6 压电式传感器
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 传 感 器
上一页 下一页 返回
６.２压电式传感 器的等效电路和测量 电路
• 由此可见，并连接法虽然输出电荷大，但由于本身电 容 亦 大 ， 故 时 间 常 数 大 ， 只 适 宜 测量 慢 变 化 信 号 ， 并 以 电荷作为输出的情况。串联接法输出电压高，本身电 容 小 ， 适 宜 于 以 电压 输 出 的 信 号 和 测 量 电 路 输 入 阻 抗 很 高的情况。
• 电 荷 放 大 器 是 一 个 有 反 馈 电 容 Ｃ ｆ 的 高 增 益 运算 放 大 器 。 当 放 大 器 开 环 增 益 Ａ 和 输 入 电 阻 Ｒ ｉ 、反 馈 电 阻 Ｒ ｆ （ 用 于 防 止 放 大 器 直 流 饱 和 ） 相 当 大时 ， 放 大 器 的 输 出 电 压 Ｕ ｏ 正 比 于 输 入 电 荷 ｑ ， 即当 Ａ 足 够 大 时 ， 则 有
下一页 返回
６.１压 电 式 传 感 器 的 工 作 原 理
• ６.１.２ 压电材料
• 自然界中的大多数晶体具有压电效应，但压电效应十 分 明 显 的 不 多 。 天 然 形 成 的 石 英 晶体 、 人 工 制 造 的 压 电 陶瓷、锆钛酸铅、钛酸钡等材料是压电效应性能优良 的压电材料。
• 具有压电效应的物质很多，可分为三大类：一是压电 晶 体 （ 单 晶 ） ， 它 包 括 压 电 石 英 晶体 和 其 他 单 晶 ； 二 是 压电陶瓷（多晶半导瓷）；三是新型压电材料，其中 有 压 电 半 导 体 和 有机 高 分 子 压 电 材 料 两 种 。
• 介 电 常 数 ——— 一 定 形 状 和 尺 寸 的 压 电 元 件 ， 固 有 电 容 与 介 电 常 数 有 关 ， 而 固 有 频 率 又影 响 着 压 电 传 感 器 的 下 限。
压电式压力传感器原理及应用资料讲解
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For personal use only in study and research; not for commercial use 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。
For personal use only in study and research; not for commercial use 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。
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。
第6章 压电式传感器习题
第6章压电式传感器习题第6章压电式传感器1、为什么压电式传感器不能用于静态测量，只能用于动态测量中？而且是频率越高越好？2、什么是压电效应？试比较石英晶体和压电陶瓷的压电效应3、设计压电式传感器检测电路的基本考虑点是什么，为什么?4、有一压电晶体，其面积为20mm2，厚度为10mm，当受到压力P=10MPa作用时，求产生的电荷量及输出电压：(1)零度X切的纵向石英晶体；(2)利用纵向效应的BaTiO3。
解：由题意知，压电晶体受力为F=PS=10×106×20×10-6=200(N)（1）0°X切割石英晶体，εr=4.5，d11=2.31×10-12C/N 等效电容36120101010205.41085.8---?????==d S C r aεε=7.97×10-14(F)受力F产生电荷Q=d11F=2.31×10-12×200=462×10-2(C)=462pC输出电压()V C Q U a a3141210796.51097.710462?=??==--（2）利用纵向效应的BaTiO3，εr=1900，d33=191×10-12C/N 等效电容361201010102019001085.8---?????==d SC r aεε=33.6×10-12(F)=33.6(pF)受力F产生电荷Q=d33F=191×10-12×200=38200×10-12(C)=3.82×10-8C输出电压()V C Q U a a312810137.1106.331082.3?=??==--5、某压电晶体的电容为1000pF，k q=2.5C/cm，电缆电容C C =3000pF，示波器的输入阻抗为1MΩ和并联电容为50pF，求：(1)压电晶体的电压灵敏度足K u；(2)测量系统的高频响应；(3)如系统允许的测量幅值误差为5％，可测最低频率是多少?(4)如频率为10Hz，允许误差为5％，用并联连接方式，电容值是多大?解：（1）cm V pF cm C C K K a q u/105.21000/5.2/9?===（2）高频（ω→∞）时，其响应i c a q i c a m am u C C C k C C C d F U K++=++==33()cm/V.F cm/C.8121017610503000100052?=?++=-（3）系统的谐振频率()i c a n C C C R++==11τω()()s rad2471050300010001011126=?++?=-由()()2/1/n n am im U U Kωωωωω+==，得()%51/1/2-≤-+=n nωωωωγ（取等号计算）()()[]22/19025.0n nωωωω+=()29025.09025.0nωω+=解出(ω/ωn)2=9.2564→ω/ωn=3.0424ω=3.0424ωn=3.0424×247=751.5(rad/s)f=ω/2π=751.5/2π=119.6(Hz)（4）由上面知，当γ≤5%时，ω/ωn=3.0424当使用频率f=10Hz时，即ω=2πf=2π×10=20π(rad/s)时ωn=ω/3.0424=20π/3.0424=20.65(rad/s)又由ωn=1/RC，则C=1/ωn R=1/(20.65×1×106)=4.84×10-8(F)=4.84?104pF 6、分析压电加速度传感器的频率响应特性。
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见的传感器类型，它利用压电效应来检测和转换压力、应变、加速度和力的变化。
压电效应指的是当一些特定的晶体或陶瓷材料受到压力或应变时，会产生电荷的聚集或分离，从而形成电压信号。
这种材料被称为压电材料。
常见的压电材料包括石英、压电陶瓷和聚偏二氟乙烯等。
压电式传感器的工作原理是将压电材料作为传感器的感应元件，当外界施加压力或应变时，材料会发生弹性变形，从而产生电荷的分布变化。
这个变化可以通过电极连接在压电材料上的方式来测量。
为了测量这一电荷信号，压电式传感器通常由压电材料、电极和信号调理电路组成。
当外部压力或应变作用于传感器时，压电材料产生电荷，在电极中产生电压。
信号调理电路会将这个电压信号放大、过滤和转换成可读取的信号，比如电流或电压。
压电式传感器具有许多优势，如高精度、快速响应、宽频率范围和良好的耐用性。
这些特点使得压电式传感器广泛应用于工业控制、机械测量、医疗设备和汽车工程等领域。
值得注意的是，压电式传感器的输出信号与外部压力或应变之间存在一定的非线性关系，因此在实际应用中需要进行校准和补偿。
另外，在选择和使用压电式传感器时，还需考虑适当的电极设计、尺寸选取以及工作环境对传感器性能的影响。
第6章 压电式传感器
应力与电荷密度
力与应力：用F表示力，用T表示应力，即 单位面积上的力：
F T A
电荷与电荷密度：用Q表示电荷，用 表示 电荷密度，即单位面积上的电荷：
Q A
压电效应可以用下面的方程描述：
σ = dT
• 该方程称为压电方程，它描述了压电传感器输 出（电荷密度）与输入（应力）之间的静态关 系 • d相当于灵敏度
A( )
d R 1 [ R(Ca Cc Ci )]
2
d R 1 ( )
2
可得实际增益与理想增益之比：
A( ) k ( ) * 2 A ( ) 1 ( )
k ( )
1 ( )
2
• 当 1 ，即输入信号频率较大， k ( ) 1 ， 此时，实际增益趋近于理想增益 • 因此，压电式传感器的高频特性较好，这是压电 式传感器的优点
S = dt E
•
d t 称为逆压电常数矩阵
二、压电方程和压电常数矩阵
压电效应可用压电方程来定量描述，如下：
σ = dT • d称为压电常数矩阵
• 不同的压电材料具有不同的压电常数矩阵 • 相同的压电材料，如果加工方式不同，也会有 不同的压电常数矩阵
应力：如图所示，一 共有6个方向 • T1 , T2 , T3 ：分别表 示沿x,y,z方向上的 应力（拉力为正， 压力为负） • T4 , T5 , T6：分别表 示绕x,y,z方向上的 切应力（右旋为正， 左旋为负）
T
三个端面的面积：
• A1 , A2 , A3 ：分别表 示与x,y,z垂直的端 面面积
T1 T 因此有： 2 1 d11 d12 d13 ... d16 T3 d d d ... d 2 21 22 23 26 T4 3 d31 d32 d33 ... d36 T 5 T6 写为向量-矩阵形式的压电方程为：
传感器(电子教案)第6章
压电传感器的幅值线性度是指被测物理量(如力、压力、 加速度等)的增加，其灵敏度的变化程度。
6.6.2横向灵敏度
压电加速度传感器的横向灵敏度是指当加速度传感器 感受到与其主轴向(轴向灵敏度方向)垂直的单位加速度 振动时的灵敏度，一般用它与主轴向灵敏度的百分比 来表示，称为横向灵敏度比。
返回
上页
下页
图库
6.1 压电效应
压电式传感器大都是利用压电材料的压电效应制 成的。在电声和超声工程中也有利用逆压电效应 制作的传感器。压电转换元件受力变形的状态可 分为图6-1所示的几种基本形式。
但由于压电晶体的各向异性，并不是所有的压电 晶体都能在这几种变形状态下产生压电效应。例 如石英晶体就没有体积变形压电效应。但它具有 良好的厚度变形和长度变形压电效应。
第6章 压电式传感器
压电式传感器是一种有源的双向机电 传感器。它的工作原理是基于压电材 料的压电效应。石英晶体的压电效应 早在1680年即已发现，1948年制作出 第一个石英传感器。
返回
下页
图库
第6章 压电式传感器
6.1压电效应 6.2压电材料 6.3等效电路 6.4测量电路 6.5压电式传感器的应用举例 6.6影响压电式传感器精度的因素分析 本章要点
电压放大器的作用是将压电式传感器的高输 出阻抗经放大器变换为低阻抗输出，并将微 弱的电压信号进行适当放大．因此也把这种 测量电路称为阻抗变换器。图6-9是电压放大 器的简化电路图。
返回
上页
下页
图库
6.4 测量电路
6.4.2电荷放大器
由于电压放大器使所配接的压电式传感器的 电压灵敏度将随电缆分布电容及传感器自身 电容的变化而变化，而且电缆的更换得引起 重新标定的麻烦，为此又发展了便于远距离 测量的电荷放大器，目前它巳被公认是一种 较好的冲击测量放大器。
压电式传感器测量的基本参数
压电式传感器测量的基本参数
压电式传感器测量的基本参数可以包括以下几个方面：
1. 灵敏度（Sensitivity）：指传感器输出信号与输入量之间的
关系。
通常以电压或电流的变化率表示，单位为V/m、
mV/kPa等。
2. 测量范围（Measurement Range）：指传感器能够测量的输
入量的最小值和最大值。
通常表示为最小值和最大值的差值，单位为Pa、kPa等。
3. 静态特性（Static Characteristics）：包括零点漂移、线性度、重复性等。
零点漂移是指在零输入条件下，输出信号的变化；线性度是指输入量与输出信号之间的关系是否是线性的；重复性是指在多次测量同一输入量后，输出信号的变化程度。
4. 动态特性（Dynamic Characteristics）：包括响应时间、输出
信号的频率响应等。
响应时间是指传感器从接收到输入信号到输出信号达到稳定状态所需的时间；频率响应是指传感器对输入信号的频率变化所作出的响应。
5. 温度特性（Temperature Characteristics）：包括温度影响、
温度稳定性等。
温度影响是指传感器输出信号随温度变化而产生的变化；温度稳定性是指在一定温度范围内，传感器输出信号的稳定性。
以上是压电式传感器测量的基本参数，实际应用中还可以根据具体需求添加其他参数。
压电式传感器原理
压电式传感器原理
一、什么是压电式传感器
压电式传感器是一种由电容式传感器演变而来的电磁式传感器，它利用晶体管在物理变化时所产生的电容效应，来对外界环境作出反应。
压电式传感器可以改变电容大小、变换电压幅度、改变电流流向、改变极性、改变电容量等，可以检测出外界压力、温度、拉力、拨动力等的变化。
二、压电式传感器的工作原理
压电式传感器的工作原理是，当一个外力施加在晶体片上时，由于晶体与晶体之间电子的运动受到外力的影响，在晶体的正线上的电容变化，把外力的变化转化成电容变化。
由于电容变化会改变电路中的电流，因此可以检测到外力的变化。
三、压电式传感器的特点
1、结构紧凑：压电式传感器具有小尺寸、低成本和机械结构紧凑的特点，使它成为其他传感器技术所不可取代的传感器。
2、高灵敏度：由于电容改变量可达几微安的级别，使得压电式传感器具有极高的灵敏度，可以自动感知微小外界变化。
3、快速响应：压电式传感器的信号响应速度很快，具有良好的动态特性，并且能够保持较高的精度和准确度。
4、广泛的应用：压电式传感器可广泛应用于航空航天、汽车、电子仪表、运动控制、重力检测和高精度测量等领域。
- 1 -。
第六章 压电式传感器
1 CR
2
i
d 33 Fm C
2
arctan RC
当R无限大时 电压幅值比：
U im Um
Um
RC
1 1 RC
CR 2 1
U im 1 2 Um 1 1 i arctan 1 2
第六章：压电式传感器
主讲人：贾鹤萍
压电式传感器是一种自发电式传感器。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。
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，但不能用于静态参数的测量。 压电式传感器具有体积小、质量轻、频响高、信 噪比大等特点。由于它没有运动部件，因此结构坚固 、可靠性、稳定性高。
1、工作原理--压电效应
图6-1 压电转换元件受力变形的几种基本形式
返回
1、工作原理--压电效应 压电传感器中的压电元件材料一般有三类： 压电晶体（如上述的石英晶体）； 经过极化处理的压电陶瓷； 高分子压电材料。
1、工作原理----石英晶体 天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，
Z轴为光轴，是晶体的对称轴，光线沿Z轴通过晶体 不产生双折射现象。
q1 q11 q12 q13 q14 q15 q16
q1 d111 d12 2 d13 3 d14 4 d15 5 d16 6 q2 d211 d22 2 d23 3 d24 4 d25 5 d26 6 q3 d311 d32 2 d33 3 d34 4 d35 5 d36 6 [D] 1
压电式传感器 ppt课件
ppt课件
19
6.1 工作原理及压电材料
7) 石英晶体的上述特性与其内部分
y
子 结 构 有 关 。 图 6.1.3 是 一 个 单 元 组
体中构成石英晶体的硅离子和氧离子
在垂直于z轴的xy平面上的投影，等
x
效为一个正六边形排列。右图中紫色
代表硅离子Si4+，绿色代表氧离子O2-。
8) 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6.1.3（a）所示。
ppt课件
11
6.1 工作原理及压电材料
相6 对5
介4
电 常
3
数2 ε1
居里点 t/℃
0
100 200 300 400 500 600
石英在高温下相对介电常数的温度特性
居里点温度
573°C
其介电常数和压电常数 的温度稳定性相当好， 在常温范围内这两个参 数几乎不随温度变化。
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
• 具有体积小，重量轻，工作频带宽等特点, 因此在各种动 态力、 机械冲击与振动的测量, 以及声学、医学、力学、 宇航等方面都得到了非常广泛的应用。
ppt课件
2
6.1 工作原理及压电材料
一、 压电效应
压电式传感器工作原理
压电式传感器工作原理
压电式传感器工作原理是基于压电效应的。
压电效应是指某些晶体在受到机械应力或电场作用下，会产生电荷的现象。
压电式传感器通常由压电材料和电极组成。
当外界施加压力或力量作用在压电材料上时，压电材料会发生分子结构的畸变，从而产生电荷的偏移。
这个电荷的偏移量与所施加的压力大小成正比。
压电传感器中的电极会收集这些电荷，产生对应的电压信号。
为了提高传感器的灵敏度和稳定性，常常在压电材料的两侧加上金属电极，形成一个电场。
这个电场可以使压电材料更容易产生电荷的偏移，从而提高传感器的灵敏度。
压电式传感器适用于各种应用领域，比如重量测量、压力检测、加速度测量等。
在重量测量方面，压电式传感器可以通过测量压电材料上产生的电荷量来计算受测物体的重量。
在压力检测方面，传感器可以通过测量压电材料上产生的电压信号来计算作用在传感器上的压力大小。
在加速度测量方面，压电式传感器可以通过测量压电材料上产生的电荷量来计算物体的加速度。
总之，压电式传感器利用压电效应实现对压力、重量以及加速度等物理量的测量。
通过测量压电材料上产生的电荷量或电压信号，可以计算出所测量物理量的值。
压电式压力传感器的工作原理
压电式压力传感器的工作原理压电式压力传感器是一种常见的压力测量设备，它利用压电效应将压力信号转换为电信号。
其工作原理主要基于压电材料的特性和压力作用下的变形效应。
压电效应是指某些晶体在受力或变形时会产生电荷。
压电材料是一种具有这种特性的材料，如石英、锆钛酸铅等。
当外力作用于压电材料时，材料的晶格结构会发生微小的变形，从而引发电荷的分离和聚集，产生电势差，即压电效应。
这种效应的典型代表是压电晶体的晶须，它们在受到压力时会产生电荷的分离。
压电式压力传感器利用压电材料的压电效应来测量压力。
传感器通常由一块薄片状的压电材料和电极构成。
当外界施加压力时，压电材料会发生微小的形变，导致电荷的分离和聚集。
电极会收集这些电荷，并将其转换为电信号输出。
具体而言，压电式压力传感器的工作过程可以分为以下几个步骤：1. 压力施加：传感器的压电材料暴露在待测压力下，压力会导致材料发生微小的形变。
2. 形变产生电荷：压力作用下，压电材料的晶格结构发生微小的变化，导致电荷的分离和聚集。
3. 电荷收集和转换：电极将产生的电荷收集起来，并将其转换为电信号。
4. 电信号输出：电信号经过放大和处理后，输出为与压力成比例的电压或电流信号。
压电式压力传感器具有许多优点，例如高灵敏度、快速响应、宽工作范围、高可靠性等。
它们广泛应用于工业自动化、汽车工程、医疗设备等领域，用于测量各种流体和气体的压力。
压电式压力传感器利用压电材料的压电效应将压力信号转换为电信号。
通过压力施加、形变产生电荷、电荷收集和转换以及电信号输出等步骤，传感器能够准确测量压力值，并将其转化为可读的电信号。
这种传感器在各个领域中都有广泛的应用，为我们提供了重要的压力测量手段。
- 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)。
金属平板 电极1
电极2
压电晶体 电极1
电极3
压电晶体
支撑 电极3 安装孔
电极引线
44
电极 1、2 间加交变电压： 压电晶体机械振动，系统 的谐振频率：
电极2
压电晶体 电极1
电极3
f c k/m
k m
支撑
电极引线
—— 等效刚度
安装孔
—— 等效质量
冰层检测原理： 极板 1 上无附加物：以自身的谐振频率作机械振动；
1 1 ( ) 2 1
1 1 1 R(Ce Cc Ci )
R(Ce Cc Ci ) 时间常数
输入电压与作用力间的相位差：
2
arctg R(Ce Cc Ci )
2
arctg
1
31
讨论：
（ 1 ） 0 （2） 1 3,1 3时 1
分别适用于何种应用场合？
53
i U R(Ce Cc Ci ) i 理想 U 1 2 R 2 (Ce Cc Ci ) 2
1 1 ( ) 2 1
1 1 1 R(Ce Cc Ci )
R(Ce Cc Ci ) 时间常数
30
i | |U i | 理想 |U
压电半导体 有机高分子 压电材料
9
三、石英晶体的压电特性
石英 居里点573℃，六角晶系结构
光轴
电轴
机械轴
fy
qx d 11 fx a a qy d 12 fy d 11 fy b b
fx
10
例如：石英晶体；
酒石酸钾钠等
石英晶体外形图
天然形成的石英晶体外形图
石英晶体切片及封装
11
x轴方向受力：压力
48
例11 压电式玻璃破碎报警器
将高分子压电测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，并将电压信号 传送给集中报警系统。
粘贴 位置
使用时，用瞬干胶将 其粘贴在玻璃上。当 玻璃遭暴力打碎的瞬 间，压电薄膜感受到 剧烈振动，表面产生 电荷Q ，在两个输出 引脚之间产生窄脉冲 报警信号。
(a)不受力时
- - - - - - -
fx
(b)X轴向受压力时 (c)Y轴向受压力时
13
14
15
16
正离子
x
＋ － －
.
o z y
＋ －
＋
负离子
(a)未受力作用
正离子
正离子
正离子
＋ －
＋ －
＋
－
＋ － ＋
－ ＋
－ ＋
负离子
－
－
.
＋
.
＋
－
＋ －
＋
负离子
－
(b)x方向受压力或y方向受拉力作用
负离子
46
例10、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。
47
高分子压电电缆的应用演示
将两根高分子压电电缆相距若干米，平行埋设于柏油公路的路 面下约5cm，可以用来测量车速及汽车的载重量，并根据存储 在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。
输入电压与作用力间的相位差：
2
arctg R(Ce Cc Ci )
29
i 理想 R (Ce Cc Ci ) 1时， U
2 2 2
i U
d FmR 1 2 R 2 (Ce Cc Ci ) 2
d Fm Ce Cc Ci
x轴方向受力：拉力
y轴方向受力：压力
y轴方向受力：拉力
12
石英晶体的压电效应机理
fx
x - - - - - - ＋ － y ＋ － o ＋ ＋ － + + + + + + + ＋ － － ＋ － － － + + + + + + + ＋
fy
＋ － ＋
fy
Si4+
O2－
极板 1 上有冰冻：冰层增加系统刚度，谐振频率增大；
冰层越厚：刚度增加越大，谐振频率越大。
三电极压电元件：T 型 LC 三端元件，构成振荡电路。
45
参考文献： 1、“基于压电器件的冰传感器”，《仪表技术与传感 器》，2001年9期 2、“压电式振动给料器的研制”，《传感器技术》 ， 2001年4期
1 R d F 1 jC Ui 1 1 Ce R R 1 jC jC 1 jCe R jC
d F
jR 1 jR(Ce C )
前置放大器输入端电压幅值：
i U
d FmR 1 2 R 2测量电路
前置放大器的作用： （1）放大 （2）阻抗转换 1、电压放大器 电压放大器 电荷放大器
Rd Ri R Rd Ri
C Cc Ci
Fmsint F
d Fm q d F U sint Ce Ce Ce
28
前置放大器输入端电压：
壳体 F=ma,F∝a 弹簧 质量块 压电片 基座
38
又q∝F
∴q∝a
例4：冲击试验台的标定和检测
产品过载冲击试验
产品
跌落高度h
加速度
被冲击介质：钢、橡胶、塑料、木块
39
例5：汽车安全气囊系统
安全气囊的工作框图
40
例6： 气体发生器输出特性测试 密封容器压力测试法
41
例7：振动测量仪
q d F d ma a
(c)y方向受压力或x方向受拉力作用
(d)z方向受压力或拉力作用
17
四、压电陶瓷的压电现象
人造多晶体：经极化处理后的人工多晶铁电体
电畴
未极化前：不具压电性
E
加外电场
撤销外电场
18
对外不呈极性
加力F：放电现象 取消F：充电现象 正压电效应：
机械能
电能
q d 33 F
19
20
21
22
五、压电高分子材料
35
例2： 压电式压力传感器
电极结构 预紧力
q d 11 F
F PS
36
例3：压电式加速度传感器
F ma m —— 重块质量 a —— 加速度 q d F d ma
q dma U C C
37
结构：压电片用高压电系数的压电陶瓷制成。两 个压电片并联。质量块用高比重的金属块，对 压电元件施加预载荷。测得加速度传感器输出 的电荷便可知加速度的大小。
8
常用压电材料
类 别
石英晶体
材 料
单晶体、水晶 （人造、 天然）
成 分
SiO2
特 性
d11=2.31×10-12C/N， 压电系数稳定，固有频率稳定 承受压力 700-1000Kg/cm2
压电陶瓷 新型压电 材料
人造多晶体
钛酸钡、锆钛酸 压电系数高 d33=190×10-11C/N 钡、铌酸盐系 压电特性 半导体特性 品种多、性能各异 集成压电传感器 质轻柔软、抗拉强度高、 机电耦合系数高
积分：振动速度、幅值
A： 加速度 160 ug ~ 10 g 转换开关S V： 速度 0.4 ~ 80 cm/s
D： 振幅 4 um ~ 8 cm
42
例8：水深测量仪
0.01MPa / m
43
例9 用于结冰状况监测的冰传感器
结冰现象的危害： 铁路电力机车接触网导线上结冰影响机车正常行驶、 冷库物资防冰、飞机安全飞行 结冰状况监测：是否结冰、冰层厚度 基于压电效应的冰传感器原理： 三电极片式压电器件：
同学们好！
1
受力、表面形变
压电器件
电荷
属性：自发电 测量范围：力敏元件，测量动态力、动态压力、振动 加速度等，但不能用于静态参数的测量（电荷由于表 面漏电很快泄漏、消失）。 特点：体积小，质量轻，频响高，信噪比大。由于它 没有运动部件，因此结构坚固，可靠性、稳定性高。
2
§6-1 压电效应和压电材料
23
24
§6-2 等效电路和测量电路
一、压电晶片的连接方式
（1）并联：
C 2C , q 2q,U U
（2）串联：
1 C C , q q,U 2U 2
25
二、压电传感器的等效电路
压电晶片：
S
d
Ce
压电传感器：
Q U Ce
只适宜动态测量
26
压电传感器在实际测量 系统中的等效电路
1 上限 fH 2Rc (Ce Cc )
1 下限 fL 2RfCf
33
§6-3 压电传感器的应用
例1： 压电式测力传感器
压电式三向力传感器
34
石英晶片采用xy切型, 利用其纵向压电效应, 通过d11实现力—电转 换。为了提高传感器的输出灵敏度，可以用两片或多片晶片粘贴在 一起。 石英晶片的尺寸为φ8×1mm 。该传感器的测力范围为 0 ～ 50N, 最小分辨率为0.01, 固有频率为50～60kHz, 整个传感器重10g。
高分子材料属于有机分子半结晶或结晶聚合物，其压电效 应较复杂，不仅要考虑晶格中均匀的内应变对压电效应的贡献， 还要考虑高分子材料中作非均匀内应变所产生的各种高次效应 以及同整个体系平均变形无关的电荷位移而表现出来的压电特 性。 目前已发现的压电系数最高、且已进行应用开发的压电高 分子材料是聚偏氟乙烯，其压电效应可采用类似铁电体的机理 来解释。这种聚合物中碳原子的个数为奇数，经过机械滚压和 拉伸制作成薄膜之后，带负电的氟离子和带正电的氢离子分别 排列在薄膜的对应上下两边上，形成微晶偶极矩结构，经过一 定时间的外电场和温度联合作用后，晶体内部的偶极矩进一步 旋转定向，形成垂直于薄膜平面的碳－氟偶极矩固定结构。正 是由于这种固定取向后的极化和外力作用时的剩余极化的变化， 引起了压电效应。