第8章压电式传感器及应用
压电式传感器工作原理
压电式传感器工作原理压电式传感器是一种将压电效应应用于传感器中的设备，它可以将压力、力、加速度、温度等物理量转换为电信号。
压电效应是指某些晶体在受到外力作用时会产生电荷，这种效应被应用在压电式传感器中，使其能够实现物理量到电信号的转换。
本文将介绍压电式传感器的工作原理及其应用。
1. 压电效应压电效应是指某些晶体在受到外力作用时会产生电荷的现象。
这种效应最早是由法国物理学家居里夫妇在1880年发现的，他们发现某些晶体在受到机械应力时会产生电荷，这种现象被称为正压电效应。
此外，这些晶体在受到电场作用时也会发生形变，这种现象被称为逆压电效应。
这两种效应被应用在压电式传感器中，使其能够实现物理量到电信号的转换。
2. 压电式传感器的结构压电式传感器通常由压电陶瓷、电极、外壳和连接线组成。
压电陶瓷是压电式传感器的核心部件，它是由压电晶体制成的，具有压电效应。
电极用于接收压电陶瓷产生的电荷，并将其转换为电信号。
外壳用于保护压电陶瓷和电极，连接线用于将电信号传输到外部设备。
3. 压电式传感器的工作原理当压电式传感器受到压力、力、加速度或温度等物理量的作用时，压电陶瓷会产生电荷。
这些电荷会被电极接收，并转换为电信号。
这个电信号可以是电压、电流或电荷量，其大小与作用在传感器上的物理量成正比。
通过测量电信号的大小，就可以确定作用在传感器上的物理量的大小。
4. 压电式传感器的应用压电式传感器具有灵敏度高、频率响应快、稳定性好等优点，因此被广泛应用于工业自动化、汽车电子、医疗设备、航空航天等领域。
例如，在工业自动化中，压电式传感器可以用于测量压力、力等物理量，用于控制和监测生产过程。
在汽车电子中，压电式传感器可以用于测量发动机的振动和噪声，用于改善车辆的驾驶舒适性。
在医疗设备中，压电式传感器可以用于测量血压、心率等生理参数，用于诊断和治疗疾病。
在航空航天中，压电式传感器可以用于测量飞机的结构应力和振动，用于确保飞行安全。
压电式压力传感器原理特点及应用
压电式压力传感器原理特点及应用压电效应是压电材料受到外力时会产生电荷的现象。
压电材料具有这种特性的原因是在材料内部存在着一种称为压电效应的耦合效应，即机械能与电能之间的相互转换。
当外力作用在压电材料上时，会导致材料内部的正负离子产生位移，形成电偶极矩，从而产生电荷。
该电荷可以通过导线或电极传递到外部电路中，产生电压信号。
根据压电效应的特性，压电材料通常是通过连接传感器的终端来感受外部力或压力的变化。
1.高灵敏度：压电材料的压电系数比较大，对外界力或压力的变化非常敏感，能够很好地转换为电信号输出。
2.宽测量范围：压电式压力传感器的测量范围通常为几千帕到几百兆帕，能够满足不同应用场景的需求。
3.稳定性好：压电材料的压电效应相对稳定，且传感器无需额外的温度、湿度校正，不易受外界条件的干扰。
4.快速响应：由于压电材料具有较低的惯性和刚性，能够在短时间内响应外部力或压力变化。
1.工业自动化控制：压电式压力传感器可以用于工业自动化控制系统中，用于监测压力值，如液体或气体管道的压力、机械设备的载荷等。
2.汽车工程：压电式压力传感器广泛应用于汽车工程领域，如发动机进气管压力、轮胎压力、刹车系统压力等的检测。
3.生物医学领域：压电式压力传感器可用于测量人体血压、血氧饱和度、心脏健康状态等，用于临床监测和医疗设备。
4.航天航空领域：压电式压力传感器应用于航天器的气压监测、飞机的液压系统监测等，对于保证飞行安全起到重要作用。
5.环境监测：压电式压力传感器用于测量大气压力、水深、土壤压力等环境参数的监测，可用于气象、水利、地质等领域。
总之，压电式压力传感器以其高灵敏度、快速响应、稳定性好等特点，在多个领域中得到广泛的应用，为实时监测和控制提供了重要的技术支持。
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。
压电式传感器的应用
3）显示：三位半液晶显示 4）保持功能：当按住保持键时，显示振动值停止 变动 5）输出信号：满量程为2VAC(峰值)信号 6）工作环境条件：温度：0～50℃；湿度： 95%PH以下； 7）外形尺寸：130×70×25（mm）。
小结： 本章主要分析了压电式传感器的工作原理，
介绍了压电式传感器常用的压电材料，详细说明 了常用的各种压电式传感器的型号构成及其在力、 位移、振动及加速度中的应用。
1.2 电荷型石英压力传感器
西安宇恒电子有限公司生产的M112系列为发动 机燃烧传感器，适用于发动机汽缸内压力测试。 M119系列为高频、抗高冲击型，特别适用于榴弹炮、 液体发射药武器的测试。是典型的军工产品，也可广 泛应用于民用工业中，如发动机燃烧室压力测量等领 域，性能参数见书上表6-2所示。
传感器与检测技术
1.3 压电式加速度传感器
1. YD型压电式加速度传感器
压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。 它的主要优点是；灵敏度高、体积小、重量轻、 测量频率上限较高、动态范围大。但它易受外界 干扰，在测试前需进行各种校验。如厂的YD型压 电式加速度传感器就是典型的主要 用于各种机械振动的测量。
2. 6100系列压电加速度计
压电加速度计是以压电晶体做敏感件。体积 小、重量轻、输出信号大，固有频率高，可用于 测量振动、冲击等信号。其外形见下图主要性能 指标见表6-4。
3. HZ-9508型测振表 HZ-9508型测振表是用于旋转机械进行振动测量、
简易故障诊断的一种便携式数字显示测振表，用YD型压 电式加速度传感器作为表头。它除了可测量一般机械振 动产生的加速度、速度、位 移等参数外，还具有测量 齿轮、轴承故障产生的高频 加速度值的功能，并具有低 电压监测功能。其外形结构 如右图所示。
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。
压电式压力传感器的工作原理特点和应用
压电式压力传感器的工作原理特点和应用压电式压力传感器是一种常见的压力测量设备，其工作原理基于压电效应。
压电效应是指一些晶体和陶瓷在受到力或压力作用时，会产生电荷或电势差的现象。
压电式压力传感器利用压电材料的这种特性，将受压作用转化为电信号，从而实现对压力的测量。
压电式压力传感器由压电元件、机械变换器和信号处理器组成。
压电元件通常采用压电晶体材料或压电陶瓷材料，这些材料在施加压力时会产生电荷或电势差。
当压力作用在压电元件上时，会导致晶体的晶格结构变形，从而导致晶体内电荷的重新分布。
这种电荷或电势差的变化被机械变换器转化为电压信号，并通过信号处理器进行放大和滤波，最终得到与压力相关的电信号。
1.灵敏度高：压电材料对压力的响应非常灵敏，能够快速、准确地测量压力。
2.适应性强：压电式压力传感器可适用于多种环境和工况，具有较好的耐腐蚀性和耐高温性能。
3.结构简单：压电式压力传感器的结构相对简单，容易制造和维护。
4.抗干扰能力强：压电材料本身的性能使得压力传感器具有良好的抗干扰能力，可以准确测量出压力变化。
1.工业自动化：压电式压力传感器可用于测量工业设备中的液体和气体的压力，如液压系统、气动系统等。
2.汽车行业：压电式压力传感器可用于测量汽车发动机的油压、水压、气压等，以保证汽车的运行安全。
3.医疗设备：压电式压力传感器可用于医疗设备中的血压监测、人体肌肉力度测量等。
4.航空航天：压电式压力传感器可用于航空航天领域中的压力测量，如飞机的油压、气压等。
5.环境监测：压电式压力传感器可用于测量地下水位、土壤压力等环境参数，用于环境监测和地质勘探。
综上所述，压电式压力传感器通过利用压电效应实现对压力的测量，并具有灵敏度高、适应性强、结构简单和抗干扰能力强等特点，广泛应用于工业、汽车、医疗、航空航天等领域。
压电式传感器及应用
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8.1.2 压电材料
1．压电材料的主要特性参数 （1）压电常数 （2）弹性常数 （3）介电常数 （4）机械耦合系数 （5）绝缘电阻 （6）居里点
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2.常用压电材料
石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是 性能优良的压电材料。
应用于压电式传感器中的压电元件材料 一般有3类：压电晶体、经过极化处理的 压电陶瓷、高分子压电材料。
沿光轴看去，可以等效地认为正六边形 排列结构。
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石英晶体的压电效应机理
1—正电荷等效中心 2—负电荷等效中心
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分析说明
（1）在无外力作用时
（2）当晶体沿电轴（x轴）方向受到压
力时，晶格产生变形
（3）同样，当晶体的机械轴（y轴）方
向受到压力时，也会产生晶格变形
将压电晶片产生电荷的两个晶面封装上 金属电极后，就构成了压电元件。当压 电元件受力时，就会在两个电极上产生 电荷，因此，压电元件相当于一个电荷 源；两个电极之间是绝缘的压电介质， 因此它又相当于一个以压电材料为介质 的电容器，其电容值为
Ca = εRε0A/δ
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压电元件的等效电路
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输出信号
根据压电式传感器的工作原理及等效电 路，它的输出可以是电荷信号，也可以 是电压信号，因此与之配套的前置放大 器也有电荷放大器和电压放大器两种形 式。
由于电压前置放大器的输出电压与电缆 电容有关，故目前多采用电荷放大器。
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1.电荷放大器
并联输出型压电元件可以等效为电荷源。 电荷放大器实际上是一个具有反馈电容 Cf的高增益运算放大器电路
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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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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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。
传感器与检测技术(第二版)参考答案参考答
传感器与检测技术（第二版）参考答案第1章 检测技术基本知识1.1单项选择:1.B2.D3. A4.B1.2见P1；1.3见P1-P3；1.4见P3-P4；1.5 见P5；1.6 （1）1℃（2）5﹪，1﹪ ；1.7 0.5级、0.2级、0.2级；1.8 选1.0级的表好。
0.5级表相对误差为25/70=3.57﹪, 1.0级表相对误差为1/70=1.43﹪；1.9见P10-P11；1.10见P11- P12；1.11 见P13-P14第2章 电阻式传感器及应用2.1 填空1.气体接触，电阻值变化；2.烧结型、厚膜型；3.加热器，加速气体氧化还原反应；4.吸湿性盐类潮解，发生变化2.2 单项选择1.B 2. C 3 B 4.B 5.B 6. A2.3 P17；2.4 P17；2.5P24；2.6 P24；2.7 P24-P25；2.8 P25；2.9 P26；2.10 P30-312.11 应变片阻值较小；2.12P28，注意应变片应变极性，保证其工作在差动方式；2.16 Uo=4m V ；2.17 P34；2.18 P34；2.19 (1) 桥式测温电路，结构简单。
（2）指示仪表 内阻大些好。
（3）RB:电桥平衡调零电阻。
2.20 2.21 线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好；传感器的延迟时间越短越好；传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。
2.23 P44；2.33 P45第3章 电容式传感器及应用3.1 P53-P56；3.2 变面积传感器输出特性是线性的。
3.3 P58-P59；3.4 P59-P613.5 当环境相对湿度变化时，亲水性高分子介质介电常数发生改变，引起电容器电容值的变化。
属于变介电常数式。
3.6 参考变面积差动电容传感器工作原理。
参考电容式接近开关原理。
3.8 （1）变介电常数式；（2）参P62 电容油料表原理第4章 电感式传感器及应用4.1 单项选择1.B；2.A4.2 P65；4.3 P68；4.4 螺线管式电感传感器比变隙式电感传感器的自由行程大。
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压电效应是指一些物质在受到外力压缩或拉伸时会产生电荷分离的现象。
压电材料常用的有陶瓷和晶体材料，其中最常使用的是二极性压电晶体材料，如石英晶体。
当压电材料受到压力时，晶体结构会产生微小的形变，进而引起电荷分离。
这种电荷分离会产生一个电场，称之为压电电场。
压力的大小和方向会影响电场的强度和极性。
通过将压电材料涂覆在电极上，形成压电传感器的感应电极，即可实现将压力信号转化为电信号输出的功能。
压电式压力传感器的工作原理基本上可以分为两步：传感器受力和电荷产生。
首先，当压力作用于传感器的感应电极上时，压电材料产生微小的形变，压电晶体结构的对称性遭破坏，产生极化，形成压电电场。
其次，压电电场导致电荷在电极上的分布发生变化，产生电荷累积效应，进而引起电势差的改变。
通过连接电路测量这个电势差，便可获得压力信号。
压电式压力传感器具有以下几个优点：首先，结构简单，仅由压电材料和电极组成。
其次，响应速度快，可在微秒甚至纳秒级别上测量压力变化。
再次，转换精度高，可达到0.1%~0.2%F.S.。
最后，耐温性好，能够在-200℃~+350℃的温度范围内工作。
压电式压力传感器有广泛的应用领域。
工业控制方面，它可以用于流体和气体的压力测量和控制，在过程控制、工业自动化等方面发挥重要作用。
汽车制造方面，它可用于汽车发动机的燃油压力、气囊压力、排气压力等的测量与控制。
航空航天领域，它可用于飞机气压、液压系统等的检测与控制。
医疗与健康方面，它可用于血压计、呼吸机、人体姿态传感器等的检测与监控。
总之，压电式压力传感器以压电效应实现了将压力信号转化为电信号输出的功能。
它具有结构简单、精度高、响应速度快等优点，广泛应用于工业控制、汽车制造、航空航天等领域，为各个领域的工程师提供了准确可靠的压力测量工具。
压电传感器特点及应用
压电传感器特点及应用
压电传感器是一种常用的传感器，它可以将压力等物理量转化为电信号。
压电传感器具有以下特点：
1. 灵敏度高：压电传感器的灵敏度高，可以实时感知微小的压力变化。
2. 快速响应：压电传感器能够快速响应变化，对实时性要求高的应用中具有重要作用。
3. 高精度：压电传感器的测量精度较高，能够满足工业、医疗等领域对于精度要求较高的应用。
4. 广泛的应用领域：压电传感器可以用于测量压力、力、振动等多种物理量，广泛应用于工业自动化、医疗、环保等领域。
5. 节能环保：压电传感器采用无功耗的工作方式，节能环保，符合现代社会发展的趋势。
压电传感器的应用领域：
1. 工业自动化领域：生产线自动化、机器人控制、流量监测等。
2. 汽车领域：车内气压、温度、振动监测、制动系统、转向控制等。
3. 医疗领域：血压、呼吸、肌肉电等生命体征监测，医用器械如输液泵等。
4. 环境监测领域：地震预警、气象、水质监测等。
5. 安防监测领域：智能门禁、可穿戴设备、安防摄像系统等。
总之，压电传感器具有灵敏度高、快速响应、高精度等特点，广泛应用于工业自动化、医疗、环保、安防等领域。
压电式传感器原理及应用
压电式传感器原理及应用压电效应是指一些晶体材料在受到外力作用时，会产生电势差和电荷分布不均，即产生电荷偶极矩，从而在外加电场作用下发生形变。
常见的压电材料有石英、陶瓷和聚偏氟乙烯等。
当压电材料受到外力作用时，材料内部的电荷分布会出现改变，从而产生电势差。
此时，可以通过测量电荷或电势差的变化来间接测量外力的大小。
压电式传感器一般由压电材料、电极、保护壳等组成。
当外力作用于传感器的压电材料上时，压电材料会产生电荷偶极矩，从而产生电势差。
电极用来收集这些电荷，并将信号输出到外部电路中进行处理。
为了提高传感器的灵敏度和稳定性，常常在压电材料上覆盖一层薄膜电极以增加电荷的收集效果。
1.声波传感器：压电式传感器可以用来探测声波的压力和振动。
在市场上常见的麦克风和扬声器就是基于压电效应工作的传感器。
2.加速度计：压电式传感器可以用来测量物体的加速度和振动，常用于汽车、飞机等交通工具中，以及机械设备中对振动进行监测和控制。
3.压力传感器：压电式压力传感器可以用来测量液体和气体的压力，广泛应用于工业自动化控制、航空航天、汽车工业等领域。
4.应变计：压电应变计可以用来测量物体的形变和变形，广泛应用于材料力学测试、结构工程、土木工程、航空航天等领域。
5.流量计：压电式传感器可以用于测量液体和气体的流量，广泛应用于水务系统、天然气供应系统、石油化工等领域。
在这些应用中，压电式传感器具有灵敏度高、响应速度快、能够直接转换物理量为电信号等优点。
然而，也有一些局限性，比如温度对其工作性能的敏感性较高，需要进行温度补偿以提高精度和稳定性。
总结起来，压电式传感器是一种基于压电效应工作的传感器，适用于多个领域，如声波传感、加速度计、压力传感、应变计和流量计等。
通过测量压电材料产生的电势差和电荷分布，可以间接测量外力的大小和形变情况。
压电式传感器具有灵敏度高、响应速度快等优点，但同时也有温度敏感性高的限制。
压电式传感器的特点及应用
压电式传感器的特点及应用压电式传感器是一种常见的传感器类型，它的主要特点是能够将压力、力、加速度、应力等物理量转化为电信号。
它利用一种或多种压电材料的特殊性质，通过压电效应来实现信号的转换。
这种传感器结构简单、易于制造，且具有较高的灵敏度和稳定性，因此被广泛应用于各个领域。
压电式传感器的主要特点有以下几个方面：1. 高灵敏度：压电材料具有较高的压电系数，能够将微小的压力或应变转化为电信号，具有很高的灵敏度。
2. 宽频响特性：压电材料的频率响应范围广，可以实现高频、宽频的信号传输，适用于不同频段的应用。
3. 快速响应速度：压电传感器具有快速的响应速度，能够在短时间内将物理量的变化转化为电信号，并能实现实时监测和反馈。
4. 宽工作温度范围：压电材料具有较高的工作温度范围，能够在高温或低温环境下正常工作，适用于各种工况条件。
5. 高稳定性：压电材料具有较高的稳定性，不易受环境影响，具有长期稳定的工作性能。
压电式传感器在各个领域有广泛的应用，包括但不限于以下几个方面：1. 工业领域：在工业领域中，压电式传感器可以用于测量各种物理量，如压力传感器用于测量液压系统中的压力，力传感器用于测量机械装置的力和扭矩，加速度传感器用于监测设备的振动和运动状态等。
2. 医疗领域：在医疗领域中，压电式传感器被广泛应用于医疗设备和仪器中。
例如，心脏起搏器中的压力传感器用于测量心脏的收缩和舒张压力，听诊器中的压电传感器用于接收和转化心音和呼吸音等。
3. 汽车领域：在汽车领域中，压电式传感器被应用于多个方面，如发动机管理系统中的压力传感器用于测量燃油压力，刹车系统中的压力传感器用于测量刹车液的压力，加速度传感器用于检测车辆的加速度和倾斜度等。
4. 航空航天领域：在航空航天领域中，压电式传感器广泛应用于飞行器的测控系统中。
例如，飞机中的压力传感器用于测量气压和油压，加速度传感器用于监测飞机的振动和运动状态，应力传感器用于测量结构的应变和应力等。
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压电元件的串联和并联接法
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压电晶片并联可以增大输出电荷， 压电晶片并联可以增大输出电荷，提高 灵敏度。具体使用时， 灵敏度。具体使用时，两片晶片上必须 有一定的预紧力， 有一定的预紧力，以保证压电元件在工 作时始终受到压力， 作时始终受到压力，同时可以消除两压 电晶片之间因接触不良而引起的非线性 误差， 误差，保证输出与输入作用力之间的线 性关系。但是这个预紧力不能太大， 性关系。但是这个预紧力不能太大，否 则将影响其灵敏度。 则将影响其灵敏度。
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高分子压电材料的应用
3. 玻璃打碎报警装置
将高分子压电测 振薄膜粘贴在玻璃上， 振薄膜粘贴在玻璃上， 可以感受到玻璃破碎 时会发出的振动，并 时会发出的振动， 将电压信号传送给集 中报警系统。 中报警系统。
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粘贴 位置
4．压电式周界报警系统
（用于重要位置出入口、周界安全防护等）
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石英晶体及切片
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石英晶体的压电效应与其内部结构有关， 石英晶体的压电效应与其内部结构有关， 产生极化现象的机理可说明。 产生极化现象的机理可说明。 石英晶体的化学式为SiO2，它的每个晶 石英晶体的化学式为 胞中有3个硅离子和 个氧离子，一个硅 胞中有 个硅离子和6个氧离子， 个硅离子和 个氧离子 离子和两个氧离子交替排列（ 离子和两个氧离子交替排列（氧离子是 成队出现的）。 成队出现的）。 沿光轴看去，可以等效地认为正六边形 沿光轴看去， 排列结构。 排列结构。
1．压电材料的主要特性参数 ． （1）压电常数 ） （2）弹性常数 ） （3）介电常数 ） （4）机械耦合系数 ） （5）绝缘电阻 ） （6）居里点 ）
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2.常用压电材料 常用压电材料
石英晶体、钛酸钡、 石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是 性能优良的压电材料。 性能优良的压电材料。 应用于压电式传感器中的压电元件材料 一般有3类：压电晶体、经过极化处理的 一般有 类 压电晶体、 压电陶瓷、高分子压电材料。 压电陶瓷、高分子压电材料。
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压电片的并联连接电路图
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8.3.2 压电传感器的应用
压电式传感器主要用于动态作用力、 压电式传感器主要用于动态作用力、压 加速度的测量。 力、加速度的测量。
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1.压电式力传感器 压电式力传感器
压电式力传感器是以压电元件为转换元 输出电荷与作用力成正比的力—电 件，输出电荷与作用力成正比的力 电 转换装置。常用的形式为荷重垫圈式， 转换装置。常用的形式为荷重垫圈式， 它由基座、盖板、石英晶片、 它由基座、盖板、石英晶片、电极以及 引出插座等组成
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2.电压放大器（阻抗变换器） 电压放大器（阻抗变换器） 电压放大器
串联输出型压电元件可以等效为电压源， 串联输出型压电元件可以等效为电压源， 但由于压电效应引起的电容量很小， 但由于压电效应引起的电容量很小，因 而其电压源等效内阻很大， 而其电压源等效内阻很大，在接成电压 输出型测量电路时， 输出型测量电路时，要求前置放大器不 仅有足够的放大倍数， 仅有足够的放大倍数，而且应具有很高 的输入阻抗
由压电元件、质量块、预压弹簧、 由压电元件、质量块、预压弹簧、基座 及外壳等组成。整个部件装在外壳内， 及外壳等组成。整个部件装在外壳内， 并用螺栓加以固定
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压电式加速度传感器
惯性力是加速度的函数， 作用于压电元件上， 惯性力是加速度的函数，惯性力F作用于压电元件上，因而 产生电荷Q，当传感器选定后，传感器输出电荷与加速度a 当传感器选定后， 成正比
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1.电荷放大器 电荷放大器
并联输出型压电元件可以等效为电荷源。 并联输出型压电元件可以等效为电荷源。 电荷放大器实际上是一个具有反馈电容 Cf的高增益运算放大器电路 的高增益运算放大器电路
电荷放大器原理图
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结论
电荷放大器的输出电压仅与输入电荷和 反馈电容有关， 反馈电容有关，电缆电容等其他因素的 影响可以忽略不计。 影响可以忽略不计。
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石英晶体
天然形成的石英晶体外形
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天然形成的石英晶体外形（续）
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石英晶体切片及封装
石英晶体薄片
双面镀银并封装
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石英晶体振荡器（晶振） 晶振
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石英晶体在振荡 电路中工作时，压电 效应与逆压电效应交 替作用，从而产生稳 17 定的振荡输出频率。
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结论
沿机械轴方向的力作用在晶体上时， 沿机械轴方向的力作用在晶体上时，产 生的电荷与晶体切面的几何尺寸有关， 生的电荷与晶体切面的几何尺寸有关， 式中的负号说明沿机械轴的压力引起的 电荷极性与沿电轴的压力引起的电荷极 性恰好相反。 性恰好相反。
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8.1.2 压电材料
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主要章节
8.1压电效应及压电材料 压电效应及压电材料 8.2压电式传感器测量电路 压电式传感器测量电路 8.3压电式传感器的应用 压电式传感器的应用
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8.1压电效应及压电材料 压电效应及压电材料
8.1.1 压电效应
1．压电效应的概念 ． 某些电介质， 某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它 变形时，其内部就产生极化现象，同时在它的 变形时，其内部就产生极化现象， 两个表面上便产生符号相反的电荷， 两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去 掉后，其又重新恢复到不带电状态， 掉后，其又重新恢复到不带电状态，这种现象 称压电效应。相反， 称压电效应。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， 电场，这些电介质也会产生变形，这种现象称 逆压电效应” 电致伸缩效应）。 为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。
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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， 荷源，也可以等效为一个与电容相串联 的电压源， 的电压源，
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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， 元件只有在交变力的作用下，电荷才能 源源不断地产生， 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。 一定的电流，故只适用于动态测量。
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输出信号
根据压电式传感器的工作原理及等效电 它的输出可以是电荷信号， 路，它的输出可以是电荷信号，也可以 是电压信号， 是电压信号，因此与之配套的前置放大 器也有电荷放大器和电压放大器两种形 式。 由于电压前置放大器的输出电压与电缆 电容有关，故目前多采用电荷放大器。 电容有关，故目前多采用电荷放大器。
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压电效应可逆性
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2.压电效应原理 压电效应原理
具有压电效应的物质很多，如石英晶体、 具有压电效应的物质很多，如石英晶体、压电 陶瓷、 陶瓷、高分子压电材料等 石英晶体是一种应用广泛的压电晶体。 石英晶体是一种应用广泛的压电晶体。它是二 氧化硅单晶体，属于六角晶系。 氧化硅单晶体，属于六角晶系。它为规则的六 角棱柱体。石英晶体有3个晶轴 个晶轴： 角棱柱体。石英晶体有 个晶轴：x轴、y轴和 z轴 。 z轴又称光轴，它与晶体的纵轴线方向一致：x 轴又称光轴，它与晶体的纵轴线方向一致： 轴又称电轴， 轴又称电轴，它通过六面体相对的两个棱线并 垂直于光轴： 轴又称为机械轴， 垂直于光轴：y轴又称为机械轴，它垂直于两 个相对的晶柱棱面。 个相对的晶柱棱面。
第8章压电式传感器及应用
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引言
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， 质材料的压电效应，是典型的有源传感 当材料受力作用而变形时， 器。当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。 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， 压电式传感器具有体积小，重量轻，工 作频带宽等特点，因此在各种动态力、 作频带宽等特点，因此在各种动态力、 机械冲击与振动的测量，以及声学、 机械冲击与振动的测量，以及声学、医 力学、 学、力学、宇航等方面都得到了非常广 泛的应用。 泛的应用。
将长的压电电缆埋 在泥土的浅表层，可起 分布式地下麦克风或听 音器的作用，可在几十 米范围内探测人的步行, 对轮式或履带式车辆也 可以通过信号处理系统
2011-5-28 分辨出来。右图为测量 41
5.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。 2011-5-28 42
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石英晶体的压电效应机理
1—正电荷等效中心 2—负电荷等效中心
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分析说明
（1）在无外力作用时 ） （2）当晶体沿电轴（x轴）方向受到压 ）当晶体沿电轴（ 力时， 力时，晶格产生变形 （3）同样，当晶体的机械轴（y轴）方 ）同样，当晶体的机械轴（ 向受到压力时， 向受到压力时，也会产生晶格变形 （4）当晶体的光轴（z轴）方向受到受 ）当晶体的光轴（ 力时， 力时，由于晶格的变形不会引起正负电 荷中心的分离，所以不会产生压电效应。 荷中心的分离，所以不会产生压电效应。
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