11压电传感器
压电式力传感器
石英晶体的压电效应演示
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。
4
压电效应是可逆的 在介质极化的方向施加电场时，电介质会产生 形变，将电能转化成机械能，这种现象称
“逆压电效应”。 •压电元件可以将机械能——转化成电能 也可以将电能——转化成机械能。
Z
Z
Y Y
X X
(a ) (b)
石英晶体
(a)理想石英晶体的外形 (b)坐标系 8
Y -
Y +
X
+
+
(b)
X
(a)
硅氧离子的排列示意图
(a) 硅氧离子在Z平面上的投影 （b）等效为正六边形排列的投影
石英晶体具有压电效应，是由其内部结构决定的。 组成石英晶体的硅离子 Si4+和氧离子 O2- 在 Z平面投影， 如图 ( a ) 。为讨论方便，将这些硅、氧离子等效为图 ( b ) 中正六边形排列，图中“＋”代表 Si 4 + ，“－”代表 2O2-。 9
2．压电陶瓷压电效应产生的机理
压电陶瓷属于铁电体一类的物质，是人工制造的多晶压电材料， 它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。电畴是分子自发形成 的区域，它有一定的极化方向，从而存在一定的电场。在无外电 场作用时，各个电畴在晶体上杂乱分布，它们的极化效应被相互 抵消，因此原始的压电陶瓷内极化强度为零，见图（a）。
直流电场E 剩余极化强度
电场作用下的伸长 (a)极化处理前 (b)极化处理中
剩余伸长 (c)极化处理后
15
但是，当把电压表接到陶瓷片的两个电极上进行测量时，却无 法测出陶瓷片内部存在的极化强度。这是因为陶瓷片内的极化强 度总是以电偶极矩的形式表现出来，即在陶瓷的一端出现正束缚 电荷，另一端出现负束缚电荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片 的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷。这些自由电荷与陶 瓷片内的束缚电荷符号相反而数量相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷 片内极化强度对外界的作用。所以电压表不能测出陶瓷片内的极 化程度，如图。
压电式传感器的工作原理
压电式传感器的工作原理压电式传感器是一种常用的传感器，它通过压电效应来实现对压力、力、加速度等物理量的测量。
压电效应是指某些晶体在受到机械应力时会产生电荷，这种效应被应用在压电式传感器中，使其能够将机械量转换为电信号，从而实现对物理量的测量。
压电式传感器的工作原理可以简单地分为两个步骤，压电效应和电信号输出。
首先，当压电晶体受到外部机械应力时，晶体内部的正负电荷分布会发生改变，从而产生一个电势差。
这个电势差可以被连接在晶体上的电极捕获，并输出为电信号。
这样，通过测量电信号的大小，就可以确定外部机械应力的大小，从而实现对物理量的测量。
在实际应用中，压电式传感器通常由压电晶体、电极、外壳和连接线组成。
当外部机械应力作用在压电晶体上时，电极捕获到的电荷会通过连接线传输到外部的测量设备中，从而实现对物理量的测量。
压电式传感器的工作原理简单而又有效，使其在工业控制、医疗设备、汽车电子等领域得到了广泛的应用。
值得注意的是，压电式传感器的工作原理虽然简单，但在实际应用中还是需要考虑一些因素。
例如，压电晶体的材料、结构和制作工艺都会影响传感器的灵敏度和精度。
此外，外部环境的温度、湿度等因素也会对传感器的性能产生影响。
因此，在选择和使用压电式传感器时，需要综合考虑这些因素，以确保传感器能够准确可靠地工作。
总的来说，压电式传感器通过压电效应将机械量转换为电信号，实现对物理量的测量。
它的工作原理简单而又有效，使其在各个领域得到了广泛的应用。
然而，在实际应用中仍需要考虑材料、结构、环境等因素对传感器性能的影响。
通过对这些因素的综合考虑，可以更好地选择和使用压电式传感器，从而实现对物理量的准确测量。
压电传感器工作原理
压电传感器工作原理
压电传感器是一种能够将机械压力转化为电信号的传感器。
它的工作原理基于压电效应，该效应是指材料在受到压力时会产生电荷，反之亦然。
压电传感器通常由压电陶瓷材料构成，如压电晶体、压电陶瓷等。
当外部施加压力时，压电材料的晶格结构被压缩，导致内部的电荷分布发生改变。
这种电荷分布的改变可以通过连接在压电材料两端的电极上，形成电压信号输出。
在压电传感器中，压电材料通常被固定在一个机械结构上，这样当外部施加压力时，机械结构会变形，从而导致压电材料发生压缩或拉伸。
通过检测压电材料的电荷变化，就可以获得与外部施加压力相关的电压信号。
压电传感器具有很高的灵敏度和频率响应，能够测量极小的压力变化。
它广泛应用于汽车制动系统、工业自动化、医疗设备等领域。
此外，压电传感器还被用于制造声音传感器、加速度计、压力传感器等其他类型的传感器。
压电型传感器
图5-5 Y轴方向受压
如果Z轴方向受力时，由于硅离子和氧离子是对称的平移，故 表面不呈现电荷，没有压电效应。
第三节
压电陶瓷的压电效应
压电陶瓷是多晶体，每个晶粒有自发极化的电畴， 每个单晶粒形成一个自发极化方向一致的小区域即电 畴（如图5-6所示）。电畴间边界称畴壁。相邻不同电 畴间自发极化强度取向有一定夹角（与晶体结构有 关）。刚烧结好的压电陶瓷内的电畴是无规则排列， 其总极化强度为0，此时受力则无压电效应。 人工制造的多晶体压电材料，由无数细微的单晶组 成。极化方向杂乱无章，压电陶瓷材料整体对外不显 极化方向，各向同性。 若让原始的压电陶瓷材料具压电特性，需在一定温 度下对它进行极化处理。将这些材料置于外电场作用 下，使其中的电畴发生转动，趋向于其本身自发的极 化方向与外电场方向一致。极化处理过的压电陶瓷具 有良好的压电特性。
QK Usc= Ca Co Ci (1 k )Cf
。
（1+K） 〉〉 Cf
Ca Co Ci
Q QK Cf (1 K )Cf
∴Usc=-
由上式得：输出电压Usc与电缆电容Co无关，而与Q成正比，这是电荷放大器的 优点。
并
压电元件连接方式：
→ 电荷增加一倍，电容量也增加一倍，输出电
第二节
石英晶体的压电效应
一块完整单晶体，外形都构成一个凸多面体。围成凸多面体的面叫 晶面。如图5-2所示。
Z
z
C
y
Y
X
x
图5-2 石英晶体的外形及坐标轴
Z轴是晶体的对称轴，光线沿它通过晶体不产生双折 射现象，光轴（中性轴），该轴方向上没有压电效应； X轴：称电轴，垂直于X轴晶面上的压电效应最显著；Y 轴：称机械轴，在电场作用下，沿此轴方向的机械变形 最显著。 从晶体上切下一个平行六面体（矩形片），让它的 三对平行面分别平行于X、Y、Z轴（石英晶体切型中的 一种）。 沿X轴加压力产生的压电效应称纵向压电效应，沿Y轴 加压力产生的压电效应称横向压电效应。如图5-3所示。 若将X、Y轴方向施加的压力改为拉力，则产生电荷的 位置与施加压力时相同，但电荷的符号相反。
第7章---压电式传感器
直流电场E
剩余极化强度
电场作用下的伸长
(b)极化处理中
剩余伸长
(c)极化处理后
图6-6 压电陶瓷中的电畴变化示意图
2.压电效应分析 极化处理后的压电陶瓷材料，在其极化方向上施加外 力时将会产生压电效应，但其过程不同于石英晶体的 压电过程。
（1）在未受外力作用下，整个压电片如图6-7所示。
不呈现极性而呈现中性。
1、压电效应过程分析 石英晶体压电片如图6-1（c）所示，在其X轴或Y 轴上加外力F时，均在X轴的两个截面上产生符号 相反的电荷。而在Z轴方向上加外力时，不会产生 任何压电效应。
（1）石英晶体 Si4O22 的结构 如图所示，硅氧离子结构排列，图6-2中（a）
Y
Y
-
+
X+
-X
-
+
（a)硅氧离子在Z平面上的投影
第二节 压电效应的分析 一、石英晶体的压电效应的分析 石英晶体：SiO2又称石英晶体（单晶体）。天然结 构的石英晶体呈现一个正六面体的形状。如图6-1 （a）所示：
图6-1 石英晶体
其中： X轴----电轴，经过六面体棱线 Y轴----机械轴，垂直于六面体棱面 Z轴---光轴，垂直于晶体截面且与X、Y轴垂直
+
P2
P3
+
X
-
-
Fx
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
（c)Fx>0
图6-5 石英晶体的压电示意图
(5)在Y轴方向施加力Fy(横向压电效应)
1. 当受拉力时，Fy>0,则其效果与图6-4 Fx<0情况相同。 2.当受压力时，Fy<0,则其效果与图6-5 Fx>0情况相同。
压电传感器的工作原理
石英的d11系数相对于20℃ 的d11温度变化特性
石英在高温下相对介电常数的 温度特性
石英晶体的切片
石英晶体片及封装 石英晶体薄片
双面镀银并封装
天然石英晶体的x、y轴向受力产生电荷比较
1.在晶体的弹性限度内，在x轴方向上施加压力Fx时，在x面 上产生的电荷为：Q=d11Fx
式中 的 d11称为压电常数。 2.在y轴方向施加压力Fy时，仍然在x面上产生电荷：
天然石英晶体外形（续）
天然石英晶体的结构及剖面
天然石英晶体的三个轴
在晶体学中，可用三根相互垂直的轴来表示。其中
纵向轴称为光轴，也称z轴，有折光效应，没有压电效 应。
经过正六面体棱
线，并垂直于光轴
的轴线称为电轴，
也称x轴；经过正六
面体的棱面且垂直
于光轴的轴线称为
机械轴，也称y轴。
2020/10/16
1－正电荷等效中心 2－负电荷等效中心
晶体沿x面受压力时的带电情况分析
石英晶体的正负电荷中心分离，宏观上看， x面的上表面带正电，下表面带负电
Q=d11Fx
1－正电荷等效中心 2－负电荷等效中心
晶片沿x面受拉力时，或是所受压力消失后，弹性体反弹时， 也能导致石英晶体的正负电荷中心分离, x面的上表面带负电,
传感器试题(答案)知识讲解
传感器试题(答案)《传感器及应用技术》期末考试试题（C套）答案一、填空题（每空1分，共30分）：1、现代信息技术的三大支柱是指：传感器技术、通信技术、计算机技术2、国家标准(GB7665-87)对传感器(Transducer/Sensor)的定义：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。
3、传感器由敏感元件、传感元件、测量转换电路和辅助电源三部分组成。
4、现代科学技术使人类社会进入了信息时代，来自自然界的物质信息都需要通过传感器进行采集才能获取。
5、测量结果与被测量的约定真值之间的差别就称为误差。
6、对测量结果评价的三个概念（１）精密度、（２）准确度、（３）精确度7、对传感器的输出量与输入量之间对应关系的描述－－称为传感器的特性。
8、电阻应变式传感器的工作原理是将电阻应变片粘贴到各种弹性敏感元件上，使物理量的变化变成应变片的应力、应变变化，从而变成电阻值变化。
9、热电阻温度计是利用金属导体或半导体材料的电阻率随温度而变化的特性进行温度测量。
10、电感式传感器是利用电磁感应原理，将被测非电量的变化转换成线圈的电感变化的一种传感器。
11、压电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，在电介质的表面产生电荷，从而实现非电量的电测转换。
12、热电偶产生的热电势一般由⑴接触电势和⑵温差电势组成。
13光电式传感器是利用光敏元件将光信号转换为电流信号的装置。
14、霍尔传感器是利用霍尔效应原理制成的传感器，主要用来测量磁场的大小。
15、电容式传感器有变面积式、变间隙式和变介质式三种。
16、当输入端加电流I，并在元件平面法线方向加磁感强度为B的磁场，那么在垂直于电流和磁场方向上将产生电动势，这种现象就是霍尔效应。
二、选择题（每1分，共30分）：1、传感器的精确度是指（ A ）A传感器的输出指示值与被测量约定真值的一致程度B传感器输出量y和输入量x之比C传感器能够测量的下限值(y min)到上限值(y max)之间的范围D输出量与输入量之间对应关系2、不是基于物质的热胀冷缩现象来反映被测温度高低的是（ D ）。
压电式传感器介绍
R(Ca Cc Ci )
相对幅频特性
U im ( ) K1 2 U im () 1 ( )
2
tan ( )
1
(90 70 )
6.4 等效电路与测量电路 6.4.2 测量电路（1）电压放大器（阻抗变换器）
讨论：
压电传感器不能测量静态物理量(ω=0时，Uim=0)； 当ωτ≥3时，Uim输入与信号频率无关，高频响应特性好； 提高低频响应的办法是增大时间常数，但不能靠输入电容。实际办法：是增大前 置输入回路电阻，所以电压放大器响应差，要求前置电路具有高输入阻抗； 电压放大器的缺点:从传感器电压灵敏度 Ku可见，连接电缆的分布电容 Cc影响传感 器灵敏度，使用时更换电缆就要求重新标定，测量系统对电缆长度变化很敏感。
6．5 压电传感器的应用
晶体
点火器
外形结构
6.2 压电材料 6.2.1 石英晶体
• 压电元件受力后,表面电荷与外力成正比关系:
Q dF
d为压电系数
• 在X轴方向施力时,产生电荷大小为: σ 1为X方向应力 • 在Y轴方向施力时,产生电荷大小为: σ 2为Y方向应力 • 压电系数 d11=d12 为常数
qx d111
q y d12 b 2 a
缺点是电路复杂，价格昂贵，使用电荷放大器， 电缆长度变化影响可忽略，并且允许使用长电缆 工作。
6．5 压电传感器的应用 压电式玻璃破碎报警器
6．5 压电传感器的应用 压电式压力传感器
6．5 压电传感器的应用 压电式加速度传感器
6．5 压电传感器的应用
压电元件产品
压电加速度计
振 动 式 液 位 开 关 超声波传感器
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。
传感器与检测技术
检测技术机电工程系一.填空1检测误差是指检测结果和被测量的(客观真值)之间存在的差值。
2准确度反应的是(系统)误差的大小，而精密度描述的是(随机)误差的大小。
3某位移传感器，在输入量变化4mv时，输出电压变化为200mv，其灵敏度为(50mv/mm).4某测量系统由传感器、放大器和记录仪组成，各环节的灵敏度为：S1=0.1mv/%,S2=2.5mv/%,S3=4.0mv/%,系统的灵敏度为(1mm/%)。
5电阻应变片是利用(电阻应变)效应制成的，它将材料应变转换为电阻值变化。
6直流电桥中(全桥)接法的灵敏度最高，这种接法的精密度是半桥单臂接法的(四)倍，是半桥双臂接法的(两)倍。
7应变片按制造材质的不同，可分为(金属)电阻应变片和(半导体)应变片，前者主要以(电阻应变)效应为主，而后者主要以(压阻应变)效应为主。
8湿敏电阻是利用(湿敏材料)吸收空气中的水分而导致本身(电阻值)发生变化这一原理而制成的！9光敏电阻受温度影响较大，随温度的升高，它的暗电阻和灵敏度都会(下降)。
10热敏电阻的缺点是(互换性较差)，同一型号的产品特性参数有较大的差别。
11半导体气敏元件有(N)型和(P)型之分，其中(N)型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小，(P)型阻值随气体浓度的增大而增大。
12电容传感器主要有(变面积式)(变间隙式)和(变介电常数式)三种类型，其中(变间隙)型的输入被测量与输出被测量间的关系是非线性的。
13变面积式电容传感器的灵敏度是一常数，(增加两)极板长度或(缩小两)极板间距离，都可以提高灵敏度。
14变间隙式电容传感器间距过小容易引起击穿，一般在两个极板间放置(云母)(塑料膜)等高介电常数的物质来改变这种情况。
15电感式传感器是利用被测量的变化引起线圈(自感)和(互感)的变化，从而导致线圈(电感量)改变来实现测量量的。
16自感式传感器是利用线圈(自感的变化)进行测量的传感器，其结构形式有变间隙型、(变面积型)和(螺管型)三种类型。
测试技术复习资料传感器第四章 考试重点
测试技术传感器第四章题型小结一、选择题1. 电涡流式传感器是利用什么材料的电涡流效应工作的。
（ A ）PVFA. 金属导电B. 半导体C. 非金属D.22. 为消除压电传感器电缆分布电容变化对输出灵敏度的影响，可采用（B ）。
A. 电压放大器B. 电荷放大器C. 前置放大器D. 电容放大器3. 磁电式绝对振动速度传感器的数学模型是一个（B ）。
A. 一阶环节B. 二阶环节C. 比例环节D. 高阶环节4. 磁电式绝对振动速度传感器的测振频率应（A ）其固有频率。
A. 远高于B. 远低于C. 等于D. 不一定5. 随着电缆电容的增加，压电式加速度计的输出电荷灵敏度将（C ）。
A. 相应减小B. 比例增加C. 保持不变D. 不确定6. 压电式加速度计，其压电片并联时可提高（B ）。
A. 电压灵敏度B. 电荷灵敏度C. 电压和电荷灵敏度D. 保持不变7. 调频式电涡流传感器的解调电路是（C ）。
A. 整流电路B. 相敏检波电路C. 鉴频器D. 包络检波电路8. 压电式加速度传感器的工作频率应该（C ）其固有频率。
A. 远高于B. 等于C. 远低于D. 没有要求9. 下列传感器中哪个是基于压阻效应的？（ B ）A. 金属应变片B. 半导体应变片C. 压敏电阻D. 磁敏电阻10. 压电式振动传感器输出电压信号与输入振动的（B ）成正比。
A. 位移B. 速度C. 加速度D. 频率11. 石英晶体沿机械轴受到正应力时，则会在垂直于（B ）的表面上产生电荷量。
A. 机械轴B. 电轴C. 光轴D. 晶体表面12. 石英晶体的压电系数比压电陶瓷的（C ）。
A. 大得多B. 相接近C. 小得多D. 不确定13. 光敏晶体管的工作原理是基于（ B ）效应。
A. 外光电B. 内光电C. 光生电动势D. 光热效应14. 一般来说，物性型的传感器，其工作频率范围（A ）。
A. 较宽B. 较窄C. 较高D. 不确定15. 金属丝应变片在测量构件的应变时，电阻的相对变化主要由（B ）来决定的。
压电式传感器
压电式传感器论文班级：10233姓名：周经纬学号：1023324专业：机电一体化压电式传感器一、压电效应某些电介质在沿一定方向上收到外力的作用而形变时，内部会产生极化现象，同时在其表面上产生电荷，当去掉外力后，又重新回到不带点的状态，这种现象称为压电效应。
在晶体的弹性限度内，压电材料受力后，其表面产生的电荷Q与所施加的力F成正比，即式中Q=dFx式中d——压电场数。
正压电效应（顺压电效应）：某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的一定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。
当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。
逆压电效应（电致伸缩效应）：当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。
自然界中与压电效应有关的现象很多。
例如在敦煌的鸣沙丘，当许多游客在沙丘上蹦跳或从鸣沙丘上往下滑时，可以听到雷鸣般的隆隆声。
产生这个现象的原因是无数干燥的沙子在重压引起振动，表面产生电荷，在某时刻，恰好形成电压串联，产生很高的电压，并通过空气放电而发出声音。
在电子打火机中，雅典材料受到敲击，产生很高的电压，通过尖端放电，而点燃火焰。
二、压电材料压电式传感器中的压电元件一般有三类：一类是压电晶体（单晶体）；另一类的hi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。
（一）石英晶体石英晶体是一种良好的压电晶体，它的优点是性能非常稳定。
它具有自振频率高、动态响应好机械强度高、绝缘性能好、迟滞小、重复性好、线性范围宽等优点。
石英晶体不足之处就是压电常数小。
因此石英晶体大多只在标准传感器、高精度传感器或使用温度较高的传感器中使用，而在一般要求的测量中，基本上采用压电陶瓷。
（二）压电陶瓷压电陶瓷是人工制造的多晶体点材料，它由无数细微的电畴组成。
这些电畴实际上是分子自发极化的小区域。
在无外电场作用时，各个电畴在晶体中杂乱分布，它们的极化效应被互相抵消了，因此原始的电压陶瓷呈中性，不具有电压性质。
压电式震动传感器原理
压电式震动传感器原理
压电式震动传感器是一种常用于检测震动和振动的传感器。
其原理基于压电效应。
压电效应是指某些物质在受到机械应力时，会产生电荷或电势差。
压电材料常用的有石英、铁电体和陶瓷材料，其中陶瓷材料最常用。
压电式震动传感器的工作原理如下：
1. 当外界产生震动或振动时，传感器内的压电材料会受到应力变化。
2. 应力变化会导致压电材料的结晶结构发生变化，产生电荷或电势差。
3. 电荷或电势差会通过传感器内的电路被放大和处理。
4. 处理后的电信号可以被测量、分析和转化为相应的震动或振动数据。
压电式震动传感器的特点包括灵敏度高、频率响应宽、响应速度快，适用于各种环境和应用场景。
不过由于压电材料的特性，压电式震动传感器对高温、湿度和腐蚀性环境比较敏感，需要注意保护和使用条件。
总之，压电式震动传感器通过利用压电效应，将机械振动转化为电信号，实现对震动和振动的检测和监测。
压电传感器
Z 轴为光轴（中性轴），它是晶体的对称轴，光线沿Z轴通过 晶体不产生双折射现象，因而它的贡献是作为基准轴。 X 轴为电轴（垂直于光轴），该轴压电效应最显著，它通过正 六棱柱相对的两个棱线且垂直于光轴Z，显然X轴共有三个。 Y 轴为机械轴（力轴），显然也有三个，它垂直于两个相对的 表面，在此轴上加力产生的变形最大。
在压电式传感器中，常用两片或多片组合在一 起使用。由于压电材料是有极性的，因此接法也有两 种，如图所示。图a为并联接法，其输出电容C ＇为 单片的n倍，即C＇=nC，输出电压U ＇ =U，极板上 的电荷量Q＇为单片电荷量的n倍，即Q＇=nQ。 图中b为串联接法，这时有Q＇＝Q，U＇= nU， C＇=C/n。
极化面
F
逆压电效应
Q
机械能｛ 压电介质 正压电效应 电能 ｝
F
压电效应及可逆性
☺具有压电效应的电介物质称为压电材料。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、钛酸钡、锆钛酸铅等。
☺常见的压电材料可分为两类，即压电单晶体和多晶 体压电陶瓷。
一、石英晶体的压电效应
石英晶体有天然和人造石英单晶 两种。 石英晶体属六方晶系，是一个正 六面体，有右旋和左旋石英晶体之 分，在晶体学中用三根互相 垂直的 轴 Z、X、Y 表示它的坐标。
压电材料的主要性能指标
压电常数——衡量压电效应强弱的参数，直接关系到
压电输出的灵敏度
弹性常数——决定着压电器件的固有频率和动态特性
介电常数——影响压电器件的固有电容与频率下限
绝缘电阻——影响电荷泄漏和低频特性
居里点——压电材料开始丧失压电特性的温度
§5-2
压电式传感器的等效电路
压电速度传感器工作原理
压电速度传感器工作原理
压电速度传感器是一种利用压电效应来测量速度的传感器。
压电效应是指某些晶体在受到外力作用时会产生电荷分离的现象。
当一个压电材料被施加力或振动时，压电材料的晶格结构发生变化，导致电荷分离。
这种电荷分离产生的电荷量与材料受到的力或振动的速度成正比。
压电速度传感器通常由压电材料制成，如压电陶瓷。
当传感器受到外力或振动时，压电陶瓷产生电荷分离，形成一个电荷信号。
这个电荷信号被转换成电压信号，进一步处理和放大后就可以得到速度的测量。
压电速度传感器的工作原理可以总结为以下几个步骤：
1. 施加外力或振动：将传感器安装在需要测量速度的物体上，当物体受到外力或振动时，传感器也会受到相应的力或振动。
2. 电荷分离：外力或振动引起压电材料产生晶格结构变化，导致电荷分离，形成正负电荷。
3. 电荷转换：分离的电荷通过传感器内部的电路转换成电压信号。
4. 信号处理和放大：电压信号被进一步处理和放大，以获得准确的速度测量结果。
通过以上步骤，压电速度传感器可以将外部力或振动转化为电
信号，并进一步转化为速度测量结果。
这使得压电速度传感器在许多应用领域中具有广泛的应用，如振动分析、机械运动测量等。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
三、压电陶瓷（人造多晶体）的压电效应
是一种人工制造的多晶体的压电材料，内部晶粒有很多 自发极化的电畴，具有一定的极化方向 自由电荷 - - - - 束缚电荷
电极
＋＋＋＋＋
＋＋＋＋＋
极化方向 - - - - -
电极
图 陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附 的自由电荷示意图
第3节 压电传感器
电子信息及电气工程系
压电效应
3-1 压电传感器的工作原理
一、压电效应
1、正压电效应： 沿某些电介质的一定方向施加力而使之变形时，内部产生极 化现象，两个表面产生符号相反的电荷，去掉外力后复原。
2、逆压电效应（电致伸缩效应）：
在介质的极化方向施加（交变）电场，它会产生机械变形， 去掉外加电场后变形消失。 3、压电效应是可逆的。 以压电效应为基础制作的传感器，又称为发电式传感器、双 向传感器、有源传感器。
Sx = lb
Sy = hb
由于：d11 = -d12 （轴对称条件）
则：
qx = -d11 Fy l/ h
3）沿Z轴方向施加力，无变形，无极化。 4）无体积变形，无极化。
4、石英晶体（天然晶体SiO2 ）的特点：
（1）稳定，在居里点（575 0C）内其压电系
数（ d11 =2.31×10-12 C/N ）不随温度而变；
Fy<0 P1+P2+P3<0
偶极距： p = ql ； 矢量方向：从负指向正 无压力时： p = p1 + p2 + p3 = 0 正负电荷中心重合 施加Fy ： Py = (p1 + p2 + p3 ) < 0 , Px = 0, Pz = 0 上负下正 施加Fx ： Px = (p1 + p2 + p3 ) > 0 , Py = 0, Pz = 0 上正下负 施加 Fz ： P = 0 施加 Fx， Fy， Fz ： P = 0 结论： qx只与Fx ， Fy的大小和方向有关， 但剪切力、扭力会引起形变。 各向异性。
压电陶瓷的特点：
较之石英晶体有很高的灵敏度； 稳定性和机械强度不如石英晶体。
四、压电元件的联接及结构形式
1、联接 串联：q` = q, u` = 2u, c` = c/2
宜电压输出，C小，测快速信号；
并联：q` = 2q, u` = u,
c` = 2c
宜电荷输出，C大，测慢速信号。
2、加预应力：保证在作用力变化时，压电 片始终受力。 3、压电陶瓷的时间常数随使用时间的增长而 变小，需每半年校正一次，石英晶体稳定
3、计算
压电系数dmn
m—产生电荷的面的轴向 n—施加作用力的轴向 1）压电晶体切片在X方向受压缩应力σx作用，产生厚度 变形：
则： qx = d11 Fx 与尺寸无关。
极化强度Px = d11 σx = d11 Fx/lb = qx / lb
2）沿y方向施加力Fy ，产生长度变形： 极化强度Py = d12 σy = d12 Fy/hb = qx / lb 则： qx = d12 Fy lb/ hb = d12 Fy l/ h 与尺寸相关
差动式加速度传感器
壳体 质量块 弹簧环 压电元件
弯曲型压电加速度计
金属片 压电片 质量块
2、作为压电电源，可作为煤气炉或汽车的自动 点火装置、多种电压发生器、计算机键盘等；
三向力传感器YDS-III79B
二、逆压电效应 超声波发生器、压电扬声器、压电谐振器 （石英振荡器）等。 三、正、逆压电效应 压电变压器、压电陀螺、声纳、压电声表 面波等。 四、生物压电学 生物都具有压电性，人的各种感觉实际上 都是生物压电传感器。 正压电效应——治疗骨折 逆压电效应——对骨头通电具有矫正畸形 等功能。
一、测量特点： 1、对象：力及力的派生物理量（压力、位移、 加速度等）。 2、动态测量：压电材料上产生的电荷只有在无 泄露的情况下才能长期保存。故它不宜做静态 测量，只能施加交变力，电荷才能得到不断的 补充，才能供给回路一定的电流，故只宜做动 态测量。 3、高阻前置放大器：减少晶片的漏电流以减少 测量误差。
逆压电效应
电能
正压电效应
机械能
二、石英晶体的压电特性 1、结构：单晶体，六角形晶柱 Z轴：3，纵向轴，光轴，无压电效应； X轴：1，经过正六面体棱线，垂直于光轴 电轴（纵向压电效应） Y轴：2，垂直于X、Z轴，机械轴（横向压 电效应）
h
b
2、分析
Fx=0 P1+P2+P3＝0
Fx<0 P1+P2+P3>0
压电传感器的特点： 体积小，简单，可靠，灵敏，固有频 率高，应用广泛，但不能测频率太低的被 测量，特别是静态力。
令 R(Ca Ci Cc )
则
U im dFmR 1 (0 / ) 2
0 1 /
dFm Ca Ci Cc
内漏 电缆
输入
特点： 当ω=0时， Uim =0，电荷通过Ra、 Ri泄漏掉 ，故不能测静态力，低频特性差； 当ω /ω0>3时， Uim 随频率变化不大， 当ω /ω0>>3时， Uim 与频率变化无关，故 高频特性好； U0与 Cc相关，不好。 线路简单，线性度及稳定度好。 三、电荷放大器 设： Ai →∞ ， C = Cc + Ci + Ca Ri →∞， Ra →∞， Zi →∞
故：
q U0 Cf Ui q Cf A
C = Cc + Ci + Ca
特点： U0只与 Cf 及q相关，与Cc变化不无关，应 用广泛。 低频截止频率比电压放大器降低A倍，可 测0.3HZ。但对精度、温度和时间稳定性要求 高。 价格高，线路复杂，调整困难。
11-4 应用 一、正压电效应
1、作为则量元件，可测最终能变为力的物理量 如压力、加速度、冲击（汽车的冲击检测）、振 动等；
二、电压放大器（阻抗变换器） R=Ra Ri /（Ra + Ri ）， C = Cc + Ci f = Fm sinωt， q = d f ， Ua = q/Ca = d f / Ca
.
U
i
df (1/ jc) // R j R df Ca (1/ jca ) (1/ jc) // R 1 j R(Ca C )
Ui =[q-（ Ui –U0 ）Cf ]/C =[q-（ 1 –A ）Ui Cf ]/C ， q-（ 1 –A ） Ui Cf = C Ui， q=[C +（ 1 –A ） Cf ] Ui Ui = q/[C +（ 1 –A ） Cf ] = q/[C – （ A – 1 ） Cf ] U0 = – UiA= – qA/[Cc + Ci + Ca – （ A – 1 ） Cf ]由于 ：A >> 1， Cf A >> C
4-2 压电传感器的等效电路
压电传感器既是一个电荷发生器，又是 一个电容器。因此可有两种等效电路： 1、电荷源：内部的电荷发生器对C充电； 2、电压源：产生的电荷形成电压源，对外供 电时需通过对等效电容充放电进 行。
Ua = q/Ca
ห้องสมุดไป่ตู้
q = Ua Ca
内漏 电缆
输入 内漏 电缆
输入
4-3 测量电路
＋＋＋＋＋
F - - - - - － 极化方向 - - - - -
＋＋＋＋＋ ＋
正压电效应示意图
晶体极化后，垂直极化平面上施加作用力，引起剩余 极化强度变化，在极化面上产生电荷
- - - - ＋＋＋＋＋
Ｅ
极化方向 - - - - ＋＋＋＋＋
电 场 方 向
逆压电效应示意图
若在片上加一个与极化方向相同或相反的电场，陶瓷片 沿极化方向产生伸长形变或者产生缩短形变。——压电陶瓷 的逆压电效应。