压电式传感器的特点及特性分析

　　压电效应介绍

　　压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。依据电介质压电效应研制的一类传感器称为压电传感器。

　　

　　压电效应的原理是，如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差（称之为正压电效应），反之施加电压，则产生机械应力（称为逆压电效应）。如果压力是一种高频震动，则产生的就是高频电流。而高频电信号加在压电陶瓷上时，则产生高频声信号（机械震动），这就是我们平常所说的超声波信号。也就是说，压电陶瓷具有机械能与电能之间的转换和逆转换的功能，这种相互对应的关系确实非常有意思。

　　压电材料可以因机械变形产生电场，也可以因电场作用产生机械变形，这种固有的机-电耦合效应使得压电材料在工程中得到了广泛的应用。例如，压电材料已被用来制作智能结构，此类结构除具有自承载能力外，还具有自诊断性、自适应性和自修复性等功能，在未来的飞行器设计中占有重要的地位。

　　压电式传感器的特点

　　压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动进行测量，在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用。它具有体积小、质量轻、频响高、信噪比大等特点。

　　

　　压电式传感器特性分析

　　压电式传感器是用石英晶体或压电陶瓷以及触针等零部件做成的。当触针沿被测工件表面滑动时，由于触针的上下运动而产生- 一个力作用于晶体上，因此使晶体产生- 一个很小的电压，又由于触针施加在晶体的压力随被测表面轮廓而变动，所以在晶体上产生的电压也随之变化。为了获得粗糙度参数的显示模拟值，需要从这个压电式传感器上出微量电流，用于放大和处理显示值。

　　由于压电式传感器存在着内阻抗，它必然产生微小的电压衰减，而引起输出的电流值不是原有的测定值，这正是压电式传感器不能完全获得被测工件真实轮廓的基本原因。当然，振动敏感性高、信号噪声大、电缆噪声大、抗干扰能力差等因素也会引起测量误差，但这些因素仅是控制性因素。所以若要使压电式传感器能获得与电感式传感器一样的被测表面的真实轮廓，只有减少压电式传感器的电压衰减，也就是要求选用一种电压衰减微小的压电晶体材料，才能更好地充分利用压电式传感器的结构简单、便于实施以及携带轻便的优点。

　　压电式传感器与电感式传感器的特性对比

　　压电式传感器与电感式传感器的针描法的基本原理是相同的。电感式传感器主要能够真实地将触针的上下运动复现为位置敏感的电感号，用此信号来描绘被测工件表面粗糙度的轮席图形。电感式传感器所以能配置粗糙度的多参数的显示装置、打印机和绘图机并做成台式的昂贵的高精度测量仪器，关键在于电感式传感器测得的电信号能真实反映被测工件表面粗糙度的真实图形。为了比对两种传感器的失真特性，拟定了一种比对电路方案，以尽可能减少其他干扰的影响，保证比对条件的一致性和尽可能提高比对测试的变动性和稳定性。实施方框图如图1所示。

　　

　　

　　在采用同一模式的比对条件下采用电感式传感器和压电式传感器对5 种不同的表面粗糙度样块做了比对试验，其测试的轮廓图形略。比对分析如下：

　　（1） 对粗糙度大的加工。表面，电感式传感器和压电式传感器描绘的被测表面轮廓，两者基本上- 一致，如对R.=6.47的样块进行测试，测得值的差值只有0.5%，小于仪器的示值误差（土5 % ）的技术指标。

　　（2）对粗糙度小的加工表面（如磨削表面），压电式传感器描绘的被测表面轮廓比电感式传感器描绘的同一被测表面轮廓的轮廓失真、畸变较大，所有轮廓峰和轮廓谷的尖锐峰谷均成了國角峰谷，单峰数明显减少，甚至在压电式传感器中不能反映单峰特征，从测试样块的R =0.075 的测值比对可知，压电式传感器测得的值均为R》 0.075，而且存在较大的示值变动性（约为10% ）。虽然误差值仍在便携式表面粗糙度测量仪的仪器示值变动性允许范围（12% ）内，但与电感式传感器的示值变动性（2% ）相比，则高出5 倍之多，这明显暴露出压电式传感器的弱点。

　　（3） 从仪器的示值变动性测试比对结果可知，压电式传感器比电感式传感器的示值变动性差。所以在规定便携式粗糙度测量仪的示值误差和示值变动性时，其允许数值均大于台式电感粗糙度测量仪，仅从两者特性比对可知，这是完全正确的。但是在便携式表面粗糙度测量仪的标准草案中却不分传感器的形式，笼统地规定了便携式触针表面粗糙度测量仪的示值误差、示值变动性和示值稳定性。

　　（4）按测试比对方图框描绘的被测表面轮廓图形与两台粗糙度测量仪的测得值比较，可以认为，其总的趋向是吻合的。

　　

　　结论

　　压电式传感器之所以仅配置表面粗糙度单参数测量仪，而不配置描绘图形的记录器，主要原因是受到压电品体输出特性的限制。因此，只要改进压电晶体的输入输出特性，即选用电压衰减微小的压电材料，才能得到被测工件表面的真实轮廓图形，并：有可能减小测量粗糙度多参数的示值误差和示值变动性。当然，对其他引起压电式传感器误差的因素也慎重考虑。如采取降低压电式传感器的频率误差，降低温度和湿度的影响，以及降低电缆噪声和提高橫向灵敏度等- -系列有效措施，改善压电式传感器的特性是能够实现的。

　　虽然压电晶体具有固有频率高、灵敏度高和信号噪声比高等优点，但为了获得好的高频响应，除了应选择压电系数高的材料之外，还必须考虑硅油的黏度以及设计合理的机械结构。获得好的低频响应，必须增大测量回路时间常数，增大时间常数的有效办法是加大前置放大器的输入电阻。