压电片传感器

什么是压电压力传感器？ #

压电是施加机械应力时在某些材料上产生的电荷。

压电压力传感器通过测量施加压力产生的压电元件上的电压来利用这种效应。它们非常坚固，可用于广泛的工业应用。
 

当对压电膜片施加力时， 会产生与压力成正比的电压

什么是压电性？ #

挤压某些晶体（如石英），你可以让 电流通过它们。反过来通常也是如此：如果您将电流通过相同的晶体，它们会通过来回振动来“挤压自己”。简而言之，这几乎是压电性，但为了科学起见，让我们有一个正式的定义：压电（也称为

压电效应）是当您对晶体施加机械应力（通过挤压它）时，晶体两侧会出现电势（换言之，电压）。

在实践中，晶体变成了一种微小的电池，一面带正电，另一面带负电；如果我们将两个面连接在一起形成电路，就会有电流流动。在反向压电效应中，当在晶体的相对面施加电压时，晶体会受到机械应力（变形）。

什么导致压电性？ #

想想水晶，你可能会想象球（原子）安装在杆上（将它们固定在一起的键），有点像攀爬架。现在，科学家所说的晶体并不一定是指您在礼品店找到的有趣的岩石碎片：晶体是任何 固体的学名，这些固体的原子或分子基于相同基本原子的无休止重复而以非常有序的方式排列。构建块（称为单元格）。所以一块 铁和一块石英一样是水晶。在水晶中，我们拥有的实际上不像攀爬架（它不一定具有有序、重复的结构），而更像是 3D 带图案的墙纸。

艺术品：科学家所说的晶体是什么：固体中原子的规则、重复排列。原子基本上固定在适当的位置，但可以轻微振动。

在大多数晶体（如金属）中，晶胞（基本重复单元）是对称的；在压电晶体中，它不是。通常，压电晶体是电中性的：它们内部的原子可能不是对称排列的，但它们的电荷是完美平衡的：一个地方的正电荷抵消了附近的负电荷。然而，如果你挤压或拉伸压电晶体，就会使结构变形，将一些原子推得更近或更远，破坏正负平衡，并导致净电荷出现。这种效应贯穿整个结构，因此净正电荷和负电荷出现在晶体的相对外表面上。

反压电效应以相反的方式发生。在压电晶体上施加电压，你就会让里面的原子承受“电压”。它们必须移动以重新平衡自己——这就是当你在它们上面施加电压时导致压电晶体变形（稍微改变形状）的原因。

这是一个快速动画，展示了压电性是如何发生的。它有点简化，但它为您提供了基本思想：

1. 通常，压电晶体中的电荷是完全平衡的，即使它们不是对称排列的。
2. 电荷的影响完全抵消，晶体表面上没有净电荷。（更具体地说，电偶极矩——分离相反电荷的矢量线——完全相互抵消。）
3. 如果你挤晶体（大量夸张的这张照片！），你强制收费失去平衡。
4. 现在电荷的影响（它们的偶极矩）不再相互抵消，并且净正电荷和负电荷出现在相反的晶面上。通过挤压晶体，你在它的相对面产生了一个电压——这就是压电性！

压电有什么用？ #

照片：典型的压电换能器。这是我的固定电话内的振铃器：当电话响起时，它会发出特别刺耳和可怕的鸣叫声！

在各种各样的情况下，我们需要将机械能（某种压力或某种运动）转换为电信号，反之亦然。通常我们可以用压电换能器做到这一点。换能器只是一种将少量能量从一种类型转换为另一种类型的设备（例如，将光、声音或机械压力转换为电信号）。

在超声设备中，压电换能器将电能转化为极其快速的机械振动——事实上，它发出的声音太快了，但声音太高，我们的耳朵听不见。这些超声波振动可用于扫描、清洁和各种其他事情。

在麦克风中，我们需要将声能（在空气中传播的压力波）转换为电能——而压电晶体可以帮助我们做到这一点。只需将麦克风的振动部分粘在水晶上，当来自您声音的压力波到达时，它们会使水晶来回移动，产生相应的电信号。“针”在留声机（有时称为电唱机）的作品以相反的方式。当钻石尖针沿着 LP 中的螺旋凹槽骑行时，它会上下颠簸。这些振动推动和拉动轻量级压电晶体，产生电信号，然后您的立体声音响将其转换回可听见的声音。

照片：唱机手写笔（从下面拍摄）：如果您仍在播放 LP 唱片，您将使用这样的手写笔将唱片上的机械碰撞转换为您可以听到的声音。手写笔（银色单杠）包含一个微小的钻石晶体（右侧末端的小点），可在唱片凹槽中上下弹跳。振动会扭曲黄色墨盒内的压电晶体，产生电信号，这些电信号被放大以产生您可以听到的声音。

在石英钟或手表中，反向压电效应用于非常精确地计时。来自电池的电能被馈入晶体，使其每秒振荡数千次。然后，手表使用一个电子电路将其转换为更慢的每秒一次的节拍，一个微型电机和一些精密 齿轮用来驱动秒针、分针和时针绕着钟面转动。

压电还用于燃气灶和烧烤炉的火花打火机，但更为粗糙。按下打火机开关，您会听到咔嗒声并看到火花出现。当你按下开关时，你正在做的是挤压压电晶体，产生电压，并使火花飞过一个小间隙。

如果您的办公桌上有一台喷墨打印机，它会使用精密的“注射器”将墨滴喷到纸上。一些喷墨打印机使用电子控制的压电晶体喷射注射器，将“柱塞”挤进和挤出；佳能 Bubble Jets 通过加热墨水来喷射墨水。（您可以在我们关于喷墨打印机的文章中找到这两种方法的更多详细信

压电能量收集？ #

如果你可以通过按下一个压电晶体来产生一点点电，你可以通过一遍又一遍地按下许多晶体来产生大量的电吗？如果我们在城市街道和人行道下埋藏水晶以在汽车和人流经过时获取能量会怎样？这个被称为能量收集的想法引起了很多人的兴趣。发明家们提出了各种用隐藏式压电设备储存能量的想法，从将您的步行运动转化为热量以保持双脚温暖的鞋子，通过您的身体运动为自己充电的手机，到为路灯供电的道路，隐形眼镜可以捕捉眨眼时的能量，甚至是利用下雨压力产生能量的小工具。

艺术品：能量收集？发明家已经为可穿戴设备申请了大量专利，这些设备可以通过您的身体运动产生少量电力。此示例是一款带有内置压电换能器 (1) 的鞋子，该换能器在您走路时上下弹跳，向电路 (2) 供电，然后将其存储在电池 (3) 中。

能量收集是个好主意吗？乍一看，任何能最大限度地减少能源浪费和提高效率的做法听起来都非常明智。如果您可以使用杂货店的地板从匆忙推着沉重手推车的购物者的脚中获取能量，并用它来为商店的灯或冷却柜供电，那一定是一件好事吗？有时，能量收集确实可以提供体面的，即使是适度的功率。

然而，问题是能量收集计划可能会极大地分散人们对更好想法的注意力。例如，考虑用压电“隆隆声带”建造街道的概念，这些压电“隆隆声带”可以从过往车辆中吸收能量。汽车是效率极低的机器，它们燃料中只有少量（15% 左右）的能量可以为您提供动力。这部分中只有一小部分可用于从道路中回收——而且您无法以 100% 的效率回收所有这些部分。因此，您实际上可以恢复的能量数量以及您花费的金钱所带来的效率收益将是微不足道的。如果你真的想从汽车中节省能源，明智的做法是在这个过程中更早地解决汽车运输的低效率问题；例如， 汽油发动机到 电动汽车之类的东西。

这并不是说能量收集没有立足之地。对于使用否则会浪费的能量为移动设备充电可能非常有用。想象一下，例如，手机每次在口袋里晃动时都会自动充电。即便如此，在节能方面，我们应该始终考虑大局，并确保我们投入的时间和金钱能够产生最佳结果。

谁发现了压电性？ #

压电效应是由两位法国物理学家皮埃尔和保罗-雅克居里兄弟于 1880 年 在石英、电气石和罗谢尔盐（酒石酸钠钾）晶体中发现的。他们的名字取自希腊作品piezein，意思是“按”。Jacques 在 1889 年Annales de Chimie et de Physique 的一篇论文中总结了观察结果 （我自己非常粗略的法语翻译）：“如果沿着 [石英块] 的主轴拉动或挤压，在该轴的末端会出现等量的相反符号的电流，与作用力成正比，与石英的尺寸无关。”

工作准则 #

当对压电材料施加力时，晶体表面会产生电荷。这可以测量为与压力成正比的电压（见右图）。

还有一种逆压电效应，向材料施加电压会导致其改变形状。

给定的静力会导致传感器上产生相应的电荷。然而，由于绝缘不完善、内部传感器电阻、连接的电子设备等，这会随着时间的推移而泄漏。

因此，压电传感器通常不适合测量静压。即使在恒定压力的情况下，输出信号也会逐渐降至零。然而，它们对各种频率和压力范围内的压力动态变化很敏感。

这种动态灵敏度意味着它们擅长测量压力的微小变化，即使在非常高压的环境中也是如此。
 

功能 #

与压阻式和电容式换能器不同，压电传感器元件不需要外部电压或电流源。它们直接从施加的应变中产生输出信号。

压电元件的输出是与压力成正比的电荷。检测这一点需要电荷放大器将信号转换为电压。

一些压电压力传感器包括一个内部电荷放大器，通过提供电压输出来简化电气接口。这需要向传感器供电。

内部放大器使传感器更易于使用。例如，它可以使用长信号电缆连接到传感器。放大器还可以包括信号调节电路来过滤输出、调节温度并补偿感测元件的灵敏度变化。

然而，电子元件的存在确实将工作温度限制在不超过 120ºC。

对于更高温度的环境，可以使用充电模式传感器。这将产生的电荷直接提供为输出信号。因此，它需要一个外部电荷放大器将其转换为电压。

在设计和实施外部电子设备时需要小心。传感器的高阻抗输出意味着电路对连接不良、电缆移动、电磁和射频干扰引起的噪声很敏感。

传感器的低频响应由放大器的放电时间决定。
 

建造 #

压电效应需要在晶体结构中具有特定不对称性的材料。这包括一些天然晶体，例如石英或电气石。

此外，可以使用合适的极化来制造特殊配方的陶瓷，使其具有压电性。这些陶瓷比天然晶体具有更高的灵敏度。只需 0.1% 的变形即可生成有用的输出。

由于压电材料是刚性的，因此只需对材料进行很小的偏转即可获得可用的输出信号。这使得传感器非常坚固并且能够承受过压条件。这也意味着它们对压力变化反应迅速。

压力传感器会受到压电元件上的任何外力的影响，例如，由加速度或噪声引起的力。

可以使用薄膜构建微传感器。氧化锌是最早使用的材料之一。这在很大程度上已被由锆钛酸铅 (PZT) 等材料制成的陶瓷所取代，因为它们具有更大的压电效应。

微机电系统 (MEMS) 可以通过将压电薄膜与微加工硅膜相结合来创建。

压电材料也用于一些其他类型的 MEMS 传感器。例如，逆压电效应用于通过隔膜产生表面声波。然后可以通过它在另一个压电元件接收到的波中引起的变化来检测压力下表面的变形。
 

压电压力传感器结构的横截面

灵敏度 #

输出在很宽的范围内呈线性，通常为 0.7 KPa 至 70 MPa（0.1 至 10000 psi），精度约为 1%。

陶瓷传感器会随着时间的推移而失去灵敏度。但这通常很小；通常每年不到 1%。

当第一次暴露在高压和高温下时，灵敏度也可能会略有下降。在部署传感器之前，可以通过在最大预期压力和温度范围内循环传感器来避免这种影响。

压电传感器的频率响应在低频时会下降，因为无法保留产生的电荷。

在高频处，存在对应于压电元件谐振频率的峰值。传感器通常在这两个极端之间的响应曲线的平坦区域内使用（见下文）。

压电传感器的频率响应

应用 #

压电压力传感器的稳健性、高频和快速响应时间意味着它们可用于广泛的工业和航空航天应用，在这些应用中它们会暴露在高温和高压下。

它们通常用于测量动态压力，例如在湍流、爆炸和发动机燃烧中。这些都需要快速响应、坚固耐用和广泛的操作。

它们的灵敏度和低功耗也使它们适用于某些医疗应用。例如，薄膜塑料传感器可以贴在皮肤上，用于实时监测动脉脉搏。
 

的优点和缺点 #

压电压力传感器的主要优点之一是其坚固性。这使得它们适用于各种恶劣的环境。

除了相关的电子设备外，压电传感器还可以在高温下使用。某些材料可在高达 1,000ºC 的温度下工作。灵敏度可能随温度而变化，但这可以通过适当的材料选择最小化。

输出信号由压电元件本身产生，因此它们本质上是低功率器件。

传感元件本身对电磁干扰和辐射不敏感。电荷放大器和其他电子设备需要精心设计并尽可能靠近传感器放置，以减少噪声和其他信号误差。

压电传感器可以使用便宜的材料（例如石英或电气石）轻松制造，因此它们可以为工业压力测量提供低成本的解决方案。

reference：

https://www.explainthatstuff.com/piezoelectricity.html

https://www.avnet.com/wps/portal/abacus/solutions/technologies/sensors/pressure-sensors/core-technologies/piezoelectric/