压电式传感器典型应用：力传感器、加速度传感器与交通检测

压电式传感器典型应用：力传感器、加速度传感器与交通检测

本文件详细介绍了压电式传感器的三种典型应用：压电式力传感器、压电式加速度传感器和压电式交通检测系统。内容涵盖各应用的结构组成、工作原理、性能参数和工程细节。

压电式力传感器

压电式力传感器利用压电效应实现力-电转换。影响转换效果的主要因素包括压电材料、变形方式、晶片组合（机械串联/电气并联）、晶片几何尺寸和传力结构。压电元件的变形方式以利用纵向压电效应的厚度变形最为方便。通常采用机械串联、电气并联的两片压电片，因为机械串联数目过多会降低抗侧向干扰能力，机械并联片数增多则对加工精度要求过高。

单向测力传感器结构

由石英晶片、绝缘套、电极、上盖和基座组成。上盖为传力元件，受外力时产生弹性形变，将力传递到石英晶片上。绝缘套用于绝缘和定位。基座内外底面对中心线的垂直度、上盖及晶片、电极的上下底面的平行度与表面光洁度都有严格要求。

性能参数

• 测力范围：0~50N
• 最小分辨率：0.01N
• 绝缘阻抗：2×10¹⁴Ω
• 固有频率：50~60kHz
• 非线性误差：<±1%

该传感器可用于机床动态切削力的测量。

压电式加速度传感器

压电式加速度传感器由压电元件、质量块、预压弹簧、基座和外壳组成。压电元件一般由两片压电片组成，表面镀银并焊接输出引线。质量块比重较大，通过硬弹簧或螺栓螺母预加载荷。基座加厚或选用刚度较大的材料，以隔离试件应变传递。

工作原理

传感器基座与试件刚性固定。当传感器与被测物体一起受到冲击振动时，质量块受到与加速度方向相反的惯性力 $f=ma$，作用于压电片上。压电片产生交变电荷 $Q=d_{11}f=d_{11}ma$。当振动频率远低于传感器固有频率时，输出电荷与加速度成正比。压电式加速度传感器不能测量零频率信号。

应用

测量试件加速度；如需测量振动速度或位移，可在放大器后加入积分电路。智能手机的“摇一摇”功能或“微信运动”中的走路步数测量也基于类似的加速度传感原理。

压电式交通检测

闯红灯抓拍系统的基本原理：车辆检测器通过感应电缆检测路面汽车压力，转换成电信号传输给抓拍主机。如果在同一红灯周期内产生两个脉冲信号（前轮和后轮分别压线），视为有效，抓拍主机启动高清摄像机进行抓拍，照片通过公安交通网络送入指挥中心服务器。

防误拍机制

• 黄灯亮时，拍照系统延时2s后启动
• 红灯亮时，系统已启动
• 绿灯将要亮时，提前2s关闭系统

抓拍照片

对违章车辆拍摄至少三张照片：瞬间违章图片、车牌识别图片、全景图片。图片一般保留一周，所有抓拍机器24小时开机拍摄。

工程细节

倒车行为可能导致误拍：如果红灯亮后前轮过线、后轮未压线，产生一个脉冲；若此时倒车回到线内，后轮再次压线产生第二个脉冲，系统会误判为闯红灯。这是因为抓拍系统不能区分车辆运动方向。