传感器详解—压电式传感器

今天讲讲压力式传感器，每天研究一类传感器已经是第4类了，要全部写完还需要几天。不过今天写的这货的结构和原理算是这两天研究的传感器里最简单的了。

压力式传感器又称为自发电式传感器，它的工作原理就是基于某些晶体在受力后，在晶体表面产生电荷的压电效应。

压电效应是一些晶体结构的材料，当沿着一定的方向受到外力作用时，内部产生极化现象，同时在晶体某两个表面产生符号相反（+与-）的电荷，但外力去掉时，又恢复到不带电的状态。

上面是正压电效应，对应的还有逆压电效应。

逆压电效应，就是当在电介质的极化方向施加电场后，电介质产生几何变形。

正压电效应是机械能转化为电能，逆压电效应则是电能转化为机械能。
当然这种转化的能量其实是非常微小的，所以在输出时还是需要借助测量电路。

而常用的压电材料，可分为压电晶体、压电陶瓷和有机压电材料。压电晶体是一种天然单晶体，比如石英晶体；压电陶瓷，是人工合成的多晶体材料，常见的有钛酸钡、锆铁酸铅等；有机压电材料则是一种有机高分子聚合材料。
压电材料选择上，压电陶瓷的压电系数比石英晶体大的多，也就说压电效应要更强，所以压电陶瓷做的传感器灵敏度较高，但是稳定性、包括机械强度都不如石英晶体。

压电式传感器，它的特点就是：结构简单、体积小、重量轻、灵敏度高、而且工作可靠、测量范围广，比较适合一些动态力学的测量，但是不太适合静态力学。主要使用在跟力相关的一些动态参数的测量，比如动态力机械冲击震动的，当然也可以把加速度、压力、位移、温度等许多非电量转换成电量。
关于动态力学和静态力学的区别，网上有一段相对明了的概述可以帮助理解：

施加在作用物上的力或者力矩、大小、方向、位置不变或者随着时间变化很缓慢，是静力荷载，比如：建筑物固定设施；反之，力或者力矩变化很大，就是动力荷载。

在输出方面，压电式传感器本身的内阻抗很高，输出的信号也很弱，所以它的测量电路常常需要接入高输入阻抗的前置放大器。
其作用就是：第一，把他的高输入阻抗（一般是1000MΩ以上）变换成低输入阻抗（小于100Ω）；第二点，就是对传感器的输出的微弱信号进行放大。

为方便理解，贴了两个压电式传感器的应用案例：
案例一：

上图是 压电式测力传感器的结构图，压电片（2）主要是石英晶片，传力上盖（1）为传力元件，石英晶片中间有一层电极。
当传力上盖受力时，力传导到石英晶片上，引发压电效应。最终所施加的力转换成电荷被检测到，达成对压力的测量。

案例二：

压电探测器是部分 玻璃破碎探测器的核心传感器，利用压电陶瓷片的压电效应，对玻璃的破损等进行监测和报警。