N-5.3 压电式传感器
压电传感器结构与工作原理
压电传感器结构与工作原理一、压电传感器的结构压电传感器是一种能够将压力或者应变转化为电信号的传感器。
它由压电材料、电极、支撑结构和外壳组成。
1. 压电材料：压电传感器的核心是压电材料，常用的压电材料有压电陶瓷和压电聚合物。
压电陶瓷具有良好的压电效应和稳定性，常用的压电陶瓷材料有PZT （铅锆钛矿）和PZN-PT（铅锆镍钛）等。
压电聚合物具有良好的柔性和可塑性，适合于柔性传感器的制作。
2. 电极：电极是用来采集压电材料上产生的电荷的。
普通情况下，压电材料的两面都会贴上电极，形成一个电场。
常用的电极材料有金属薄膜，如铝、铜和银等。
3. 支撑结构：支撑结构用来固定压电材料和电极，使其能够承受外界的压力或者应变。
支撑结构可以是金属片、陶瓷基板或者塑料基板等。
4. 外壳：外壳是用来保护压电传感器内部结构的。
外壳通常由金属或者塑料制成，具有良好的密封性和机械强度。
二、压电传感器的工作原理压电传感器的工作原理是基于压电效应。
当压电材料受到外界的压力或者应变时，其晶格结构会发生变化，导致内部产生电荷。
这种电荷可以通过电极采集并转化为电信号。
具体来说，压电传感器的工作过程如下：1. 压力或者应变作用：外界的压力或者应变作用于压电传感器的压电材料上，使其发生形变。
2. 电荷产生：由于压电效应，压电材料的晶格结构发生变化，导致内部产生正负电荷。
3. 电荷采集：电极将产生的电荷采集起来，并通过导线传输到外部电路。
4. 电信号转换：外部电路将采集到的电荷转换为电信号，可以是电压、电流或者电荷量等形式。
5. 信号处理：电信号经过放大、滤波和调理等处理后，可以用于测量和控制系统中的各种应用。
三、压电传感器的应用领域压电传感器由于其结构简单、响应速度快、灵敏度高等特点，被广泛应用于各个领域。
以下是一些常见的应用领域：1. 工业自动化：压电传感器可以用于测量和控制系统中的压力、应变、力等参数，用于工业自动化控制和监测。
2. 汽车工业：压电传感器可以用于汽车制动系统、气囊系统、轮胎压力监测等方面，提高汽车的安全性和舒适性。
5发电式传感器及其应用资料
5.2.2 磁电式传感器的应用
1）动圈式磁电绝对速度传感器
组成：磁钢、惯性质量、弹簧、
弹簧片
芯轴
磁阻尼环、线圈 线圈
➢ 壳体振动磁钢随之振动芯轴相对
静止线圈切割磁力线线圈中感应
磁钢
电势
➢ 感应电势E=kV，k取决于磁感应强度
阻尼环
、线圈长度和匝数,V为绝对振动速度 壳体
5.2.2 磁电式传感器的应用
5.2.1 磁电式传感器基本工作原理 2.动圈式磁电传感器及其应用
当线圈匝数N、磁场强度B、磁场中的导体长度L为 常数时，感应电动势与速度成正比：
e NBL dx dt
➢特点：输出功率大，调理电路简单，性能稳定，频响10～ 1000Hz。
5.2.2 磁电式传感器的应用
磁电式速度传感器动态特性
H ( j)
六角形晶柱
压电效应分为： 正压电效应：上述现象为正压电效应，传感器利用正压电效应。 逆压电效应：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。
5.1.1 压电式传感器基本原理
当力的方向改变时，电荷的极性随之改变; 输出电压的频率与动态力的频率相同； 当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。
离，产生静电荷感应干扰。 减小方法：固定好传感器的引出电缆和选用低噪声电缆。 2）应减小接地回路噪声 产生原因：不同电位处多点接地，形成了接地回路和回路电流。 减小方法：传感器与被测对象绝缘连接，并使测试系统同一点接地。
5.1.2 压电式传感器的应用
3.高分子压电材料及其应用
高分子压电材料是近年来发现的一种新型电致动聚合物材料。 其压电特性并不是很好，但它易于大批量生产，且具有面积大、柔 软不易破碎等优点，可用于微压测量和机器人的触觉。
压电式压力传感器原理及应用
压电式压力传感器原理及应用自动化研1302班王民军压电式压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器。
而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也叫压电式压电传感器。
压电式压力传感器可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。
也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。
它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。
一、压电式传感器的工作原理1、压电效应某些离子型晶体电介质（如石英、酒石酸钾钠、钛酸钡等）沿着某一个方向受力而发生机械变形(压缩或伸长)时，其内部将发生极化现象，而在其某些表面上会产生电荷。
当外力去掉后，它又会重新回到不带电的状态，此现象称为“压电效应”。
压电式传感器的原理是基于某些晶体材料的压电效应。
2、压电式压力传感器的特点压电式压力传感器是基于压电效应的传感器。
是一种自发电式和机电转换式传感器。
它的敏感元件由压电材料制成。
压电材料受力后表面产生电荷。
此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。
压电式压力传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量，如压力、加速度等(见压电式压力传感器、加速度计)。
压电式压力传感器是利用压电材料的压电效应将被测压力转换为电信号的。
由压电材料制成的压电元件受到压力作用时产生的电荷量与作用力之间呈线性关系：Q=k*S*p。
式中 Q为电荷量；k为压电常数；S为作用面积；p为压力。
通过测量电荷量可知被测压力大小。
压电式压力传感器的工作原理与压电式加速度传感器和力传感器基本相同，不同的是弹性元件是由膜片等把压力转换成集中力，再传给压电元件。
为了保证静态特性及稳定性，通常多采用压电晶片并联。
在压电式压力传感器中常用的压电材料有石英晶体和压电陶瓷，其中石英晶体应用得最为广泛。
二、压电压力传感器等效电路和测量电路在校准用的标准压力传感器或高精度压力传感器中采用石英晶体做压电元件外，一般压电式压力传感器的压电元件材料多为压电陶瓷，也有用高分子材料(如聚偏二氟乙稀)或复合材料的合成膜的。
压电式传感器的工作原理
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压电式传感器的工作原理
陶瓷片极化
压电陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图
自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符合相反而数值相等， 它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外的作用， 因此陶瓷片对外不表现极性。
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压电式传感器的工作原理
压电陶瓷的正压电效应
压电陶瓷片上加上一个与极化反向平行的外力， 陶瓷片将产生压缩变形，原来吸附在极板上的 自由电荷，一部分被释放而出现放电现象。 当压力撤消后，陶瓷片恢复原状，片内的正、 负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因 此电极上又吸附部分自由电荷而出现充电现象。
的1/30。 优点： 转换效率和转换精度高、线性范围宽、重复性好、
固有频率高、动态特性好、工作温度高达 550℃（压电系数不随温度而改变）、工作湿 度高达100%、稳定性好。
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压电式传感器的工作原理
2. 压电陶瓷的压电效应
人工制造的多晶体，压电机理与压电晶体不同。
压电陶瓷的极化
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iddQ td11Fmcots
Ijd11F
。
Ui
d11F1jjRRC
输入电压的幅值
uim
d11 FmR 1(R)2(CaCcCi)2
当作用力是静态力（ω=0） 时，前置放大器的输入电压为零。 原理上决定了压电式传感器不能测量静态物理量。 压电式传感器突出优点：高频响应相当好。
压电式传感器的工作原理
1. 石英晶体的压电效应
X轴：电轴或1轴； Y轴：机械轴或2轴； Z轴：光轴或3轴。
“纵向压电效应”：沿电轴（X轴）方向的力作用下产生电荷 “横向压电效应”：沿机械轴（Y轴）方向的力作用下产生电荷 在光轴（Z轴）方向时则不产生压电效应。
压电式力传感器
压电式力传感器学生学号学生姓名专业班级指导教师起止日期设计目的：目录5力传感器5.3压电式力传感器5.3.1压电式传感器工作原理5.3.2压电式传感器测量电路5.3.3压电式传感器的结构5.3.4压电式传感器的应用5.3.1压电式传感器工作原理1.压电效应（1）正压电效应（2）逆压电效应利用逆压电效应可制成多种超声波发生器和压电扬声器。
如图所示是压电效应的示意图。
2.压电材料的分类及特性压电式传感器中的压电元件材料一般有三类：一类是压电晶体（单晶体）；另一类是经过极化处理的压电陶瓷（多晶体）；第三类是高分子压电材料。
（1）石英晶体（2）水溶性压电晶体（3）铌酸锂晶体（4）压电陶瓷1）钛酸钡压电陶瓷2)锆钛酸铅系压电陶瓷3)铌酸盐系压电陶瓷（5）压电半导体（6）高分子压电材料3.压电元件常用的结构形式在压电传感器中，常用两片或多片组合在一起使用。
如图所示。
在以上两种连接方式中，并联法输出电荷大，本身电容大，因此时间常数也大，适用于测量缓变信号，并以电荷量作为输出的场合。
串联法输出电压高，本身电容小，适用于以电压作为输出量以及测量电路输入阻抗很高的场合。
4.压电材料的选择（1）具有较大的压电常数。
（2）压电元件的机械强度高、刚度大并具有较高的固有振动频率。
（3）具有高的电阻率和较大的介电常数，以期减少电荷的泄露以及外部分布电容的影响，获得良好的低频特性。
（4）具有较高的居里点。
（5）压电材料的压电特性不随时间蜕变，有较好的时间稳定性。
5.3.2压电式传感器测量电路1.压电式传感器的等效电路压电式传感器在受外力作用时，在两个电极表面将要聚集电荷，且电荷相等，极性相反。
这时它相当于一个以压电材料为电介质的电容器，其电容量为：因此，可以把压电式传感器等效成一个与电容相并联的电荷源，如图a所示，也可以等效成一个电压源，如图b所示。
压电式传感器与测量仪表连接，还必须考虑电缆电容Cc，放大器的输入电阻Ri 和输入电容Ci以及传感器的泄露电阻Ra。
压电式传感器
（5）和氧离子（6）都向内移动同样数值；硅离子（1）和氧离子（4）向
x 轴方向扩伸，所以y 轴方向上不带电荷，而在x 轴正向呈负电荷，在x 轴 负向呈正电荷。
如果在 y 轴方向施加拉力，如图b所示，结果在x 轴负向呈负电荷，在 x 轴正向呈正电荷。 这种沿y轴施 加力，而在垂直 于x轴的晶面上产 生电荷的现象， 称为“横向压电 效应”。
当在电轴 x 方向施加作用力Fx时，在与电轴（x）垂直的平面上将产生
电荷 Qx ，其大小为
Qx d11Fx
d11—— x 轴方向受力的压电系数；
（d11 =±2.31×10-12C/N，对右旋石英晶体，受压时取+，受拉时取-）
若在同一切片上，沿机械轴y 方向施加作用力Fy ，则仍在与x 轴垂直的 平面上将产生电荷Qy，其大小为
第5章 压电式传感器
当石英晶体受到沿 x轴方向的压力作用时（厚度变形），将产生如图b所 示压缩变形，正、负离子的相时位臵随之变动，正、负电荷中心不再重合。 硅离子（ 1 ）被挤入氧离子（ 2 ）和（6 ）之间，氧离子（ 4 ）被挤入硅离子 （3）和（5）之间，电偶极矩在 x 轴方向的分量（P1＋P2＋P3）x> 0，（P1 ＋P2＋P3）y= 0，（P1＋P2＋P3）z= 0，结果在x轴负向呈负电荷，在x 轴正向 呈正电荷；
第5章 压电式传感器
② 有机高分子压电材料
其一，是某些合成高分子聚合物，经延展拉伸和电极化后具有
压 电 性 的 高分 子 压 电 薄膜 ， 如 聚 氟乙 烯 （ PVF ） ， 聚 偏 氟乙烯 （PVF2）、聚氯乙烯（PVC）、聚γ甲基－L谷氨酸脂（PMC）和尼 龙11等。 这些材料的独特优点是质轻柔软，抗拉强度高，蠕变小，耐冲 击，体电阻达 162Ω·m，击穿强度为 150~200kV/mm，声阻抗近于水 和生物体含水组织，热释电性和热稳定性好，且便于批量生产和大 面积使用，可制成大面积阵列传感器乃至人工皮肤。 其二，是高分子化合物中掺杂压电陶瓷（锆钛酸铅或钛酸钡)粉 末制成的高分子压电薄膜。 这种复合压电材料同样保持了高分子压电薄膜的柔软性，而且 还具有较高的压电性和机电耦合系数。
压电式传感器的应用和原理
压电式传感器的应用和原理应用领域压电式传感器是一种广泛应用于各个领域的传感器，主要包括以下几个方面的应用：1.工业自动化：在工业自动化领域中，压电式传感器常被用于测量力、压力、力矩等参数，可以实时监测设备的工作状态，保证生产过程的稳定性和安全性。
2.汽车工业：在汽车工业中，压电式传感器被广泛应用于发动机控制、刹车系统、悬挂系统等方面，可以实时监测汽车的各项参数，提高行驶安全性和驾驶舒适性。
3.医疗设备：在医疗设备中，压电式传感器可以用于测量心率、呼吸、体温等生命体征参数，用于疾病诊断、治疗和康复监测，为医疗工作者提供精准的数据支持。
4.空气质量监测：压电式传感器可以用于监测空气质量，检测并记录大气中的各种有害气体，为改善环境质量提供客观数据。
5.智能穿戴设备：压电式传感器适用于智能手环、智能手表等穿戴式设备中，可以实时监测心率、睡眠质量、运动步数等健康指标，为用户提供全面的健康数据。
工作原理压电式传感器的工作原理基于压电效应，压电效应是指某些特定的材料在受到机械应力作用时，会产生正比于应力大小的电荷。
压电式传感器通常由一个或多个压电晶体组成，压电晶体一般为陶瓷材料，具有压电效应。
当外部施加压力或力矩时，压电晶体发生微小的尺寸变化，导致晶格结构的变化，从而产生极性的电荷。
这种电荷的变化可以通过电路进行测量和记录。
压电式传感器通常由以下几个主要组件构成：1.压电晶体：负责将机械应力转换为电荷信号，并根据机械应力的大小和方向产生相应的电荷。
2.支撑结构：提供对压电晶体的支持和保护，使其能够承受外部应力并稳定工作。
3.信号调理电路：负责将压电传感器输出的微弱信号放大和处理，以便能够进行准确的测量和记录。
压电式传感器的工作原理可以用以下步骤总结：1.压电晶体受到外部力或压力作用，发生微小的尺寸变化。
2.压电晶体的晶格结构发生相应的变化，产生极性的电荷。
3.电荷被信号调理电路检测和放大。
4.信号被记录或用于控制其他设备。
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）
霍尔元件的输出电阻
实物图片
5.1.3
特性分析
磁电感应式传感器是惯性式拾振器，适用于测 量动态物理量，因此动态特性是这种传感器的主要 性能。其等效电路如下(L传感器线圈电感、Ｒ线圈电阻)
1、主要技术指标： （1）输出电流I0 ： I0=e/(R+Rf )=B0lNv /(R+Rf ) （2）电流灵敏度Si ： Si=I0 /v =B0lN /(R+Rf ) （3）输出电压U0
温度误差:
产生原因：B、l、R均随温度变化，使δx≠0， 而且该误差足够影响测量精度。 解决办法：采用热磁分流器补偿。
3、频率响应特性分析
磁电感应式传感器是机－电能量变换型传感器，其 等效系统如图所示，为二阶系统。 其运动方程为 ：
m dV (t ) dV (t ) cV (t ) K V (t )dt m 0 dt dt
(magnetoelectric)作用将被测物理量的变化转变为感 应电动势，是一种机－电能量变换型传感器。 优点：输出功率大，性能稳定，且不需要工作电源。 调理电路简单，性能稳定，输出阻抗小，具有一定频 率响应（一般10～1000Hz），灵敏度较高，一般不需 要高增益放大器。 缺点：传感器的尺寸和重量都较大。 应用：适用于振动、转速、扭矩等测量。
1、磁电式振动速度传感器
CD/BCD-21 系列利用线圈在永久磁场中作切割磁力线运
动，产生与振动速度成正比的电压信号。经放大，微分或积分运 算可测振动速度、加速度或位移。灵敏度高难度、内阻低。在机
K /m
；
ξ—传感器运动系统的阻尼比，
c /(2 mK )
传感技术(5压电)
前述电缆问题使得传感器的使用很不方便。而集成电路技术的发展已有 了解决这一问题的方法——一体化传感器，即敏感（压电）元件与电压放大 器都置于传感器内部。这样连接导线很短，分布电容几乎为零，取消了分布 电容对传感器灵敏度的影响。 实例： V1为自给栅极偏压的MOS型场效应 管构成的源极输出器。V3为V1、V2 的有源负载。由于V2的集电极和发射 极间的动态电阻非常大，所以提高了 放大器的输出电压；同时，由于电路 具有很强的负反馈，所以放大器的增 益稳定，不受晶体管特性和电源波动 的影响。这种一体化传感器的输出电 平高，输出阻抗小，在不需附加放大 器的情况下，使用普通同轴电缆就可 以输出满足要求的伏级电信号。
5.2压电材料
压电材料可分为三大类：压电晶体、压电陶瓷、 新型压电材料。压电晶体是一种单晶体，例如石英晶体、 酒石酸钾钠、铌酸锂；压电陶瓷是一种人工制造经极化 处理的多晶体，如：钛酸钡、锆钛酸铅；新型压电材料 是新一代的压电材料，如聚偏二氟乙烯（PVF2）、压 电橡胶等高分子有机物，以及压电半导体材料。 5.2.1压电晶体 压电晶体的种类很多，如：石英、酒石酸钾钠、 电气石、磷酸铵、硫酸锂等。
2.电荷放大器
电荷放大器是具有反馈电容的 高增益运算放大器。当放大器的开 环增益k、输入电阻Ri、反馈电阻 Rf相当大时，放大器的输出电压Usc 正比于输入电荷q。即：
Usc=-kUsr
因为Usr=q/C
C=Ca+Cc+Ci+Cf(k+1)
所以：Usc=-kUsr=-kq/C=-kq/( Ca+Cc+Ci+Cf(k+1)) k很大时，有：Cf(k+1)>>(Ca+Cc+Ci) 故： Usc=-q/Cf 可见，电荷放大器的输出Usc与电荷q成正比，与电缆电容Cc无关。
压电式传感器介绍、特点及应用
5.1 压电效应及压电材料
输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能） 之比的平方根； 它是衡量压电材料机电能量转 换效率的一个重要参数。 （5）电阻压电材料的绝缘电阻：将减少电荷泄 漏，从而改善压电传感器的低频特性。 （6） 居里点：压电材料开始丧失压电特性的温 度称为居里点。
5.1.1 石英晶体
压电式传感器介绍、 特点及应用
1 5.1 压电效应及压电材料 2 5.2 压电式传感器的等效电路 3 5.3 压电式传感器的测量电路 4 5.4 压电式传感器的
概述
压电式传感器的工作原理是基于某些介质 材料的压电效应，是典型的有源传感器。 当某些材料受力作用而变形时，其表面会有 电荷产生，从而实现非电量测量。 压电式传感器具有体积小，重量轻，工作频 带宽、灵敏度高、工作可靠、测量范围广等 特点，因此在各种动态力、 机械冲击与振动 的测量，以及声学、医学、力学、宇航等方 面都得到了非常广泛的应用。
5.1 压电效应及压电材料
若从晶体上沿y方向切下一块如下图所示晶片，当
在电轴方向施加作用力F x 时，在与电轴x垂直的平 面上将产生电荷Qx，其大小为
式中：
Qx d11Fx
d 1 1 ——x方向受力的压电系数； F x ——作用力。
Fx - - + + Fx
在y、z方向上的分量为: (P1+P2+P3)y = 0 (P1+P2+P3)z= 0
- + P1 P3 - + x
-
P2
+
- - ++
(b) Fx<0
当晶体受到沿x方向的拉力（Fx ＞0）作用时，其变化情
况如图5-3（c）所示。电偶极矩P1增大， P2、 P3减小，
第5章压电式传感器力F电荷Q.
5.2 压电材料及其压电机理
石英晶体的压电常数矩阵为
d11 0 0 d12 0 0 0 0 0 d14 0 0 0 d 25 0 0 d11 d11 0 d14 0 0 0 d 26 0 0 0 d 2 d 14 11 0 0 0 0 0 0 0
Sx Sx Q d32 F d 31 F Sy Sy
(5-11)
式中，Sx—极化面的面积；Sy—受力面的面积。
5.2 压电材料及其压电机理
对于Z轴方向极化的钛酸钡(BaTiO3)压电陶瓷的压电常数 矩阵为
0 0 0 d ij 0 0 0 d 31 d 32 d 33
5.2 压电材料及其压电机理
5．2．2 压电陶瓷 1．压电效应
压电陶瓷是人工多晶体压电材料。压电陶瓷在没有极化 之前不具有压电效应，是非压电体；压电陶瓷经过极化处 理后具有压电效应，如图5-6所示，其电荷量Q与力F成正 比，即 Q=dij F (5-10) 式中，d33—压电陶瓷的纵向 极化面 压电常数。
图5-6 压电陶瓷的压电效应
5.2 压电材料及其压电机理
压电陶瓷的正交晶系： 压电陶瓷的极化方向，规定为Z轴； 垂直于极化方向（Z轴）的平面内，任意选择—正交轴系 为X轴和Y轴。极化压电陶瓷的平面是各向同性的，因此， 它的X轴和Y轴是可以互易的，对于压电常数，可用等式 d32=d31来表示。 极化压电陶瓷受到如图5-6(b)所示的横向均匀分布的作用 力F时，在极化面上分别出现正、负电荷，其电量Q为
5.2 压电材料及其压电机理
2．压电机理
压电晶体的压电效应的产生是由于晶格结构在机械力的作用下发生 变形所引起的。 石英晶体的化学分子式为SiO2，在一个晶体结构单元(晶胞)中，有三 个硅离子Si4+和六个氧离子O2，石英晶体的内部结构等效为硅、氧离子 的正六边形排列，如图5-5所示，图中“”代表Si4+ 、“ ”表示O2 , 形成 三个互成120º 夹角的电偶极矩Pl、P2和P3。
压电式传感器总结
.
U srd33F m sint1j
jR R (C aC cC i)
因此前置放大器的输入电压幅值Usm为：
Usrm
d33FmR 12R2(CaCcCi)2
定义压电传感器输出电压灵敏度为：
K uU F sm rm1 精选p2 pR t 2 d (3 C 3aR C cC i)2
28
当 2R 2(C aC cC i)2 1，可得
精选ppt
U
a
Q Ca
精选ppt
21
压电元件的等效电路 若考虑负载，则等效电路如下：
精选ppt
22
假设一恒定力F作用于压电元件，产生电量Q，则输出电压：
ua
Q C Ca
Q Cc Ci
Ø 压电传感器本身产生的电荷量很小，且传感器本身的电阻很
大(压电元件漏电阻Ra一般在1013~1014Ω以上)，因此输出信号很
(d)面切变形(FS)；精选(ep)pt剪切变形(TS)
5
电致伸缩效应：即电介质在电场的作用下，由于感应极化 作用而产生应变，应变大小与电场平方成正比，与电场方向无 关。压电效应仅存在于无对称中心的晶体中。而电致伸缩效应 对所有的电介质均存在，不论是非晶体物质，还是晶体物质， 不论是中心对称性的晶体，还是极性晶体。
具有较高的压电系数(d33=200~500×10-12C/N)和居里点 (300℃以上)，各项机电参数随温度、时间等外界条件的变化小， 在锆钛酸铅的基方中添加一两种微量元素，可以获得不同性能 的PZT材料。是传感器中经常采用的一种压电材料。
精选ppt
19
３. 高分子聚合物压电薄膜 聚二氟乙烯(PVF2)、聚氟乙烯(PVF)、聚氯乙烯(PVC)、聚
（一）压电材料的主要特性
压电式传感器的测量电路
前置放大器的作用：一是将传感器的高阻抗输出变 换为低阻抗输出；二是放大传感器输出的微弱电信 号。 前置放大器电路有两种形式：一是用电阻反馈的电 压放大器，其输出电压与输入电压(即传感器的输出) 成正比；另一种是用带电容板反馈的电荷放大器， 其输出电压与输入电荷成正比。由于电荷放大器电 路的电缆长度变化的影响不大，几乎可以忽略不计， 故而电荷放大器应用日益广泛。
作用于压电元件的力为静态力（ω=0）时， 前置放大
器的输出电压等于零， 因为电荷会通过放大器输入电
阻和传感器本身漏电阻漏掉， 所以压电传感器不能用
于静态力的测量。
当 ω(Ca+Cc+Ci)R>>1 时，放大器输入电压 Uim 如
式（6-10）所示，式中Cc为连接电缆电容，当电缆长
度改变时，Cc也将改变，因而Uim也随之变化。因此， 否则将引入测量误差。
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)
由此可得放大器输入端电压u33im522523在理想情况下传感器的r电阻值与前置放大器输入电阻rr1那么由式522可知理想情况下输入电压幅值uim33上式表明前置放大器输入电压uim与频率无关一般在3时就可以认为uim与无关表示测量电路时间常数之倒数即524这表明压电传感器有很好的高频响应但是当作用于压电元件的力为静态力0时前置放大器的输出电压等于零因为电荷会通过放大器输入电阻和传感器本身漏电阻漏掉所以压电传感器不能用于静态力的测量
压力传感器工作理图解
压力传感器工作理图解————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：压力传感器工作原理图解随着自动化技术的进步，在工业设备中，除了液柱式压力计、弹性式压力表外，目前更多的是采用可将压力转换成电信号的压力变送器和传感器。
那么这些压力变送器和传感器是如何将压力信号转换为电信号的呢？不同的转换方式又有什么特点呢？今天电工学习网为大家汇总了目前常见的几种压的测量原理，希望能对大家有所帮助。
一、压电压力传感器压电式压力传感器主要基于压电效应（Piezoelectric effect），利用电气元件和其他机械把待测的压力转换成为电量，再进行相关测量工作的测量精密仪器，比如很多压力变送器和压力传感器。
压电传感器不可以应用在静态的测量当中，原因是受到外力作用后的电荷，当回路有无限大的输入抗阻的时候，才可以得以保存下来。
但是实际上并不是这样的。
因此压电传感器只可以应用在动态的测量当中。
它主要的压电材料是：磷酸二氢胺、酒石酸钾钠和石英。
压电效应就是在石英上发现的。
当应力发生变化的时候，电场的变化很小很小，其他的一些压电晶体就会替代石英。
酒石酸钾钠，它是具有很大的压电系数和压电灵敏度的，但是，它只可以使用在室内的湿度和温度都比较低的地方。
磷酸二氢胺是一种人造晶体，它可以在很高的湿度和很高的温度的环境中使用，所以，它的应用是非常广泛的。
随着技术的发展，压电效应也已经在多晶体上得到应用了。
例如：压电陶瓷，铌镁酸压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷和钛酸钡压电陶瓷等等都包括在内。
以压电效应为工作原理的传感器，是机电转换式和自发电式传感器。
它的敏感元件是用压电的材料制作而成的，而当压电材料受到外力作用的时候，它的表面会形成电荷，电荷会通过电荷放大器、测量电路的放大以及变换阻抗以后，就会被转换成为与所受到的外力成正比关系的电量输出。
它是用来测量力以及可以转换成为力的非电物理量，例如：加速度和压力。
第5章电动势传感器资料
霍尔电势的计算：
UH
IB ned
RH
IB d
KHI
B
(5.13)
式中：n---N型半导体材料中的电子密度；d---霍尔片的厚度；
e---电子的电荷量，e＝1.602×10-19C；
RH---霍尔系数，RH＝－1/(ne)，由载流材料物理性质决定； ＫH----霍尔元件的灵敏度系数，与材料的物理性质和几何
5.2.4 霍尔元件的误差分析及补偿
由于制造工艺问题以及实际使用时各种影响霍尔元 件性能的因素，如元件安装不合理、环境温度变化等， 都会影响霍尔元件的转换精度，带来误差。
零位误差 霍尔元件误差产生的主要原因：
温度误差
不等位电动势 寄生直流电动势 感应零电势
1、霍尔元件的零位误差及其补偿
霍尔元件的零位误差包括不等位电势、 寄生直流电势和感应零电势等，其中不等 位电势是最主要的零位误差。要降低除了 在工艺上采取措施以外，还需采用补偿电 路加以补偿。
②霍尔元件结构和外形见附图a：由霍尔片、4根引线和 壳体组成。 霍尔片大小：4mm×2mm×0.1mm 4根引线:2根控制电流端引线（红色导线），要求焊接 处欧姆接触----接触面积大、电阻小，呈纯电阻。2 根霍尔电势输出引线以点接触对焊（绿色线）。
③简化符号见附图2.
附图１ 外形与结构
H
附图2 霍尔元件符号表示
第5章 电动势式传感器
本章包含三部分内容： 5.1 磁电感应式传感器 5.2 霍尔传感器 5.3 压电式传感器
5.1 磁电感应式传感器
简称感应式传感器，也称电动式传感器。 利用磁电作用将被测物理量的变化转变为感应电动势，是 一种机－电能量变换型传感器。
优点：输出功率大，性能稳定，且不需要工作电源。 调理电路简单，性能稳定，输出阻抗小，具有一定频 率响应（一般10～1000Hz），灵敏度较高，一般不需 要高增益放大器。
电压型传感器
dt
dt
dt dt
(b)铁心旋转型
e ANBcos2t
这种结构可做成测角速度
三、结构类型
2 恒磁通结构:
工作气隙中的磁通恒定，感应电动势是由于永 久磁铁与线圈之间有相对运动－线圈切割磁力 线产生。
分为 ：动铁式和动圈式
动铁式
动圈式
基本原理
如果在线圈运动部分的磁场强度B是均匀的， 则当线圈与磁场的相对速度为υ时，线圈的感应电动势：
第5章 电压型传感器
理解常见电压 型传感器的基 基本本工要作求原：理 掌握常见电压 型传感器的测
量电路
主要内容
5.1磁电式传感器 5.2压电式传感器 5.3热电偶传感器 5.4光电传感器 5.5霍尔传感器
5.1 磁电式传感器
通过电磁感应原理将被测量（如振动、转速、 扭矩）转换成电势信号。 利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输 出感应电势；属于机-电能量变换型传感器
优点: 不需要供电电源，电路简单， 性能稳定，输出阻抗小
一、基本原理
磁电式传感器是基于电磁感应原理的传感器。 根据电磁感应定律可得：
e N d
dt
即回路中产生的感应电势与磁通量对时间的 变化律成正比
压电振动传感器原理
压电振动传感器原理
压电振动传感器是一种广泛用于测量机械振动和声压级的传感器，它的工作原理基于压电效应。
压电效应是指某些材料在受到外部压力或应变时会产生电荷或电势的变化，反之亦然。
以下是压电振动传感器的工作原理：
1. 压电材料：压电振动传感器的核心部分是一个压电材料，常用的压电材料包括石英晶体、陶瓷和聚偏氟乙烯（PVDF）等。
这些材料具有压电性质，即当它们受到机械应力或振动时，会在其表面产生电荷。
2. 传感器结构：压电振动传感器通常包括一个薄片状的压电材料，其一侧连接到机械振动源或声压源。
当机械振动或声压作用于传感器表面时，压电材料会变形或振动。
3. 电极：压电材料的两侧通常附有电极，用于收集产生的电荷或电势变化。
当材料发生振动或受到应力时，电荷分布会发生变化，从而在电极之间产生电压信号。
4. 信号处理：传感器的电压信号会通过电缆传输到信号处理器或数据采集系统。
这些系统可以测量、记录和分析传感器输出，以获得有关振动或声压的信息。
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5.3 压电式传感器
5.3.1 压电式传感器的工作原理
5.3.2 等效电路及信号变换电路
5.3.3 压电式加速度传感器
5.3.4 压电式测力传感器
5.3.1 压电式传感器的工作原理
电势型传感器以压电效应为基础
压电效应可逆“双向传感器”
正压电效应
加力变形产生电荷
逆压电效应
施加电场电介质产生变形应力
常见的压电材料有石英、钛酸钡、
锆钛酸铅等。
1. 石英晶体的压电效应
晶体切片
当沿电轴方向加作用力F x时，则在与电轴垂直的平面上产生电荷
石英晶体的压电效应
石英晶体
一种天然晶体，压电系数d11＝2.31×10－12C/N；
莫氏硬度为7、熔点为1750℃、膨胀系数仅为钢的1/30。
优点：
转换精度高、线性范围宽、重复性好、固有频率高、动态特性好、工作温度高达550℃（压电系数不
随温度变化而改变）、工作湿度高达100%、稳定性好。
2. 压电陶瓷的压电效应
人工制造的多晶体，压电机理与压电晶体不同。
陶瓷片极化
压电陶瓷的正压电效应
压电陶瓷片上加上一个与极化反向平行的外力，陶瓷片将产生压缩变形，原来吸附在极板上的自由电荷，一部分被释放而出现放电现象。
当压力撤消后，陶瓷片恢复原状，片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因此电极上又吸附部分自由电荷而出现充电
现象。
5.3 压电式传感器
5.3.1 压电式传感器的工作原理
5.3.2 等效电路及信号变换电路
5.3.3 压电式加速度传感器
5.3.4 压电式测力传感器
5.3.2 等效电路及信号变
换电路
1. 压电元件的等效电路
2. 压电式传感器的信号调节电路1. 压电元件的等效电路
压电式传感器的等效电路
两个压电片的联接方式2. 压电式传感器的信号调
节电路
压电式传感器要求负载电阻R L必须有很大的数值，才能使测量误差小到一定数值以内。
因此常先接入一个高输入阻抗的前置放大器，然后再接一般的放大电路及其它电路。
测量电路关键在高阻抗的前置放大器。
前置放大器两个作用:
把压电式传感器的微弱信号放大；
把传感器的高阻抗输出变换为低阻
抗输出。
（1）电压放大器
电压放大器应用限制
压电式传感器在与电压放大器配
合使用时，连接电缆不能太长。
电缆长，电缆电容C c就大，电缆电容增大必然使传感器的电压灵敏度降低。
电压放大器与电荷放大器相比，电路简单，元件少，价格便宜，工作可靠，但是电缆长度对传感器测量精度的影响较大，在一定程度上限制了压电式传感器在某些场合的应用。
解决电缆问题的办法
将放大器装入传感器中，组成一体化传感器。
（2）电荷放大器
压电式传感器另一种专用的前置
放大器。
能将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源，而且输出电压正比于输入电荷，因此，电荷放大器同样也起着阻抗变换的作用，其输入阻抗高达1010~1012Ω，输出阻抗小于100Ω。
使用电荷放大器突出的一个优点：在一定条件下，传感器的灵敏度与电缆长度无关。
压电传感器与电荷放大器连接等效电路
5.3 压电式传感器
5.3.1 压电式传感器的工作原理
5.3.2 等效电路及信号变换电路
5.3.3 压电式加速度传感器
5.3.4 压电式测力传感器
5.3.3 压电式加速度传感器
测量原理
当传感器感受振动时，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的作用。
这样，质量块就有一正比于加速度的交变力作用在压电片上。
由于压电片压电效应，两个表面上就产生交变电荷，当振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器的输出电荷（电压）与作用力成正比，亦即与试件的加速度成正比。
输出电量由传感器输出端引出，输入到前置放大器后就可以用普通的测量仪器测出试件的加速度，如在放大器中加进适当的积分电路，就可以测出试件的振
动速度或位移。
5.3 压电式传感器
5.3.1 压电式传感器的工作原理
5.3.2 等效电路及信号变换电路
5.3.3 压电式加速度传感器
5.3.4 压电式测力传感器
5.3.4 压电式测力传感器
压电元件是直接把力转换为电荷的传感器。
变形方式：利用纵向压电效应的TE方式最简便。
材料选择：决定于所测力的量值大小，对测量误差提
出的要求、工作环境温度等各种因素。
晶片数目：通常是使用机械串联而电气并联的两片。
晶片电气并联两片，可以使传感器的电荷
输出灵敏度增大一倍。
单向压电式测力传感器
用于机床动态切削力的测量。
压电式压力传感器
测量均布压力的传感器。