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【振动课堂·第6期】压电式振动传感器的芯体结构，压缩式 vs 剪切式的区别

发布时间：

2026-04-27

摘要：压电式振动传感器的结构类型

压电式振动传感器的结构通常采用压缩式和剪切式两种形式，所谓压缩式，是指外力垂直作用于压电敏感元件表面，会在该面产生电荷；所谓剪切式，是指外力平行作用于压电敏感元件表面，会在该面产生电荷。

压缩式的结构通常由预紧件、质量块、压电敏感元件和外壳等组成。敏感元件的预紧方式为在敏感件的基础上施加预紧力，预紧螺母预紧力的大小决定了压电敏感元件以及质量块的预紧程度。

剪切式的结构通常有：三角剪切、平面剪切、环形剪切。由预紧件、质量块、压电敏感元件、底座和外壳等组成。质量块与压电敏感元件通过预紧件箍紧在底座上，预紧件与质量块间的过盈配合尺寸决定了压电敏感元件以及质量块的预紧程度。

中心压缩式

结构原理：

压电陶瓷片和质量块像“三明治”一样，通过预紧力垂直叠放在基座上。振动时，质量块的惯性力沿轴向（中心轴线）垂直压缩陶瓷片产生电荷。

想象一个垂直放置的弹簧秤（压电陶瓷），上面压着一个重物（质量块），整个系统固定在一个底座上。当底座上下振动时，重物的惯性会使其试图“滞后”或“超前”于底座，从而周期性地压紧或放松弹簧。弹簧的形变（在这里是电荷）就被用来度量振动。

拆解一个典型的中心压缩式芯体：

1.基座：传感器的安装基础，通常由高刚性材料制成，将壳体振动传递进来。

2.压电元件：通常是两片或多片圆形压电陶瓷片（如PZT）。它们被同极性相对或异极性相对叠放（取决于电路连接是并联还是串联），目的是增强输出信号。

3.质量块：一个高密度的重金属块（如钨合金），提供所需的惯性力。质量块越大，灵敏度越高，但谐振频率越低。

4.预紧螺杆：这是整个结构的“灵魂”。一根高强度的绝缘螺杆穿过质量块和压电陶瓷的中心孔，施加一个巨大的预紧力，将整个（基座-陶瓷-质量块）牢牢压紧。

5.绝缘件：确保压电片电极与金属件之间电学隔离。

为什么需要“预紧力”？
这是理解其性能的关键。预紧力实现了三个至关重要的功能：

确保接触：在强烈振动或冲击下，防止质量块与陶瓷片之间发生脱离。一旦脱离，在重新接触时会产生一个巨大的、失真的电荷尖峰，导致输出信号严重畸变。

线性化：使压电陶瓷始终工作在预压应力的线性区间内，即使受到拉伸惯性力（向上的加速度），由于预紧力的存在，陶瓷片仍处于受压状态，只是压力变小了，从而保证了良好的线性度。

提高刚度：预紧力增强了整个叠堆的刚性，从而提升了组件的谐振频率。

深入解析优缺点

优点：

结构坚固，工艺简单，制造成本相对较低。

谐振频率高，动态范围大，适合测量高频、高冲击的振动（如发动机爆震、冲击试验）。

缺点：

对横向振动（垂直于轴线的振动）和温度变化非常敏感。任何横向运动或热胀冷缩都会使陶瓷片产生额外的应力，输出噪声信号，即“横向灵敏度”和“热释电效应”较大。

形象比喻：像一个垂直放置的“弹簧秤”，主要感知上下的压力，但侧向的推拉或热胀冷缩也会让它产生误读数。

三角剪切式

结构原理：

通常由三片压电陶瓷片以等边三角形的布局，对称地安装在一个中心质量柱周围。每片陶瓷都工作在剪切模式，三片电学上并联。

拆解一个典型的三角剪切式芯体：

1.核心构型：等边三角形布局

三片完全相同的压电陶瓷片，以等边三角形的几何布局，对称地环绕并贴合在一个中心质量柱的周围。每片陶瓷的极化方向与振动方向平行。一个环形质量块或一个三角形的外箍，将三片陶瓷“包裹”并压紧在中心柱上。

2.预紧与集成方式

通常通过一个外部的预紧环，施加一个均匀的、向心的预紧力，将整个组件（外壳-质量块-三陶瓷-中心柱）锁紧为一个整体。中心质量柱与外壳/基座固定连接。

3.工作原理：

轴向振动响应：当轴向（Z向）振动发生时，质量块的惯性力在三片陶瓷的接触面上，同时、同等地激发三个平面内的剪切力。三片陶瓷在电学上并联连接。由于受力相同、性能一致，它们产生的电荷同相叠加，总输出灵敏度是单片的近三倍，信噪比高。

横向振动免疫机制：当来自任意水平方向的横向振动作用于传感器时，该惯性力会分解为作用于三片陶瓷上的一组不对称的力。

深入解析优缺点

优点：

抗冲击好，低横向灵敏度、低温漂。

对称性极佳，在任何径向的横向干扰都能被很好地平衡和抵消，综合性能非常稳定。

输出灵敏度高（三片并联），信噪比好。

缺点：

结构复杂，零件多，是设计和工艺的集大成者，通常用于最高端、最精密的测量领域（如航空航天、实验室基准传感器）。

形象比喻：像一个 “三角凳” ，三条腿（三片陶瓷）均匀支撑着座面（质量块）。无论哪个方向有侧向力，三条腿都能共同分担并抵消，保证座面只感知垂直方向的运动，稳定性无与伦比。

平面剪切式

结构原理：

将两块压电陶瓷片并排贴在中心柱上，质量块“夹住”陶瓷片的两侧。振动时，质量块的惯性力使陶瓷片产生平面内的剪切形变而产生电荷。

拆解一个典型的平面剪切式芯体：

1.核心构件：

中心柱：从基座中央凸起的圆柱，作为“骨架”。

压电陶瓷片：两片矩形或扇形压电陶瓷片，其极化方向垂直于安装平面，两片陶瓷的极化方向相反。

环形质量块：一个中心有孔的环形重金属块。

预紧套筒/壳体：用于施加并保持预紧力。

2.组装与受力逻辑：

两片压电陶瓷片对称地贴附在中心柱的两侧。环形质量块像“戒指”一样，套在两片陶瓷的外侧。最后，通过一个壳体，施加一个径向的预紧力，将质量块、陶瓷片和中心柱紧紧地“夹”在一起，形成一个刚性整体。

工作原理：

当传感器受到轴向（Z向）振动时，环形质量块由于惯性，会倾向于保持静止或滞后。这种惯性力通过质量块与陶瓷片的接触面，转化为作用在陶瓷片平面内的剪切力。想象两片陶瓷像是两张紧贴在一起的扑克牌，当其中一张被固定（中心柱），另一张（通过质量块）受到平行于牌面的力时，两牌之间就会发生微小的平行错动。这种“错动”就是剪切形变。

深入解析优缺点

优点：

压电陶瓷片可多片串联，高灵敏度场景，出色的抗干扰能力，基座应变能力强。因为轴向振动产生剪切输出，而横向振动对两片陶瓷的影响会互相抵消。

几乎不产生热释电输出。温度变化引起的膨胀是同向的，不会产生剪切效应，因此温漂极小。

缺点：

结构相对复杂，对安装工艺要求高。

高频响应通常略低于同尺寸的压缩式。

形象比喻：像用手掌平行摩擦两片粘在一起的瓷砖，只有前后方向的摩擦力（对应轴向振动）能让它们产生信号，上下或左右的挤压（对应横向和温度变化）影响很小。