压电效应为基础在外力作用下在电介质表面产生电荷
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。
压电传感器的工作原理优秀课件
灵 敏 度：0.1～1000mV/pC 频率范围：0.3～100KHz
噪声(最大增益)：折合至输入端小于5µV 准 确 度：1% 最大输出：±10V/10mA 电 源：220V/50Hz 控制方式： 计算机或手动
焊接式 电荷放大器
24.10.2020
21
超小型电荷放大器模块
主要指标:
灵 敏 度：1、10、100mV/pC(任选一档) 频率范围：0.3～100KHz(上、下限可选) 噪声(最大灵敏度)：输出端小于1mV 归 一 化：外接电阻调整 线性误差：1% 最大输出：±5V或±10V 电 源：±6V～±15V
24.10.2020
4
二、压电材料的分类及特性
压电传感器中的压电元件材料一般有 三类： 一类是压电晶体（如上述的石英晶 体）； 另一类是 经过极化处理的 压电陶 瓷；第三类是高分子压电材料。
24.10.2020
5
（一）石英晶体
天然形成的石英晶体外形
24.10.2020
6
天然形成的石英晶体外形（续）
24.10.2020
10
压电陶瓷外形
24.10.2020
11
无铅压电陶瓷及其换能器外形
（上海硅酸盐研究所研制）
24.10.2020
12
高分子压电薄膜及拉制
24.10.2020
13
（三）高分子压电材料
典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯 （PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚 氯乙烯（PVC）等。它是一种柔软的压电材料， 可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。它不易 破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较 大面积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围 较宽，测量动态范围可达80dB。
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。
《传感器与检测技术》试题4
《传感器与检测技术》试题4一、填空题（10题）1、检测仪表中常用测试方法有直接比较测量法、微差法和零位法。
2、霍尔传感器的霍尔电势U H为KH IB 若改变I 或 B 就能得到变化的霍尔电势。
3、光电式传感器主要用于测量转速、工件尺寸、位移、压力、工件表面质量。
4、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。
5、热电偶产生的热电势一般由接触电势和温差电势组成。
6、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。
7、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。
8、电容式传感器有变面积式、变间隙式和变介质式三种。
9、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。
10、电容式传感器中，变介电常数式多用于液位或片状材料厚度的测量。
二、单选择（20题）1.传感器的动态标定是为了确定传感器的动态特性参数，下列不属于传感器的动态特性参数的是( A )。
A.灵敏度B.时间常数C.阻尼比D.固有频率2.在标定传感器时，所用的测量仪器的精度至少应与要标定的传感器的精( B) 。
A.高两个等级B.高一个等级C.有相同的等级D.低一个等级3.电阻应变式传感器的特点( D )。
1)精度高，测量范围广2)使用寿命长，性能稳定可靠3)结构简单，体积小，重量轻4)频率响应较好，既可用于静态测量又可用于动态测量5)价格低廉，品种多样，便于选择和大量使用A.2) 3)B.3) 4)C.4) 5)D.2) 3) 4) 5)4.在电阻应变片的桥式测量电路中，要提高灵敏度应采用( C )。
A.臂电桥电路B.双臂电桥(半桥) 电路C.全桥电路D.要是电桥电路都可以5.下列关于差动变压器的叙述不正确的是（B）。
A.差动变压器是把被测量的非电量转换成线圈互感量的变化。
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,
一、压电传感器的工作原理 压电式传感器是一种自发电式传感
Cf
]
Q(ຫໍສະໝຸດ A) U 0 ACf
2020/1/27
23
故放大器的输出电压为
U0
Ci
Cc
AQ Ca (1
A)C f
当A>>1，而(1+A)Cf>>时，放大器输出电压可以表示
为
U0
Q Cf
2020/1/27
24
四通道电荷放大器外形
.
2020/1/27
25
上图所示的四通道电荷放大器指标
a)电荷源
b)电压源
18
2、基本测量电路
压电传感器的内阻抗很高，而输出的信号微弱， 因此一般不能直接显示和记录。压电传感器要求测 量电路的前级输入端要有足够高的阻抗，这样才能 防止电荷迅速泄漏而使测量误差变大。压电传感器 的前置放大器有两个用：一是把传感器的高阻抗输 出变换为低阻抗输出；二是把传感器的微弱信号进 行放大。
的电荷量为：Qi=Q-Qf
Qf
(U i U 0 )C f
( U0 A
U 0 )C f
(1
A) U 0 A
C
f
Qi
U i (Ci
Cc
Ca )
U0 A
(Ci
Cc
Ca )
式中，A为开环放大系数。所以有
U0 A
(Ci
Cc
Ca )
Q
[(1
A) U 0 A
2020/1/27
19
（1）电压放大器 压电传感器接电压放大器的等效电路如下图a所示。
图b是简化后的等效电路，其中，ui为放大器输入电压；
压电传感器的工作原理
压电传感器的工作原理压电式传感器由压电传感元件和测量转换电路组成。
压电传感元件是一种力敏感元件，凡是能够变换为力的物理量，如应力、压力、振动、加速度等，均可进行测量，由于压电效应的可逆性，压电元件又常用作超声波的放射与接收装置。
压电式传感器是一种典型的自发电型传感器，以电介质的压电效应为基础，外力作用下在电介质表面产生电荷，从而实现非电量测量。
某些电介质在沿肯定方向上受到力的作用而变形时，内部会产生极化，同时在其表面有电荷产生，当外力去掉后，表面电荷消逝，这种现象称为压电正向效应。
反之，在电介质的极化方向施加交变电场，它会产生气械变形。
当去掉外加电场，电介质变形随之消逝。
这种现象称为压电逆向效应（电致伸缩效应）。
1、压电效应机理分析具有压电效应的物质许多，如自然的石英晶体、人造的压电陶瓷等，现以石英晶体为例，说明压电效应机理。
如图1所示为石英晶体切片，石英的晶体结构为六方晶体系，化学式为SiO2。
坐标轴定义如下：X轴：两平行柱面内夹角等分线，垂直此轴压电效应最强。
称为电轴。
Y轴：垂直于平行柱面，在电场作用下变形最大，称为机械轴。
z轴：无压电效应，中心轴，也称光轴。
图1 石英晶体切片图硅离子有4个正电荷，氧离子有2个负电荷，一个硅离子和两个氧离子交替排列。
2、结构特性（1）沿Y轴方向作用拉力与沿X轴方向作用压力，晶胞结构变形相同，因而产生的电荷极性相同，同样道理，沿X轴方向作用拉力与沿Y轴方向作用压力而产生的电荷极性相同。
（2）在晶体的线性弹性范围内，当沿X轴方向作用压力FX时，在与X轴垂直的平面上产生的电荷量为Q＝d11FX（3）假如沿Y轴方向作用压力Fy时，电荷仍消失在与X轴相垂直的平面上，其电荷量为Q＝d12 l/δ Fy ＝－d11 l/δ Fyl 为石英晶片的长度；δ为晶片的厚度，d12为沿Y轴方向施力的压电常数，由于石英晶体的轴对称，所以d12＝-d11。
负号表示所产生的电荷极性相反。
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。
压电传感器测量电路
具有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面积或
较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较宽，测量 动态范围可达80dB。
2018/9/4
11
高分子压电薄膜及拉制
2018/9/4
12
高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆
2018/9/4
13
可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板
2018/9/4
14
压电式脚踏报警器
2018/9/4
8
压电陶瓷外形
2018/9/4
9
无铅压电陶瓷及其换能器外形
（上海硅酸盐研究所研制）
2018/9/4
10
3、高分子压电材料 典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯
（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚
氯乙烯（PVC）等。它是一种柔软的压电材料，可 根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。它不易破碎，
2018/9/4
1
（一）压电效应 天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，用金 刚石刀具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片 受到压力时，晶格产生变形，表面产生正电荷， 电荷Q与所施加的力F成正比 ，这种现象称为 压电效应 。还有一些人造的材料也具有压电效 应。 若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（电致伸缩效应）。
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。
车辆检测技术——压电式传感器
第五章压电式传感器第一节压电式传感器的工作原理压电式传感器以某些电介质（如石英晶体或压电陶瓷、高分子材料）的压电效应为基础而工作的。
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。
因此是一种典型的自发电式传感器。
压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最终能变换为力的那些非电物理量，例如动态力、动态压力、振动加速度等。
一压电效应压电现象是100多年前居里兄弟研究石英时发现的。
那么，什么是压电效应呢？由物理学知，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。
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Q（如图5-1(a)所示），且Q与外应力张量T成正比：Q （5-1）dT式中，d——压电常数(a)正压电效应； (b)压电效应的可逆性图5-1 压电效应原理图当外力消失后，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。
如果在这些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应力，当外电场撤去时，这些变形或应力也随之消失，这种现象称之为逆压电效应，或称之为电致伸缩效应。
其应变S 与外电场强度E 成正比：E d S t （5-2）式中d t ——逆压电常数。
这种现象称为逆压电效应，或称电致伸缩。
可见，具有压电性的电介质（称压电材料），能实现机电能量的相互转换，如图5-1(b)所示。
二 压电材料目前压电材料可分为三大类：第一类是压电晶体（单晶），它包括压电石英晶体和其他压电单晶；第二类是压电陶瓷（多晶半导瓷）； 第三类是新型压电材料，又可分为压电半导体和有机高分子压电材料两种。
在传感器技术中，目前国内外普遍应用的是压电单晶中的石英晶体和压电多晶中的钛酸钡与锆钛酸铅系列压电陶瓷。
【电气测量与检测题库简答题】题库整理
2020届电气测量与检测题库简答题1.电感式传感器与电涡流式有何异同？电涡流传感器是利用金属导体中的涡流与激励磁场之间进行能量转换的原理进行工作的。
传感器利用电能主动发射能量，属于非接触式测量，特别适于测量运动物体，把距离信号通过谐振电路，稳频检波，转换为电压信号。
所以属于电感传感器一种。
二者机理有些类似.但是还是不同.电感式是通过贴心在电感内部的运动.从而导致感抗变化.来代表不同的位移,叫 lvdt; 电涡流式是高频的信号通过探头发出在对面的金属上产生涡流,从而影响探头的阻抗,利用调理电路,将探讨与金属平面的距离与电涡流传感器的阻抗设计成线性关系.完成测量。
2.光电三极管与普通三极管有何异同？光电三极管和普通三极管相似，也有电流放大作用，只是它的集电极不只是受基极电路和电流控制，同时也受光辐射的能量强度控制。
通常基极不引出，但一些光电三极管的基极有引出，用于温度补偿和附加控制等作用。
光电三极管在原理上相当于在普通三极管的基极和集电极间并联一个光电二极管，光电三级管内增益大，故可以输出较大电流。
光电三极管的控制端是光线，即有光线三极管就导通，否则不导通；普通三极管是用电压高低变化控制基极的电流，控制三极管的通断。
3.压电晶体管有哪几种链接方式？特点？场合？连接方式基本就是并联和串联，实际基本都是并联，串联基本很少，只有特殊结构的换能器才用到，并联基本就是平面阵式并联(铺成一个平面)，堆积式并联(堆成一串)。
压电传感器是以某些电介质的压电效应为基础，在外力的作用下，在电介质的表面产生电荷，从而实现非电量测量。
压电晶体是用量仅次于单晶硅的电子材料，用于制造和控制选择频率的电子元器件，广泛应用于电子信息产业个领域，如彩电，空调，电脑，DVD，无线电通讯等，尤其在高性能电子设备数字化设备中应用日益扩大。
并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的场合。
而串联接法输出电压大本身电容小，适宜用于以电压作为输出信号，并且测量电路输入阻抗很高的场合。
压电式传感器
3．压电元件
用压电材料制造的传感元件称作压电元件。
第一节
压电式传感器的工作原理
4．压电效应机理 现以石英晶体为例，简要说明压电效应的机理。 （1）石英晶体的结构 石英晶体是二氧化硅单晶，属于六角 晶系。右图是天然晶体的外形图，它为规 则的六角棱柱体。 z 轴又称光轴，它与晶体的纵轴线方向 一致； x 轴又称电轴，它通过六面体相对的两 个棱线并垂直于光轴； y 轴又称为机械轴，它垂直于两个相对 的晶柱棱面。
AQ Uo [Ca Cc Ci (1 A)Cf ]
当 A 足够大时，则（1 + A）Cf >>（Ca + Cc + Ci），这样
AQ Q Uo (1 A)Cf Cf
由此可见，电荷放大器的输出电压仅与输入电荷和反馈电 容有关，电缆电容等其他因素的影响可以忽略不计。
第一节
压电式传感器的工作原理
（2）纵向压电效应 从晶体上沿 x y z 轴线切下的一片平 行六面体的薄片称为晶体切片。 它的六个面分别垂直于光轴、电轴 和机械轴。通常把垂直于 x 轴的上下两
个面称为 x 面，把垂直于 y 轴的面称为
y 面。 如右图所示。当沿着 x 轴对晶片施 加力时，将在 x 面上产生电荷，这种现 象称为纵向压电效应。
压电式传感器：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，在电介质表面将产生 电荷，从而实现非电量电测的目的。压电传感元件是力敏感元 件。 应用：它可以测量那些最终可以变换为力的非电物理量， 但不能用于静态参数的测量。
第一节 压电式传感器的工作原理
一、压电效应
二、压电材料
第三节
压电式传感器的结构与应用
二、压电式加速度传感器
压电式传感器
当 (1 A)CF
C
时，即A》1： Uo
Q CF
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结论:
1. 放大器的输出Uo正比于信号Q，线性转换；
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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。
压 电 式 加 速 度 传 感 器
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压电式加速度传感器的压电元件是
二片并联连接的石英晶片，放大器是一 个超小型静电放大器。这样引线非常短， 引线电容几乎等于零就避免了长电缆对 传感器灵敏度的影响。放大器的输入端 可以得到较大的电压信号，这样弥补了 石英晶体灵敏度低的缺陷。
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。
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4.2.2 电压输出型测量电路
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Ｃａ很小，因而其电压源等效内阻很大，在 接成电压输出型测量电路时，要求前置放大器不仅有足够的 放大倍数，而且应具有很高的输入阻抗。
压电式传感器是一种典型的有源传感器; 压电效应具有可逆性，也是一种典型的”双向传感器”。 它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，电 介质表面产生电荷，从而实现外力与电荷量间的转换，达到 非电量的电如目的。
特点: 工作频带宽，灵敏度高，结构简单，体积小，重量轻，
工作可靠。
应用范围： 各种动态力、机械冲击、振动测量、生物医学、超声、
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4.1.2 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。
具有类似于铁磁材料磁畴结构的电畴结构，在末极化之前各电畴的极化方 向在晶体内杂乱分布，如图 (a)所示，极化强度相互抵消为0，对外呈中性，不 具备压电效应。
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。
自动控制元件第二篇 检测元件11
lb
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图11.1.1
（a）左旋石英晶体的外形；（b）坐标系；（c）石英晶体切片
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11.1 压电传感器的工作原理
FX—— X d11—— 压电系数，当受力方向和变形不同时压电系数也不同，石英晶 体d11=2.3×10-12 （C/N）； l和b——石英晶体的长和宽。 d12=-d11 qX=-d11FYl/h （11.1.5） 负号表示沿Y轴的压缩力产生的电荷与沿X轴施加压缩力所产生的电荷极 性相反。且由式（11.1.5）可知，沿机械轴方向对晶片施加作用力时， 产生的电荷量与晶片的几何尺寸有关。此外，除了存在纵向、横向压电 效应外，在切向作用力作用下也会产生电荷。
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11.1 压电传感器的工作原理
二、 在实际的使用中，要产生足够的表面电荷，提高压电传感器的灵敏 度，压电材料一般采用两片或两片以上组合在一起使用。由于压电材料 是有极性的，因此不同的组合方式，会取得不同的效果。如图11.1.4 （a）中为两片压电片并联，此时两片的负极都集中在中间，而正极在 两表面上。图11.1.4（b）为串联接法，正电荷集中在上极板表面，负 电荷集中在下极板，而中间相接部分正、负电荷抵消，所以输出总电荷 量q′等于单片电荷，电容C′为单片电容一半，而输出电压U′为单片 电压U的两倍。 大多数压电传感器中，均是利用压电片的纵向压电效应，此时压电片 大多加工成圆片形式。但在有些情况下，如悬梁式压电加速度计中，
第二篇 检测元件
第十一章 压电传感.1 11.2 11.3 11.4 压电传感器的工作原理 压电传感器的等效电路 压电传感器的测量电路 压电传感器的应用
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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， 在电介质表面上产生电荷，从而实现力-电荷（电压）转换的一种发电 型传感器。所以它能测量最终能变换为动态力的那些物理量如压力、应 力、加速度、振动等。
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Rf
Cf
N Q Ca Ra Cc Ri Ci
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如果忽略电阻Ra、Ri及Rf的影响，则输入到放大器 的电荷量为：Qi=Q-Qf
Q f ( U i U 0 ) C f ( U A 0 U 0 ) C f ( 1 A )U A 0C f
线性误差：1% 最大输出：±5V或±10V 电 源：±6V～±15V
2020/11特/18点：可组成经济的多点测试系统
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11
高分子压电薄膜及拉制
2020/11/18
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高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆
2020/11/18
13
可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板
2020/11/18
14
压电式脚踏报警器
2020/11/18
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高分子压电薄膜制作的压电喇叭（逆压电效应）
压电元件有串联和并联两种结构形式，串联可提 高输出电压，并联可提高输出电荷。
5µV
准 确 度：1%
最大输出：±10V/10mA
电 源：220V/50Hz
控制方式： 计算机或手动
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超小型电荷放大器模块
主要指标:
灵 敏 度：1、10、100mV/pC(任选一档) 频率范围：0.3～100KHz(上、下限可选) 噪声(最大灵敏度)：输出端小于1mV 归 一 化：外接电阻调整
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（1）电压放大器 压电传感器接电压放大器的等效电路如下图a所示。
图b是简化后的等效电路，其中，ui为放大器输入电压；
C=CC+Ci；
R； uaR=aQR/iCa。
如果压电传感器受力为:RFa=FmRsi inωt ；则在压电元件上
产生的电压为
Ca
ua
Ra Cc
ui
dFm Ca
Q i U i(C i C c C a) U A 0(C i C c C a)
式中，A为开环放大系数。所以有
U A 0 ( C i C c C a ) Q [ ( 1 A ) U A 0 C f] Q ( 1 A ) U A 0 C f
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故放大器的输出电压为
sint
+ -
R1
Ri Ci
R2
Ca
ui
uaห้องสมุดไป่ตู้
RC
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a)
b)
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而在放大器输入端形成的电压为
R1
jC
R 1
ui
jC
R1
jR ua 1 jR(C Ca ) dF
1 jC
jCa R 1
jC
当＜＜1时，放大器的输入电压为
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ui
d
Ci Cc
Ca
F
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（2）电荷放大器 电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的
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8
压电陶瓷外形
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无铅压电陶瓷及其换能器外形
（上海硅酸盐研究所研制）
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3、高分子压电材料
典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯 （PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚 氯乙烯（PVC）等。它是一种柔软的压电材料，可 根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。它不易破碎， 具有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面积或 较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较宽，测量 动态范围可达80dB。
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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 产生稳定的振荡输出频率。
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2、压电陶瓷
压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比 石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成本却较 低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都 采用压电陶瓷 。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅 系列压电陶瓷（PZT）及非铅系压电陶瓷 （如 BaTiO3等）。
b)电压源
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2、基本测量电路
压电传感器的内阻抗很高，而输出的信号微弱， 因此一般不能直接显示和记录。压电传感器要求测 量电路的前级输入端要有足够高的阻抗，这样才能 防止电荷迅速泄漏而使测量误差变大。压电传感器 的前置放大器有两个用：一是把传感器的高阻抗输 出变换为低阻抗输出；二是把传感器的微弱信号进 行放大。
压电效应为基础在外力作用下 在电介质表面产生电荷
二、压电材料的分类及特性
压电传感器中的压电元件材料有许多： 主要有压 电晶体、压电陶瓷和高分子压电材料，另外还有水溶 性和铌酸锂压电晶体及压电半导体。
1、石英晶体
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4
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
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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，如下图a所示，也可以等效为—个电压 源，如下图b所示。
压电传感器与测量仪表联接时，还必须考虑电缆
电容C，放大器的输入电阻Ri和输入电容Ci以及传感 器的泄漏电阻Ra。
Ca
ua=Q/Ca
Q
Ca
ua=Q/Ca u0
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a)电荷源
U0Ci Cc Ca A(Q 1A)Cf
当A>>1，而(1+A)Cf>>时，放大器输出电压可以表示
为
U0
Q Cf
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四通道电荷放大器外形
.
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上图所示的四通道电荷放大器指标
灵 敏 度：0.1～1000mV/pC 频率范围：0.3～100KHz
噪声(最大增益)：折合至输入端小于
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二、测量电路
1、传感器等效电路 压电传感器在受外力作用时，在两个电极表面将
要聚集电荷，且电荷量相等，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
Ca
0A
h
式中，ε0为真空介电常数：ε为压电材料的相对介电
常数；h为压电元件的厚度；A为压电元件极板面积。
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