压电传感器的工作原理是什么，如何工作？

压电传感器是一种利用压电效应的传感器，用于测量压力、力、加速度、位移等物理量的变化。压电效应是指在某些晶体材料中，当受到外力作用时，会产生电荷分离，从而产生电压差的现象。

压电传感器材料

它们可分为压电单晶、压电多晶和有机压电材料。使用最多的压电传感器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。压电陶瓷的优点是烧成方便、易于成型、防潮、耐高温。缺点是具有热释电性，会干扰机械量的测量。有机压电材料包括聚偏二氟乙烯、聚氟乙烯、尼龙等十多种高分子材料。有机压电材料可以批量生产并制成更大面积。它在匹配空气声阻方面具有独特的优势，是一种极具发展潜力的新型电声材料。20世纪60年代以来，人们发现了兼具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，可以制成一种集成敏感元件和电子电路的新型压电传感器，非常有前途。 

压电晶体与压电陶瓷的比较：

相同点：都是具有压电效应的压电材料。

区别：石英的优点是其介电常数和压电常数具有良好的温度稳定性，使其适合工作温度范围较宽的传感器。极化的压电陶瓷在受到外力变形时，由于电极力矩的重新定位而产生电荷。压电陶瓷的压电系数是石英的几十甚至上百倍，但稳定性却不如石英。 

压电传感器类型

压电传感器可分为压电力传感器、压电压力传感器、压电加速度传感器和聚合物压力传感器四种类型。

压电传感器如何工作？

压电传感器的工作原理 主要是基于压电效应。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一定方向的外力时，内部产生电极化，两个表面同时产生符号相反的电荷；当外力去除时，晶体恢复到不带电状态；当外力方向改变时，电荷的极性也改变；晶体上的力产生的电荷量与外力的大小成正比。压电传感器大多利用正压电效应制成。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，也称为电致伸缩效应。利用逆压电效应制成的发射器可用于电声和超声波工程。压电敏感元件的应力变形有五种基本形式：厚度变形、长度变形、体积变形、厚度剪切和平面剪切。压电晶体具有各向异性，并不是所有晶体都能在这五种状态下产生压电效应。例如，石英晶体不具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。

压电传感器应用 

接下来，道合顺将详细 讨论压电传感器的应用。

1.压电力传感器

压电力传感器是利用压电元件直接实现力-电转换的传感器。在拉压的情况下，通常使用两片或多片石英晶体作为压电元件。刚性大、测量范围宽、线性度和稳定性高、动态特性好。当使用具有大时间常数的电荷放大器时，可以测量准静态力。根据测力状态有单向、双向、三向传感器，其结构基本相同。

如图所示为压电单向称重传感器的结构。该传感器用于测量机床的动态切削力。绝缘套管用于绝缘和定位。底座内外底与其中心线的垂直度、上盖与晶圆上下底面、电极的平行度、表面光洁度都有极其严格的要求，否则横向灵敏度会增加或由于应力集中而导致晶圆破裂。为了提高绝缘电阻，传感器在装配前必须经过多次清洗（包括超声波清洗），然后在超净工作环境中进行装配，然后用电子束密封焊接。

压电压力传感器的结构类型很多，但其基本原理和结构仍然与压电加速度传感器和压电力传感器类似。突出的区别在于它必须通过弹性膜、盒子等收集压力并将其转换为力，然后传输到压电元件。为了保证静态特性和稳定性，通常采用石英晶体作为压电元件。

2. 压电加速度计传感器

图为压电加速度传感器的结构示意图。压电元件一般由两片压电片组成。在压电片的两面镀有银层，输出引线焊接在银层上，或者在两块压电片之间夹一块金属，将引线焊接在金属片上，另一根引线焊接在压电片上。输出端直接连接到传感器底座。将比重较大的质量块放置在压电片上，然后用硬弹簧或螺栓或螺母对质量块进行预加载。整个组件安装在带有厚底座的金属外壳内。为了隔离试件的任何应变传递到压电元件，避免错误信号输出，通常将底座加厚或采用刚性更大的材料来制造。 

测量时，将传感器底座与试件刚性固定在一起。当传感器感受到振动时，由于弹簧的刚度很大，而质量块的质量较小，可以认为质量块的惯性很小，因此质量块感受到的振动与传感器基座相同，为受到与加速度方向相反的惯性力。这样，质量块就具有与作用在压电片上的加速度成比例的交变力。由于压电片的压电效应，其表面两侧产生交变电荷（电压）。当振动频率远低于固定频率时，传感器的输出电荷与作用力成正比，即与试件的加速度成正比。传感器输出端输出功率，输入前置放大器，用普通仪器即可测量加速度。例如，在集成电路中应用放大器可以测量振动加速度或位移。

3.压电金属加工切削力测量

压电传感器可以用于测量金属加工过程中的切削力。在机械加工过程中，了解切削力的大小对于工件的加工质量和刀具的寿命都非常重要。压电传感器可以安装在刀具或夹具上，当工件受到切削力作用时，压电传感器产生的电信号可以用来准确测量切削力的大小和方向，从而进行切削过程的监控和优化。

4.压电玻璃破碎报警器

压电传感器也可用于制造玻璃破碎报警器。在玻璃表面安装压电传感器，当玻璃受到冲击或应力超过其承载能力时，会导致压电传感器产生电信号。这个信号可以被连接到报警器电路，触发警报以提醒人们有窗户或其他玻璃构件被破坏或遭到入侵。