压电传感器测量电路
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压电式传感器-测量技术基础
网络化
随着物联网技术的发展，压电式传感器 正与网络技术深度融合，实现远程监控 、数据传输等功能，提高传感器的工作 效率和可维护性。
VS
物联网应用
压电式传感器作为物联网系统中的感知层 器件，能够实时感知物理世界的各种信息 ，为物联网在智能制造、智慧城市等领域 的应用提供有力支持。
THANKS
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应。压电式传感器利用材料的压电效应，将压力信号转换为电信号。
02 03
压电元件
压电元件是压电式传感器的核心部分，通常由压电陶瓷或高分子聚合物 等材料制成。当压电元件受到压力作用时，其内部电荷分布会发生变化， 从而产生电压输出。
测量电路
压电式传感器需要与测量电路配合使用，以将输出的电压信号转换为可 读的数据。测量电路通常包括放大器和滤波器等组件，以优化传感器的 性能和稳定性。
信号数字化处理
信号数字化处理
为了便于计算机处理和传输，压 电式传感器的模拟信号需要经过 数字化处理转换为数字信号。
采样率
采样率是数字化处理中的关键参 数，采样率过低可能导致信号失 真，过高则可能引入额外的噪声。
量化等级
量化等级决定了数字信号的精度， 应根据测量要求选择合适的量化 等级。
05
压电式传感器的误差与校准
压电式传感器-测量技术基础
• 压电式传感器概述 • 压电式传感器的类型与结构 • 压电式传感器的测量电路 • 压电式传感器的信号处理技术
• 压电式传感器的误差与校准 • 压电式传感器的发展趋势与展望
01
压电式传感器概述
压电式传感器的工作原理
01
压电效应
某些材料在受到外力作用时，会在内部产生电场，这种现象称为压电效
压电式传感器的应用领域
压电
1 + [ω R (C a + C e + C i ) ]
tg tg 1
dFm ω R
2
输入电压与作用力的相位差
=
=
π
2
ω (C a + C e + C i )
π
2
1
ωτ
Uim Fm
0 90
1
2
ωτ
3
4
φ
0
讨论：
ω=0（静态量）时，Uim=0（输入电压为零） – 原因：由于等效电阻不可能无穷大，存在电 荷泄漏，所以不能测量静态量 ωτ>>3（高频情况），放大比常数 – 输入电压与作用力频率无关 – τ一定，ω越高，高频响应越好 对低频测量情况：τ一定，ω↓偏差越大 – 所以要求τ要大，扩大 低频响应范围 输出电压灵敏度受电缆分布电容影响
（a）压电片并联
（b）并联等效电路
（c）等效电荷源
此时， C = C + C = 2 C a 1 2 q a = q1 + q 2 = 2 q U = U = U = U 1 2 a 可见，并联输出型压电元件的输出电荷等于各片电荷之和，因 并联输出型压电元件的输出电荷等于各片电荷之和， 并联输出型压电元件的输出电荷等于各片电荷之和 而可等效为电荷输出型的电荷源
逆压电效应的应用： 逆压电效应的应用
超声波加湿气、 超声波加湿气、超声波清洗机 压电蜂鸣器 石英晶体振荡器
压电传感器的特点 是一种典型的有源传感器 是一种典型的”双向传感器” 灵敏度高 频响宽(0.1Hz~几十KHz) 体积小、重量轻
二、石英晶体的压电效应
石英晶体：二氧化硅（SiO2），理想外形为正六面棱体 石英晶体三个晶轴：光轴（Z） 电轴（X） 机械轴（Y） 作为压电元件时应作切片处理
基于压电传感器的振动检测电路设计原理
基于压电传感器的振动检测电路设计原理振动检测技术在许多领域中起着重要的作用，例如机械工程、航空航天和电子设备等。
而基于压电传感器的振动检测电路是一种常用的方式，其原理是利用压电传感器的特性来检测物体的振动情况。
本文将介绍基于压电传感器的振动检测电路设计的原理及其应用。
首先，我们来了解一下压电传感器的基本原理。
压电传感器是一种利用压电效应来实现物理参数测量的装置。
压电效应是指在压力作用下，某些晶体材料会产生电压，这个电压与压力的大小成正比。
因此，通过测量压电传感器的输出电压，可以推断物体的振动状态。
基于压电传感器的振动检测电路的设计原理是将压电传感器作为一个传感器，在振动检测电路中起到发现振动信号并转化为电信号的作用。
在振动检测电路中，主要包括压电传感器、滤波电路、放大电路和信号处理电路等几个部分。
首先，压电传感器的选择非常重要。
压电传感器的种类繁多，常见的有陶瓷压电传感器和聚合物压电传感器等。
在选择压电传感器时，需要根据具体的应用场景来考虑传感器的测量范围、灵敏度和频率响应等因素，以确保传感器的性能可以满足需求。
另外，还需要考虑传感器的可靠性和耐用性等因素。
接下来是滤波电路的设计。
由于振动信号通常包含很多的高频成分，需要通过滤波电路来滤除不需要的高频噪声。
常用的滤波电路包括低通滤波器和带通滤波器等。
低通滤波器可以滤除高频噪声，使得输出信号更加平稳。
而带通滤波器可以选择特定的频率范围，以确保只有目标频率范围内的振动信号被保留下来。
在滤波之后，信号需要经过放大电路进行信号放大。
放大电路可以将传感器输出的微弱信号放大到适合信号处理电路处理的范围。
放大电路常用的方式包括运算放大器放大电路和差分放大器放大电路等。
运算放大器放大电路适用于单端信号放大，而差分放大器放大电路适用于差分信号放大，具体的选择需要根据具体的传感器输出信号来确定。
最后是信号处理电路的设计。
信号处理电路主要包括信号转换、数据处理和结果显示等部分。
压电式传感器的测量电路
目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅（PZT系列）, 它是钛酸钡（BaTiO3)和锆酸铅（PbZrO3）组成的Pb（ZrTi） O3。它有较高的压电系数和较高的工作温度。
铌镁酸铅是 20 世纪 60 年代发展起来的压电陶瓷。 它由
铌镁酸铅(Pb（Mg13 ·Nb
2 3
）O3)、
锆酸铅(PbZrO3)和钛酸铅
当石英晶体未受外力作用时, 正、负离子正好分布在正 六边形的顶角上, 形成三个互成120°夹角的电偶极矩P1、 P2、P3。 如图 6 - 3（a）所示。
因为P=qL, q为电荷量, L为正负电荷之间距离。 此时正 负电荷重心重合, 电偶极矩的矢量和等于零, 即P1+P2+P3 = 0, 所以晶体表面不产生电荷, 即呈中性。
式中: Uo——放大器输出电压;
UCf——反馈电容两端电压。
由运算放大器基本特性, 可求出电荷放大器的输出电压
U0
Ca
Aq Cc Ci
通常A=104～106, 因此若满足（1+A）Cf 式（6 - 2）可表示为
q
Uo ≈ -
cf
<<Ca+Ｃc+Ci时,
由式（6 - 13）可见, 电荷放大器的输出电压Uo与电缆电 容Cc无关, 且与q成正比, 这是电荷放大器的最大特点。
当晶体受到沿y轴方向的压力作用时, 晶体的变形如图6 3（c）所示, 与图6 - 3（b）情况相似, P1增大, P2、P3 减小。 在x轴上出现电荷, 它的极性为x轴正向为负电荷。 在y轴方向 上不出现电荷。
如果沿z轴方向施加作用力, 因为晶体在x方向和y方向所 产生的形变完全相同, 所以正负电荷重心保持重合, 电偶极矩 矢量和等于零。这表明沿z轴方向施加作用力, 晶体不会产生 压电效应。
铌镁酸铅是 20 世纪 60 年代发展起来的压电陶瓷。 它由
铌镁酸铅(Pb（Mg13 ·Nb
2 3
）O3)、
锆酸铅(PbZrO3)和钛酸铅
当石英晶体未受外力作用时, 正、负离子正好分布在正 六边形的顶角上, 形成三个互成120°夹角的电偶极矩P1、 P2、P3。 如图 6 - 3（a）所示。
因为P=qL, q为电荷量, L为正负电荷之间距离。 此时正 负电荷重心重合, 电偶极矩的矢量和等于零, 即P1+P2+P3 = 0, 所以晶体表面不产生电荷, 即呈中性。
式中: Uo——放大器输出电压;
UCf——反馈电容两端电压。
由运算放大器基本特性, 可求出电荷放大器的输出电压
U0
Ca
Aq Cc Ci
通常A=104～106, 因此若满足（1+A）Cf 式（6 - 2）可表示为
q
Uo ≈ -
cf
<<Ca+Ｃc+Ci时,
由式（6 - 13）可见, 电荷放大器的输出电压Uo与电缆电 容Cc无关, 且与q成正比, 这是电荷放大器的最大特点。
当晶体受到沿y轴方向的压力作用时, 晶体的变形如图6 3（c）所示, 与图6 - 3（b）情况相似, P1增大, P2、P3 减小。 在x轴上出现电荷, 它的极性为x轴正向为负电荷。 在y轴方向 上不出现电荷。
如果沿z轴方向施加作用力, 因为晶体在x方向和y方向所 产生的形变完全相同, 所以正负电荷重心保持重合, 电偶极矩 矢量和等于零。这表明沿z轴方向施加作用力, 晶体不会产生 压电效应。
压电传感器等效电路
C Cc Ci
(3-7)
压电传感器的开路电压U q ，若压电元件沿电轴方向施加
Ce
交力 F Fm sin t ，则产生的电荷和电压均按正弦规律变
化，其电压为 U q dF dFm sin t Ce Ce Ce
(3-8)
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第二节 压电传感器等效电路和测 量电路
电压的幅值
若从石英晶体上沿 y方向切下一块如图3-1(c)所示的晶体片， 当在电轴x方向施加作用力时，在与电轴(x)垂直的平面上将 产生电荷，其大小为
qx d11Fx
（3-1）
式中：d11——x轴方向受力的压电系数，单位C/N；
Fx ——作用力，单位N。
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第一节 压电效应和压电材料
若在同一切片上，沿机械轴y方向加作用力Fy，则仍在与x轴
力的测量，而且相当理想。
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第二节 压电传感器等效电路和测 量电路
图3-11(a)给出了一个电压放大器的具体电路。它具有很高
的输入阻抗（>>1000MΩ）和很低的输出阻抗
（<100Ω），因此使用该阻抗变换器可将高内阻的压电传
感器与一般放大器匹配。BG1与MOS场效应管，作阻抗变换， R3>>100Ω；BG2管对输入端形成负反馈，以进一步提高 输入阻抗。 R4既是BG1的源极接地电阻，也是BG2的负载 电阻， R4上的交变电压通过C2反馈到场效应管BG1的输入 端，使A点电位提高，保证较高的交流输入阻抗。R4由BG1 构成的输入级，其输入阻抗为
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第二节 压电传感器等效电路和测 量电路
三、压电传感器的测量电路
为了保证压电传感器的测量误差小到一定程度，则要求负载 电阻RL要大到一定数值，才能使晶体片上的漏电流相应变小， 因此在压电传感器输出端要接入一个输入阻抗很高的前置放 大器，然后再接入一般的放大器。其目的：一是放大传感器 输出的微弱信号，二是将它的高阻抗输出变换成低阻抗输出。
3.2压电式压力传感器解析
32
§7.6 压电传感器的应用
地 震 的 巨 大 威 力
33
§7.6 压电传感器的应用
南海Ms7.2地震波形记录图
34
§7.6 压电传感器的应用 3) 压电式振动加速度传感器结构及外形
横向振动测振器
纵向振动测振器
35
4火炮堂内压力测试
发射药在堂内燃烧形成压力完成炮弹的发射。 堂内压力的大小，不仅决定着炮弹的飞行速 度，而且与火炮、弹丸的设计有着密切关系。
12
二、压电材料 1、种类：
石英晶体：如石英等； 压电陶瓷：如钛酸钡、锆钛酸铅等； 压电半导体：如硫化锌、碲化镉等； 高分子压电材料：聚二氟乙烯等。 2、对压电材料特性要求： ①转换性能：要求具有较大压电常数； ②机械性能： 机械强度高、刚度大，以期获得宽的线性
范围和高的固有振动频率； ③电性能：具有高电阻率和大介电常数，以减弱外部分布 电容的影响并获得良好的低频特性； ④环境适应性强：温度和湿度稳定性要好，要求具有较 高的居里点，获得较宽的工作温度范围； 13 ⑤时间稳定性：要求压电性能不随时间变化。
从作用力看，元件是串接的，因而每片受到的作用力相同，产生的变 形和电荷数量大小都与单片时相同。
图a）从电路上看，这是并联接法， 类似两个电容的并联。所以， 外力作用下正负电极上的 电荷量增加了1倍，电容量也增加了1倍，输 出电压与单片时相同。 图b）从电路上看是串联的，两压电片中间粘接处正负电荷中和， 上、 下极板的电荷量与单片时相同，总电容量为单片的一半，输出电 压增大了1倍。
3. 交通监测
将高分子压电电 缆埋在公路上，可以 获取车型分类信息 （包括轴数、轴距、 轮距、单双轮胎）、 车速监测、收费站地 磅、闯红灯拍照、停 车区域监控、交通数 据信息采集（道路监 控）及机场滑行道等。
§7.6 压电传感器的应用
地 震 的 巨 大 威 力
33
§7.6 压电传感器的应用
南海Ms7.2地震波形记录图
34
§7.6 压电传感器的应用 3) 压电式振动加速度传感器结构及外形
横向振动测振器
纵向振动测振器
35
4火炮堂内压力测试
发射药在堂内燃烧形成压力完成炮弹的发射。 堂内压力的大小，不仅决定着炮弹的飞行速 度，而且与火炮、弹丸的设计有着密切关系。
12
二、压电材料 1、种类：
石英晶体：如石英等； 压电陶瓷：如钛酸钡、锆钛酸铅等； 压电半导体：如硫化锌、碲化镉等； 高分子压电材料：聚二氟乙烯等。 2、对压电材料特性要求： ①转换性能：要求具有较大压电常数； ②机械性能： 机械强度高、刚度大，以期获得宽的线性
范围和高的固有振动频率； ③电性能：具有高电阻率和大介电常数，以减弱外部分布 电容的影响并获得良好的低频特性； ④环境适应性强：温度和湿度稳定性要好，要求具有较 高的居里点，获得较宽的工作温度范围； 13 ⑤时间稳定性：要求压电性能不随时间变化。
从作用力看，元件是串接的，因而每片受到的作用力相同，产生的变 形和电荷数量大小都与单片时相同。
图a）从电路上看，这是并联接法， 类似两个电容的并联。所以， 外力作用下正负电极上的 电荷量增加了1倍，电容量也增加了1倍，输 出电压与单片时相同。 图b）从电路上看是串联的，两压电片中间粘接处正负电荷中和， 上、 下极板的电荷量与单片时相同，总电容量为单片的一半，输出电 压增大了1倍。
3. 交通监测
将高分子压电电 缆埋在公路上，可以 获取车型分类信息 （包括轴数、轴距、 轮距、单双轮胎）、 车速监测、收费站地 磅、闯红灯拍照、停 车区域监控、交通数 据信息采集（道路监 控）及机场滑行道等。
压电传感器测量电路
一、压电传感器的工作原理 压电式传感器是一种自发电式传感器。它 以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用 下，在电介质表面产生电荷，从而实现非电量 电测的目的。 压电传感元件是力敏感元件，它可以测量 最终能变换为力的那些非电物理量，例如动态 力、动态压力、振动加速度等，但不能用于静 态参数的测量。 压电式传感器具有体积小、质量轻、频响 高、信噪比大等特点。由于它没有运动部件， 因此结构坚固、可靠性、稳定性高。
具有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面积或
较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较宽，测量 动态范围可达80dB。
2018/9/4
11
高分子压电薄膜及拉制
2018/9/4
12
高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆
2018/9/4
13
可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板
2018/9/4
14
压电式脚踏报警器
2018/9/4
8
压电陶瓷外形
2018/9/4
9
无铅压电陶瓷及其换能器外形
（上海硅酸盐研究所研制）
2018/9/4
10
3、高分子压电材料 典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯
（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚
氯乙烯（PVC）等。它是一种柔软的压电材料，可 根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。它不易破碎，
2018/9/4
1
（一）压电效应 天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，用金 刚石刀具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片 受到压力时，晶格产生变形，表面产生正电荷， 电荷Q与所施加的力F成正比 ，这种现象称为 压电效应 。还有一些人造的材料也具有压电效 应。 若在电介质的极化方向上施加交变电压， 它就会产生机械变形。当去掉外加电场时，电 介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效 应（电致伸缩效应）。
具有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面积或
较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较宽，测量 动态范围可达80dB。
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11
高分子压电薄膜及拉制
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高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆
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可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板
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14
压电式脚踏报警器
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压电陶瓷外形
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无铅压电陶瓷及其换能器外形
（上海硅酸盐研究所研制）
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10
3、高分子压电材料 典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯
（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚
氯乙烯（PVC）等。它是一种柔软的压电材料，可 根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。它不易破碎，
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1
（一）压电效应 天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，用金 刚石刀具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片 受到压力时，晶格产生变形，表面产生正电荷， 电荷Q与所施加的力F成正比 ，这种现象称为 压电效应 。还有一些人造的材料也具有压电效 应。 若在电介质的极化方向上施加交变电压， 它就会产生机械变形。当去掉外加电场时，电 介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效 应（电致伸缩效应）。
压电式传感器的测量电路
传感器原理与应用——第五章 第五章 传感器原理与应用
1. 电压放大器（阻抗变换器） 电压放大器（阻抗变换器）
Ca A Ca
ua
Re
Ce
Ri
Ci
uo
ua
R
C
ui
(a)
(b)
图 5-16 压电传感器接放大器的等效电路 （a） 放大器电路; （b） 等效电路 放大器电路;
传感器原理与应用——第五章 第五章 传感器原理与应用
传感器原理与应用——第五章 第五章 传感器原理与应用
5.3.3 压电式传感器的测量电路 由于压电式传感器的输出电信号很微弱， 由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通常先把传 感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中， 感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过 阻抗交换以后， 阻抗交换以后，方可用一般的放大检波电路再将信号 输入到指示仪表或记录器中。(其中，测量电路的关键 其中， 输入到指示仪表或记录器中。 其中 在于高阻抗输入的前置放大器。） 在于高阻抗输入的前置放大器。）
传感器原理与应用——第五章 第五章 传感器原理与应用
压电式传感器在测量低压力时线性度不好， 压电式传感器在测量低压力时线性度不好，主要 是传感器受力系统中力传递系数非线性所致。 为此， 是传感器受力系统中力传递系数非线性所致 。 为此 ， 在力传递系统中加入预加力，称预载。 在力传递系统中加入预加力，称预载。这除了消除低 压力使用中的非线性外， 压力使用中的非线性外，还可以消除传感器内外接触 表面的间隙， 提高刚度。 特别是，它只有在加预载 表面的间隙 ， 提高刚度 。 特别是， 后才能用压电传感器测量拉力和拉、 后才能用压电传感器测量拉力和拉、压交变力及剪力 和扭矩。 和扭矩。
（5-20） 20）
压电式传感器的测量电路
当压电晶体承受应力作用时，在它的两个极面上出现极 性相反但电量相等的电荷。故可把压电传感器看成一个
电荷源与一个电容并联的电荷发生器。
其电容量为：
Ca q (a)
S r 0 S Ca
当两极板聚集异性电荷时，板间就呈现出一定的电压，
其大小为
q Ua Ca
Ca
因此，压电传感器还可以等效为电压源Ua和一个电容 器Ca的 串联电路，如图 (b)。
dFm Ua sin t U m sin t Ca
Um=dFm/Ca； d——压电系数。
（5-20）
式中： Um——压电元件输出电压幅值，
由此可得放大器输入端电压Ui，其复数形式为
i d 33 F U
. Ui的幅值Uim
jR 1 jR( C a C )
(5-21)
压电传感器与前置放大器之间连接电缆不能随意更换，
2. 电荷放大器
Cr
－A
q
Ca
Ce
Ci
uo
图5-17 电荷放大器等效电路
电荷放大器常作为压电传感器的输入电路，由一个
反馈电容CF和高增益运算放大器构成。由于运算放大
器输入阻抗极高， 放大器输入端几乎没有分流，故可 略去Ra和Ri并联电阻。
q Uo Ud Cf
U im
d 33 Fm Ca Cc C i
(5-24)
上式表明前置放大器输入电压 Uim与频率无关，一般在 ω/ω0>3 时，就可以认为 Uim 与 ω 无关， ω0 表示测量电 路时间常数之倒数，即 1 0 ( C a C c C i )R
这表明压电传感器有很好的高频响应，但是，当
式中 ： Uo——放大器输出电压；
电荷源与一个电容并联的电荷发生器。
其电容量为：
Ca q (a)
S r 0 S Ca
当两极板聚集异性电荷时，板间就呈现出一定的电压，
其大小为
q Ua Ca
Ca
因此，压电传感器还可以等效为电压源Ua和一个电容 器Ca的 串联电路，如图 (b)。
dFm Ua sin t U m sin t Ca
Um=dFm/Ca； d——压电系数。
（5-20）
式中： Um——压电元件输出电压幅值，
由此可得放大器输入端电压Ui，其复数形式为
i d 33 F U
. Ui的幅值Uim
jR 1 jR( C a C )
(5-21)
压电传感器与前置放大器之间连接电缆不能随意更换，
2. 电荷放大器
Cr
－A
q
Ca
Ce
Ci
uo
图5-17 电荷放大器等效电路
电荷放大器常作为压电传感器的输入电路，由一个
反馈电容CF和高增益运算放大器构成。由于运算放大
器输入阻抗极高， 放大器输入端几乎没有分流，故可 略去Ra和Ri并联电阻。
q Uo Ud Cf
U im
d 33 Fm Ca Cc C i
(5-24)
上式表明前置放大器输入电压 Uim与频率无关，一般在 ω/ω0>3 时，就可以认为 Uim 与 ω 无关， ω0 表示测量电 路时间常数之倒数，即 1 0 ( C a C c C i )R
这表明压电传感器有很好的高频响应，但是，当
式中 ： Uo——放大器输出电压；
压电传感器的等效电路
压电传感器的等效电路压电传感器是一种常用的传感器，其原理是利用压电材料的压电效应将机械能转换为电能，实现对压力、力、加速度等物理量的测量。
压电传感器的等效电路一般由压电传感元件和相关电路组成。
压电传感元件一般采用压电陶瓷材料，主要由触发板、压电陶瓷片和底座组成。
触发板是用来接受外部压力或力的作用，将机械能转换为压电效应；压电陶瓷片是压电元件的核心部分，负责将机械能转换为电能；底座是固定压电陶瓷片和触发板的支撑结构。
压电传感器的等效电路可分为感应电路和放大电路两部分。
感应电路主要是将压电传感器输出的电荷信号转换为电压信号，常用的感应电路有放大电荷放大器和运算放大器。
放大电荷放大器一般由前置放大电路和后置放大电路组成，前置放大电路用于对由压电陶瓷片产生的微小电荷进行放大，后置放大电路用于对前置放大电路输出的电压信号进行进一步放大。
运算放大器一般采用差分放大电路，通过将压电陶瓷片产生的电压信号与参考电压进行差分放大，得到输出电压信号。
放大电路输出的电压信号一般较小，为了进一步增强信号强度和减小噪声，需要使用放大器进行放大。
常用的放大器有运算放大器和分立元件放大器。
运算放大器是一种常用的放大器，具有高增益、低失真和高输入阻抗等特点，可以将输入信号放大几十倍甚至更多。
分立元件放大器则是通过使用晶体管、场效应管等分立元件构成，具有较高的功率输出和较低的噪声水平。
压电传感器的等效电路还需要包括一些辅助电路，如滤波电路和稳压电路。
滤波电路用于滤除输入信号中的高频噪声，使得输出信号更加清晰和准确。
稳压电路用于稳定电压信号，避免由于电源波动等原因对传感器输出的影响。
总的来说，压电传感器的等效电路主要由压电传感元件、感应电路、放大电路和辅助电路组成。
其中感应电路将压电传感元件输出的电荷信号转换为电压信号，放大电路对输出信号进行进一步放大，辅助电路保证电路的稳定性和准确性。
这些电路的设计和优化将直接影响到压电传感器的测量精度和稳定性。
如何设计一个简单的压力传感器电路
如何设计一个简单的压力传感器电路在现代科技的快速发展和日常生活的便利需求下，压力传感器在各个领域都有着广泛的应用。
设计一个简单的压力传感器电路，不仅可以提高我们的技术水平，还可以满足个人折腾的需求。
本文将介绍如何设计一个简单的压力传感器电路。
1. 材料准备为了设计一个简单的压力传感器电路，我们需要准备以下材料：- 压力传感器：如压电传感器或压阻传感器。
可以根据具体需求选择合适的传感器。
- 集成电路：可以使用放大器芯片作为信号采集和处理的核心。
- 电容或电阻：用于构建滤波电路，降低杂散信号。
- 运放：用于信号的放大和滤波。
- 电源：为电路提供电能。
- 连接线、焊盘、焊锡等辅助工具。
2. 电路连接首先，将压力传感器连接到电路中。
使用连接线将传感器的输出端连接到放大器芯片的输入端。
然后，将电容或电阻连接到传感器的输出端，并与运放电路相连，构建滤波电路。
最后，将电源连接到电路上，确保电路可以正常工作。
3. 信号采集与处理压力传感器会将压力转化为电信号并输出，但输出信号较小且可能具有杂散信号。
为了使信号能够被准确地采集和处理，需要添加放大和滤波电路。
- 放大器：使用运放作为信号的放大器，将传感器输出的微弱信号放大到合适的水平。
可以根据实际情况选择合适的运放芯片。
- 滤波器：使用电容或电阻等元件构建滤波电路，可以过滤掉杂散信号和高频干扰，提升信号的准确性和稳定性。
4. 校准与调试设计一个简单的压力传感器电路后，需要进行校准和调试，以确保电路的准确性和稳定性。
- 校准：通过与已知压力值相比较，调整电路中的参数，使输出信号在不同压力下能够准确反映出实际数值。
- 调试：在连接完成后，使用万用表或示波器等测试仪器检查电路的输入和输出，并根据需要进行调整和修正。
通过以上步骤，我们可以设计一个简单的压力传感器电路。
设计完成后，可以将该电路应用于各种需要测量和监控压力的领域，如医疗设备、工业自动化、汽车安全等。
同时，不断学习和探索新的元件和技术，可以进一步完善和优化压力传感器的设计。
压电传感器
d 33 因为ωR>>1，故上式可以近似为 K u Ca Cc Ci
可见，Ku与回路电容成反比，增加回路电容必然使Ku下 降。为此常将Ri很大的前置放大器接入回路。其输入内 阻越大，测量回路时间常数越大，则传感器低频响应也 越好。当改变连接传感器与前置放大器的电缆长度时 Cc 将改变，必须重新校正灵敏度值。
四、压电式传感器的应用 （一）压电式加速度传感器 （二）压电式压力传感器 （三）压电式流量计 （四）集成压电式传感器 （五）压电式传感器在自来水管道测 漏中的应用
（一） 压电式加速度传感器
其结构一般有纵向效应型、横向效 3 2 应型和剪切效应型三种。纵向效应 是最常见的,如图。压电陶瓷4和质 1 量块2为环型，通过螺母3对质量块 4 运 预先加载，使之压紧在压电陶瓷上。动 5 方 测量时将传感器基座 5 与被测对象 向 牢牢地紧固在一起。输出信号由电 纵向效应型加速度 传感器的截面图 极1引出。 当传感器感受振动时，因为质量块相对被测体质量 较小，因此质量块感受与传感器基座相同的振动，并受 到与加速度方向相反的惯性力，此力F＝ma。同时惯性 力作用在压电陶瓷片上产生电荷为 q＝d33F＝d33ma
RF
当1/ RF = ω CF时 U q /(C 2 ) SC F
可见这是截止频率点的输出电压，增益下降3dB时对应 的下限截止频率为 1 fL 2RF C F
1 USC与q间的相位误差 90 arctan RF CF
可见压电式传感器配用电荷放大器时,其低频幅值误差和 截止频率只决定于反馈电路的参数RF和CF,其中CF的大 小可以由所需要的电压输出幅度决定。所以当给定工作 频带下限截止频率fL时,反馈电阻RF值也可确定。如当 CF=1000pF,fL=0.16Hz时,则要求RF＞109Ω。
压电传感器等效电路
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第二节 压电传感器等效电路和测 量电路
并联连接式压电传感器的输出电容C’和极板上的电荷q‘分别
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第一节 压电效应和压电材料
三、石英晶体的压电特性
石英晶体是单晶体结构，其形状为六角形晶柱，两端呈六棱 锥形状，如图3-1所示。石英晶体各个方向的特性是不同的。 在三维直角坐标系中，z轴被称为晶体的光轴。经过六棱柱 棱线，垂直于光轴z的x轴称为电轴，把沿电轴x施加作用力 后的电压效应称为纵向压电效应。垂直于光轴z和电轴x的y 轴称为机械轴。把沿机械轴y方向的力作用下产生电荷的压 电效应称为横向压电效应。沿光轴z方向施加作用力则不产 生压电效应。
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第一节 压电效应和压电材料
二、压电材料简介
压电材料可以分为两大类：压电晶体和压电陶瓷。前者为晶 体，后者为极化处理的多晶体。它们都具有较好特性：压电 常数高，机械性能优良（强度高，固有振荡频率稳定），时 间稳定性和温度稳定性好等，是较理想的压电材料。
1．压电晶体 常见压电晶体有天然和人造石英晶体。石英晶体，其化学成
由于外力作用而使压电材料上产生电荷，该电荷只有在无泄 漏的情况下才会长期保存，因此需要测量电路具有无限大的 输入阻抗，而实际上这是不可能的，所以压电传感器不宜作 静态测量，只能在其上加交变力，电荷才能不断得到补充， 可以供给测量电路一定的电流，故压电传感器只宜作动态测 量。
制作压电传感器时，可采用两片或两片以上具有相同性能的 压电晶片粘贴在一起使用。由于压电晶片有电荷极性，因此 接法有并联和串联两种，如图3-6所示。
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第一节 压电效应和压电材料
如果在压电陶瓷片上加一个与极化方向平行的外力，陶瓷片 产生压缩变形，片内的束缚电荷之间表面的自由电荷，有一 部分被释放而呈现放电现象。
第二节 压电传感器等效电路和测 量电路
并联连接式压电传感器的输出电容C’和极板上的电荷q‘分别
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第一节 压电效应和压电材料
三、石英晶体的压电特性
石英晶体是单晶体结构，其形状为六角形晶柱，两端呈六棱 锥形状，如图3-1所示。石英晶体各个方向的特性是不同的。 在三维直角坐标系中，z轴被称为晶体的光轴。经过六棱柱 棱线，垂直于光轴z的x轴称为电轴，把沿电轴x施加作用力 后的电压效应称为纵向压电效应。垂直于光轴z和电轴x的y 轴称为机械轴。把沿机械轴y方向的力作用下产生电荷的压 电效应称为横向压电效应。沿光轴z方向施加作用力则不产 生压电效应。
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第一节 压电效应和压电材料
二、压电材料简介
压电材料可以分为两大类：压电晶体和压电陶瓷。前者为晶 体，后者为极化处理的多晶体。它们都具有较好特性：压电 常数高，机械性能优良（强度高，固有振荡频率稳定），时 间稳定性和温度稳定性好等，是较理想的压电材料。
1．压电晶体 常见压电晶体有天然和人造石英晶体。石英晶体，其化学成
由于外力作用而使压电材料上产生电荷，该电荷只有在无泄 漏的情况下才会长期保存，因此需要测量电路具有无限大的 输入阻抗，而实际上这是不可能的，所以压电传感器不宜作 静态测量，只能在其上加交变力，电荷才能不断得到补充， 可以供给测量电路一定的电流，故压电传感器只宜作动态测 量。
制作压电传感器时，可采用两片或两片以上具有相同性能的 压电晶片粘贴在一起使用。由于压电晶片有电荷极性，因此 接法有并联和串联两种，如图3-6所示。
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第一节 压电效应和压电材料
如果在压电陶瓷片上加一个与极化方向平行的外力，陶瓷片 产生压缩变形，片内的束缚电荷之间表面的自由电荷，有一 部分被释放而呈现放电现象。
压电式传感器-压电式血压计
» 一．压电材料地主要特参数 » 压电材料地主要特参数有如下几个。 » （一）压电常数。压电常数是衡量材料压电效
应强弱地参数,它直接关系到压电输出地灵敏度。 » （二）弹常数。压电材料地弹常数,刚度决定着
压电器件地固有频率与动态特。 » （三）介电常数。对于一定形状,尺寸地压电元
件,其固有电容与介电常数有关;而固有电容又影 响着压电传感器地频率下限。
40
超小型电荷放大器模块
主要指标: 灵 敏 度:一,一0,一00mV/pC(任选一档) 频率范围:0.三～一00KHz(上,下限可选) 噪声(最大灵敏度):输出端小于一mV 归 一 化:外接电阻调整 线误差:一% 最大输出:±五V或±一0V 电 源:±六V～±一五V
特点:可组成经济地多点测试系统
2023/5/6
• ③ 铌酸盐系列压电陶瓷。铌酸铅具有很高地居里点与较低地 介电常数。铌酸钾地居里点为四三五℃,常用于水声传感器。 铌酸锂具有很高地居里点,可作为高温压电传感器。
• ④ 铌镁酸铅压电陶瓷（PMN）。铌镁酸铅具有较高地压电 常数（d一一=（八00～九00）×一0−一二C/N）与居里点 （二六0℃）,它能在压力为七0MPa时正常工作,因此可作为 高压下地力传感器。
（三）高分子压电材料
• 某些合成高分子聚合物薄膜经延展拉伸与电场极化后,具有一 定地压电能,这类薄膜称为高分子压电薄膜
• 这些是柔软地压电材料,不易破碎,可以大量生产与制成较大 地面积。
• 如果将压电陶瓷粉末加入到高分子压电化合物,制成高分子压 电陶瓷薄膜,这种复合材料既保持了高分子压电薄膜地柔韧, 又具有压电陶瓷材料地优点,是一种很有发展前途地材料
将高分子压电电缆埋在公路上,可以获取车型分类信息（包 括轴数,轴距,轮距,单双轮胎）,车速监测,收费站地磅,闯红灯拍照, 停车区域监控,通数据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。
应强弱地参数,它直接关系到压电输出地灵敏度。 » （二）弹常数。压电材料地弹常数,刚度决定着
压电器件地固有频率与动态特。 » （三）介电常数。对于一定形状,尺寸地压电元
件,其固有电容与介电常数有关;而固有电容又影 响着压电传感器地频率下限。
40
超小型电荷放大器模块
主要指标: 灵 敏 度:一,一0,一00mV/pC(任选一档) 频率范围:0.三～一00KHz(上,下限可选) 噪声(最大灵敏度):输出端小于一mV 归 一 化:外接电阻调整 线误差:一% 最大输出:±五V或±一0V 电 源:±六V～±一五V
特点:可组成经济地多点测试系统
2023/5/6
• ③ 铌酸盐系列压电陶瓷。铌酸铅具有很高地居里点与较低地 介电常数。铌酸钾地居里点为四三五℃,常用于水声传感器。 铌酸锂具有很高地居里点,可作为高温压电传感器。
• ④ 铌镁酸铅压电陶瓷（PMN）。铌镁酸铅具有较高地压电 常数（d一一=（八00～九00）×一0−一二C/N）与居里点 （二六0℃）,它能在压力为七0MPa时正常工作,因此可作为 高压下地力传感器。
（三）高分子压电材料
• 某些合成高分子聚合物薄膜经延展拉伸与电场极化后,具有一 定地压电能,这类薄膜称为高分子压电薄膜
• 这些是柔软地压电材料,不易破碎,可以大量生产与制成较大 地面积。
• 如果将压电陶瓷粉末加入到高分子压电化合物,制成高分子压 电陶瓷薄膜,这种复合材料既保持了高分子压电薄膜地柔韧, 又具有压电陶瓷材料地优点,是一种很有发展前途地材料
将高分子压电电缆埋在公路上,可以获取车型分类信息（包 括轴数,轴距,轮距,单双轮胎）,车速监测,收费站地磅,闯红灯拍照, 停车区域监控,通数据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。
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传感器原理与应用——第三章
3. 二极管双T形电路
R1
R2
UE
+ i1 C1
RL i2
C2 ±UE +
D2
D1
iC1 +
C1
R2 R1
iC2
+
+C2 RL Ｕ- 0
(a)
图3-14 二极管双T形电路
若将二极管理想化，则正半周时，二极管D1导通、D2截止
，电容C1被以极短的时间充电至UE ，电容C2的电压初始值 为 UE ，电源经R1以i1向RL供电，而电容C2经R2、RL放电， 流过RL 的放电电流为i2，流过RL 的总电流iL为i1 和i2的代数
传感器原理与应用——第三章
根据一阶电路时域分析的三要素法，可直接得到电容
C2的电流i 2如下：
i2
UE
RRLRLUEexp
t
R RRL
RRL
RRRRRLL
C2
在
RRRRRLL
C2
T 2
时,电流i2的平均值I2可写成
I2T 10 T 2i2d tT 10 i2d tT 1R R 2 R R L LU E C 2
设R1＝R2＝R，则
U0C C1 1 C C2 2U1 （ 32） 8
说明差动脉冲调制电路输出的直流电压与传感器两电 容差值成正比。
传感器原理与应用——第三章
对于差动式变极距型电容传感器：
d U0 d0 U1
对于差动式变面积型电容传感器来说，设电容器初始
有效面积为S0，变化量为ΔS，则滤波器输出为：
和。
±UE
传感器原理与应用——第三章
D2
D1
iC1 +
C1
R2 R1
iC2
+
+C2 RL Ｕ- 0
R1
+ i1 C1
R2
RL i2
C2 + UE
(b)
在负半周时，二极管D2导通、D1截止，电容C2很快被充电至 电压UE；电源经电阻R2以i1 向负载电阻RL供电，与此同时， 电容C1经电阻R1、负载电阻RL 放电，流过RL 的放电电流为i2。 流过RL的总电流iL为i1 和i2的代数和。
调0
宽 uAB
电 U1
路0
各 -U1
点 电
UF T1 Ur
压0
波 UG 形 Ur
T2
图0
传感器原理与应用——第三章
uA U1
t
0
t
uB U1
t
0
t
uAB U1
t
0
t
-U1
UF T1
Ur
t
0
t
UG Ur
T2
t
0
t
传感器原理与应用——第三章
根据电路知识可知：
UAT1T 1T2U1， UBT1T 2T2U1 UA、UB—A点和B点的矩形脉冲的直流分量； T1、T2 —分别为C1和C2的充电时间； U1—触发器输出的高电位。
C1、C2的充电时间T1、T2为：
T1
R1C1
ln U1 U1 Ur
T2
R2C2
ln U1 U1 Ur
（3 26）
传感器原理与应用——第三章
A、B两点间的电压经低通滤波器滤波后获得，等于A 、B两点电压平均值UA与UB之差
U 0 U A U B T 1 T 1 T 2 U 1 T 1 T 2 T 2 U 1 T T 1 1 T T 2 2 U 1 （ 3 2 ） 7
传感器原理与应用——第三章
电容C1上的平均电流为:
IC1 T1RR2RRLLUEC1
故在负载RL上产生的电压为：
U 0 R R R L L R I 1 I2 R (R L R R R L 2 ) R 2 L U T E C 1 C 2
当RL已知时，
RRLR2RL 为常数，设为K，则
2. 运算放大器电路
Cx为传感器，C0为固定电
容。当运算放大器输入阻抗 很高、增益很大时，可认为 运算放大器输入电流为零， 根据克希霍夫定律，有：
Cx
C0 Ix
-A
U
I
USC
Ii
图3-13 运算放大器测量电路
U i
I i j C 0
U
0
I x j C x
I i
I x
U0 Ui CC0x （32） 0
(RRL)2
U 0 K fU E C 1 C 2 （ 3 2 ） 4
输出电压不仅与电源电压的频率和幅值有关，而且与T形
网络中的电容C1和C2的差值有关。当电源电压确定后， 输出电压只是电容C1和C2 的函数。
传感器原理与应用——第三章
4、差动脉宽调制电路
利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随传
传感器原理与应用——第三章
3.2 电容式传感器的测量电路
3.2.1 电容传感器的等效电路
R
L
RP
C
C
（a）
（b）
图3-9 电容传感器等效电路
3.2.2 测量电路 1. 电桥电路
Cr1
C
U0
R
R
U （a）
传感器原理与应用——第三章
Cr1
Cr2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
U0
C
C
U
（b）
Cr1
Cr2
U0 （c）
L
L
U
传感器原理与应用——第三章
传感器原理与应用——第三章
若传感器是一平行板电容，则： 代入（3-20）式得：
Cx
S
U0 Ui CS0
可见运算放大器的输出电压与动极板的板间距离δ成
正比。运算放大器电路解决了单个变极距型电容传感
器的非线性问题。
上式是在运算放大器的放大倍数和输入阻抗无限大 的条件下得出的，实际上该测量电路仍然存在一定 的非线性。
U0
S S0
U1
传感器原理与应用——第三章
可见差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式电容传感 器，并具有理论上的线性特性。该电路采用直流电源， 电压稳定度高，不存在稳频、波形纯度的要求，也不 需要相敏检波与解调等；对元件无线性要求；经低通 滤波器可输出较大的直流电压，对输出矩形波的纯度 要求也不高。
感器电容量变化而变化。通过低通滤波器得到对应被测
量变化的直流信号。
D1
C1、C2为差动式传感 器的两个电容；A1、 A2是两个比较器，Ur
Ur
+-A1 +-A2
SQ 双稳态 触发器
RQ
F A R1 C1
U0 B R2 C2
G
D2
为其参考电压。
图3-16 差动脉冲调宽电路
差 动 脉 冲
uA U1
0 uB U1
另两个臂是紧耦合电感臂的 电桥具有较高的灵敏度和稳 定性，且寄生电容影响极小、 U 大大简化了电桥的屏蔽和接 地，适合于高频电源下工作。
Cr1
U0 Cr2 （d）
变压器电桥使用元件最少，桥路内阻最小，因此目前 较多采用。
传感器原理与应用——第三章
由于电桥输出电压 与电源电压成比例， 因此要求电源电压 波动极小，需采用 稳幅、稳频等措施，
Cr1
放大 相敏 检波
Cr2
滤波器
USC
振荡器
图3-12 电桥测量电路
在要求精度很高的场合，可采用自动平衡电桥；传感器必须工 作在平衡位置附近，否则电桥非线性增大； 接有电容传感器的交流电桥输出阻抗很高，输出电压幅值又小， 所以必须后接高输入阻抗放大器将信号放大后才能测量。
传感器原理与应用——第三章