传感器原理与电路设计第13讲压电
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
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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 线性误差：1% 最大输出：±5V或±10V 电 源：±6V～±15V
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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。
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（一）石英晶体
天然形成的石英晶体外形
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天然形成的石英晶体外形（续）
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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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高分子压电薄膜及拉制
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（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利用压电效应来实现信号检测和转换的传感器，它在工业、医疗、航空航天等领域有着广泛的应用。
那么，它的工作原理是怎样的呢？接下来，我们将对压电式传感器的工作原理进行详细介绍。
首先，我们需要了解压电效应的基本原理。
压电效应是指在某些晶体材料中，当受到外力作用时，会产生电荷的分离现象。
这是由于晶体内部的正负电荷会发生相对位移，从而产生电荷分离。
利用这一效应，可以将机械能转化为电能，实现信号的检测和传输。
在压电式传感器中，通常会使用压电陶瓷作为传感元件。
当外力作用于压电陶瓷时，会使其产生形变，从而引起内部正负电荷的相对位移，最终产生电荷分离。
这些电荷可以通过电极引出，并转化为电信号输出。
因此，压电式传感器可以将机械能转化为电信号，并实现信号的检测和测量。
除了压电陶瓷，压电式传感器中还包括了信号处理电路和外壳等组成部分。
信号处理电路可以对传感器输出的电信号进行放大、滤波和处理，从而得到更加稳定和准确的信号输出。
外壳则可以保护传感元件不受外界环境的影响，同时也可以起到固定和支撑的作用。
总的来说，压电式传感器的工作原理可以简单概括为，外力作用于压电元件，引起形变，产生电荷分离，最终转化为电信号输出。
通过信号处理电路的处理，可以得到稳定、准确的电信号，实现对外界力、压力、加速度等物理量的检测和测量。
在实际应用中，压电式传感器具有灵敏度高、响应速度快、抗干扰能力强等优点，因此被广泛应用于工业自动化控制、医疗诊断、环境监测、航空航天等领域。
它为我们提供了一种高效、可靠的物理量检测手段，对于推动科技进步和社会发展具有重要意义。
综上所述，压电式传感器利用压电效应实现了机械能到电能的转换，其工作原理简单而又高效。
通过对外力的检测和测量，可以实现对各种物理量的监测和控制，为各个领域的应用提供了重要支持。
希望本文对压电式传感器的工作原理有所帮助，谢谢阅读！。
压电传感器 ppt课件
Ca Ua Ua＝q/ Ca
q Ca q ＝UaCa
（a）电压等效电路 （b）电荷等效电路
压电传感器等效原理
传感器内部信号电荷无“漏损”，外电路负载无穷大时，
压电传感器受力后产生的电压或电荷才能长期保存，否
则电路将以某时间常数按指数规律放电。这对于静态标
定以及低频准静态测量极为不利，必然带来误差。事实
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，例如张力、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。 近年来，由于电子技术的飞速发展，随着与之配 套的二次仪表以及低噪声、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。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。
Ca传感器的固有电容 Ci 前置放大器输入电容 Cc 连线电容 Ra传感器的漏电阻 Ri前置放大器输入电阻
可见，压电传感器的绝缘电阻Ra与前置放大器的输入电 阻Ri相并联。为保证传感器和测试系统有一定的低频或 准静态响应，要求压电传感器绝缘电阻应保待在1013Ω以
上，才能使内部电荷泄漏减少到满足一般测试精度的要
1、电压放大器
Ca
Ca
－A
－A
Ua
Cc
Ra
Ri Ci
Ua
USCLeabharlann R C UiUSC
(a)
ppt课件
(b)
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图（b）中，等效电阻R为 R Ra Ri
Ra Ri
等效电容为 C=Cc+Ci
传感器原理与应用压电传感器ppt课件
介质的电容器，两电极板间的电容Ca为
Ca
r0 A
式中
A——压电元件电极面积；
——压电元件厚度； r——压电材料的相对介电常数； 0——真空介电常数。
压电元件的等效电路
第一节 压电传感器的概述
压电式传感器的特点：
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。
压电效应
压力时的情况相同
无论是沿x轴方向施加力，还是沿y轴方向施加力，电荷只产生在x面上。 光轴（z轴）方向受力时，由于晶格的变形不会引起正负电荷中心的分离， 所以不会产生压电效应。
对压电元件施加交变力，产生交变电荷
交变外力作用在压电元件上，可以产生交变的电
荷Q，在上下镀银的表面上产生交变电压。
产生的交变电荷的变化频率与交变力的频率相同， 等效于交变电荷源。
由于压电传感器的输出电压与压电片的极间电容Ca以及传输线的对地分布电 容Cc有关，如果接入普通的电压放大电路，将受到很多外界因素的影响。
现在多采用“电荷放大器”来将压电传感器输出的电荷转换为电压，属 于Q/U转换器，但并无放大电荷的作用，只是一种习惯叫法。
第三节 压电传感器的测量转换电路
压电元件的极间电容
无铅压电陶瓷
锆钛酸钡钙的压电系数达到600pC/N，压电性 能已超过了世界上已使用半个世纪、但对人体和环境 有害的核心压电材料锆钛酸铅陶瓷（250pC/N）。无 铅压电陶瓷取代铅基压电陶瓷已成为必然的趋势。
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。
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。
压电式传感器技术原理
压电式传感器技术原理压电传感器是一种可以将机械振动或压力转化成电信号的传感器。
压电原理是指一些特殊的晶体或陶瓷材料，在受到力的作用下会产生电荷或电势差的现象。
这些材料受到力的作用时，晶格结构会发生微小的变形或振动，从而激发内部的电气极化。
压电传感器的工作原理可以归纳为以下几个步骤：1.压电材料选择：通常采用晶体或陶瓷材料作为压电材料，如石英、硼酸锂等。
这些材料具有良好的压电效应和机械性能。
2.构造传感器：将压电材料制成适当形状的器件，常见的形式有片状、圆柱状和球状等。
传感器通常由两个电极和一个压电材料构成。
3.加载压电材料：当外部施加压力或振动时，压电材料发生机械变形。
这个变形可以是线性的压缩、拉伸、扭曲或振动。
4.电荷生成：机械变形引起压电材料内部正负电荷分离，产生一个电势差。
这个电势差可以通过外部电路导出。
5.电信号转换：将产生的电势差转换成电信号。
一种常见的方法是通过内部电荷放大器，将微弱的电势差放大成可读取的电信号。
压电传感器在实际应用中具有广泛的用途，例如：1.声音传感器：将声波振动转换成电信号，常用于麦克风、扬声器等声音设备。
2.压力传感器：将压力变化转换成电信号，被广泛应用于工业监测、汽车安全系统、医疗仪器等领域。
3.加速度传感器：测量物体的加速度和振动，广泛应用于汽车安全、航空航天等领域。
4.温度传感器：利用压电材料的热敏特性，将温度变化转换成电信号，用于温度测量和控制。
在未来，随着科技的发展，压电传感器将进一步得到改进和应用。
例如，研究人员正在开发更小、更灵敏的压电材料，以及更高效的电信号转换技术。
这将使压电传感器在更广泛的领域中发挥作用，如生物医学、能源管理、智能家居等。
总之，压电式传感器是一种基于压电效应的传感器，能够将机械振动和压力转换成电信号。
其工作原理简单而有效，适用于多种应用领域。
未来，预计压电传感器将继续发展，并在各种领域中发挥重要作用。
压电传感器的工作原理.
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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
双面镀银并封装
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石英晶体振荡器（晶振）
晶振
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）。
式中，A为开环放大系数。所以有
U0 U0 U0 (Ci Cc C a ) Q [(1 A) C f ] Q (1 A) Cf A A A
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故放大器的输出电压为
AQ U0 Ci Cc 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
Q U0 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 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
出变换为低阻抗输出；二是把传感器的微弱信号进 行放大。
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（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；
压电传感器工作原理
压电传感器工作原理压电传感器是一种利用压电效应来实现信号转换的传感器。
它可以将压力、力、加速度、位移等物理量转换为电信号，是一种常用的传感器类型。
在工业自动化、医疗设备、航空航天等领域都有广泛的应用。
本文将介绍压电传感器的工作原理及其应用。
压电效应是指某些晶体在受到外力作用时会产生电荷分离的现象。
这种现象可以用来制造压电传感器。
压电传感器通常由压电晶体、电极和外壳组成。
当外力作用于压电晶体时，晶体内部的正负电荷会发生分离，从而在电极上产生电压信号。
这个电压信号可以被放大、处理，并最终转换成我们需要的物理量信号。
压电传感器的工作原理可以分为两个部分：压电效应和信号转换。
首先是压电效应，当外力作用于压电晶体时，晶体内部的正负电荷会发生分离，从而产生电压信号。
这个电压信号的大小与外力的大小成正比，可以通过放大电路进行放大处理。
然后是信号转换，经过放大处理后的电压信号可以被转换成我们需要的物理量信号，如压力、力、加速度等。
这样就实现了从外力到电信号再到物理量信号的转换过程。
压电传感器具有许多优点，例如灵敏度高、频率响应宽、稳定性好等。
它可以实现对微小变化的检测，适用于各种环境和条件下的测量。
因此，在工业自动化领域，压电传感器被广泛应用于压力、力、加速度等物理量的测量和控制。
在医疗设备领域，压电传感器可以用于呼吸机、血压计等设备中。
在航空航天领域，压电传感器可以用于飞行器的姿态控制、结构监测等方面。
除了上述应用外，压电传感器还可以用于声波传感、超声波成像、振动传感等领域。
例如，压电传感器可以将声波信号转换成电信号，从而实现声音的检测和测量。
在超声波成像中，压电传感器可以将超声波信号转换成图像信号，用于医学诊断、材料检测等领域。
在振动传感中，压电传感器可以实现对结构振动的监测和分析。
总之，压电传感器是一种利用压电效应来实现信号转换的传感器。
它具有灵敏度高、频率响应宽、稳定性好等优点，在工业自动化、医疗设备、航空航天等领域有广泛的应用。
压电式传感器的工作原理
压电式传感器的工作原理压电效应是压电式传感器的基础。
压电效应存在于许多晶体材料中，如石英、压电陶瓷等。
这些材料在受到外力作用时会发生电荷的分布变化，即在晶体表面产生相应的正负电荷。
这种电荷分布变化可以用一个称为压电电荷常数的物理量来描述。
当一个物理量作用在压电传感器上时，引起了晶体材料的形变。
这种形变引起了电荷的分布变化。
具体来说，当物理量作用在传感器上时，在晶体的表面产生了正负电荷。
这些电荷可以通过电极和引线传输到外部电路中。
传感器的电极连接到一个外部电子电路中，测量电路对产生的电荷进行放大和处理。
传感器的电极可以是金属薄片，也可以是涂有导电材料的晶体表面。
外部电路可以是一个放大器，也可以是一个模数转换器。
这样，传感器产生的电荷可以转换成一个电压信号或一个电流信号。
通过对这个信号的测量和分析，我们可以获得物理量的数值。
压电式传感器有许多应用。
例如，在压力传感器中，外部压力会引起晶体材料的压缩或拉伸。
这种形变会产生电荷分布变化，进而产生电压信号。
通过测量这个电压信号，我们可以获得外部压力的数值。
另外，压电式传感器还可用于测量加速度、振动、声音和温度等物理量。
总结一下，压电式传感器是一种利用压电效应来测量物理量的传感器。
当物理量作用在传感器上时，晶体材料发生形变并产生电荷分布变化。
这些电荷通过电极和引线传输到外部电子电路中，最终转换成一个电压或电流信号。
通过对这个信号的测量和分析，我们可以获得物理量的数值。
压电式传感器具有广泛的应用领域，在工业控制、仪器仪表、医疗设备和航空航天等领域中发挥着重要的作用。
《压电式传感器》课件
压电式传感器结构简单，易于加工和 集成。
压电式传感器的优缺点
响应速度快
由于压电效应的快速响应特性，压电式传感器具有较快的响 应速度。
无热干扰
由于压电式传感器不需要加热元件，因此不会受到热干扰的 影响。
压电式传感器的优缺点
易受环境影响
压电式传感器容易受到环境温度、湿度等因素的影响，需要进行温度补偿和湿 度补偿。
水声探测
在水下环境中，压电式传感器可用于水声探测和声呐系统，实现 水下目标的定位和识别。
05
压电式传感器的校准与维护
压电式传感器的校准方法
压电式传感器的校准是确保测量准确性的重要步骤，通常包括零点校准和灵敏度校 准。
零点校准是将传感器的输出读数调整到零或一个已知的基准值，以消除任何偏差。
灵敏度校准是测试传感器在不同激励电压下的输出响应，以验证其线性度和准确性。
和处理。
特点
高输入阻抗、低输出阻抗、稳定 性好。
04
压电式传感器的应用实例
压力测量
压力传感器
压电式传感器在压力测量中应用广泛，如气瓶压力监测、管道压 力检测等。
压电式压力计
用于测量液体或气体的压力，具有高精度、高稳定性的特点。
压电薄膜压力传感器
利用压电薄膜作为敏感元件，可测量微小压力变化，常用于生物医 学和环境监测领域。
电压放大器
概述
电压放大器用于放大压电传感器 输出的电压信号。
工作原理
电压放大器通过直接耦合方式，将 压电传感器的电压信号进行放大。
特点
低输入阻抗、高输出阻抗、线性度 高。
阻抗变换号
的电路。
工作原理
阻抗变换器通过电阻、电容等元 件，将高阻抗的输出信号转换为 低阻抗的输出信号，以便于传输
压电传感器课程设计
压电式传感器的应用一：概述传感器是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受与检出功能, 并使之按照一定规律转换与之对应有用输出信号的元器件或装置，是新技术革命和信息社会的重要技术基础，是现代科技的开路先锋，美国早在80年代就声称世界已进入传感器时代，日本则把传感器技术列为十大技术之创立。
压电式传感器是典型的有源传感器。
当压电材料受力作用而变形时，其表面会有电荷产生，从而实现非电量测量。
压电式传感器具有体积小，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，军事等方面都得到了非常广泛的应用。
本文就压电传感器的工作原理和应用做相关介绍。
二：基本原理压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应。
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。
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。
三：应用原理压电式传感器的应用原理就是利用压电材料的压电效应这个特性，即当有力作用在压电元件上时，传感器就有电荷输出。
由于外力作用在压电材料上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，故需要测量回路具有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，因此压电式传感器不能用于静态测量。
压电元件作为压电式传感器的核心，在受外力作用时，其受力和变形方式大致有厚度变形、长度变形、体积变形和厚度剪切变形等几种形式。
最常用的是厚度变形的压缩式和剪切变形的剪切式两种,如图1，图2。
压电式传感器本身的阻抗很高，而输出能量较小，为了使压电元件能正常工作，它的测量电路需要接入一个高输入阻抗的前置放大器，主要有两个作用：一是放大压电元件的微弱电信号；二是把高阻抗输入变换为低阻抗输出。
压电传感器原理
压电传感器原理压电传感器是一种常用的传感器，其原理是基于压电效应。
压电效应是指某些晶体在外力的作用下会产生电荷，也就是将机械能转化为电能。
压电传感器利用了这一效应，将外力转化为电信号输出，从而实现对压力、负荷等物理量的测量和监测。
本文将全面介绍压电传感器的原理及其应用。
一、压电效应原理及其分类压电效应是一种晶体学现象，即在某些晶体中，当施加的机械应力达到某一阈值时，晶体中会产生电荷。
这种效应可以用晶体结构中的不对称性来解释，通常分为自然压电效应和应变压电效应两种。
1.自然压电效应自然压电效应是指在施加机械应力之前，晶体表面就已经分布着正负电荷的现象。
当施加应力时，晶体内部的电荷分布发生变化，导致晶体两端产生电势差，并将产生电流。
应用较为广泛的压电晶体有石英晶体、铁电晶体（如PZT）等。
应变压电效应是指在施加机械应力后，由于晶体结构中的电偶极矩的改变，产生正负电荷分离的现象。
当应力作用取消后，电荷再次平衡，产生的电势差也随之消失。
应变压电传感器多采用这种效应。
压电传感器是一种将物理量转化为电信号输出的传感器，其主要原理是应变压电效应，即施加的外力将导致压电材料内部电势分布的变化，进而产生电信号输出。
压电传感器的基本原理如下：声波压电传感器是指将声波信号转化为电信号输出的传感器。
其工作原理是将声波信号传递到压电晶体表面，使压电晶体发生振动，并将振动转化为电信号输出。
声波压电传感器通常被广泛应用于声音采集、锤击测试等领域。
应变压电传感器是一种常见的压电传感器，其工作原理是利用应变压电效应实现压力或负载等物理量的测量。
应变压电传感器的构造通常由薄片状的压电晶片、支撑结构和电路组成。
当外力作用于传感器支撑结构时，传感器会产生应变，这种应变将改变晶片中的电势分布，从而导致电信号的输出。
应变压电传感器是一种高精度、高灵敏度、可靠性较高的传感器，常被应用于工业控制和实验室测量领域。
加速度压电传感器是一种将加速度信号转化为电信号输出的传感器。
压电传感器工作原理
压电传感器工作原理
压电效应是指当材料受到机械应力作用时，其内部产生应变，同时在其表面产生电荷的现象。
在实际应用中，压电效应有两种基本形式，一种是以压电陶瓷为材料的压电性（或称压电效应），另一种是以压电晶体为材料的压电效应。
压电性是压电效应中最重要的性质之一，它是指在外力作用下产生变形时其表面能发生变化而产生电荷的现象。
在自然界中，凡是具有压电效应的材料，其内部都存在有电势差，例如石英、方解石等晶体或陶瓷都具有电势差，而且这种电势差的大小与晶体的内部结构和外部载荷有关。
由于压电效应产生的电势差对外力作用敏感，所以压电传感器主要用于对机械振动信号的测量。
压电传感器按结构形式分为反射式、透射式和吸收式三大类。
反射式是将信号反射到被测表面；透射式是将信号直接透射到被测表面；吸收式是将信号吸收并反射回被测表面。
反射式压电传感器基本结构如图所示。
在晶体的一面镀上一层电阻率很高的材料（例如石墨），在另一面镀上一层很薄的压电材料（例如陶瓷）。
—— 1 —1 —。
《压电传感器》课件
接线与调试
按照说明书的接线图进行 正确接线，并进行必要的 调试和校准，以确保传感 器正常工作。
压电传感器的日常维护
定期检查
定期检查传感器的外观、 连接线和固定情况，确保 传感器无损坏、无松动。
清洁与除尘
定期清洁传感器表面，保 持清洁，避免灰尘和污垢 影响测量精度。
防潮防震
在潮湿和震动环境中使用 时，采取相应的防潮和防 震措施，以保护传感器不 受损坏。
《压电传感器》PPT课件
目 录
• 压电传感器简介 • 压电传感器的类型与结构 • 压电传感器的特性分析 • 压电传感器的使用与维护 • 压电传感器的发展趋势与展望
01
压电传感器简介
压电传感器的工作原理
01
压电传感器是一种利用压电效应 原理制成的传感器。当受到外力 作用时，压电材料会产生电荷， 从而实现对压力的测量。
压电元件
是压电传感器的主要部 分，负责将压力信号转
换为电信号。
信号处理电路
对压电元件输出的电信 号进行处理，包括放大
、滤波、补偿等。
输出接口
将处理后的信号输出到 外部设备，如计算机、
显示器等。
保护壳体
保护传感器免受外界环 境的影响，如温度、湿
度、尘埃等。
压电传感器的材料
压电晶体
如石英、钛酸钡等，具有较高的压电常数和灵敏度。
用于血压、心电等生理参数的 测量，为医疗诊断提供准确数 据。
环境监测
用于气象、地震、水文等领域 的气压、风速、流量等参数的 测量，为环境保护和灾害预警
提供支持。
压电传感器的优缺点
优点
高灵敏度、高精度、低迟滞、抗干扰能力强、稳定性好等。
缺点
易受温度、湿度等环境因素影响，需要定期校准和维护，成 本较高。
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GMES 2008
14
第13讲
压电效应
目录
工作原理
测量电路
典型应用
压电效应
压电材料
压电效应：是对某些电介质沿一定方向施以外力使其变形 时，其内部将产生极化现象而使其表面出现电荷集聚的现 象。在外力去除后又重新恢复到不带电状态，是机械能转 变为电能。 正压电效应：可制成压电式传感器，典型的有源传感器 逆压电效应：可制成电激励的制动器(执行器) 特点： 结构简单、体积小、重量轻； 工作频带宽；灵敏度高；信噪比高； 工作可靠；测量范围广等。 用途： 主要用于与力相关的动态参数测试，如动态力、机械冲击、 振动等，它可以把加速度、压力、位移、温度等许多非电 量转换为电量。
(a) 厚度变形 (b) 长度变形 (c) 体积变形
＋
(d) 厚度剪切变形
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第6章 压电式传感器
12.01.2015
12
第13讲
压电式力传感器
目录
工作原理
利用纵向压电效应的厚度变形，采用机械串联、电气并联 的两片压电片。 压电式单向测力传感器结构如下：
f
上盖 绝缘套
测量电路 典型应用
第6章 压电式传感器 12.01.2015
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第13讲
压电材料
目录
工作原理
自然界中大多数晶体具有压电效应，石英晶体(单晶体)、 压电陶瓷(多晶体)、压电高分子材料等压电效应较强。 以石英晶体为例 Z轴：纵向轴，通过锥顶，无压电效应 X轴：电轴，通过棱线，纵向压电效应 Y轴：机械轴，横向压电效应
典型应用
等效电路
测量电路 元件连接 元件变形
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第6章 压电式传感器
12.01.2015
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第13讲
测量电路
目录
工作原理
－K
1.电荷放大器
Rf Cf
Rf Cf －K
测量电路
Q Ca Ra Cc Ri Ci Ui U0 Q C Ui U0
典型应用
(a ) 电荷等效电路 (b ) 简化的电荷等效电路
等效电路
测量电路 元件连接 元件变形
C f (1 K )C f
Ca
C K K
Ra U Q U i C C C C a c i f U o K U i
Cc
K Q U0 U Uo Ca Cc Ci (1 K )C f
Ri Ci Ui
y
++++++++
-----------
-----------
++++++++
测量电路
(a)X轴向受压力
(b)X轴向受拉力
(c)Y轴向受压力
(d)Y轴向受拉力
典型应用
qx d11 f x
a a q y d12 f y d11 f y b b
压电效应
压电材料
在X/Y方向受力后，在yz平面上产生电荷qx/qy，极性相反
(b ) 简化的电荷等效电路
C K K
测量电路
C Cc Ci
Ra
Cc
Ri
Ci
Ui
U0
U
R
Ui
U0
典型应用
受正弦 力，则
Z＝
( c ) 电压等效电路
(d ) 简化的电压等效电路
Q d f d Fm sin wt
U
Q d Fm sin wt U m sin wt Ca Ca
z z b o z
测量电路
典型应用
压电效应
压电材料
o x y x
o
y
x a
c
y
(a)晶体外形
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(b)轴定义
(c)切割晶片
第6章 压电式传感器
12.01.2015
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第13讲
压电材料
目录
x
fx
-----------
fx
++++++++
工作原理
o
fy
+Leabharlann ++++++
fy
-----------
第6章 压电式传感器 12.01.2015
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第13讲
测量电路
目录
工作原理
2.电压放大器
Uim d Fm wR 1 w2 R2 (Ca Cc Ci )2
2 2
U im U im
测量电路 1 w R (Ca Cc Ci ) U im 典型应用
测量电路时间常数 一般频率比大于3，高频响应特性好
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2
arctan
w w1
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第6章 压电式传感器
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第13讲
压电元件的连接
目录
工作原理
通常两件粘贴在一起，提高输出灵敏度，力为串联，每片 受力相同。
粘结剂 ＋
＋ ＋ ＋ － － － ＋ ＋ ＋ － － －
测量电路
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11
第13讲
压电元件的变形
目录
工作原理
压电式传感器的敏感元件——压电元件在受力时将发生变 形，按其受力及变形方式的不同，一般可分为厚度变形、 长度变形、体积变形和厚度剪切变形等几种形式。
f
测量电路
f
－ ＋
典型应用
f
－ ＋
f f
－
f
f
＋
等效电路
测量电路 元件连接 元件变形
－
f f f
实际使用时，等效电路 更为复杂
－K
Rf Cf
Rf Cf －K
测量电路
Q
Ca
Ra
Cc
Ri
Ci
Ui
U0
Q
C
Ui
U0
典型应用
(a ) 电荷等效电路 (b ) 简化的电荷等效电路
等效电路
测量电路 元件连接 元件变形
U
Ca
C K K
Ra
Cc
Ri
Ci
Ui
U0
U
R
Ui
U0
( c ) 电压等效电路
(d ) 简化的电压等效电路
dFm Ca Cc Ci
电压幅值比和相角 与频率比关系曲线
R(Ca Cc Ci ) U im 1 ' U im 1 2 R 2 (Ca Cc Ci ) 1 ( 1 ) 2
1
1 1 R(Ca Cc Ci )
等效电路
测量电路 元件连接 元件变形
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第6章 压电式传感器
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第13讲
测量电路
目录
工作原理
由于压电式传感器本身内阻很高，输出能量较小，因此其 测量电路部分通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器。
测量电路
前置放大器作用：把传感器高输入阻抗变换成低输出阻抗； 对传感器微弱信号进行放大。 压电式传感器可以输出电压信号或电荷信号，因此，前置 放大器也有电荷放大器和电压放大器两种。
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第6章 压电式传感器
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第13讲
等效电路
目录
工作原理
测量电路
根据压电元件的工作原理，压电传感器等效为一个电容器， 正负电荷聚集的两个表面相当于电容器的两个极板，极板 件间的物质相当于一种介质，其电容量为Ca 当压电元件受外力作用时，其两表面产生等量的正负电荷， 电量为Q，此时压电元件的开路电压为U
压电式力传 感器
压电式加速 度传感器
石英晶片
电极
基座
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第6章 压电式传感器
12.01.2015
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第13讲
压电式加速度传感器
目录
工作原理
弹簧
整个组件放置在一个厚基座的金属壳体中
壳体 质量块 压电片
测量电路 典型应用
输出端
压电式力传 感器
压电式加速 度传感器
基座
螺栓
如果要测量试件的振动速度或位移，可考虑在放大器后加 入适当地积分电路。
－
＋ ＋ ＋ － － － － － － ＋ ＋ ＋
＋
典型应用
粘结剂
等效电路
测量电路 元件连接 元件变形
－ (a) 同极性粘结 (b) 不同极性粘结
并联：输出电荷大，本身电容大，时间常数大，适合慢变 信号且以电荷作输出场合； 串联：输出电压大，本身电容小，适合电压作输出且测量 电路输入阻抗高场合。
第6章 压电式传感器 12.01.2015
等效电路
测量电路 元件连接 元件变形
1 1 R Z RC jwCa jwCa 1 jwRC
Z RC U U i m Z
jwR jwR d F m 1 jwRC a C 1 jwR(C a Cc Ci ) d Fm wR Uim arctan wR Ca Cc Ci 2 2 2 1 w R (Ca Cc Ci ) 2 d F U i m
第6章 压电式传感器 12.01.2015
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第13讲
压电效应
目录
工作原理
测量电路
典型应用
压电效应