6压电式传感器
压电式压力传感器原理特点及应用
压电式压力传感器原理特点及应用压电效应是压电材料受到外力时会产生电荷的现象。
压电材料具有这种特性的原因是在材料内部存在着一种称为压电效应的耦合效应，即机械能与电能之间的相互转换。
当外力作用在压电材料上时，会导致材料内部的正负离子产生位移，形成电偶极矩，从而产生电荷。
该电荷可以通过导线或电极传递到外部电路中，产生电压信号。
根据压电效应的特性，压电材料通常是通过连接传感器的终端来感受外部力或压力的变化。
1.高灵敏度：压电材料的压电系数比较大，对外界力或压力的变化非常敏感，能够很好地转换为电信号输出。
2.宽测量范围：压电式压力传感器的测量范围通常为几千帕到几百兆帕，能够满足不同应用场景的需求。
3.稳定性好：压电材料的压电效应相对稳定，且传感器无需额外的温度、湿度校正，不易受外界条件的干扰。
4.快速响应：由于压电材料具有较低的惯性和刚性，能够在短时间内响应外部力或压力变化。
1.工业自动化控制：压电式压力传感器可以用于工业自动化控制系统中，用于监测压力值，如液体或气体管道的压力、机械设备的载荷等。
2.汽车工程：压电式压力传感器广泛应用于汽车工程领域，如发动机进气管压力、轮胎压力、刹车系统压力等的检测。
3.生物医学领域：压电式压力传感器可用于测量人体血压、血氧饱和度、心脏健康状态等，用于临床监测和医疗设备。
4.航天航空领域：压电式压力传感器应用于航天器的气压监测、飞机的液压系统监测等，对于保证飞行安全起到重要作用。
5.环境监测：压电式压力传感器用于测量大气压力、水深、土壤压力等环境参数的监测，可用于气象、水利、地质等领域。
总之，压电式压力传感器以其高灵敏度、快速响应、稳定性好等特点，在多个领域中得到广泛的应用，为实时监测和控制提供了重要的技术支持。
压电式压力传感器标定方法
压电式压力传感器标定方法压电式压力传感器是一种常用的传感器，用于测量各种介质的压力。
为了保证传感器的准确性和可靠性，需要对其进行标定。
本文将介绍压电式压力传感器的标定方法。
一、什么是压电式压力传感器压电式压力传感器是一种利用压电效应来测量压力的传感器。
它由一个压电陶瓷片和一个金属薄膜组成。
当外界施加压力时，压电陶瓷片会产生电荷，通过金属薄膜导出，从而实现对压力的测量。
二、为什么需要标定压电式压力传感器压电式压力传感器的灵敏度和线性度会随着时间的推移而发生变化，因此需要定期进行标定，以确保其测量结果的准确性。
同时，不同的传感器在制造过程中存在一定的误差，通过标定可以消除这些误差，提高传感器的性能。
三、压电式压力传感器的标定方法1. 静态标定方法静态标定方法是最常用的标定方法之一。
该方法通过施加不同的压力，测量传感器的输出信号，从而建立压力与输出信号之间的关系。
具体步骤如下：（1）选择一个已知压力的标准压力表，并将其连接到待标定的传感器上。
（2）将待标定传感器与标准压力表一起放置在一个封闭的容器中，通过控制容器内的压力来改变压力传感器的输入。
（3）记录传感器的输出信号和标准压力表的读数，建立压力与输出信号之间的线性关系。
（4）重复以上步骤，使用不同的压力值进行标定，以获得更准确的标定曲线。
2. 动态标定方法动态标定方法是另一种常用的标定方法。
该方法通过施加不同频率和幅值的正弦波信号，测量传感器的输出信号，从而建立压力与输出信号之间的关系。
具体步骤如下：（1）选择一个信号发生器，并将其连接到待标定的传感器上。
（2）通过信号发生器输出不同频率和幅值的正弦波信号，施加到传感器上。
（3）测量传感器的输出信号，并记录其与输入信号的幅值和相位差。
（4）根据输入信号和输出信号的幅值和相位差，建立压力与输出信号之间的关系。
（5）重复以上步骤，使用不同频率和幅值的正弦波信号进行标定，以获得更准确的标定曲线。
四、标定结果的评估与调整在完成标定后，需要对标定结果进行评估，并进行必要的调整。
电工学 6压电式
高频超声波的波长短，不易产生绕射，碰到杂质或分界面就会有明显的反射， 方向性好，能定向传播，在液体和固体中衰减小，有很强的穿透能力。
超声波传感器的应用：无损、非接触检测
浙江工业大学机电学院
① 超声波探伤（参见教材P92，图6-16）
高频信号 发生器 （产生高频 正弦信号）
发射 探头
工件
接收
放大器 显示
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• 作业：p92 ，2，3，4 • 邮箱：帐号：2006gccs@
密码：gccsjs
探头
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② 牛乳凝固点的探测
加了凝乳酶的 牛乳
高频信号 发生器 （产生高频 正弦信号）
发射 探头
接收 探头
放大
A/D
计算机
恒温 水箱
电压
（V） 液
固 液
态共
存
0
固 态
时间 （min）
6.压电式传感器 案例：热轧设备诊断
浙江工业大学机电学院
浙江工业大学机电学院
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二、压电材料（自学） 压电晶体；压电陶瓷；高分子压电材料
6.压电式传感器 6.2 测量电路
浙江工业大学机电学院
一、等效电路
压电材料是绝缘电阻很高的材料，因此可
把压电元件看成一个电容器：
Ca
A
在压电元件的两个电极上积聚了正负电荷
，压电元件又相当于一个电荷发生器：
Ua
q Ca
dF Ca
6压电式传感器
产品
压力变送器
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加速度计
力传感器
6.压电式传感器 案例：飞机模态分析
4-6 常用传感器-压电式
压电传感器
华中科技大学机械学院
机械工程测试技术
3. 压电传感器及其等效电路 在压电晶体的两个工作面上进 + 行金属蒸镀，形成金属膜，构成 两个电极。如图所示 在压电晶体受到外力作用时， 在两个极板上将聚积数量相等、 极性相反的电荷，形成了电场。 因此压电传感器可看作是一个 电荷发生器，又是一个电容器， 其电容量为
第4章 常用传感器
华中科技大学机械学院
机械工程测试技术
4.6 压电传感器
压电传感器是一种可逆型换能器，既可以将机械 能转换为电能，又可以将电能转换为机械能。这种性 能使它被广泛用于压力、应力、加速度测量，也被用 于超声波发射与接收装置。 在用做加速度传感器时，可测频率范围从0.1Hz ~ 20kHz，可测振动加速度按其不同结构可达10-2 ~ 105 m/s2 。用做测力传感器时，其灵敏度可达10-3 N 。 优点：体积小、质量小，精确度及灵敏度高等。 现在与其配套的后续仪器，如电荷放大器等技术 性能的日益提高，使这种传感器的应用愈来愈广泛。
压电传感器
华中科技大学机械学院
机械工程测试技术
压电传感器一般用来测量沿其轴向的作用力，该 力对压电片产生纵向效应并产生相应的电荷，形成传 感器通常的输出；然而，垂直于轴向的作用力，也会 便压电片产生横向效应和相应的输出，称为横向输 出。与此相应的灵敏度，称为横向灵敏度。对于传感 器而言，横向输出是一种干扰和产生测量误差的原 因。使用时，应该选用横向灵敏度小的传感器。一个 压电传感器各方向的横向灵敏度是不同的。为了减少 横向输出的影响，在安装使用时，应力求使最小横向 灵敏度方向与最大横向干扰力方向重合。 环境温度、湿度的变化和压电材料自身的时效， 都会引起压电常数的变化，导致压电传感器灵敏度的 变化→经常校准是十分必要的
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：
压电式声传感器工作原理
压电式声传感器工作原理
压电式声传感器是一种将声音信号转化为电信号的装置。
其工作原理基于压电效应，即某些晶体在受到外力作用时会产生电荷，从而产生电场，进而产生电信号。
具体工作流程如下：
1. 压电晶体：声传感器中的核心部分是压电晶体，通常使用的是石英晶体或陶瓷材料。
这些晶体具有压电效应，在受到压力或者声波振动时会产生电荷。
2. 振动装置：声传感器通常会通过振动装置使压电晶体产生振动，这样可以使得晶体受到外力的作用。
常用的振动装置是声波传感器中的声膜。
3. 电荷产生：当压电晶体受到振动装置的作用时，晶体表面的压电材料会变形，从而产生电荷。
通常，正压力会使压电晶体产生正电荷，负压力会使之产生负电荷。
4. 电场产生：产生的电荷会引发电场的变化，从而产生电势差。
这个电势差是由振动所引起的。
5. 电信号产生：电势差会被导线或者其他传导材料传送到处理电路中，经过放大和滤波等处理，最终产生声音的电信号。
总之，压电式声传感器利用压电效应，将声波振动转化为电信号。
当声压作用于压电晶体上时，晶体表面的压电材料产生电荷，进而产生电场，最终转化为电信号。
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。
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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。
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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。
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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
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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。
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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。
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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。
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式中: d33—— 压电陶瓷的压电系数; F——作用力。
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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锆钛酸铅, 它是钛酸钡 （BaTiO3)和锆酸铅（PbZrO3）组成，有较高的压电系 数和较高的工作温度。
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电荷Qx和Qy的符 号由受拉力还是 受压力决定
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石英晶体压电模型 不受力
晶体在x方向受力
Fx
x
晶体在y方向受力
x
Fy
Fy
正常情况下石 Fx 英体中正负电 荷处于平衡， 正负电荷产生移动，出现带电现象。 外部呈中性。
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y
y
石英晶体压电模型
当石英晶体未受 负离子正好分布 P1 在正六边形的顶 角上, 形成三个 P2 x y
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当受外力作用时，产生电荷Q
电荷等效：
Q＝CaUa
电压等效：
Q ua Ca
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实际使用中，还需要考虑连接电缆的等效电容 Ce、放大器的输入电阻Ri、输入电容Ci以及传感器 的泄漏电阻Ra。 实际等效电路如图所示:
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3、压电元件的连接
多片压电元件的组合
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五、应用
石英晶体振荡器、压力传感器、超声换能器 广泛用于通讯（卫星接收、对讲机、电话机 等）、家电（TV/VCD/DVD等）、电脑、汽车电 子、电子游戏机等领域
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压电式动态力传感器以及在车床中用于
动态切削力的测量
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压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用
第6章 压电式传感器
压电式传感器的工作原理
1880年居里兄弟 研究石英时发现
某种介质材料受力作用变形时，其表面产生电 荷（压电效应），从而实现非电量测量。它是一种 有源传感器。
特点：体积小、质量轻、频响高、信噪比大 应用范围：压电式传感器可用于动态力、压力、速度、机械冲 击与振动等许多非电量的测量，广泛应用于声学、 医学、土木、机械、军工、宇航等等领域。 ※ 但不适用于静态参数的测量 ※
+
+
+
+
+
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石英晶体压电模型
- - - - - - - - - - - P1
P2
x y
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P3
+ + + + + + + + + + + +
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石英晶体压电模型
P1
当晶体受到
沿y轴方向的
压力作用时, P2 x y
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P3
晶体的变形 如图所示
石英晶体压电模型
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2、压电陶瓷
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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1 0 Ca Ce Ci R
注意：压电传感器不能用于静态力测量；压电传感 器与前置放大器间连接电缆不能随意更换。
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1
2、电荷放大器
图中R=RaRi/(Ra+Ri)，C=Ca+Ce+Ci，Ua=q/Ca
由于运算放大器输入阻抗高，输入端几乎没有分 流，故可略去R。
二、压电材料
压电晶体 石英晶体（SiO2）
压电陶瓷
钛酸钡（BaTiO3）
锆钛酸铅（PZT）
高分子材料
复合压电材料
聚偏二氟乙烯（PVDF）
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压电材料主要特性参数 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：材料弹性常数，决定器件的固有频率的动态特性 介电常数：固有电容与介电常数有关，影响传感器下限频率 机械耦合系数：衡量压电材料机－电能量转换效率的重要参 数，等于转换输出能量与输入能量之比的平方根。 电阻：绝缘电阻，可减少电荷泄漏，改善低频特性 居里点：材料开始丧失压电特性的温度, 如石英573°
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石英晶体压电模型
当作用力Fx、Fy的方向相反时，电荷的极性 也随之改变，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。 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。
厚度变形
长度变形
体积变形
厚度剪切变形
5、预载
在测量低压力时，由于力传递系数非线性（低压力下力 的损失较大）存在，导致压电式传感器线性度不好。为此， 在测量时需要加入预加力——预载。这样，不仅消除压力使 用中的非线性外，还可消除传感器内外接触表面的间隙，提 高刚度。在测量拉力、拉－压交变力及剪力和扭矩时必须给 压电传感器施加预载。
＋＋＋＋ －－－－ ＋＋＋＋ －－－－ ＋＋＋＋ －－－－
2）并联
Ce nC
Ue U
Qe nQ
并联使压电传感器时间常数增大， 电荷灵敏度增大，适合于电荷输出、低 频信号测量场合。
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＋＋＋＋ －－－－ －－－－ ＋＋＋＋ ＋＋＋＋ －－－－
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4、压电元件的分类
按受力和形变方式
+ + + + +
P1
P2
P3Hale Waihona Puke x y 2013-12-18
-
-
-
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石英晶体压电模型
+ + + + + + + +
P1
P2
P3
x y - - - - - - - - 2013-12-18
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。
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一、压电效应
正压电效应：
★ 利用电介质受力变形，内部产生的极化现象，产生电荷 ★ 去掉外力后，电荷消失，状态复原 ★ 作用力相反，电荷极性也发生变化
机械量
压电元件
电量
逆压电效应（电致伸缩效应）： 当在电介质的极化方向上施加电场时，这些电介质发 生形变。
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单片压电元件产生电荷量甚微，为提高压电传 感器输出灵敏度，在实际应用中常采用两片或以上 同型号压电元件粘贴组合。因此，考虑电荷的极性 因素，其连接法分为串联和并联两种。
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1）串联
C Ce n
U e nU
Qe Q
串联使压电传感器时间常数减小， 电压灵敏度增大，适合于电压输出、高 频信号测量场合。
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当受正弦力f＝Fmsinωt 作用时：
压电元件输出电压：
dFm sin t U sin t Ua m Ca
放大器输入端电压为：
U i dFm
U im
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jR sin t 1 jRCa C
dFmR
2
放大器输入端电压幅值为：
2
1 R Ca Ce Ci
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理想情况下，传感器电阻Ra和放大器输入电阻Ri都 为无限大，即ω(Ca+Ce+Ci)R>>1，此时输入电压 幅值Uim为：
dFm U im Ca Ce Ci
放大器输入电压Uim与频率无关。实际应用中，当 ω/ω0>3时，就可认为以上式成立。
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外力作用时, 正、
P3
互 成 120° 夹 角
的电偶极矩P1 、
P2 、 P3 。 如 图 所示。
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石英晶体压电模型
当石英晶体受
到沿x轴方向的
P1 压力作用时, 晶 体沿x方向将产 生压缩变形, 正 P2 x y
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P3
负离子的相对 位置也随之变 动。
石英晶体压电模型
此时正负电荷
重心不再重合, P1 电偶极矩在x 方向上的分量 P2 x y
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P3
由于P1的减小 和P2 、P3 的增 加而不等于零
石英晶体压电模型
-
-
-
P1
-
在x轴的正方
向出现正电荷, 电偶极矩在y 方向上的分量
P2 x y
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P3
仍为零, 不出 现电荷。
+
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。
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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。 •电荷量的大小与外力成正比关系: q = d33 F