本相同。
圖為壓電式單向稱重傳感器結(jié)構(gòu)圖。該傳感器用于測量機(jī)床的動(dòng)態(tài)切削力，絕緣套起絕緣和定位作用。底座內(nèi)外底面對其中心線的垂直度、上蓋與晶片上下底面及電極的平行度、表面光潔度都有極其嚴(yán)格的要求，否則會(huì)造成橫向靈敏度增大或因應(yīng)力集中而導(dǎo)致晶片破裂。為提高絕緣電阻，傳感器在裝配前必須經(jīng)過多次清洗（包括超聲波清洗），然后在超凈工作環(huán)境中裝配，再用電子束進(jìn)行密封焊接。
壓電壓力傳感器的結(jié)構(gòu)類型很多，但其基本原理和結(jié)構(gòu)與壓電加速度傳感器、壓電力傳感器還是類似的，其突出的區(qū)別是它必須通過彈性膜、盒等將壓力采集并轉(zhuǎn)換成力，再傳遞給壓電元件。為保證靜態(tài)特性和穩(wěn)定性，通常采用石英晶體作為壓電元件。
2.壓電加速度計(jì)傳感器
該圖為壓電加速度計(jì)傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。壓電元件一般由兩片壓電片組成。壓電片的兩面都鍍有銀層，輸出引線焊接在銀層上，或者在兩片壓電片之間夾一片金屬，將引線焊接在金屬片上，輸出端的另一根引線直接與傳感器底座相連。在壓電片上放置一個(gè)比重較大的質(zhì)量塊，然后用硬彈簧或螺栓或螺母對質(zhì)量塊進(jìn)行預(yù)緊。整個(gè)組件安裝在帶有厚底座的金屬殼體內(nèi)。為了隔離試件的任何應(yīng)變不傳遞到壓電元件上，避免產(chǎn)生虛假信號輸出，底座一般加厚或采用剛性更大的材料制造。
測量時(shí)，將傳感器基座與試件剛性固定在一起，當(dāng)傳感器感受到振動(dòng)時(shí)，由于彈簧的剛度很大，而質(zhì)量塊的質(zhì)量又比較小，可以認(rèn)為質(zhì)量塊的慣性很小，因此質(zhì)量塊感受到的振動(dòng)與傳感器基座相同，受到與加速度方向相反的慣性力。這樣，質(zhì)量塊就對壓電片產(chǎn)生一個(gè)與加速度成正比的交變力。由于壓電片的壓電效應(yīng)，其表面兩側(cè)產(chǎn)生交變電荷（電壓），當(dāng)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于固定頻率時(shí)，傳感器的輸出電荷與作用力成正比，也就是與試件的加速度成正比。傳感器輸出端輸出的電能，輸入到前置放大器，用一般的儀器就可以測出加速度，例如在集成電路中加入放大器，就可以測出振動(dòng)的加速度或位移。
3.壓電金屬加工切削力測量
主要用于金屬加工切削力的測量。
4.壓電玻璃破碎報(bào)警器
主要用于玻璃破碎報(bào)警。
