压电式加速传感器及其应用
压电式加速度传感器
压电式加速度传感器(1)压电式加速度计的结构和安装压电式加速度传感器又称压电加速度计。
它也属于惯性式传感器。
它是利用某些 物质如石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也 随之变化。
当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时， 则力的变化与被测加 速度成正比。
由于压电式传感器的输出电信号是微弱的电荷， 而且传感器本身有很大内阻，故 输出能量甚微，这给后接电路带来一定困难。
为此，通常把传感器信号先输到高输入阻抗的前置放大器。
经过阻抗变换以后，方可用于一般的放大、检测电路 将信号输给指示 仪表或记录器。
目前，制造厂家已有把压电式加速度传感器与 前置放大器集成在一起的产品，不仅方便了使用，而且也大大降低了成本。
常用的压电式加速度计的结 构形式如图13.18所示。
S 是弹簧，M 是质块，B 是基座，P 是压电元件，R 是夹持环。
图13.18a 是中央安 装压缩 型，压电元件一质量块一弹 簧系统装在圆形中心支柱振频率。
然而基座 B 与测试对 象连接时，如果基座B 有变形则将 直接影响拾振器输出。
此外，测试对象和环境温度变化将影响压电元件，并使预紧力发生变化，易引起温度漂移。
图13.18c 为三角剪切形，压电元件由夹持环 将其夹牢在三角形中心柱上。
加速度计感受轴向振动时，压电元件承受切应力。
这种结构对底座变形和温度变化有极好的隔离作用，有较高的共振频率和良好的线性。
图13.18b 为环形剪切型，结构简单，能做成极小型、高共振频率的加速 度计，环形质量块粘到装在中心支柱上的环形压电元件上。
由于粘结剂会随温度 增高而变 软，因此最高工作温度受到限制。
图13.18压电式加速度计(a)中心安装压缩型(b)环形剪切型(c)三角剪切型保证幅值误差低于1dB （即卩12% ;若取为共振频率的1/5,则可保证幅值误差 小于0.5dB （即6%，相移小于3°。
但共振频率与加速度计的固定状况有关，加 速度计出厂时给出的幅频曲线是在刚性连接的固定情况下得到的。
压电式传感器的工作原理和应用
压电式传感器的工作原理和应用1. 压电式传感器的工作原理压电式传感器是一种基于压电效应的传感器，利用压电材料的压电效应将机械能转化为电能。
压电效应是指某些晶体在受到压力或振动时会产生电荷，并且这种电荷与压力或振动的大小成正比。
常用的压电材料包括石英、陶瓷等。
这些材料具有特殊的晶体结构，使得在压力或振动作用下，晶格发生畸变，从而使晶体表面产生电荷。
压电式传感器通常由压电材料、电极和支撑结构组成。
当外力施加在压电材料上时，压电材料发生形变，导致电荷的积累。
电极将电荷收集，并通过导线传输到测量电路中。
2. 压电式传感器的应用2.1 压力传感器压力传感器是压电式传感器的一种常见应用。
由于压电材料对压力具有敏感性，因此可以将压电材料作为传感器的敏感元件，用于测量各种介质的压力。
压力传感器广泛应用于工业控制、医疗设备、环境监测等领域。
例如，在工业控制中，压力传感器可用于监测液体或气体的压力，从而实现对设备状态的监测和控制。
在医疗设备中，压力传感器可用于血压监测、呼吸机控制等应用。
2.2 加速度传感器加速度传感器是另一种常见的压电式传感器应用。
加速度传感器用于测量物体在运动过程中的加速度。
当物体受到加速度时，压电材料会发生振动，并产生电荷信号，通过测量电荷信号的大小可得到物体的加速度。
加速度传感器在车辆安全、航空航天、工程结构监测等领域有着广泛的应用。
例如，汽车中的车辆稳定系统会使用加速度传感器监测车辆的倾斜角度和加速度，以实现提高行驶安全性能。
2.3 声音传感器压电式传感器还可以用作声音传感器。
当声波通过压电材料时，材料内的晶体结构会发生振动，从而产生电荷信号。
通过测量这种电荷信号的大小，可以实现对声音的测量和分析。
声音传感器在声学测量、语音识别、噪音控制等领域有广泛的应用。
例如，在噪音控制系统中，声音传感器可以用于捕捉环境噪音信号，并通过控制系统反馈，实现噪音的消除或降低。
3. 总结压电式传感器利用压电效应将机械能转化为电能，以实现对外界力的测量。
压电式传感器的原理及应用
压电式传感器的原理及应用压电式传感器是一种应用了压电效应的传感器，通过将压电材料置于受力区域，当被测物体发生变形或受力时，压电材料发生形变，从而产生电荷信号，利用该信号来测量被测量的变化情况。
一、压电效应的原理压电效应是一种物理现象，指在压力或拉伸下，某些晶体（通常是晶体的极性方向）会产生电位差。
这种效应被广泛应用于各种传感器中，特别是在加速度计、其它惯性传感器、压力传感器和液位传感器等方面。
二、压电式传感器的原理压电式传感器通常由压电晶体和测量电路组成。
当被测物体发生形变或受力时，压电材料中的极性方向的晶体产生压电效应，导致产生电荷的位移，并与电荷电容匹配的放大器或其他电路连接。
由于被测量的变化（压力，成形，位移等）与电荷位移之间存在特定关系，所以可以根据电荷电荷读数来确定被测物体发生变化的精确程度。
三、压电式传感器的应用由于压电效应具有高灵敏度、高频响应、耐腐蚀、抗干扰等优点，压电式传感器在各种领域得到广泛应用。
1.压力测量：压电式传感器常用于压力传感器的制造，用于测量汽车轮胎、气缸、油压和空气压力等。
2.振动测量：压电式传感器还可以用于测量机器和车辆的振动水平，以便定位有问题的部件。
3.流量测量：压电式传感器在流量测量中应用广泛，例如在医疗方面测量血流，工业方面可以应用于计算液体的流量。
4.力学测试：压电式传感器的高灵敏度和高频响应特性，在体育、自然科学和工程学中用于测量冲击、震动和变形等量。
5.地震观测：压电式传感器还可以用于地震观测，以便在监测过程中测量地震的振动率。
压电式传感器在上述应用领域中具有重要作用，并与其他类型的传感器如压阻式传感器、光电式传感器、磁性传感器等合作，实现了各种领域的数据测量工作，体现了良好的应用前景。
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。
压电式传感器及其应用
压电式加速度传感器及其应用一、压电式加速度传感器原理压电式加速度传感器又称压电加速度计。
它也属于惯性式传感器。
它是利用某些物质如石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。
当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。
加速度传感器是一种惯性传感器,它能感受加速度并转换成可用输出信号，被广泛用于航空航天、武器系统、汽车、消费电子等。
实际电路图如下：二、压电式加速度传感器构成元件预压弹簧压电元件外壳质量块基座常用的压电式加速度计的结构形式如图所示，是由预压弹簧，质量块，基座，压电元件和外壳组成。
图中为环形剪切型，结构简单，能做成极小型、高共振频率的加速度计，环形质量块粘到装在中心支柱上的环形压电元件上。
由于粘结剂会随温度增高而变软，因此最高工作温度受到限制。
三、压电式加速度传感器的实际应用加速度传感器应用范围广泛，一般来讲它有六种检测感应功能：倾斜度检测、运动检测、定位检测、震动检测、振动检测和自由落下检测。
(一)倾斜度检测加速度传感器水平放置时，在重力作用下经激励有一定幅度的输出，当与重力方向有倾角时，传感器信号输出幅度会有所变化，对两种状态下信号输出进行比较计算可推算出倾斜角的大小，应用双轴、三轴加速度传感器就可测出任意倾斜角的大小和方向。
利用加速度传感器测量倾斜度的这种检测感应功能，加速度传感器可应用于倾斜仪、倾斜度侦测电子罗盘、图像旋转、文本滚动浏览／用户界面、LCD投影和物理治疗法等方面。
飞思卡尔半导体公司推出的MMA7260Q三轴加速度传感器是用于倾角测量的典型应用之一，它以重力为输入矢量来决定物体在空间的姿态。
把加速度传感器固定于物体的水平面上，当物体姿态改变时，加速度传感器的敏感轴随之转动一定角度，由于重力的作用，传感器敏感轴上的加速度会发生改变，因此可通过测量加速度的变化来反映物体姿态的变化。
(二) 运动检测在进行运动检测时，需要考虑几个因素：如何计算它的位移，g 值的范围选择及使用量测轴。
压电式传感器的发展和应用
压电式传感器的发展和应用摘要：压电式传感器是以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量测量。
压电传感元件是力敏感元件，所以它能测量最终能变换为力的那些物理量，例如力、压力、加速度等。
压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等优点，因此，在工程力学、生物医学、石油勘探、声波测井、电声学等许多技术领域中获得了广泛的应用。
关键字：压电式传感器，压电效应，发展与应用正文：1.压电式传感器的工作原理1.1压电效应压电式传感器是利用电解质的压电效应工作的。
某些晶体，在一定方向受到外力作用是，内部将产生极化现象，相应的在晶体的两个表面产生符号相反的电荷;当外力作用除去时，又恢复到不带电状态。
当外力方向改变时，电荷的极性也随之改变，这种现象称为压电效应。
1.2压电材料压电材料分三类压电晶体，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。
1.3压电式传感器等效电路右图是压电压电式传感器的等效电路。
当压电传感器中的压电晶体承受被测机械应力的作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。
其电容量为2.压电式传感器的发展2.1压电式传感器的发展压电传感器技术的发展历程可分为三个阶段。
第一个阶段是60～70年代，传感器以电荷输出为主，测量系统包括压电传感器和以电荷放大器为主的信号适调装置；到了80～90年代中期，出现了IEPE(In Electronics Piezoelectricity)传感器，也被称为低阻抗电压输出传感器，它主要解决了压电信号以高阻抗传输带来的一系列问题；第三阶段是90年代中期至今，即插即用智能TEDS 混合模式接口传感器2.2国内发展现状在我国压电传感器的研究与应用明显落后于世界先进水平，自70年代以来，压电传感器的应用主要是为了满足航天技术发展的需要。
改革开放之后，随着引进国外先进技术和管理经验，国民经济进入快阶段，现代测量技术的发展与应用成为必然。
压电式传感器传感器技术及应用课件
在航空航天中的应用案例
压电式传感器在航空航天领域中可以 用于测量飞行器的压力、振动等参数， 保障飞行器的安全性和稳定性。
VS
例如，在飞机发动机中，压电式传感 器可以监测涡轮的工作状态，控制发 动机的运转，提高飞机的安全性能。
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它们能够提供连续、准确的生理数据， 帮助医生及时了解患者的病情和做出 准确的诊断。
航空航天
01
在航空航天领域，压电式传感器 主要用于监测飞机的气动性能、 发动机工作状态以及航天器的空 间环境等。
02
它们能够提供高精度、高可靠性 的数据，帮助保证飞机的安全和 航天器的正常工作。
03 压电式传感器的设计与制 造
02 压电式传感器的应用领域
工业自动化
压电式传感器在工业自动化领域中广泛应用于测量和控制，如压力、位移、振动和 加速度等物理量的测量。
它们能够提供高精度、高可靠性的数据，帮助实现自动化生产线的精确控制和优化。
压电式传感器还可以用于工业安全系统中，例如检测机器的异常振动或压力变化， 以预防潜在的故障或事故。
制作工艺
采用陶瓷工艺、薄膜工艺等制作技术 ，将压电材料制成具有特定结构和性 能的元件。
压电式传感器的封装与测试
封装材料
选择合适的封装材料，如环氧树脂、陶瓷等，以保护压电元件免受环境的影响。
测试方法
对封装后的传感器进行性能测试，包括灵敏度、频率响应、温度稳定性等方面 的测试。
04 压电式传感器的校准与标 定
压电式传感器传感器技术及应用课 件
目录
• 压电式传感器技术概述 • 压电式传感器的应用领域 • 压电式传感器的设计与制造 • 压电式传感器的校准与标定 • 压电式传感器的发展趋势与展望 • 实际应用案例分析
压电式传感器及应用解读
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压电元件的等效电路
压电元件等效为一个与电容相并联的电荷源，也 可以等效为一个与电容相串联的电压源，
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休息一下！！
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8.3压电式传感器的应用 8.3.1 压电传感器的基本结构
在压电式传感器中，为了提高灵敏度，往往采用多片压电 晶片粘结在一起。其中最常用的是两片结构。由于压电元 件上的电荷是有极性的，因此接法有串联和并联两种 串联接法输出电压高，本身电容小，适用于以电压为输出 量及测量电路输入阻抗很高的场合；并联接法输出电荷大， 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。
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压电元件实际的等效电 路图
压电式传感器不能用于静态测量。压电元件只有 在交变力的作用下，电荷才能源源不断地产生， 可以供给测量回路以一定的电流，故只适用于动 态测量。
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8.2.2 压电式传感器测 量电路
压电式传感器的内阻很高，要求与高输入阻抗的 前置放大电路配合，与一般的放大、检波、显示、 记录电路连接，防止电荷的迅速泄漏而使测量误 差减少。 压电式传感器的前置放大器的作用有两个：一是 把传感器的高阻抗输出变为低阻抗输出；二是把 传感器的微弱信号进行放大。
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本章小结 某些电介质，当沿着一定方向对它施加压力时， 内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上产 生相反的电荷；当外力去掉后，电介质又重新恢 复为不带电状态；当作用力方向改变时，电荷的 极性也随着改变；晶体受力所产生的电荷量与外 力的大小成正比，这种现象被称为压电效应。相 反，当在电介质极化方向施加电场, 这些电介质 也会产生变形，这种现象称为“逆压电效应” （电致伸缩效应）。 在自然界中大多数晶体具有压电效应, 但压电效 应十分微弱。应用于压电式传感器中的压电元件 材料一般有三类：石英晶体、经过极化处理的压 电陶瓷、高分子压电材料。
压电式传感器原理与应用
压电式传感器原理与应用压电式传感器是一种利用压电效应进行测量的传感器。
压电效应是指在压力作用下，一些晶体会产生电荷分布的改变，从而产生电势差。
压电式传感器利用这种原理，将压力或力的变化转化为电信号输出，从而实现对压力或力的测量。
1.传感器中的压电材料受到外力作用产生变形，从而引起内部电荷分布的改变。
2.内部电荷分布的改变使得传感器的两个电极上产生电势差。
3.传感器将电势差转化为与外力大小成正比的电信号输出。
1.工业自动化：压电式传感器可以用于测量各种物体的压力，如流体管道中的压力、机械设备的挤压力等，从而实现对工业过程的自动控制。
2.汽车工业：压电式传感器可以用于测量汽车发动机的油压、气压等参数，从而实现对发动机的控制和保护。
3.医疗器械：压电式传感器可以用于测量人体体内的压力，如心脏的血压、呼吸的压力等，从而实现对人体生理状态的监测。
4.空气质量监测：压电式传感器可以用于测量空气中的压力、气体浓度等参数，从而实现对空气质量的监测。
5.智能手机：压电式传感器可以用于智能手机屏幕上的触摸功能，可以感知用户的触摸力度和位置，从而实现对屏幕的操作。
1.灵敏度高：压电材料对压力或力的变化非常敏感，可以实现对微小压力的测量。
2.响应速度快：压电材料的压电效应响应速度非常快，可以实现对快速变化的压力的测量。
3.耐用性好：由于压电材料的特殊性质，压电式传感器具有较好的耐用性，可以经受较大的压力和力的作用。
4.体积小：压电材料的尺寸可以做得非常小，因此压电式传感器可以设计成小型化的产品。
5.易于集成：压电材料和传感器电路可以进行集成设计，从而降低了传感器的制造成本，提高了其可靠性。
总之，压电式传感器是一种利用压电效应进行测量的传感器，在工业、汽车、医疗、环境监测等领域有着广泛的应用。
它具有高灵敏度、快速响应、良好的耐用性、小体积和易集成等优点，可以满足各种应用场景的需求。
实验三十七 压电加速度式传感器
实验三十七压电加速度式传感器
一、实验目的
了解压电加速度计的结构、原理和应用。
二、实验原理
压电式传感器是一种典型的有源传感器（发电型传感器）。
压电传感元件是力敏感元件，在压力、应力、加速度等外力作用下，在电介质表面产生电荷，从而实现非电量的电测。
三、实验所需部件
压电式传感器、电荷放大器（电压放大器）、低频振荡器、激振器、电压/频率表、示波器。
图（20）
四、实验步骤
1．观察了解压电式加速度传感器的结构：由PZT 双压电陶瓷晶片、惯性质量块、压簧、引出电极组装于塑料外壳中。
2．按图（20）接线，低频振荡器输出接“激振II ”端，开启电源，调节振动频率与振幅，用示波器观察低通滤波器输出波形。
3．当悬臂梁处于谐振状态时振幅最大，此时示波器所观察到的波形V P -P 也最大，由此可以得出结论：压电加速度传感器是一种对外力作用变化敏感的传感器。
五、注意事项
做此实验时，悬臂梁振动频率不能过低（1~3H Z），否则电荷放大器将无输出。
压电式加速度传感器及其应用
微型化与集成化发展趋势
微型化设计
随着微电子技术和微纳加工技术的不断进步，压电式加速 度传感器的体积不断缩小，实现了更高的集成度。
集成化技术
将传感器与信号调理电路、微处理器等集成于一体，形成 具有自检测、自校准、自诊断等功能的智能传感器模块。
MEMS技术
基于MEMS（微机电系统）技术的压电式加速度传感器具 有体积小、重量轻、功耗低等优点，广泛应用于消费电子 和汽车电子等领域。
04 压电式加速度传感器性能 指标评价方法
灵敏度与分辨率评价
灵敏度
压电式加速度传感器的灵敏度反映了其输出信号与被测加速度之间的比例关系。 高灵敏度意味着传感器能够检测到更微小的加速度变化，提高测量精度。
分辨率
分辨率是指传感器能够区分的最小加速度变化量。高分辨率的传感器能够提供更 详细的加速度信息，有助于更准确地分析和诊断振动问题。
多功能化与复合测量
可靠性与耐久性提升
开发具有多功能特性的压电式加速度传感 器，实现复合物理量的同时测量，如温度 、压力等，提高传感器的综合性能。
针对恶劣环境和特殊应用需求，加强压电 式加速度传感器的可靠性和耐久性研究， 确保长期稳定运行。
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06 总结与展望
压电式加速度传感器研究总结
01
压电效应与传感器设计
压电材料在受到外力作用时会产生电荷，利用这一特性可设计出高灵敏
度的加速度传感器。通过优化压电材料选择和结构设计，可提高传感器
的性能。
02
信号处理与数据分析
压电式加速度传感器输出的信号需要经过放大、滤波等处理，以提取有
用的加速度信息。借助现代信号处理技术，可实现高精度、高稳定性的
压电式传感器介绍与应用
7.1 压电效应及压电材料
3. 石英晶体的压电效应
③沿Z（光轴）对晶片施加力FZ时，无压电效应。
由于正负离子位置保持不变，
，所以不产生任何方向上的压电效
关系； ➢ 晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆压电效应； ➢ 石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的。
7.1 压电效应及压电材料
3. 石英晶体的压电效应——电荷大小分析
（1）纵向压电效应产生的电荷：
➢ —X轴施力，垂直于X轴平面上的电荷；
➢ —压电系数。X轴施加力，垂直于X轴平 面上产生电荷；
（1）在X轴方向上，施加外力FX时， ①X轴表面产生的电荷量
——压电系数，石英晶体 =2.3×10-12C/N 分析：作用力使晶体发生形变，并发生极化现象，产生一定的极化强度。
其极化强度：
与应力 大小有关
则：
l、b——石英晶片的长度和宽度
➢ 极化强度在数值上等于晶面上的电荷密度 ➢ 而极化强度 ➢ 所以， ② 相应的逆压电效应，在X轴方向上施加外电压，则晶体产生的形变为：
机械能→→电能
（3）压电效应分析 ③外加与极化方向相同/相反的电场
电能→→机械能
➢如果在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场，电场的作用使极化强度
增大。这时，陶瓷片内的正、负束缚电荷之间的距离也增大，即陶瓷片沿
极化方向产生伸长形变。
➢同理，如果外加电场的方向与极 化方向相反，则陶瓷片沿极化方向 产生收缩形变。
7.1 压电效应及压电材料
3. 石英晶体的压电效应
压电式加速度传感器考核论文
HEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY《传感器原理及应用》课程考核论文题目班级学号姓名成绩机械与汽车工程学院机械电子工程系二零一四年五月压电式加速度传感器摘要:压电式传感器是以某些电介质的压电效应为基础,在外力作用下,在电介质的表面上产生电荷,从而实现非电量测量。
压电式传感器是力敏感元件，所以它能测量最终能变为力的那些物理量，例如力，压力，加速度。
压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等优点。
因此，工程力学、生物医学、石油勘探、声波测井、电声学等许多技术领域中获得了广泛的应用。
此次利用压电陶瓷的压电效应,在加速度受振时,质量块压在压电元件上的力也随之变化。
当被测振动远低于加速度计固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。
关键字：压电式传感器，压电效应，放大电路，A/D转换电路一、压电式加速度传感器原理1、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。
正压电效应：某些电介质在受到某一方向的机械力而变形时，在一定表面上产生电荷，若外力变向，电荷极性随之而变；当撤除外力后，又重新回到不带电状态。
逆压电效应：当在电介质的极化方向施加电场，电场力使其在一定方向上产生机械变形或机械应力；当撤除外加电场时，变形或应力随之消失。
又称电致伸缩效应。
压电效应方程是关于压电体中表面电荷密度（电位移）或电场强度、与应力（或应变）张量之间关系的方程组简单情况：施加方向一定的作用力F，产生的表面电荷为：Q = d F极化面F式中，d 为压电系数通常情况：电荷密度q与应力σ之间关系为：q = dσ式中，d为压电常数矩阵q为包括三个方向平面的电荷密度；σ为三个方向的单向应力，剪切应力；d为3x6系数矩阵。
压电式传感器及其应用
压电式传感器及其应用沈阳电力高等专科学校杨庆柏刊载于《中国仪电报》1999年第8期火电厂的汽轮发电机组是一个大型的转动机械，其运行的可靠性在很大程度上取决于机组的振动状态。
因此，对汽轮发电机组进行振动监控，对防止重大的设备损坏事故有着重要意义。
压电式传感器是用于测量大型转动机械振动的新型传感器，用压电式传感器取代磁电式传感器是汽轮发电机组监控系统的一个新趋势。
压电式传感器是一种典型的自发电式传感器。
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。
所谓压电效应就是某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用变形时。
内部会产生极化现象，同时在其表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新回到不带电的状态。
具有压电效应的物质很多，如天然形成的石英晶体、人工制造的压电陶瓷等。
在压电式传感器中，压电片通常是2片或2片以上粘结在一起。
由于压电片上的电荷是有极性的，因此有串联和并联两种接法。
一般常用的是并联接法。
并联接法输出电容是单片电容的2倍，但输出电压等于单片电压，极板上的电荷量为单片电荷量的2倍。
压电片在传感器中必须有一定的预紧力。
因为这样首先可以保证压电片在受力时始终受压;其次能消除两压电片之间因接触不良而引起的非线性误差，保证输出与输入作用力之间的线性关系。
但是，这个预紧力也不能太大。
否则将会影响灵敏度。
压电式传感器主要用于动态作用力、压力和加速度的测量。
用于测量汽轮发电机组振动的压电式传感器为压电式加速度传感器，它由压电晶片、质量块、引出电极、基座和壳体等几部分组成。
当压电式加速度传感器与被测加速度的机件紧固在一起后，传感器受机件加速度作用，惯性质量块产生惯性力，其方向与加速度方向相反，大小由F=ma决定。
此惯性力作用在压电晶片上，产生电荷。
电荷由引出极输出，由此将加速度转换为电荷。
压电式加速度传感器突出的特点是传感器内无可动部件，且具有使用频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠、重量轻等优点。
5-4 压电式传感器的应用
当膜片 5 受到压力 P 作用后，则在压电晶片上产生电荷。在一个压电片
上所产生的电荷 q 为
q=d11F=d11SP
式中 F——作用于压电片上的力；
(5-42)
d11——压电系数； P ——压强，P=F/S；
S ——膜片的有效面积。
测压传感器的输入量为压力 P，如果传感器只由一个压电晶片组成，则 根据灵敏度的定义有：
第五章习题
5.7 .分析压电式加速度计的频率响应特性。若测量电路的总电容 C= 1 000 pF，总电阻 R= 500 MΩ,传感器机械系统固有频率 f0=30 kHz，相对阻尼 系数ξ=0.5，求幅值误差小于 2 %时，其使用的频率范围 。
5.8.用石英晶体加速度计测量机器的振动,已知加速度计的灵敏度为 5 pC/g （g为重力加速度，g＝9.8 m/s2），电荷放大器灵敏度为 50 mV/pC，当机 器达到最大加速度时，相应输出幅值电压为2V。试计算机器的振动加速 度。
1
0
1
0
2 2
2
0
2
（5-35） （5-36）
§5-4 压电式传感器的应用
相频特性
arctan
2
0
压电式加速度传感器的工作原理
压电式加速度传感器的工作原理压电式加速度传感器是一种基于压电效应原理的常用传感器，它可以将物体的加速度（即力的作用下物体的运动变化）转换为电信号，用以进行自动测量、控制和研究。
本文旨在介绍压电式加速度传感器的原理，以及其在工程领域的实际应用。
压电式加速度传感器的基本原理是凭借压电效应，结合加速度传感器的特性，将物体所受的加速度转换为电信号。
压电效应源于压电材料的结构弹性，即当使用力对其施加时，压电材料会由其原始形状变形，并产生压电势和压电电位。
当被施加的力与单位面积上的物体表面法线方向一致时，压电势的增加会导致压电电位的增加，而当被施加的力与单位面积上的物体表面法线方向相反时，压电势的增加会导致压电电位的减少（即负压电效应）。
因此，压电设备可以检测物体在x，y，z方向的加速度，并以此变换为电信号，供技术人员进行后续处理和分析。
压电式加速度传感器可以广泛应用于航空航天领域、汽车领域、机械制造领域、橡胶和塑料领域等多个工程领域。
在航空航天领域，由于压电式传感器具有久坚耐用的特点，能够耐受高温高压的环境，因此可以大量应用于火箭、航天器结构性能检测以及空间实验控制中。
在汽车领域，压电式加速度传感器可以用于汽车内部和外部的实时控制，辅以先进的信息技术，可以实现对车辆前后悬挂系统、制动系统和刹车系统的先进控制，并可有效提高汽车性能和可靠性。
此外，压电式加速度传感器还可以应用于橡胶和塑料等材料的研制，能够检测其在应变状态下的性能，有效避免技术失误和质量问题。
压电式加速度传感器技术在工程领域具有广泛的应用前景，是发展自动检测技术和机械设备的重要工具。
传感器的性能、可靠性和精度普遍有待提高，未来可以研究带有适应功能的复合式压电式结构，以提升传感器的灵敏度，并发展出具有更高可靠性的压电式加速度传感器。
综上所述，压电式加速度传感器是一种基于压电效应原理的重要传感器，可以将物体所受的加速度转换为电信号，广泛应用于航空航天领域、汽车领域、机械制造领域、橡胶和塑料领域等多个工程领域，是发展自动检测技术和机械设备的重要工具，未来将有望发展出具有更高可靠性的压电式加速度传感器。
压电传感器原理及其应用
压电传感器原理及其应用摘要：压电式传感器，作为传感器的一种，它具有自己鲜明的特点。
而且除了一些自然界中的晶体材料外，我们还有人工材料压电陶瓷。
它们的应用也十分的广泛，在声学、医学、力学、宇航、振动测量、机械冲击都有不错的涉及。
关键字：压电传感器压电原理应用压电现象是100多年前居里兄弟研究石英时发现的。
居里兄弟在研究热电性与晶体对称，发现正负电荷，而且电荷密度与压力大小成正比。
居里兄弟所报道的这些晶体就有后来广为研究的铁电体酒石酸钾钠（罗息盐）。
1881年，应用热力学原理预言了逆压电效应，即电场可以引起与之成正比的应变。
很快这一预言被居了里兄弟用实验所证实了。
自发现压电效应以来，这种类型的压电传感器就广泛应用于各个领域。
经过多年的发展，压电传感器的材料、结构设计和工艺都有了很大的进步。
而这些对改善传感器的性能起到了至关重要的作用。
一．压电传感器的工作原理1.压电原理一些离子型晶体的电介质（如石英、酒石酸钾钠、钛酸钡等）不仅在电场力作用下，而且在机械力作用下，都会产生极化现象。
即：在这些电介质的一定方向上施加机械力而产生变形时，就会引起它内部正负电荷中心相对转移而产生电的极化，从而导致其两个相对表面（极化面）上出现符号相反的束缚电荷，且其电位移D（在MKS单位制中即电荷密度σ）与外应力张量T成正比；当外力消失，又恢复不带电原状；当外力变向，电荷极性随之而变。
这种现象称为正压电效应，或简称压电效应。
基于压电效应人们研究出一种可以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。
压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量。
压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。
实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。
压电式传感器的发展与应用
压电式传感器的发展和应用摘要：压电式传感器是以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量测量。
压电传感元件是力敏感元件，所以它能测量最终能变换为力的那些物理量，例如力、压力、加速度等。
压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等优点，因此，在工程力学、生物医学、石油勘探、声波测井、电声学等许多技术领域中获得了广泛的应用。
关键字：压电式传感器，压电效应，发展与应用正文：1.压电式传感器的工作原理压电效应压电式传感器是利用电解质的压电效应工作的。
某些晶体，在一定方向受到外力作用是，内部将产生极化现象，相应的在晶体的两个表面产生符号相反的电荷;当外力作用除去时，又恢复到不带电状态。
当外力方向改变时，电荷的极性也随之改变，这种现象称为压电效应。
压电材料压电材料分三类压电晶体，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。
压电式传感器等效电路右图是压电压电式传感器的等效电路。
当压电传感器中的压电晶体承受被测机械应力的作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。
其电容量为2.压电式传感器的发展压电式传感器的发展压电传感器技术的发展历程可分为三个阶段。
第一个阶段是60～70年代，传感器以电荷输出为主，测量系统包括压电传感器和以电荷放大器为主的信号适调装置；到了80～90年代中期，出现了IEPE(In Electronics Piezoelectricity)传感器，也被称为低阻抗电压输出传感器，它主要解决了压电信号以高阻抗传输带来的一系列问题；第三阶段是90年代中期至今，即插即用智能TEDS混合模式接口传感器国内发展现状在我国压电传感器的研究与应用明显落后于世界先进水平，自70年代以来，压电传感器的应用主要是为了满足航天技术发展的需要。
改革开放之后，随着引进国外先进技术和管理经验，国民经济进入快阶段，现代测量技术的发展与应用成为必然。
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压电式加速度传感器构成元件
常用的压电式加速度计的结构 形式如图所示，是由预压弹簧， 质量块，基座，压电元件和外 壳组成。图中为环形剪切型， 结构简单，能做成极小型、高 共振频率的加速度计，环形质 量块粘到装在中心支柱上的环 形压电元件上。由于粘结剂会 随温度增高而变软，因此最高 工作温度受到限制。
概括起来，加速度传感器可应用在控制，手柄振动和摇晃，仪器仪 表，汽车制动启动检测，地震检测，报警系统，玩具，结构物、环 境监视，工程测振、地质勘探、铁路、桥梁、大坝的振动测试与分 析；鼠标，高层建筑结构动态特性和安全保卫振动侦察上。
加速度传感器的种类繁多，依据对加速度计内检测质量所产生的惯性力的 检测方式来分，加速度计可分为压电式、压阻式、应变式、电容式、振梁 式、磁电感应式、隧道电流式、热电式等；按检测质量的支承方式来分， 则可分为悬臂梁式、摆式、折叠梁式、简支承梁式等。
压电式加速度传感器原理
压电加速度传感器，采用剪切和中心压缩结构形式。其原理利用压 电晶体的电荷输出与所受的力成正比，而所受的力在敏感质量一定 的情况下与加速度值成正比。当被测振动频率远低于加速度计的固 有频率时，压电晶体受力后产生的电荷量与所感受到的加速度值成 正比。 经过简化后的方程为： Q＝dij﹒F=dij﹒M﹒a Q――压电晶体输出的电荷 dij――压电晶体的二阶压电张量。 M――传感器的敏感质量。 a――所受的振动加速度值。
压电加速度传感器实质上相当于一个电荷源和一只电容器，通过等 效电路简化后，则可算出传感器的电压灵敏度为：
Sv＝SQ/Ca SV――传感器电压灵敏度 mv/ms^2 SQ――传感器的电荷灵敏度 pC/ms^2 Ca――传感器的电容量 pF
压电式加速度传感器的实际应用
目前最新IBM Thinkpad手提电脑里就内置了加速度传感器，能够动 态的监测出笔记本在使用中的振动，并根据这些振动数据，系统会 智能的选择关闭硬盘还是让其继续运行，这样可以最大程度的保护 由于振动，比如颠簸的工作环境，或者不小心摔了电脑做造成的硬 盘损害，最大程度的保护里面的数据。另外一个用处就是目前用的 数码相机和摄像机里，也有加速度传感器，用来检测拍摄时候的手 部的振动，并根据这些振动，自动调节相机的聚焦。
压电式传感器的前置放大器有：电压放大器和电荷放大器。所用电 压放大器就是高输入阻抗的比例放大 器，其电路比较简单，但输出 受连接电缆对地电容的影响，适用于一般振动测量。电荷放大器以 电容作负反馈，使用中基本不受 电缆电容的影响。在电荷放大器中， 通常用高质量的元、器件，输入阻抗高，但价格也比较贵。
压电式加速度传感器幅频特性
压电式加速度传感器幅频特性
压电式加速度传感器幅频特性曲线 加速度计的使用上限频率取决于幅频曲线中的共振频率图。一般小阻 尼(z<=0.1)的加速度计，上限频率若取为共振频率的 1/3，便可保证幅 值误差低于1dB（即12%）；若取为共振频率的1/5，则可保证幅值误 差小于0.5dB（即6%），相移小于30。 但共振频率与加速度计的固定状况有关，加速度计出厂时给出的幅频 曲线是在刚性连接的固定情况下得到的。实际使用的固定方法往往难 于达到刚性连接，因而共振频率和使用上限频率都会有所下降
压电式加速度传感器的灵敏度
压电加速度计的前置放大器压电元件受力后产生的电荷量极其微弱， 这电荷使压电元件边界和接在边界上的导体充电到电压U=q/Ca（这 里Ca是加速度计的内电容）。
要测定这样微弱的电荷（或电压）的关键是防止导线、测量电路和 加速度计本身的电荷泄漏。换句话讲，压电加速度计所用的前置放 大器应具有极高的输入阻抗，把泄漏减少到测量准确度所要求的限 度以内。
加速度传感器概况
加速度检测是基于测试仪器检测质量敏感加速度产生惯性力的测量，是一 种全自主的惯性测量，加速度检测广泛应用于航天、航空和航海的惯性导 航系统及运载武器的 基测量、地矿勘测等领域也有广泛的应用。
测量加速度，目前主要是通过加速度传感器（俗称加速度计），并配以适 当的检测电路进行的，在(1～64)Hz的设备频率下典型的加速度测量范围为 (0．1～10)g。