压电式传感器的应用课件
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第3章 压电式传感器
图3-1 天然结构的石英晶体示意图
第3章 压电式传感器
从晶体上沿着轴线切下的一片压电元件称为压电晶片，当晶片在沿X 轴方向有作用力Fx作用时，会在与X轴方向垂直的表面产生电荷，其大小 为: q x d11Fx （电荷极性由力的方向决定）
当晶片在沿Y轴方向有作用力Fy作用时，会在与Y轴方向垂直的表面产 生电荷，其大小为: q y d11 a Fy （电荷极性由力的方向决定） b L 从以上两式可以看出，纵向压电效应与元件尺寸无关，而横向压电效 应与元件尺寸有关；且从式中的负号可以看出，两者产生电荷的极性相反。 综上所述，晶体切片上电荷的符号与受力方向的关系可用图3-2表示。
1—基座；2—压电片；3—质 量块；4—弹簧；5—壳体
第3章 压电式传感器
图3-12是一种振动加速度传感器的测量电路。电路中，利用传感 器将被测加速度转换成电压输出，经过运放741和阻容元件组成的二 阶低通滤波器将53Hz以上的振荡频率衰减，再经IC2（3521）和阻容元 件组成的高通滤波器滤去低于1Hz的振荡频率。IC3与IC4组成交流放大 积分器，可以将IC2的输出转换成速度输出。IC5与IC6又可以将速度积 分成位移输出。由于加速度、速度、位移幅度的不同，为了都能送至 同一片MC14433做A/D转换，电路中配备了未标阻值的三个串联分压器， 可以根据需要设计选择。图中IC7是反相器。
第3章 压电式传感器
图3-12 振动加速度传感器测量电路图
第3章 压电式传感器
3.4.3 电子气压计 用气压表监测大气压力，对于预报天气具有重要的意义。传统的气压 计是玻璃管式的气压表，在使用之前，需要调节刻度盘指针位置，经较 长时间才能测量出气压的变化，而且由于机械磨擦的影响，会带来很大 的测量误差。这里介绍的电子气压计，是用压电片作为压力传感器，用
压电式传感器的应用
信号发生器 游标卡尺 图5 超声速测量实验装置
压电式传感器的应用 当信号发生器产生的正弦交流信号加在压电陶瓷片两端 面时，压电陶瓷片将产生机械振动， 面时，压电陶瓷片将产生机械振动，在空气中激发出声 波。所以，换能器S1是声频信号发生器。 所以，换能器 是声频信号发生器。 当S发出的声波信号经过空气传播到达换能器 2时，空 发出的声波信号经过空气传播到达换能器S 发出的声波信号经过空气传播到达换能器 气振动产生的压力作用在S 气振动产生的压力作用在 2的压电陶瓷片上使之出现 充、放电现象，在示波器上就能检测出该交变信号。 放电现象，在示波器上就能检测出该交变信号。 所以，换能器 是声频信号接收器。 所以，换能器S2是声频信号接收器。
地 L LA A O点 LB B 面
压电式传感器的应用 两者时间差为 ∆t= tA-tB=（LA - LB ）/v 又L=LA +LB ，所以
L + ∆t ⋅ v LA = 2 L − ∆t ⋅ v LB = 2
压电式传感器的应用 例6 压电声传感器在超声速测量实验中的应用
示波器
S2 l
S1
频率计
压电陶瓷圆环 铝头
压电式传感器的应用 当一定频率的声频信号加在换能器上时，换能器上的 当一定频率的声频信号加在换能器上时， 压电陶瓷片受到外力作用而产生压缩变形，由于压电 压电陶瓷片受到外力作用而产生压缩变形， 陶瓷的正压电效应，压电陶瓷上将出现充、放电现象， 陶瓷的正压电效应，压电陶瓷上将出现充、放电现象， 即将声频信号转换成了交变电信号。这时的声传感器 即将声频信号转换成了交变电信号。 就是声频信号接收器。 就是声频信号接收器。 如果换能器中压电陶瓷的振荡频率在超声波范围，则 如果换能器中压电陶瓷的振荡频率在超声波范围， 其发射或接收的声频信号即为超声波， 其发射或接收的声频信号即为超声波，这样的换能器 称为压电超声换能器 称为压电超声换能器。 压电超声换能器。
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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12
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
第6章压电式传感器原理及其应用
第6章 压电式传感器原理及其应用 章
6.1 压电效应和压电材料 6.2 压电元件的常用结构 6.3 压电式传感器等效电路和测量电路 6.4 压电式传感器的应用
压电式传感器概述
压电式传感器的压电元件是利用压电材料制成的， 压电式传感器的压电元件是利用压电材料制成的， 它是一种电量型传感器。 它是一种电量型传感器。 工作原理:以某些电介质的压电效应为基础 以某些电介质的压电效应为基础， 工作原理 以某些电介质的压电效应为基础，在外力 作用下，电介质的表面就会产生电荷，有电压输出， 作用下，电介质的表面就会产生电荷，有电压输出， M 从而实现力—电信号转换 再通过检测电荷量（ 电信号转换， 从而实现力 电信号转换，再通过检测电荷量（或 输出电压）的大小，即可测出作用力的大小。 输出电压）的大小，即可测出作用力的大小。 压电元件是一种典型的力敏感元件， 压电元件是一种典型的力敏感元件，可用来测量最 终可变换为力的各种物理量，如测量压力、应力、 终可变换为力的各种物理量，如测量压力、应力、 加速度等。由于压电元件具有体积小、重量轻、 加速度等。由于压电元Байду номын сангаас具有体积小、重量轻、结 构简单、可靠性高、频带宽、 构简单、可靠性高、频带宽、灵敏度和信噪比高等 优点，压电式传感器也随之得到了飞速发展。 优点，压电式传感器也随之得到了飞速发展。 在声学、力学、 在声学、力学、医学和航空航天等领域都得到了广 泛应用。其缺点是无静态输出， 泛应用。其缺点是无静态输出，要求有很高的输出 阻抗，需用低电容的低噪声电缆等。 阻抗，需用低电容的低噪声电缆等。
铜芯线充当内电极铜网屏蔽层作外电极管状pvdf高分子压电材料为绝缘层最外层是橡胶保护层为承压弹性元件当管状高分子压电材料受压时其内外表面产生电荷可达到测量的目的图620高分子压电电缆2高分子压电电缆的典型应用高分子压电电缆测速系统由两根高分子压电电缆相隔一段距离平行埋设于柏油公路的路面下50mm处如图621所示
6.1 压电效应和压电材料 6.2 压电元件的常用结构 6.3 压电式传感器等效电路和测量电路 6.4 压电式传感器的应用
压电式传感器概述
压电式传感器的压电元件是利用压电材料制成的， 压电式传感器的压电元件是利用压电材料制成的， 它是一种电量型传感器。 它是一种电量型传感器。 工作原理:以某些电介质的压电效应为基础 以某些电介质的压电效应为基础， 工作原理 以某些电介质的压电效应为基础，在外力 作用下，电介质的表面就会产生电荷，有电压输出， 作用下，电介质的表面就会产生电荷，有电压输出， M 从而实现力—电信号转换 再通过检测电荷量（ 电信号转换， 从而实现力 电信号转换，再通过检测电荷量（或 输出电压）的大小，即可测出作用力的大小。 输出电压）的大小，即可测出作用力的大小。 压电元件是一种典型的力敏感元件， 压电元件是一种典型的力敏感元件，可用来测量最 终可变换为力的各种物理量，如测量压力、应力、 终可变换为力的各种物理量，如测量压力、应力、 加速度等。由于压电元件具有体积小、重量轻、 加速度等。由于压电元Байду номын сангаас具有体积小、重量轻、结 构简单、可靠性高、频带宽、 构简单、可靠性高、频带宽、灵敏度和信噪比高等 优点，压电式传感器也随之得到了飞速发展。 优点，压电式传感器也随之得到了飞速发展。 在声学、力学、 在声学、力学、医学和航空航天等领域都得到了广 泛应用。其缺点是无静态输出， 泛应用。其缺点是无静态输出，要求有很高的输出 阻抗，需用低电容的低噪声电缆等。 阻抗，需用低电容的低噪声电缆等。
铜芯线充当内电极铜网屏蔽层作外电极管状pvdf高分子压电材料为绝缘层最外层是橡胶保护层为承压弹性元件当管状高分子压电材料受压时其内外表面产生电荷可达到测量的目的图620高分子压电电缆2高分子压电电缆的典型应用高分子压电电缆测速系统由两根高分子压电电缆相隔一段距离平行埋设于柏油公路的路面下50mm处如图621所示
传感器原理及应用压电式传感器.完美版PPT
§6.1 压电效应
二、压电效应的基本原理
z
3、石英晶体压电效应作用力与电荷关系
若从晶体上沿y方向切下一块晶片，当沿 电轴x方向施加应力时，晶片将产生厚度变形，
O
y
并发生极化现象。在晶体线性弹性范围内，极
x
化强度与应力成正比。
在垂直于x轴晶面上产生的电荷量为
b
z
q1 1d1 1 Fx
x
y
d11—压电系数。下标的意义为产生电荷的 面的轴向及施加作用力的轴向；a、b、c—石
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，屏蔽和抵消 了陶瓷片内极化强度对外界的作用。
电极
自由电荷
-----
＋＋＋＋＋
极化方向
- - - - - 束缚电荷
＋＋＋＋＋
陶瓷片内束缚电荷与电极上 吸附的自由电荷示意图
因此，无外力或外场 作用时，极化处理后的压 电陶瓷也表现不出来对外 界的电场或应力。
产生电荷q11和q12的符号，决定于受压力
c a
还是受拉力。
§6.1 压电效应
二、压电效应的基本原理 4、石英晶体压电效应特点
§6.1 压电效应
二、压电效应的基本原理 5、压电陶瓷的压电效应
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，有一定的极化方向，从 而存在电场。
英晶片的长度、厚度和宽度。
c a
§6.1 压电效应
二、压电效应的基本原理
z
3、石英晶体压电效应作用力与电荷关系
若在同一切片上，沿机械轴y方向施加应 力，则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷为
O
y
a q 12 d 12 b F y
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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它们能够提供连续、准确的生理数据， 帮助医生及时了解患者的病情和做出 准确的诊断。
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
《传感器技术》教学课件第6章
沿电轴方向施加作用力Fx时，在与电轴x垂直的平面上将产生电
荷， 其大小为
qx d11Fx
(6-2)
式中, d11为x方向受力的压电系数。
14
若在同一切片上，沿机械轴y方向施加作用力Fy，则电荷仍 在与x轴垂直的平面上产生，其大小为
qy
d12
a b
Fy
(6-3)
式中：d12——y轴方向受力的压电系数，根据石英晶体的对称性， 有d12=-d11；
在自然界中大多数晶体都具有压电效应，但压 电效应十分微弱。随着对材料的深入研究，发现石 英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压 电材料。
7
表6-1 常用压电材料的性能参数
8
6.1.1 压电晶体
以石英晶体为例，它是单晶体中具有代表性同时也是应用 最广泛的一种压电晶体，化学式为SiO2。图6-2（a）表示了天 然结构的石英晶体外形是一个正六面体。
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石英晶体具有压电效应与内部分子结构有关。图6-3 是一个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子，将 硅离子和氧离子在垂直于晶体z轴的xy平面上进行投影， 等效为一个正六边形排列。
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6-4（a）所示。
29
压电材料的压电特性可以用压电方程表示，其矩阵形式是： 定义压电系数矩阵D为：
30
压电系数矩阵D是正确选择压电元件、受力状态、变形方 式、能量转换率以及晶片几何切型的重要依据。石英晶体压电 系数矩阵可表示为
式中独立的压电系数是d11和d14；压电系数矩阵可表示为：
其中独立的压电系数是d33、d31和d15三个。
压电式传感器及应用解读
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
23
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，
47
休息一下！！
48
30
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。
24
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。
25
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。
45
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。
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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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休息一下！！
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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。
3.3压电式压力传感器
四、压电式传感器的测量电路
1、压电元件常用连接形式
➢ 在实际使用中，如仅用单片压电元件工作 的话，要产生足够的表面电荷就要很大的作用力， 因此一般采用两片或两片以上压电元件组合在一 起使用。 ➢ 由于压电元件是有极性的，因此连接方法 有两种：并联连接和串联连接。
(a)
(b)
（1）并联： （2）串联：
2. 逆压电效应
极化方向上施加交变电场 产生机械变形
去外加电场，变形消失
逆压电效应动画演示
机械能
正压电效应
压电介质
电能
逆压电效应
三、压电材料
1、常见压电材料
（1）压电晶体 压电晶体是一种单晶体。
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
（2）压电陶瓷
压电陶瓷是一种人工制造的多晶体。 例如：钛酸钡、锆钛酸铅、铌酸锶等
电介质在沿一定方向上受到外力 产生变形
内部产生极化现象，表面产生电荷
外力去掉，回到不带电状态
压电效应动画演示
极化现象的理解：未极化来自：不具压电性E加外电场
撤销外电场
n 压电效应：某些晶体在一定方向受到外力作用时，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 作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变，这种现象称 为压电效应。
C 2C, q 2q,U U
C 1 C, q q,U 2U 2
2、压电式传感器的等效电路
压电式传感器的等效电路：压电传感器在受外力作用时，在两个 电极表面聚集电荷，电荷 量相等，极性相反，相当于一个以压 电材料 为电介质的电容器。其电容量为：C0=ε0 εA/d
压电式传感器应用 PPT课件
压电式传感器的应用实例
成员：郑逸凯 11192133 崔露凯 11192107 唐文杰 11192118
压电式传感器？
• 压电效应：某些电介质（晶体，极化的陶瓷，高分子聚合物和负
合材料等），当在它的适当方向施加作用力时，内部会产生电极化状 态的变化，同时在电介质的两端表面出现符号相反、与外力成正比的 束缚电荷。这种由外力作用而导致电介质带电的现象即为压电效应。
• 如果换能器中压电陶瓷的振荡频率在超声波范围，则其发 射或接收的声频信号即为超声波，这样的换能器称为压电 超声换能器。
压电式流量计
• 压电超声换能器 每隔一段时间(如 1/100s)发射和接 收互换一次。在 顺流和逆流的情 况下，发射和接 收的相位差与流 速成正比。
压电式传感器在测漏中的应用
• 如果地面下一均匀的自来水直管道某处O发生漏水，水漏 引起的振动从O点向管道两端传播，在管道上A、B两点放 两只压电传感器，由从两个传感器接收到的由O点传来的 t0时刻发出的振动信号所用时间差可计算出LA或LB。
两者时间差为
• Δt= tA-tB=（LA - LB ）/v
又L=LA +LB ，所以
L t v
LA 2
LB
L t v
2
压电声传感器在超声速测量实验中的应用
• 超声速测量实验装置Fra bibliotek当信号发生器产生的正弦交流信号加在压电 陶瓷片两端面时，压电陶瓷片将产生机械振 动，在空气中激发出声波。所以，换能器S1 是声频信号发生器。
加速度式心音传感器：将声信号转换为电信号
压电式声 传感器
• 当交变信号加在压电陶 瓷片两端面时，由于压 电陶瓷的逆压电效应， 陶瓷片会在电极方向产 生周期性的伸长和缩短 。
压电式传感器 ppt课件
• 压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多, 所 以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。 极化处理后的压电陶瓷材料的特性不稳定，而且剩 余极化强度和特性与温度有关, 它的参数也随时间 变化, 从而使其压电特性减弱。 • 目前使用较多的压电陶瓷材料是钛酸钡陶瓷及 PZT系列, 它有较高的压电系数和较高的工作温度。
ppt课件
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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。
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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。
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6.1 工作原理及压电材料
一、 压电效应
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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。
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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
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6.1 工作原理及压电材料
一、 压电效应
压电式传感器的应用
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。
主要参数如下：
1）测量范围： 位移： 1～1999μm（峰—峰值）；速度： 0.1～ 199.9mm/S（有效值）； 加速度： 0.1～199.9m/S2（峰值）；高频加速度： 0.1～199.9 m/S2（峰值）； 精度：测量值的±5%（允许±2误差）； 2）频率范围： 位移：10Hz～1000Hz；速度：10Hz～1000Hz；加 速度：10Hz～1000Hz；高频加速度：1KHz～ 15KHz；
传感器与检测技术
压电式传感器的应用
压电式传感器可用于力、压力、速度、加速度、 振动等许多非电量的测量，可做成力传感器、压力传 感器、振动传感器等等。 1.1 5100系列压电式力传感器
航天702所所研制生产的5100系列力传感器，是 一种利用石英晶体的纵向压电效应，将“力”转换成 “电荷”并通过二次仪表转换成电压的压电式力传感 器。它具有气密性好、硬度高、刚度大、动态响应快 等优点。目前，5110、5112、5114和5115力传感器已 组成各种锤头（钢、铝、尼龙、橡胶）型测力锤，可 以测量动态力、准静态力和冲击力。
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
5-4 压电式传感器的应用
q' =2q； U'=U； C'=2C 图5-22（b）为串联形式，正电荷集中在上极板，负电荷集中在下极板， 而中间的极板上产生的负电荷与下片产生的正电荷相互抵消。从图中可知， 输出的总电荷 q' 等于单片电荷 q ，而输出电压 U'为单片电压 U 的二倍，总 电容 C' 为单片电容 C 的一半，即
当膜片 5 受到压力 P 作用后，则在压电晶片上产生电荷。在一个压电片
上所产生的电荷 q 为
q=d11F=d11SP
式中 F——作用于压电片上的力；
(5-42)
d11——压电系数； P ——压强，P=F/S；
S ——膜片的有效面积。
测压传感器的输入量为压力 P，如果传感器只由一个压电晶片组成，则 根据灵敏度的定义有：
第五章习题
5.7 .分析压电式加速度计的频率响应特性。若测量电路的总电容 C= 1 000 pF，总电阻 R= 500 MΩ,传感器机械系统固有频率 f0=30 kHz，相对阻尼 系数ξ=0.5，求幅值误差小于 2 %时，其使用的频率范围 。
5.8.用石英晶体加速度计测量机器的振动,已知加速度计的灵敏度为 5 pC/g （g为重力加速度，g＝9.8 m/s2），电荷放大器灵敏度为 50 mV/pC，当机 器达到最大加速度时，相应输出幅值电压为2V。试计算机器的振动加速 度。
1
0
1
0
2 2
2
0
2
（5-35） （5-36）
§5-4 压电式传感器的应用
相频特性
arctan
2
0
当膜片 5 受到压力 P 作用后，则在压电晶片上产生电荷。在一个压电片
上所产生的电荷 q 为
q=d11F=d11SP
式中 F——作用于压电片上的力；
(5-42)
d11——压电系数； P ——压强，P=F/S；
S ——膜片的有效面积。
测压传感器的输入量为压力 P，如果传感器只由一个压电晶片组成，则 根据灵敏度的定义有：
第五章习题
5.7 .分析压电式加速度计的频率响应特性。若测量电路的总电容 C= 1 000 pF，总电阻 R= 500 MΩ,传感器机械系统固有频率 f0=30 kHz，相对阻尼 系数ξ=0.5，求幅值误差小于 2 %时，其使用的频率范围 。
5.8.用石英晶体加速度计测量机器的振动,已知加速度计的灵敏度为 5 pC/g （g为重力加速度，g＝9.8 m/s2），电荷放大器灵敏度为 50 mV/pC，当机 器达到最大加速度时，相应输出幅值电压为2V。试计算机器的振动加速 度。
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§5-4 压电式传感器的应用
相频特性
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又L=LA +LB ，所以
L t v
LA 2
LB
L t v
2
例6 压电声传感器在超声速测量实验中的应用
示波器
S2
S1
频率计
游标卡尺
信号发生器
图5 超声速测量实验装置
当信号发生器产生的正弦交流信号加在压电陶瓷片两端 面时，压电陶瓷片将产生机械振动，在空气中激发出声 波。所以，换能器S1是声频信号发生器。
如果换能器中压电陶瓷的振荡频率在超声波范围，则 其发射或接收的声频信号即为超声波，这样的换能器 称为压电超声换能器。
例4 压电式流量计
压电超声换能器每 隔一段时间(如 1/100s)发射和接收 互换一次。在顺流 和逆流的情况下， 发射和接收的相位 差与流速成正比。
流量显示 输出信号 换能器
接收 发射 发射 接收
换能器
图4 压电式流量计
例5 压电式传感器在测漏中的应用
如果地面下一均匀的自来水直管道某处O发生漏水，水
漏引起的振动从O点向管道两端传播，在管道上A、B两
点放两只压电传感器，由从两个传感器接收到的由O点
传来的t0时刻发出的振动信号所用时间差可计算出LA或
LB。
地面
L
LA
LB
A
O点
B
两者时间差为
Δt= tA-tB=（LA - LB ）/v
当S发出的声波信号经过空气传播到达换能器S2时，空 气振动产生的压力作用在S2的压电陶瓷片上使之出现 充、放电现象，在示波器上就能检测出该交变信号。 所以，换能器S2是声频信号接收器。
返回
传感器上盖为传力元件，它的外缘壁厚为 0.1~0.5mm，外力作用使它产生弹性变形，将力传 递到石英晶片上。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。
例1 压电式加速度传感器
下图是一种压电式加速度传感器的结构图。它主要由
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，并由螺栓加以固定。
预 压 弹簧
外壳
图2 压电式加速度传 感器结构图
压 电 元件
质量块 基座
当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时， 压电元件受质量块惯性力的作用，根据牛顿第二定律， 此惯性力是加速度的函数， 即
F=ma
式中：F——质量块产生的惯性力； m——质量块的质量； a——加速度。
此时惯性力F作用于压电元件上，因而产生电荷q， 当传感器选定后，m为常数， 则传感器输出电荷为
即：压电式压力传感器的输出电荷q与输入压强P成正 比。
例3 压电式声传感器
压电陶瓷圆环
当交变信号加在压电 黄铜尾部
铝头
陶瓷片两端面时，由
于压电陶瓷的逆压电
效应，陶瓷片会在电 极方向产生周期性的 螺钉
伸长和缩短 。
压电陶瓷换能器结构图
当一定频率的声频信号加在换能器上时，换能器上的 压电陶瓷片受到外力作用而产生压缩变形，由于压电 陶瓷的正压电效应，压电陶瓷上将出现充、放电现象， 即将声频信号转换成了交变电信号。这时的声传感器 就是声频信号接收器。
q d33F d33ma
与加速度a成正比。因此，测得加速度传感器输出的 电荷便可知加速度的大小。
例2 压电式压力传感器
导电片 受压膜片
引线 壳体 基座
压电晶片
p 图3 压电式测压传感器
当膜片受到压力F作用后，在压电晶片表面上产生电荷。 在一个压电片上所产生的电荷q为
q d11F d11SP