压电式测力传感器

压电式测力传感器的原理及应用

摘要：伴随着电子工程、机械工程、物理学及生物学的发展和需求，传感器微电子技术也逐步的成熟起来，成为一个独立的，设计生物、物理、化学、材料、工程学等领域的新学科。它也将延伸到我们生活的各行各业、方方面面。由于传感器技术的空前发展，其应用领域也不断深入，人们对这方面知识的需求愈显迫切，各种特性，功能各异的传感器也应运而生，例如生物传感器，红外传感器，压电式传感器……，对于这形色功能各异的传感器我们怎样去认识、熟悉它也是一个需要解决的难题，本文将带领我们进入这个新奇的世界，…… 关键词：微电子技术，传感器，压电式测力传感器

1引言：生活中的声控开关、商场中的智能大门、时下正热的红外遥感技术，对这一切就

时时刻刻发生我们身边和应用到我们生活中的随口拖出的“神秘”东西，对于这些智能的生活用具到底怎样工作的呢？在这之中我们不得不提到一个重要的幕后操纵者——传感器，什么是传感器，传感器的工作原理及其性能是什么，„„，本文将通过介绍传感器中的一种压电式传感器带领我们进入这个神秘的世界，并通过实例的解析去认识它

2 传感器的综述

2.1 传感器的专业术语及系统介绍

传感器：（广义）凡能外界信息并按一定规律转换成便于测量和控制的信息的装置；（狭义） 只有将外界信息按一定规律转换成电量的装置。 传感器的总特性：主要指传感器以及被测对象和后接仪器组成的测量系统的输入和输出的匹 配、传感器的机械特性以及其工作特性。 静态特性：表示传感器在被测量各值处于稳定状态时的输入-输出的关系，其指标是灵敏度、

线性度、稳定度迟滞等。

动态特性：指输入随时间变化的特性，它表示传感器对随时间变化的输入量的响应特性。它 取决于传感器本身，另外与被测量的形式有关。

传感器的组成：通常，传感器由敏感元件，传感元件和其他辅助件组成，又是也将信号调节与转换电路、辅助电源作为传感器的组成部分。如下图：

敏感元件：直接感受被测量（一般为非电量），并输出与被测量成确定关系的其他量（一般 为电量）的元件。如应变式压力传感器的弹性膜片、热电偶等都为敏感元件。

传感元件：又称变换器，它一般情况下不直接感受被测量，而是将敏感元件的输出量转换为 电量输出的元件。如应变式传感器中的应变片等。

信号调节与辅助电路：能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理和控制的有 用电信号的电路。常用的电路有电桥、放大器、振荡器、阻抗变换器等。 传感器的简单分类：1、按被测量分类； 2、按物理量的典型效应分类。

表1-2 被测量分类

表1-3 物理量的典型效应

2.2 压电式测力传感器的性能分析及工作原理

2.2.1 压电式测力传感器的介绍及工作原理

压电效应：某些电介质物体，在沿一定方向对其施加压力和拉力而使之变形时，内部会产生极化现象，同时会在其表面产生电荷。当将外力去掉后，它们又重新回到不带电的状态。这种现象就称为压电效应。

正压电效应：人们把这种机械能转化为电能的现象，就称为正压电效应。

逆压电效应：在电介质的极化方向上施加电场，它会产生机械形变；当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失。这种将电能转换为机械能的现象，称为“逆压电效应”。

定义：具有压电特性的电介质称为压电材料，用压电材料制成的传感器叫做压电传感器。

压电式传感器可以看作是电荷发生器，它又是一个电容器，如图1所示。其电容量为

C

0

„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„（2.1） 

式中：——压电式材料的相对介电常数，石英晶体=4.5，钛酸钡=1200； 0——真空介电常数，0=8.8510F/m；

-12

——极板间距离； ——极板面积。

在图所示压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀形成金属膜，构成两个电极，F为施加在晶片上的外力。实验已证明压电体表面积聚的电荷与作用力成正比。

图2-1 压电式测力传感器的模型

压电式传感器接入电路等效电路图，如下图所示：其中Cc为连接电缆的寄生电容形成的传感器的并生电容，R0后续电路的输入阻抗和传感器中漏电阻形成的泄漏电阻。

图2-2 传感器等效电路

2.2.2 压电式测力传感器的材料及性能分析

具有压电效应的电介质称为压电材料，典型的压电材料有石英晶体、压电陶瓷和高分子压电材料等。

（一）石英晶体的压电效应

图2-3 石英晶体的结构图

x轴——电轴，垂直于x轴晶面上的压电效应最显著；

y轴——机械轴，在电场作用下，此轴的机械变形最显著； z轴——光轴（中性轴），该轴方向上无压电效应。

1、纵向压电效应

纵向压电效应是沿着x轴对晶体施加力时，在垂直于x轴的表面上产生电荷，如图（A）、（B）所示，产生的电荷与作用力的大小成正比，与晶片尺寸无关。 2、横向压电效应

横向压电效应是沿着y轴对晶体施加力时，在垂直于x轴的表面上产生电荷，如图（C）、（D）所示，产生的电荷与作用力的大小成正比，与晶片尺寸无关。

图2-4 石英晶体是四种受力情况（A、B、C、D）

石英晶体的压电效应的产生机理：石英晶体的化学分子为SiO2，每一个晶体单元有3个硅离子和6个氧离子，他们交替排列，在垂直z轴平面上分布在正六边形的顶角上，如下图（A）所示。当作用力为零时，正负电荷平衡，外部不带电。

图2-5 石英晶体的几种受力情况

图2-5 石英晶体的几种受力情况

当沿x轴施加拉力作用时电荷分布如图（B）所示，当施加相反的力时，则点和分布相反； 当沿y轴施加压力作用时电荷分布如图（C）所示，当施加相反的力时，则点和分布相反； 当沿z轴施加作用力时，由于负离子平移，故在表面上没有电荷出现。因此沿Z轴方向上不产生压电效应。

（二）压电陶瓷的压电效应 1、压电陶瓷的结构：

压电陶瓷是人造多晶体，其压电原理与石英晶体完全不同。其结构为多晶体，如图2-6所示。内部存在许多电畴，就象磁性材料内部存在磁畴样。压电陶瓷刚烧结成时，其内部各晶粒中的电畴的自发极化方向是杂乱无章、相互抵消的。

图2-6 压电陶瓷结构及极化

2、压电陶瓷的极化

极化的目的是设法使压电陶瓷内部杂乱无章相互抵消的电畴方向取向一致。

在烧结后的压电陶瓷上施加一外磁场E，在电场作用下，电畴的自发极化方向趋向电场，方 向一致。极化后压电陶瓷有一定的极化强度。当外磁场去掉后，各电的极化方向基本上保持与原电场方向一致，保留一些极化强度。

图2-7 压电陶瓷的压电效应

由于存在极化强度，在压电陶瓷极化方向两端便出现束缚电荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷极化方向两端很快吸附一层来自外界的自由电荷。在无外力作用时，束缚电荷和自由电荷在数量上相等，极性相反，对外不显电性。如图2-7（a）所示。

2.3 压电式测力传感器的应用 2.3.1 压电式测力传感器的分类

压电式力传感器按其用途和压电元件组成可分为单向力、双向力和三向力传感器。它可以测量几百至几万牛顿的动态力。 1、单向力传感器

单向力传感器的压电元件采用xy（即x0）切型石英晶体，利用其纵向压电效应，通过d11实现力——电转换。 2、双向力传感

双向力传感器基本上有两种组合，其一是垂直分力与切向分力，即Fz与Fx（或Fy）；其二是测量互相垂直的两个切向分力，即Fz与Fy。无论那一种组合，传感器的结构形式相似。 3、三向力传感器

三向力传感器可以对空间任一个或三个力同时进行测量。传感器有三组石英晶片，三组输出的极性相同。

2.3.2 压电式测力传感器的应用及工作原理

1、单向力传感器： 如图3-1所示：两片压电晶片沿电轴方向叠在一起，采用并联接法，中间为片形电极（负极），它收集负电荷。底座与传力盖形成正极，绝缘套使正、负极隔离。

图3-1 单向压电石英力传感器结构

压电式测力传感器由石英晶片、绝缘套、电极、上盖及底座等组成。传感器上盖为传力元件，被测力F通过上盖使压电晶片沿电轴方向受压力作用，将产生弹性形变，将力传递到两片并联的压电晶片上，产生电荷，负电荷由中间电极输出，正电荷直接与底座连接输出。

这种传感器有以下特点： ①、体积小，重量轻（仅10g）； ②、固有频率高（约50—60KHz）； ③、可检测高达5000N（变化频率少于20KHz）的动态力， ④、分辩率高，可达10-3N 。 2、压电式金属加工切削力测量

图3-2 金属加工力测量示意图

由于压电陶瓷元件的自振频率高, 特别适合测量变化剧烈的载荷。如图3-2所示，图中

压电传感器位于车刀前部的下方, 当进行切削加工时, 切削力通过刀具传给压电传感器, 压电传感器将切削力转换为电信号输出, 记录下电信号的变化便测得切削力的变化。 3、梁式力传感器

F

固定点

F

固定点

电缆

F

R1

L

图3-3 粱式力传感器图示

L

bR2

等强度弹性元件的悬臂梁如图3-4所示：梁的固定端宽度为b0，自由端宽度为

，梁长为

L，梁厚为h。当集中力F作用在自由端时，距作用力任何距离x的截面上的应力相等。因此，沿着梁的长度方向上的截面抗弯模量W的变化与弯矩M的变化成正比，即



M6FL

常数Wb0h2„„„„„„„„„„„„„„„„„（3.1）

图3-4 等强度弹性元件的悬臂梁

在等强度的设计中，往往采用矩形截面，保持截面厚度不变，只改变梁的宽度。设沿梁长度方向上某一截面到力的作用点的距离为x，bx为与x值相应的梁宽，则等强度梁各点的应变值为 

6Fx

„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„（3.2）

bxh2E

式中：E为传感器的弹性模量。

如果当电桥的供电电压为Ui时，其输出电压Uo为

UoUik „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„（3.3） 带入上式消去，可得 

6FxUo

„„„„„„„„„„„„„„„„„„„（3.4） 2

bxhEUik

bxh2E

整理可得： FUo „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„（3.5）

bUikx

粱式力传感器弯曲悬臂梁结构，外形高度低，结构强度高。用于拉伸力或压缩力测量，抗偏、抗侧向力强； 防尘密封，量程范围广，精度高，性能稳定可靠，安装使用方便；拉式或压式承载；适用于电子秤、衡器等各种测力/称重的工业自动化测量控制系统。

2.4 结论

本文通过传感器的基本介绍及性能简单分析，以达到人们对传感器组成及其原理的一个初步浅显的认识，后面通过传感器之压电传感器中的测力传感器的原理分析及其应用介绍让人们从一个切合实际的角度来深入的了解传感器的功能及应用的生活边角，本文着力分析了压电式测力传感器的工作原理、分类及其在生活中的应用，起到一个抛砖引玉的作用，谨此达到读者对传感器的兴趣及对传感器更加深入的学习。

参考文献

[1] 曾光宇 杨湖《现代传感器技术与应用基础》 北京理工大学出版社，2006年 [2] 陈裕泉 [美] 葛文勋《现代传感器原理及应用》科学出版社，2007年 [3] 俞云强《传感器与检测技术》 高等教育出版社，2008年

[4] 高燕《传感器原理及应用》 西安电子科技大学出版社，2009年 [5] 张洪润 孙悦《传感技术与应用教程》清华大学出版社，2009年

压电式测力传感器的原理及应用

摘要：伴随着电子工程、机械工程、物理学及生物学的发展和需求，传感器微电子技术也逐步的成熟起来，成为一个独立的，设计生物、物理、化学、材料、工程学等领域的新学科。它也将延伸到我们生活的各行各业、方方面面。由于传感器技术的空前发展，其应用领域也不断深入，人们对这方面知识的需求愈显迫切，各种特性，功能各异的传感器也应运而生，例如生物传感器，红外传感器，压电式传感器……，对于这形色功能各异的传感器我们怎样去认识、熟悉它也是一个需要解决的难题，本文将带领我们进入这个新奇的世界，…… 关键词：微电子技术，传感器，压电式测力传感器

1引言：生活中的声控开关、商场中的智能大门、时下正热的红外遥感技术，对这一切就

时时刻刻发生我们身边和应用到我们生活中的随口拖出的“神秘”东西，对于这些智能的生活用具到底怎样工作的呢？在这之中我们不得不提到一个重要的幕后操纵者——传感器，什么是传感器，传感器的工作原理及其性能是什么，„„，本文将通过介绍传感器中的一种压电式传感器带领我们进入这个神秘的世界，并通过实例的解析去认识它

2 传感器的综述

2.1 传感器的专业术语及系统介绍

传感器：（广义）凡能外界信息并按一定规律转换成便于测量和控制的信息的装置；（狭义） 只有将外界信息按一定规律转换成电量的装置。 传感器的总特性：主要指传感器以及被测对象和后接仪器组成的测量系统的输入和输出的匹 配、传感器的机械特性以及其工作特性。 静态特性：表示传感器在被测量各值处于稳定状态时的输入-输出的关系，其指标是灵敏度、

线性度、稳定度迟滞等。

动态特性：指输入随时间变化的特性，它表示传感器对随时间变化的输入量的响应特性。它 取决于传感器本身，另外与被测量的形式有关。

传感器的组成：通常，传感器由敏感元件，传感元件和其他辅助件组成，又是也将信号调节与转换电路、辅助电源作为传感器的组成部分。如下图：

敏感元件：直接感受被测量（一般为非电量），并输出与被测量成确定关系的其他量（一般 为电量）的元件。如应变式压力传感器的弹性膜片、热电偶等都为敏感元件。

传感元件：又称变换器，它一般情况下不直接感受被测量，而是将敏感元件的输出量转换为 电量输出的元件。如应变式传感器中的应变片等。

信号调节与辅助电路：能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理和控制的有 用电信号的电路。常用的电路有电桥、放大器、振荡器、阻抗变换器等。 传感器的简单分类：1、按被测量分类； 2、按物理量的典型效应分类。

表1-2 被测量分类

表1-3 物理量的典型效应

2.2 压电式测力传感器的性能分析及工作原理

2.2.1 压电式测力传感器的介绍及工作原理

压电效应：某些电介质物体，在沿一定方向对其施加压力和拉力而使之变形时，内部会产生极化现象，同时会在其表面产生电荷。当将外力去掉后，它们又重新回到不带电的状态。这种现象就称为压电效应。

正压电效应：人们把这种机械能转化为电能的现象，就称为正压电效应。

逆压电效应：在电介质的极化方向上施加电场，它会产生机械形变；当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失。这种将电能转换为机械能的现象，称为“逆压电效应”。

定义：具有压电特性的电介质称为压电材料，用压电材料制成的传感器叫做压电传感器。

压电式传感器可以看作是电荷发生器，它又是一个电容器，如图1所示。其电容量为

C

0

„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„（2.1） 

式中：——压电式材料的相对介电常数，石英晶体=4.5，钛酸钡=1200； 0——真空介电常数，0=8.8510F/m；

-12

——极板间距离； ——极板面积。

在图所示压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀形成金属膜，构成两个电极，F为施加在晶片上的外力。实验已证明压电体表面积聚的电荷与作用力成正比。

图2-1 压电式测力传感器的模型

压电式传感器接入电路等效电路图，如下图所示：其中Cc为连接电缆的寄生电容形成的传感器的并生电容，R0后续电路的输入阻抗和传感器中漏电阻形成的泄漏电阻。

图2-2 传感器等效电路

2.2.2 压电式测力传感器的材料及性能分析

具有压电效应的电介质称为压电材料，典型的压电材料有石英晶体、压电陶瓷和高分子压电材料等。

（一）石英晶体的压电效应

图2-3 石英晶体的结构图

x轴——电轴，垂直于x轴晶面上的压电效应最显著；

y轴——机械轴，在电场作用下，此轴的机械变形最显著； z轴——光轴（中性轴），该轴方向上无压电效应。

1、纵向压电效应

纵向压电效应是沿着x轴对晶体施加力时，在垂直于x轴的表面上产生电荷，如图（A）、（B）所示，产生的电荷与作用力的大小成正比，与晶片尺寸无关。 2、横向压电效应

横向压电效应是沿着y轴对晶体施加力时，在垂直于x轴的表面上产生电荷，如图（C）、（D）所示，产生的电荷与作用力的大小成正比，与晶片尺寸无关。

图2-4 石英晶体是四种受力情况（A、B、C、D）

石英晶体的压电效应的产生机理：石英晶体的化学分子为SiO2，每一个晶体单元有3个硅离子和6个氧离子，他们交替排列，在垂直z轴平面上分布在正六边形的顶角上，如下图（A）所示。当作用力为零时，正负电荷平衡，外部不带电。

图2-5 石英晶体的几种受力情况

图2-5 石英晶体的几种受力情况

当沿x轴施加拉力作用时电荷分布如图（B）所示，当施加相反的力时，则点和分布相反； 当沿y轴施加压力作用时电荷分布如图（C）所示，当施加相反的力时，则点和分布相反； 当沿z轴施加作用力时，由于负离子平移，故在表面上没有电荷出现。因此沿Z轴方向上不产生压电效应。

（二）压电陶瓷的压电效应 1、压电陶瓷的结构：

压电陶瓷是人造多晶体，其压电原理与石英晶体完全不同。其结构为多晶体，如图2-6所示。内部存在许多电畴，就象磁性材料内部存在磁畴样。压电陶瓷刚烧结成时，其内部各晶粒中的电畴的自发极化方向是杂乱无章、相互抵消的。

图2-6 压电陶瓷结构及极化

2、压电陶瓷的极化

极化的目的是设法使压电陶瓷内部杂乱无章相互抵消的电畴方向取向一致。

在烧结后的压电陶瓷上施加一外磁场E，在电场作用下，电畴的自发极化方向趋向电场，方 向一致。极化后压电陶瓷有一定的极化强度。当外磁场去掉后，各电的极化方向基本上保持与原电场方向一致，保留一些极化强度。

图2-7 压电陶瓷的压电效应

由于存在极化强度，在压电陶瓷极化方向两端便出现束缚电荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷极化方向两端很快吸附一层来自外界的自由电荷。在无外力作用时，束缚电荷和自由电荷在数量上相等，极性相反，对外不显电性。如图2-7（a）所示。

2.3 压电式测力传感器的应用 2.3.1 压电式测力传感器的分类

压电式力传感器按其用途和压电元件组成可分为单向力、双向力和三向力传感器。它可以测量几百至几万牛顿的动态力。 1、单向力传感器

单向力传感器的压电元件采用xy（即x0）切型石英晶体，利用其纵向压电效应，通过d11实现力——电转换。 2、双向力传感

双向力传感器基本上有两种组合，其一是垂直分力与切向分力，即Fz与Fx（或Fy）；其二是测量互相垂直的两个切向分力，即Fz与Fy。无论那一种组合，传感器的结构形式相似。 3、三向力传感器

三向力传感器可以对空间任一个或三个力同时进行测量。传感器有三组石英晶片，三组输出的极性相同。

2.3.2 压电式测力传感器的应用及工作原理

1、单向力传感器： 如图3-1所示：两片压电晶片沿电轴方向叠在一起，采用并联接法，中间为片形电极（负极），它收集负电荷。底座与传力盖形成正极，绝缘套使正、负极隔离。

图3-1 单向压电石英力传感器结构

压电式测力传感器由石英晶片、绝缘套、电极、上盖及底座等组成。传感器上盖为传力元件，被测力F通过上盖使压电晶片沿电轴方向受压力作用，将产生弹性形变，将力传递到两片并联的压电晶片上，产生电荷，负电荷由中间电极输出，正电荷直接与底座连接输出。

这种传感器有以下特点： ①、体积小，重量轻（仅10g）； ②、固有频率高（约50—60KHz）； ③、可检测高达5000N（变化频率少于20KHz）的动态力， ④、分辩率高，可达10-3N 。 2、压电式金属加工切削力测量

图3-2 金属加工力测量示意图

由于压电陶瓷元件的自振频率高, 特别适合测量变化剧烈的载荷。如图3-2所示，图中

压电传感器位于车刀前部的下方, 当进行切削加工时, 切削力通过刀具传给压电传感器, 压电传感器将切削力转换为电信号输出, 记录下电信号的变化便测得切削力的变化。 3、梁式力传感器

F

固定点

F

固定点

电缆

F

R1

L

图3-3 粱式力传感器图示

L

bR2

等强度弹性元件的悬臂梁如图3-4所示：梁的固定端宽度为b0，自由端宽度为

，梁长为

L，梁厚为h。当集中力F作用在自由端时，距作用力任何距离x的截面上的应力相等。因此，沿着梁的长度方向上的截面抗弯模量W的变化与弯矩M的变化成正比，即



M6FL

常数Wb0h2„„„„„„„„„„„„„„„„„（3.1）

图3-4 等强度弹性元件的悬臂梁

在等强度的设计中，往往采用矩形截面，保持截面厚度不变，只改变梁的宽度。设沿梁长度方向上某一截面到力的作用点的距离为x，bx为与x值相应的梁宽，则等强度梁各点的应变值为 

6Fx

„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„（3.2）

bxh2E

式中：E为传感器的弹性模量。

如果当电桥的供电电压为Ui时，其输出电压Uo为

UoUik „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„（3.3） 带入上式消去，可得 

6FxUo

„„„„„„„„„„„„„„„„„„„（3.4） 2

bxhEUik

bxh2E

整理可得： FUo „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„（3.5）

bUikx

粱式力传感器弯曲悬臂梁结构，外形高度低，结构强度高。用于拉伸力或压缩力测量，抗偏、抗侧向力强； 防尘密封，量程范围广，精度高，性能稳定可靠，安装使用方便；拉式或压式承载；适用于电子秤、衡器等各种测力/称重的工业自动化测量控制系统。

2.4 结论

本文通过传感器的基本介绍及性能简单分析，以达到人们对传感器组成及其原理的一个初步浅显的认识，后面通过传感器之压电传感器中的测力传感器的原理分析及其应用介绍让人们从一个切合实际的角度来深入的了解传感器的功能及应用的生活边角，本文着力分析了压电式测力传感器的工作原理、分类及其在生活中的应用，起到一个抛砖引玉的作用，谨此达到读者对传感器的兴趣及对传感器更加深入的学习。

参考文献

[1] 曾光宇 杨湖《现代传感器技术与应用基础》 北京理工大学出版社，2006年 [2] 陈裕泉 [美] 葛文勋《现代传感器原理及应用》科学出版社，2007年 [3] 俞云强《传感器与检测技术》 高等教育出版社，2008年

[4] 高燕《传感器原理及应用》 西安电子科技大学出版社，2009年 [5] 张洪润 孙悦《传感技术与应用教程》清华大学出版社，2009年