8-6 压电式传感器(1c)解析
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。
传感器基础知识单选题100道及答案解析
传感器基础知识单选题100道及答案解析1. 传感器能感知的输入量的最小变化量称为（）A. 分辨率B. 灵敏度C. 精度D. 线性度答案：A解析：分辨率是指传感器能感知的输入量的最小变化量。
2. 下列不属于传感器静态特性指标的是（）A. 重复性B. 固有频率C. 线性度D. 迟滞答案：B解析：固有频率属于传感器的动态特性指标。
3. 传感器的输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度称为（）A. 线性度B. 灵敏度C. 重复性D. 分辨率答案：A解析：线性度描述的是实际关系曲线偏离拟合直线的程度。
4. 传感器在正、反行程中输出输入曲线不重合的现象称为（）A. 线性度B. 重复性C. 迟滞D. 灵敏度误差答案：C解析：迟滞指传感器在正、反行程中输出输入曲线不重合。
5. 衡量传感器在同一工作条件下，输入量按同一方向作全量程连续多次变动时，所得特性曲线间不一致的程度的指标是（）A. 线性度B. 迟滞C. 重复性D. 灵敏度答案：C解析：重复性是衡量同一工作条件下，特性曲线不一致的程度。
6. 以下哪种传感器属于物性型传感器（）A. 电容式传感器B. 电感式传感器C. 压电式传感器D. 电阻应变式传感器答案：C解析：压电式传感器是利用某些物质的压电效应制成，属于物性型传感器。
7. 属于结构型传感器的是（）A. 光电式传感器B. 霍尔式传感器C. 压电式传感器D. 热敏电阻答案：B解析：霍尔式传感器是基于霍尔效应，属于结构型传感器。
8. 传感器的线性范围越宽，则其量程（）A. 越小B. 越大C. 不变D. 不确定答案：B解析：线性范围宽，意味着能测量的输入量的范围大，即量程越大。
9. 下列对传感器的动态特性描述正确的是（）A. 输入量随时间变化缓慢时的特性B. 输入量为常量时的特性C. 输入量随时间快速变化时的特性D. 以上都不对答案：C解析：动态特性是指输入量随时间快速变化时传感器的特性。
10. 传感器的频率响应特性是指（）A. 传感器对不同频率正弦输入信号的响应特性B. 传感器在单位时间内的响应特性C. 传感器在不同温度下的响应特性D. 传感器在不同压力下的响应特性答案：A解析：频率响应特性指传感器对不同频率正弦输入信号的响应特性。
压电式传感器的测量电路
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。
传感器习题解答
思考与作业绪论.列出几项你身边传感测试技术的应用例子。
解：光电鼠标，电子台称，超声波测距，超声波探伤等。
第1章传感器的基本概念1. 什么叫做传感器的定义？最广义地来说，传感器是一种能把物理量、化学量以及生物量转变成便于利用的电信号的器件。
2.画出传感器系统的组成框图，说明各环节的作用。
答：1）.敏感元件：直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。
2）.转换元件：以敏感元件的输出为输入，把输入转换成电路参数。
3）.转换电路：上述电路参数接入转换电路，便可转换成电量输出。
3.传感器有哪几种分类？按被测量分类——物理量传感器——化学量传感器——生物量传感器按测量原理分类阻容力敏光电声波按输出型式分类数字传感器模拟传感器按电源型式分类无源传感器有源传感器4. 传感器的静态特性是什么？静态特性表示传感器在被测量各个值处于稳定状态时的输入输出关系。
也即当输入量为常量，或变化极慢时，这一关系就称为静态特性。
5. 传感器的动态特性是什么？动态特性是指传感器对随时间变化的输入量的响应特性，反映输出值真实再现变化着的输入量的能力。
6. 为什么要把传感器的特性分为静态特性和动态特性?传感器所测量的非电量一般有两种形式：一种是稳定的，即不随时间变化或变化极其缓慢，称为静态信号；另一种是随时间变化而变化，称为动态信号。
由于输入量的状态不同，传感器所呈现出来的输入—输出特性也不同，因此存在所谓的静态特性和动态特性。
第2章电阻式传感器1. 如何用电阻应变计构成应变式传感器?电阻应变计把机械应变信号转换成ΔR/R后，由于应变量及其应变电阻变化一般都很微小，既难以直接精确测量，又不便直接处理。
因此，必须采用转换电路或仪器，把应变计的ΔR/R变化转换成电压或电流变化（通常采用电桥电路实现这种转换。
根据电源的不同，电桥分直流电桥和交流电桥）。
2. 金属电阻应变片测量外力的原理是什么？金属电阻应变片的工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象。
传感器原理及应用习题答案(完整版)
传感器原理及应用习题答案习题1 (2)习题2 (4)习题3 (8)习题4 (10)习题5 (12)习题6 (14)习题7 (17)习题8 (20)习题9 (23)习题10 (25)习题11 (26)习题12 (28)习题13 (32)习题11-1 什么叫传感器？它由哪几部分组成？并说出各部分的作用及其相互间的关系。
答：传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置。
通常传感器由敏感元件和转换元件组成。
敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分，转换元件是指传感器中将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。
由于传感器的输出信号一般都很微弱, 因此需要有信号调节与转换电路对其进行放大、运算调制等。
随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的信号调节与转换电路可能安装在传感器的壳体里或与敏感元件一起集成在同一芯片上。
此外，信号调节转换电路以及传感器工作必须有辅助的电源，因此信号调节转换电路以及所需的电源都应作为传感器组成的一部分。
1-2 简述传感器的作用和地位及其传感器技术的发展方向。
答：传感器位于信息采集系统之首，属于感知、获取及检测信息的窗口，并提供给系统赖以进行处理和决策所必须的原始信息。
没有传感技术，整个信息技术的发展就成了一句空话。
科学技术越发达，自动化程度越高，信息控制技术对传感器的依赖性就越大。
发展方向：开发新材料，采用微细加工技术，多功能集成传感器的研究，智能传感器研究，航天传感器的研究，仿生传感器的研究等。
1-3 传感器的静态特性指什么？衡量它的性能指标主要有哪些？答：传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的输出—输入关系。
与时间无关。
主要性能指标有：线性度、灵敏度、迟滞和重复性等。
1-4 传感器的动态特性指什么？常用的分析方法有哪几种？答：传感器的动态特性是指其输出与随时间变化的输入量之间的响应特性。
常用的分析方法有时域分析和频域分析。
习题参考答案6-压电式传感器
习题6 六、压电式传感器（一） 习 题6-1. 以钛酸钡为例，在y 轴受到1N/m 2的切应力。
试求出在各方向产生的电荷密度。
答：121111213141516322122232425264331323334353656T T d d d d d d T d d d d d d T d d d d d d T T σσσ⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦＝1524313233000000000000000010d d d d d ⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎢⎥⎢⎥⎣⎦其中12121212120000250100002501000781078101901000ij d -----⎡⎤⨯⎢⎥⎡⎤=⨯⎢⎥⎣⎦⎢⎥-⨯-⨯⨯⎣⎦12122111112213314415516615525010125010d T d T d T d T d T d T d T C m σ--∴=+++++==⨯⨯=⨯ 22112222332442552660d T d T d T d T d T d T σ=+++++=33113223333443553660d T d T d T d T d T d T σ=+++++=即在x ，y ，z 轴面上产生的电荷密度分别为250×10-12C/m 2，0，0。
6-2 已知电压前置放大器输入电阻及总电容分别为R i ＝1MΩ，C i ＝100pF ，求与压电加速度计相配测量1Hz 的振动时幅值误差为多大？答：对于电压前置放大器，其实际输入电压与理想输入电压之比的相对幅频特性为()()21ωτωτω+=A i i C R =τ f πω2=当被测信号的频率为f=1Hz 时，有()()()421261262103.6101001011211010010112212---⨯=⨯⨯⨯⨯⨯+⨯⨯⨯⨯⨯=+=ππππωi i i i C fR C fR A所以幅值误差为%94.999994.01103.64-=-=-⨯=-δ由此可见测量误差太大了，原因在于输入阻抗太小。
压电式压力传感器原理
压电式压力传感器原理
压电式压力传感器是一种通过压电效应来感知压力变化并将其转化为电信号的
传感器。
它主要由压电材料、电极、外壳和连接线组成。
在应用中，压电材料受到外力作用时，会产生电荷，从而产生电压信号。
下面将详细介绍压电式压力传感器的原理。
首先，压电效应是指某些晶体或陶瓷材料在受到力的作用时，会产生电荷。
这
种材料被称为压电材料。
当外力作用于压电材料上时，材料内部的正负电荷会发生重新排列，从而在材料的两个表面上产生电荷。
这种现象被称为正压电效应。
另外，当外力去除后，压电材料会恢复到原来的状态，这种现象被称为逆压电效应。
利用这种特性，压电式压力传感器可以将压力信号转化为电信号。
其次，压电式压力传感器的工作原理是将压电材料固定在测量对象受力的位置上。
当测量对象受到压力时，压电材料会产生电荷，进而产生电压信号。
这个电压信号可以通过连接线传输到数据采集系统或控制系统中，进行信号处理和分析。
从而实现对压力信号的准确测量和监测。
最后，压电式压力传感器的原理可以简单总结为，压力作用于压电材料上时，
压电材料产生电荷，产生电压信号；电压信号经过连接线传输到数据采集系统或控制系统中，进行信号处理和分析；最终实现对压力信号的测量和监测。
总之，压电式压力传感器通过压电效应将压力信号转化为电信号，实现对压力
的准确测量和监测。
它具有灵敏度高、响应速度快、抗干扰能力强等优点，在工业自动化、航空航天、医疗器械等领域有着广泛的应用前景。
希望本文的介绍能够帮助大家更好地理解压电式压力传感器的工作原理。
压电式压力传感器工作原理
压电式压力传感器工作原理
压电式压力传感器是一种常用的传感器，广泛应用于工业控制、机械设备和汽车等领域。
其工作原理是利用压电晶体材料的特性。
压电晶体材料具有压电效应，即受到外力作用时会产生电荷。
常用的压电材料有石英、铅锆钛酸钽等。
压电材料通常以石英片或圆盘的形式存在。
当外部施加压力时，压电材料会发生微小的形变，从而改变了材料中的电荷分布。
这个电荷的改变可以被连接在材料两端的电极感知到，并转换成电压信号。
传感器的结构中通常有一个压电材料圆盘，两侧分别接上金属电极。
当外界施加压力时，压电材料圆盘发生微小形变并产生电荷，在电极上产生电位差。
这个电位差通过连接在电极上的导线传输到电路中。
在电路中，可以使用放大器对信号进行放大处理，并转换成标准的电压或电流输出。
这样，我们就可以通过测量输出的电压或电流值来间接测量外界的压力大小。
需要注意的是，压电式压力传感器在使用时要注意避免过大的压力，以免损坏压电材料。
此外，还要注意传感器与被测量物体的垂直压力方向，以确保测量的准确性。
总结起来，压电式压力传感器通过利用压电材料的压电效应来
实现对外界压力的测量。
它具有结构简单、响应速度快、精度高等优点，在各个领域中都有广泛的应用。
传感器总结题答案解析
一、简答题：l.检测系统由哪几部分组成说明各部分的作用。
答：一个完整的检测系统或检测装置通常是由传感器、测量电路和显示记录装置等几部分组成，分别完成信息获取、转换、显示和处理等功能。
当然其中还包括电源和传输通道等不可缺少的部分。
下图给出了检测系统的组成框图。
检测系统的组成框图传感器是把被测量转换成电学量的装置，显然，传感器是检测系统与被测对象直接发生联系的部件，是检测系统最重要的环节，检测系统获取信息的质量往往是由传感器的性能确定的，因为检测系统的其它环节无法添加新的检测信息并且不易消除传感器所引入的误差。
测量电路的作用是将传感器的输出信号转换成易于测量的电压或电流信号。
通常传感器输出信号是微弱的，就需要由测量电路加以放大，以满足显示记录装置的要求。
根据需要测量电路还能进行阻抗匹配、微分、积分、线性化补偿等信号处理工作。
显示记录装置是检测人员和检测系统联系的主要环节，主要作用是使人们了解被测量的大小或变化的过程。
2.什么是系统误差和随机误差正确度和精密度的含义是什么它们各反映何种误差答：系统误差是指在相同的条件下，多次重复测量同一量时，误差的大小和符号保持不变，或按照一定的规律变化的误差。
随机误差则是指在相同条件下，多次测量同一量时，其误差的大小和符号以不可预见的方式变化的误差。
正确度是指测量结果与理论真值的一致程度，它反映了系统误差的大小，精密度是指测量结果的分散程度，它反映了随机误差的大小。
3.金属电阻应变片与半导体材料的电阻应变效应有什么不同答：金属电阻的应变效应主要是由于其几何形状的变化而产生的，半导体材料的应变效应则主要取决于材料的电阻率随应变所引起的变化产生的。
4.直流测量电桥和交流测量电桥有什么区别答：它们的区别主要是直流电桥用直流电源，只适用于直流元件，交流电桥用交流电源，适用于所有电路元件。
5.光敏电阻有哪些重要特性，在工业应用中是如何发挥这些特性的答：光敏电阻是采用半导体材料制作，利用内光电效应工作的光电元件。
称重传感器工作原理
称重传感器工作原理摘录时间:2009-12-6 22:07:20深圳市秦合源科技有限公司一、各传感器原理压电传感器：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)。
它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。
缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。
配套仪表和低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现，使压电传感器的使用更为方便。
它广泛应用于工程力学、生物医学、电声学等技术领域应变传感器：应变传感器是国内外应用较广泛的一种,它是以电阻应变计为转换元件,将非电量如:力、压力、位移、加速度、扭矩等参数转换为电量。
光电传感器：将光信号转换成电信号的传感器热电传感器：将热信号转换成电信号的传感器电容式传感器原理电容式传感器原理二、各传感器应用电容式压力传感器科学技术的不断发展极大地丰富了压力测量产品的种类，现在，压力传感器的敏感原理不仅有电容式、压阻式、金属应变式、霍尔式、振筒式等等但仍以电容式、压阻式和金属应变式传感器最为多见。
金属应变式压力传感器是一种历史较长的压力传感器，但由于它存在迟滞、蠕变及温度性能差等缺点，其应用场合受到了很大的限制。
压阻式传感器是利用半导体压阻效应制造的一种新型的传感器，它具有制造方便，成本低廉等特点，但由于半导体材料对温度极为敏感，所以其性能受温度影响较大，产品的一致性较差。
电容式传感器是应用最广泛的一种压力传感器，其原理十分简单。
一个无限大平行平板电容器的电容值可表示为：C= ε s/d（ε为平行平板间介质的介电常数，d 为极板的间距，s 为极板的覆盖面积）改变其中某个参数，即可改变电容量。
3.2压电式压力传感器解析
§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。
传感器技术与应用第2版-部分习题答案
第1章传感器特性习题答案：5.答：静特性是当输入量为常数或变化极慢时，传感器的输入输出特性，其主要指标有线性度、迟滞、重复性、分辨力、稳定性、温度稳定性、各种抗干扰稳定性。
传感器的静特性由静特性曲线反映出来，静特性曲线由实际测绘中获得。
人们根据传感器的静特性来选择合适的传感器。
9．解：10. 解：11．解：带入数据拟合直线灵敏度 0.68,线性度±7% 。
，，，，，，13．解：此题与炉温实验的测试曲线类似:14．解：15．解：所求幅值误差为1.109,相位滞后33042,所求幅值误差为1.109,相位滞后33042,16．答：dy/dx=1-0.00014x。
微分值在x<7143Pa时为正，x>7143Pa时为负，故不能使用。
17．答：⑴20。
C时，0～100ppm对应得电阻变化为250～350 kΩ。
V0在48.78～67.63mV之间变化。
⑵如果R2=10 MΩ，R3=250 kΩ，20。
C时，V0在0～18.85mV之间变化。
30。
C时V0在46.46mV（0ppm）～64.43mV（100ppm）之间变化。
⑶20。
C时，V0为0～18.85mV，30。
C时V0为0～17.79mV，如果零点不随温度变化，灵敏度约降低4.9%。
但相对（2）得情况来说有很大的改善。
18．答：感应电压=2πfCRSVN,以f=50/60Hz, RS=1kΩ, VN=100代入，并保证单位一致，得：感应电压=2π*60*500*10-12*1000*100[V]=1.8*10-2V第3章应变式传感器概述习题答案9. 答：(1).全桥电路如下图所示(2).圆桶截面积应变片1、2、3、4感受纵向应变；应变片5、6、7、8感受纵向应变；满量程时：（3）10．答：敏感元件与弹性元件温度误差不同产生虚假误差，可采用自补偿和线路补偿。
11．解：12．解：13．解：①是ΔR/R=2（Δl/l）。
因为电阻变化率是ΔR/R=0.001，所以Δl/l（应变）=0.0005=5*10-4。
压电式传感器原理
压电式传感器原理压电式传感器是一种常用的传感器类型，它利用压电效应来将机械应力转换为电信号。
压电效应是指某些晶体或陶瓷材料在受到机械应力作用时，会产生电荷分布不均匀的现象。
这种现象被称为压电效应，而利用这种效应制成的传感器就是压电式传感器。
压电式传感器的工作原理非常简单直观。
当传感器受到外部力或压力作用时，传感器内部的压电材料会发生形变，导致电荷分布不均匀。
这些不均匀的电荷会产生一个电势差，从而产生一个电信号。
这个电信号可以被放大和处理，最终转换成我们可以理解的物理量，如力、压力、加速度等。
压电式传感器的工作原理可以用一个简单的例子来解释。
想象一个压电陶瓷材料制成的传感器，当这个传感器受到外部力作用时，陶瓷材料会产生微小的形变。
这种形变会导致陶瓷材料内部的电荷分布不均匀，从而产生一个微弱的电信号。
通过放大和处理这个电信号，我们就可以获得关于外部力的信息。
压电式传感器具有许多优点，其中最显著的是灵敏度高、响应速度快、结构简单、体积小等。
这些优点使得压电式传感器在各种工业和科学领域得到广泛应用。
比如在汽车制造业中，压电式传感器可以用来检测引擎的振动情况；在医疗领域，压电式传感器可以用来监测心脏的跳动情况。
除了上述应用外，压电式传感器还可以用于声波传感、压力传感、加速度传感等领域。
由于其工作原理简单、性能优越，压电式传感器在现代科技领域有着广阔的应用前景。
总的来说，压电式传感器是一种利用压电效应将机械应力转换为电信号的传感器。
它的工作原理简单直观，具有高灵敏度、快响应速度等优点，因此在各种领域得到广泛应用。
随着科技的不断发展，压电式传感器的应用范围将会更加广泛，为人类的生活和工作带来更多便利。
传感器技术习题和答案解析
传感器技术绪论习题一、单项选择题1、下列属于按传感器的工作原理进行分类的传感器是（ B ）。
A. 应变式传感器B. 化学型传感器C. 压电式传感器D. 热电式传感器2、通常意义上的传感器包含了敏感元件和（ C ）两个组成部分。
A. 放大电路B. 数据采集电路C. 转换元件D. 滤波元件3、自动控制技术、通信技术、连同计算机技术和（C ），构成信息技术的完整信息链。
A. 汽车制造技术B. 建筑技术C. 传感技术D.监测技术4、传感器按其敏感的工作原理，可以分为物理型、化学型和（ A ）三大类。
A. 生物型B. 电子型C. 材料型D. 薄膜型5、随着人们对各项产品技术含量的要求的不断提高，传感器也朝向智能化方面发展，其中，典型的传感器智能化结构模式是（B ）。
A. 传感器＋通信技术B. 传感器＋微处理器C. 传感器＋多媒体技术D. 传感器＋计算机6、近年来，仿生传感器的研究越来越热，其主要就是模仿人的（D ）的传感器。
A. 视觉器官B. 听觉器官C. 嗅觉器官D. 感觉器官7、若将计算机比喻成人的大脑，那么传感器则可以比喻为(B )。
A．眼睛 B. 感觉器官 C. 手 D. 皮肤8、传感器主要完成两个方面的功能：检测和（D ）。
A. 测量B. 感知C. 信号调节D. 转换9、传感技术与信息学科紧密相连，是（C ）和自动转换技术的总称。
A. 自动调节B. 自动测量C. 自动检测D. 信息获取10、以下传感器中属于按传感器的工作原理命名的是（ A ）A．应变式传感器B．速度传感器C．化学型传感器D．能量控制型传感器二、多项选择题1、传感器在工作过程中，必须满足一些基本的物理定律，其中包含（ABCD）。
A. 能量守恒定律B. 电磁场感应定律C. 欧姆定律D. 胡克定律2、传感技术是一个集物理、化学、材料、器件、电子、生物工程等学科于一体的交叉学科，涉及（ABC ）等多方面的综合技术。
A. 传感检测原理B. 传感器件设计C. 传感器的开发和应用D. 传感器的销售和售后服务3、目前，传感器以及传感技术、自动检测技术都得到了广泛的应用，以下领域采用了传感技术的有：（ABCD ）。
传感器原理与应用习题第6章压电式传感器
《传感器原理与应用》习题集与部分参考答案教材：传感器技术（第3版）贾伯年主编，及其他参考书第6章 压电式传感器6-1 何谓压电效应？何谓纵向压电效应和横向压电效应？答：一些离子型晶体的电介质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。
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： D = dT 式中 d —压电常数矩阵。
当外力消失，电介质又恢复不带电原状；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。
若对上述电介质施加电场作用时，同样会引起电介质内部正负电荷中心的相对位移而导致电介质产生变形，且其应变S 与外电场强度E 成正比： S=d t E 式中 d t ——逆压电常数矩阵。
这种现象称为逆压电效应，或称电致伸缩。
6-2 压电材料的主要特性参数有哪些？试比较三类压电材料的应用特点。
答：主要特性：压电常数、弹性常数、介电常数、机电耦合系数、电阻、居里点。
压电单晶：时间稳定性好，居里点高，在高温、强辐射条件下，仍具有良好的压电性，且机械性能，如机电耦合系数、介电常数、频率常数等均保持不变。
此外，还在光电、微声和激光等器件方面都有重要应用。
不足之处是质地脆、抗机械和热冲击性差。
压电陶瓷：压电常数大，灵敏度高，制造工艺成熟，成形工艺性好，成本低廉，利于广泛应用，还具有热释电性。
新型压电材料：既具有压电特性又具有半导体特性。
因此既可用其压电性研制传感器，又可用其半导体特性制作电子器件；也可以两者合一，集元件与线路于一体，研制成新型集成压电传感器测试系统。
6-3 试述石英晶片切型（︒︒+45/50yxlt ）的含意。
6-4 为了提高压电式传感器的灵敏度，设计中常采用双晶片或多晶片组合，试说明其组合的方式和适用场合。
答：（1）并联：C ′＝2C ，q ′=2q,U ′=U,因为输出电容大，输出电荷大，所以时间常数，适合于测量缓变信号，且以电荷作为输出的场合。
传感器课后答案解析
传感器课后答案解析第1 1 章概述1. 什么是传感器？传感器定义为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和装置，通常由敏感元件和转换元件组成。
2 1.2 传感器的共性是什么？传感器的共性就是利用物理规律或物质的物理、化学、生物特性，将非电量（如位移、速度、加速度、力等）输入转换成电量（电压、电流、电容、电阻等）输出。
3 1.3 传感器由哪几部分组成的？由敏感元件和转换元件组成基本组成部分，另外还有信号调理电路和辅助电源电路。
4 1.4 传感器如何进行分类？（1 1 ）按传感器的输入量分类，分为位移传感器、速度传感器、温度传感器、湿度传感器、压力传感器等。
（2 2 ）按传感器的输出量进行分类，分为模拟式和数字式传感器两类。
（3 3 ）按传感器工作原理分类，可以分为电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、磁敏式传感器、热电式传感器、光电式传感器等。
（4 4 ）按传感器的基本效应分类，可分为物理传感器、化学传感器、生物传感器。
（55 ）按传感器的能量关系进行分类，分为能量变换型和能量控制型传感器。
（6 6 ）按传感器所蕴含的技术特征进行分类，可分为普通型和新型传感器。
5 1.5 传感器技术的发展趋势有哪些？（1 1 ）开展基础理论研究（2 2 ）传感器的集成化（3 3 ）传感器的智能化（4 4 ）传感器的网络化（5 5 ）传感器的微型化6 1.6 改善传感器性能的技术途径有哪些？（1 1 ）差动技术（2 2 ）平均技术（3 3 ）补偿与修正技术(4) 屏蔽、隔离与干扰抑制(5) 稳定性处理第2 2 章传感器的基本特性1 2.1 什么是传感器的静态特性？描述传感器静态特性的主要指标有哪些？答：传感器的静态特性是指在被测量的各个值处于稳定状态时，输出量和输入量之间的关系。
主要的性能指标主要有线性度、灵敏度、迟滞、重复性、精度、分辨率、零点漂移、温度漂移。
2 2.2 传感器输入- - 输出特性的线性化有什么意义？如何实现其线性化？答：传感器的线性化有助于简化传感器的理论分析、数据处理、制作标定和测试。
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P1 P2 P3
石英晶体压电模型
P1 P2 P3 x y
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此时正负电荷 重心不再重合, 电偶 极矩在x方向上的分 量由于 P1 的减小和 P2 、 P3 的 增 加 而 不 等于零。
27
石英晶体压电模型
+ + + + + + + + + + +
P1 P2 P3 x
3
3
T6
在垂直于XYZ轴 表面上的电荷密度
T4 T1 x
(1)
T5
T2
σ2
y
( 2)
应力
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σ1
15
单一应力作用下的压电效应
i dij Tj
Dij － 压电常数 Tj － 应力 σi － 电荷密度
i、j： 在 i 表面上由j 方向的应力引起的电荷变化 应力T=F/A0 其中F为载荷 A0为试样的原始截面积
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17
3、力—电荷 转换公式
电荷产生面积Si 电荷量Qi
i
Tj
Qi
Fj
Si
Sj
i dij Tj
Si
j方向受力面积Sj j方向受外力Fj
纵向压电效应 横向压电效应
Qi dij F j
Sj
i=j
i≠j
Si S j Qi dii Fi
Si Si S j Qi d ij F j Sj
♫
压电、压阻效应有何不同？
12
第六章
压电式传感器
知识要点
压电效应 等效电路
☆☆
☆
压电材料 测量电路
传感器的应用
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13
6.1 压电式传感器
一、工作原理
piezoelectric effect
1、压电效应 正压电效应
机械能→电能
★ 利用电介质受力变形，内部产生的极化现象， 在它的两个表面上产生符号相反的电荷 ★ 去掉外力后，电荷消失状态复原：不带电状态 ★ 作用力相反，电荷极性也发生变化
电偶极矩在x方向上 的分量由于P1的减小和 P2、P3的增加而不等于 零，在x轴的正方向出 现正电荷, 电偶极矩在 y方向上的分量仍为零, 不出现电荷。
- - - - - - - - - - y
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石英晶体压电模型
P1
P2
P3
当晶体受到沿 y 轴方向的压力作 用时, 晶体的变形 如图所示。
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二、压电材料
类型：压电晶体 (单晶体) 如：石英晶体 压电陶瓷 (多晶陶瓷) 新型压电材料 (压电半导体和有机高分子)
1、石英晶体材料
quartz crystal
特点：1）晶体各个方向的特性不相同 2）Z轴方向没有压电效应 3）X轴面压电效应最强 4）Y轴方向机械变形最大
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压电陶瓷的正压电效应
当陶瓷材料（剩余极化很强）受到外力作用 时, 电畴的界限发生移动, 电畴发生偏转, 从而引起 剩余极化强度的变化, 因而在垂直于极化方向的平 面上将出现极化电荷的变化。
电荷量与外力关系:
q = d33 F 式中: d33—— 压电陶瓷的压电系数 F —— 作用力。
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居 里 点：材料开始丧失压电特性的温度, 石英573°
三、压电元件 1、等效电路
equivalent circuit
压电元件的两电极间形成一个电容
s Ca h
ε—压电陶瓷或石英晶体的介电常数 s—极板面积 h—压电元件厚度
当受外力作用时，产生电荷Q
Q＝CaUa 电荷等效：
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压电陶瓷外形
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3、新型压电材料——压电聚合物PVDF
PVDF 是一种有机高分子物性型敏感材料，其 名称为聚偏二氟乙烯。 1969年由日本学者 Kawai 首 先发现，具有很强的压电特性。与微电子技术结合， 能够制成多功能传感元件；与压电陶瓷结合，开拓 了复合材料的新领域。 应用：电声器件，可进行压力、加速度、温度、水 声探测等应用，在生物医学领域广泛应用。 优点：高灵敏度；韧性及加工性能好；声阻抗与 人体肌肉接近；频带宽；机械强度高；化 学特性稳定。
Q ua 电压等效： Ca
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Q↑
Ca Q=CaUa
U↑ a
Ua
Q Ca
电荷等效电路
当不受外力时
电压等效电路
Q＝0，Ua＝0
2、压电元件的串并联
天然形成的石英晶体外形
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石英晶体
石英晶体化学式为SiO2，是单晶体结构。 图表示了天然结构的石英晶体外形。它是一 个正六面体。
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Z轴为中(光)轴：光线沿该轴通过石英晶体无折射。
X轴为电轴：
压电效应最强。
Y轴为机械轴： 在电场的作用下沿该轴产生机械变 coordinate axes 形最明显。
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假定罐内没有物料时的传感器静电电容为C0, 放 入物料后传感器静电电容为C1, 则两者电容差为： ΔC = C1 - C0 两种介质常数差别越大, 极径D与d相差愈小, 传 感器灵敏度就愈高。
小结
三种类型电容传感器的比较
1）空气介质变极距型 量程：适用于微位移的测量
C
灵敏度: k
的中央板形成的差动电容器机构，测
量量比例于加速度的多硅结构的偏转， 从而产生电压输出信号。
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4
a
1-固定电极 2-绝缘垫 3-质量块 4-弹簧 5-输出端 6-壳体
差动式电容加速度传感器结构图
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当传感器壳体随被测对象在垂直方向上作直 线加速运动时, 质量块在惯性空间中相对静止, 而 两个固定电极将相对质量块在垂直方向上产生大 小正比于被测加速度的位移。此位移使两电容的 间隙发生变化, 一个增加, 一个减小, 从而使C1、 C2产生大小相等、符号相反的增量, 此增量正比于 被测加速度。
x y
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石英晶体压电模型
- - - - - - - - -
P1
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。
x
+ + + + + + +y +
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P1
P2
P3
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。表明沿 z 轴方向 施加作用力, 晶体不会 产生压电效应。
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2、压电陶瓷
piezoelectric ceramics
压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。
材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴, 它有
一定的极化方向, 从而存在电场。 在无外电场作
用时, 电畴在晶体中杂乱分布, 它们的极化效应被 相互抵消, 压电陶瓷内极化强度为零。 因此原始的压电陶瓷呈中性, 不具有压电性质。
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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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3、压电材料的主要特性：
压电常数：压电效应强弱的参数，关系到压电输出
的灵敏度
弹性系数：材料的弹性常数，决定着器件的固有频 率和动态特性 介电常数：固有电容与介电常数有关, 决定频率下线 电 阻 ：绝缘电阻，可减少电荷泄漏，改善低频特 性 piezoelectric characteristic
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压电陶瓷—极化处理后的人工多晶铁电体
极化前 极化时
极化后 剩 余 伸 长
伸 长
电畴无序排列
电畴有序排列
电畴基本有序
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压电陶瓷
在陶瓷上施加外电场时, 电畴的极化方向发生转 动, 趋向于按外电场方向的排列 , 从而使材料得 到极化。
外电场愈强，就有更多的电畴更完全地转向外 电场方向。让外电场强度大到使材料的极化达 到饱和的程度，即所有电畴极化方向都整齐地 与外电场方向一致。 外电场去掉后 , 电畴的极化方向基本不变 , 即剩 余极化强度很大, 这时的材料才具有压电特性。
逆压电效应
机械能←电能
★ 在电介质的极化方向上施加电场时，电介质 发生形变（电致伸缩效应）
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2、压电效应方程
T 、 T 、 T 轴向正应力 (拉应力为正,压应力为负) 1 2 3 定 义 T4、T5、T6 绕轴切应力(逆时针方向为正)
Z(3 )
σ 1、σ 2、σ
T(3 ) (σ )
dij 为 j 方向应力引起 i 面产生的电荷时的压电常数 单一作用力下的压电效应有以下四种类型
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纵向压电效应 i=j 应力⊥电荷面
横向压电效应 i≠j 应力∥电荷面
剪切压电效应
面切压电效应
应力面 ∥电荷面
应力面 ⊥电荷面
-
+ -
+
+
Ti为轴向应力（T1~T3）
Ti为切向应力（T4~T6）
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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