传感器原理与电路设计第13讲压电
压电传感器结构与工作原理
压电传感器结构与工作原理
一、压电传感器的结构
压电传感器是一种能够将压力或者应变转化为电信号的传感器。它由压电材料、电极、支撑结构和外壳组成。
1. 压电材料：压电传感器的核心是压电材料，常用的压电材料有压电陶瓷和压
电聚合物。压电陶瓷具有良好的压电效应和稳定性，常用的压电陶瓷材料有PZT （铅锆钛矿）和PZN-PT（铅锆镍钛）等。压电聚合物具有良好的柔性和可塑性，
适合于柔性传感器的制作。
2. 电极：电极是用来采集压电材料上产生的电荷的。普通情况下，压电材料的
两面都会贴上电极，形成一个电场。常用的电极材料有金属薄膜，如铝、铜和银等。
3. 支撑结构：支撑结构用来固定压电材料和电极，使其能够承受外界的压力或
者应变。支撑结构可以是金属片、陶瓷基板或者塑料基板等。
4. 外壳：外壳是用来保护压电传感器内部结构的。外壳通常由金属或者塑料制成，具有良好的密封性和机械强度。
二、压电传感器的工作原理
压电传感器的工作原理是基于压电效应。当压电材料受到外界的压力或者应变时，其晶格结构会发生变化，导致内部产生电荷。这种电荷可以通过电极采集并转化为电信号。
具体来说，压电传感器的工作过程如下：
1. 压力或者应变作用：外界的压力或者应变作用于压电传感器的压电材料上，
使其发生形变。
2. 电荷产生：由于压电效应，压电材料的晶格结构发生变化，导致内部产生正
负电荷。
3. 电荷采集：电极将产生的电荷采集起来，并通过导线传输到外部电路。
4. 电信号转换：外部电路将采集到的电荷转换为电信号，可以是电压、电流或
者电荷量等形式。
5. 信号处理：电信号经过放大、滤波和调理等处理后，可以用于测量和控制系
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
可见，串联输出型压电元件的输出电压等于各片电压之和，因 串联输出型压电元件的输出电压等于各片电压之和， 串联输出型压电元件的输出电压等于各片电压之和 而可等效为电压输出型的电压源
2．并联输出型压电元件
当多片压电材料并联输出时,其联接方式如图（a）所示，此时 两压电片电荷同极性端并联,其等效电路如图（b）所示。
石英晶体实际外形
光学轴（Z轴）：光沿该方向通过没有双折射现象， 光学轴 该方向没有压电效应，光学方法确定。 电轴（X轴）：经过晶体棱线，垂直于该轴的表面 电轴 上压电效应最强。 机械轴（Y轴）：垂直xz面，在电场作用下，该轴 机械轴 方向的机械变形最明显。
石英晶体压电效应机理
电偶极矩：从–q指向+q的矢径L和电量q的乘积定义为 电偶极子的电矩，通常用矢量P表示P=qL 电偶极矩越大，表示极化越强
（a）压电片并联
（b）并联等效电路
（c）等效电荷源
此时， C = C + C = 2 C a 1 2 q a = q1 + q 2 = 2 q U = U = U = U 1 2 a 可见，并联输出型压电元件的输出电荷等于各片电荷之和，因 并联输出型压电元件的输出电荷等于各片电荷之和， 并联输出型压电元件的输出电荷等于各片电荷之和 而可等效为电荷输出型的电荷源
Ca Ua Ra Ce Ri Ci
K
Ra: 压电元件漏电阻 Ce 连接电缆电容 Ri、 Ci 放大器输入阻抗、电容 放大器输入阻抗、 、
第13讲 压电传感器
• 如图所示为天 然石英晶体，其 结构形状为一个 六角形晶柱，两 端为一对称棱锥。
•在晶体学中，可以把将其用三根互相垂直的轴表示， 其中，纵轴Z称为光轴，通过六棱线而垂直于光铀的 X铀称为电轴，与X-X轴和Z-Z轴垂直的Y-Y轴 (垂直于
六棱柱体的棱面)称为机械轴。
•如果从石英晶体中切下一个平行六面体并使其晶面分别平行 于Z-Z、Y-Y、X-X轴线。晶片在正常情况下呈现电性。通常把 沿电轴(X轴)方向的作用力产生的压电效应称为“纵向压电效 应”，把沿机械轴 (Y 轴 ) 方向的作用力产生的压电效应称为 “横向压电效应”，沿光轴(Z轴)方向的作用力不产生压电效 应。沿相对两棱加力时，则产生切向效应。压电式传感器主 要是利用纵向压电效应。
二、前置放大器 由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通常先把 传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经 过阻抗交换以后，方可用一般的放大检波电路再将信 号输入到指示仪表或记录器中。(其中，测量电路的 关键在于高阻抗输入的前置放大器。） 前置放大器的作用：一是将传感器的高阻抗输出变 换为低阻抗输出；二是放大传感器输出的微弱电信号。 前置放大器电路有两种形式：一是用电阻反馈的电 压放大器，其输出电压与输入电压(即传感器的输出) 成正比；另一种是用带电容板反馈的电荷放大器，其 输出电压与输入电荷成正比。由于电荷放大器电路的 电缆长度变化的影响不大，几乎可以忽略不计，故而 电荷放大器应用日益广泛。
(完整)压电式压力传感器原理
压电式压力传感器原理、特点及应用
压电式压力传感器的原理
压电式压力传感器的原理主要是压电效应，它是利用电气元件和其他机械把待测的压力转换成为电量，再进行相关测量工作的测量精密仪器，比如很多压力变送器和压力传感器。压电传感器不可以应用在静态的测量当中，原因是受到外力作用后的电荷，当回路有无限大
的输入抗阻的时候，才可以得以保存下来。但是实际上并不是这样的.因此压电传感器只可以应用在动态的测量当中。它主要的压电材料是：磷酸二氢胺、酒石酸钾钠和石英。而石英呢，其实是一种天然的晶体，而压电效应就是在此晶体的基础上发现的。在规定的范围里，
压电性质是不会消失，而是一直存在的。但是如果温度在这个规定的范围之外,压电性质就会彻底地消失不见。当应力发生变化的时候,电场的变化很小很小，其他的一些压电晶体就会替代石英。酒石酸钾钠,它是具有很大的压电系数和压电灵敏度的，但是，它只可以使用在室内的湿度
和温度都比较低的地方。磷酸二氢胺是一种人造晶体，它可以在很高的湿度和很高的温度的环境中使用，所以，它的应用是非常广泛的。随着技术的发展，压电效应也已经在多晶体上得到应用了。例如:压电陶瓷，铌镁酸压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷和钛酸钡压电陶瓷等等
都包括在内。
压电式压力传感器的特点
以压电效应为工作原理的传感器，是机电转换式和自发电式传感器。它的敏感元件是压电的材料制作而成的，而当压电材料受到外力作用的时候，它的表面会形成
电荷,电荷会通过电荷放大器、测量电路的放大以及变换阻抗以后,就会被转换成为与所受到的外力成正比关系的电量输出。
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
压电式传感器的工作原理
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压电式传感器的工作原理
陶瓷片极化
压电陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图
自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符合相反而数值相等， 它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外的作用， 因此陶瓷片对外不表现极性。
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压电式传感器的工作原理
压电陶瓷的正压电效应
压电陶瓷片上加上一个与极化反向平行的外力， 陶瓷片将产生压缩变形，原来吸附在极板上的 自由电荷，一部分被释放而出现放电现象。 当压力撤消后，陶瓷片恢复原状，片内的正、 负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因 此电极上又吸附部分自由电荷而出现充电现象。
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压电式传感器的工作原理
两个压电片的联结方式
（a） “并联”，Q’=2Q，U’=U，C’=2C 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地方， （b） “串联” Q’=Q，U’=2U，C’=C/2 而串联接法输出电压大，本身电容小。 适宜用于以电压作输出信号，且测量电路输入阻抗很高的地方。
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压电式传感器的工作原理
2. 压电式传感器的信号调节电路
压电式传感器要求负载电阻RL必须有很大的数 值，才能使测量误差小到一定数值以内。 因此常先接入一个高输入阻抗的前置放大器，然 后再接一般的放大电路及其它电路。 测量电路关键在高阻抗的前置放大器。 前置放大器两个作用:
压电式传感器原理及应用
线形关系的输出电压。 3、反馈电容Cf小，输出就大， 4、要达到一定的输出灵敏度要求，就必须选择适当的反馈电容。 5、输出电压与电缆电容无关条件：
（1+K）Cf>>（Ca+Cc+Ci）
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压电式传感器原理及应用
5.3.1 压电式传感器的工作原理
电势型传感器 以压电效应为基础 压电效应可逆 “双向传感器”
正压电效应
某些物质在沿一定方向受到压力或拉力作用而 发生改变时，其表面上会产生电荷；若将外力 去掉时，它们又重新回到不带电的状态，这种 现象就称为正压电效应。 ( 加力 变形 产生电 荷)
的1/30。 优点： 转换效率和转换精度高、线性范围宽、重复性好、
固有频率高、动态特性好、工作温度高达 550℃（压电系数不随温度而改变）、工作湿 度高达100%、稳定性好。
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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。
压电陶瓷的极化
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陶瓷片极化
iddQ td11Fmcots
Ijd11 F
。
Ui
d11F1jjRRC
输入电压的幅值
uim
压电式力传感器原理图
压电式力传感器原理图压电式力传感器的原理图如下：
```
+---------+
| |
|Piezoelectric|
| Material |
| |
+----|----+
|
+----+----+
| |
+---|----+ |
| Amplifier|
+---|----+ |
|
+----|----+
| |
+--+ Pressure|
| Sensing |
| Element |
| |
+----|----+
|
+-------|-------+
| Signal |
| Processing |
| Circuit |
| |
+---|---+ +-----|-----+
| Output| | Display |
|Device | | Device |
+-------+ +-----------+
```
以上图示了压电式力传感器的基本结构，由压电材料、放大器、压力感测元件、信号处理电路和输出设备组成。压电材料与压力感测元件相连接，当受到外力作用时，压电材料会发生形变，产生电荷信号。这一信号经过放大器放大后送入信号处理电路进行处理和转换。最后，处理后的信号通过输出设备进行显示或记录。
请注意，本文中没有标题相同的文字。
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。
传感器(电子教案)第13章
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三、微差式测量
微差式测量法是综合了偏差式测量法与零位式测量 法的优点，而提出的测量方法。这种方法是将被测的 未知量与已知的标准量进行比较，并取得差值，然后， 用偏差法测得此差值。 微差式测量法的优点是反应快，而且测量精度高， 它特别适用于在线控制参数的检测。
图13-3
微差法测量稳压电源输出电压的微小变化
图库
13.4.1 静态测量数据处理方法
一、误差与精确度 二、测量数据的统计处理 三、间接测量中误差的传递 四、有效数字及其计算法则 五、实验数据方程表示法--回归分析法 六、测量数据的图解分析
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一、误差与精确度
1．测量误差 2．系统误差、偶然误差和疏失误差 3．基本误差和附加误差 4．与仪表性能有关的常用术语 5．常见的系统误差及降低其对测量结果 影响的方法 6．系统误差的综合与分配
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13.2.2 偏差式测量、零位式测量和微差式测量
一、偏差式测量 二、零位式测量 三、微差式测量
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一、偏差式测量
在测量过程中，用仪表指针的位移(即偏差)决定被测 量的测量方法，称为偏差式测量法。图10-l所示的压力表 就是这类仪表的一个示例。 由于被测介质压力的作用，使弹簧变形，产生一个弹性 反作用力。被测介质压力越高，弹簧反作用力越大，弹簧 变形位移越大。当被测介质压力产生的作用力与弹簧变形 反作用力相平衡时，活塞达到平衡，这时指针位移在标尺 上对应的刻度值，就表示被测介质压力值。 图l3-l 压力表
压电式传感器的工作原理
压电式传感器的工作原理
压电式传感器的工作原理是基于压电效应。压电效应是指某些晶体材料在受到机械变形时，会在其内部产生极化，即产生正负电荷的分离。
压电传感器通常由压电材料制成，如石英，锆钛酸钡等。当传感器受到外部施加的力或压力时，压电材料发生微小的变形，导致内部的电荷分布发生改变。这种电荷分布变化可通过电极连接到外部电路，并产生电压信号。
具体地，当压电材料受到压力作用时，晶体内部的正负离子会向相应的晶体表面移动，产生极化。正离子聚集在一边，而负离子聚集在另一边。由于内部电荷分布的改变，导致材料的表面产生了电势差。
这个电势差可以通过接触到晶体表面的金属电极引出，并传递到外部电路中。当压力消失时，压电材料恢复到初始状态，电势差也恢复为零。
通过测量压电传感器引出的电势差或电荷，可以间接得到施加到传感器上的力或压力的大小。这样，压电传感器可以被广泛应用于测量压力、力、重量和加速度等力学量的变化。
设计压电传感器的电荷放大、滤波、电压放大电路的
压电传感器前置放大电路的设计
：贤波
学号：SX1201139
一：电荷放大电路
电荷放大器原理：电荷变换是该电荷放大器的核心部分，是一个具有电容负反馈的，输入阻抗极高的高增益运算放大器。它与压电式传感器及其电缆构成的等效电路如图-1所示。
图-1压电式传感器及其电缆构成的等效电路
其中：a C 为压电传感器的等效电容，a R 为压电式传感器的等效绝缘漏电阻，Cc 为电缆等效电容，i C 为放大器的输入电容，i R 为放大器的输入阻抗，f C 为反馈电容，n U 是等效输入噪声电压，off U 是等效输入失调电压。如将f C 折算到输入端，其等效电容为（1+K ）
f C ，K 为运放的开环增益。由于反馈电容、传感器电容、电缆电容及放大器电容并联，不
计算噪声和失调电压的影响，电荷放大器的输出电压为
()[]
f i c a f a C K C C C jw R K Ri R jwKQ
U +++++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++
+-=
11110 （1.1）
运算放大器的开环增益K 很大（约为104~106），故f R K /)1(+远大于a R 1+i R 1，
f C K )1(+远大于i C a C C C ++，此时a R ， i R ， a C ， c C 和i C 都可以忽略不计，即压
电传感器本身的电容大小和电缆长短对电荷放大器输出的影响可以忽略。
(1)o f
KQ
U C K C =-
++ （1.2）
式中C=a C +Cc +i C 因为放大器是高增益的，K >>1,所以一般情况下（1+K ）f C >>C,则有
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 -
压电传感器的等效电路
压电传感器的等效电路
压电传感器是一种能将机械应力或变形转化为电信号的传感器，其使用的是压电效应。压电效应是指在某些晶体（如石英、铅锆酸钛等）中，在机械应力的作用下会产生电荷分布的现象。在压电传感器中，适当的机械应力作用下可以产生相关的电信号。
压电传感器的等效电路是一种模型，用于描述压电传感器的输出特性和电气性质。压电传感器的等效电路通常由三个部分组成：压电元件、前置放大器和接收器。其中，压电元件是核心组件，它是将机械应力转换成电压信号的关键元件。针对不同类型的压电传感器，其等效电路可以有所差异。
对于一般的压电应力传感器来说，其等效电路模型如下：
![img]()
其中，输入电阻为R0，输出电压为Eout，压电传感器的电容
为Ce，压电传感器的机械谐振频率为f。在传感器端输出的电压信号中，包含了机械应力的大小信息。
下面对压电传感器等效电路中的各个部分进行详细说明：
1. 压电元件
压电元件是一种能够将机械应力转化为电信号的元件。压电传感器的核心部分就是压电元件。当压电材料受到机械应力作用
时，会发生压电效应，从而在压电元件的两端产生电压信号。压电元件通常采用石英、铅锆酸钛等材料制作，这些材料具备压电效应，以及良好的机械强度和稳定性，在压电传感器领域被广泛应用。
2. 前置放大器
前置放大器是一种用于放大压电元件输出的微弱信号信号的放大器。由于压电传感器的输出电信号很弱，需要使用前置放大器进行信号放大，以便后续的信号处理。前置放大器通常采用集成放大器或放大器模块实现，其输出信号一般被连接到滤波器、模数转换器或其他数字电路模块中。
压电传感器的工作原理
压电传感器的工作原理
压电传感器是一种新型的传感器，它利用压电效应来检测物体的位置、速度和加速度。压电传感器可以测量静态物体，也可以用于测量运动物体的位置、速度和加速度。
压电传感器的工作原理是：将一个晶体放在高强度电场中，当它受到压力时，晶体中的电子就会受到排斥力，从而改变晶体的电容量。改变的电容量可以用电路来测量，从而以电信号的形式来表示外部压力的大小。
压电传感器的优点有很多，例如，它可以检测微弱的变化，信号清晰，而且精度高，可以长时间工作，耐用性强，维护和使用方便。
压电传感器在许多领域都有广泛的应用，如工业控制、汽车、航空航天、军事、医疗等等。它们可以检测物体的速度和加速度，从而实现自动控制，使系统更加精确、可靠、安全。
总的来说，压电传感器是一种高精度的传感器，可以检测物体的位置、速度和加速度，广泛应用于工业控制、汽车、航空航天、军事、医疗等领域，可以提高系统的精确度、可靠性和安全性。
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GMES 2008
9
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
第6章 压电式传感器 12.01.2015
GMES 2008
14
测量电路时间常数 一般频率比大于3，高频响应特性好
12.01.2015
2
arctan
w w1
GMES 2008
第6章 压电式传感器
10
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
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
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
GMES 2008
第6章 压电式传感器
12.01.2015
4
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
第6章 压电式传感器 12.01.2015
GMES 2008
1
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。
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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2
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
(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
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第6章 压电式传感器
12.01.2015
6
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。
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
(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
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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
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
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13
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。
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。
典型应用
电极
等效电路
测量电路 元件连接 元件变形
Ca
r 0 A
d
Q U Ca
Ca
＋＋＋＋＋＋＋＋＋ －－－－－－－－－
Q
Ca
U
压电材料 (a )压电片电荷聚集
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(b ) 电荷等效电路
(c ) 电压等效电路
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
－
＋ ＋ ＋ － － － － － － ＋ ＋ ＋
＋
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。
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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
典型应用
等效电路
测量电路 元件连接 元件变形
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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
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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
U Q U0 UC f Cf R Ui
0
( c ) 电压等效电路
GMES 2008
(d ) 简化的电压等效电路
第6章 压电式传感器
12.01.2015
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Q
Ca
Ra
Cc
Ri
Ci
Ui
U0
Q
C
Ui
第13讲
U0
测量电路
目录
工作原理
2.电压放大器
R Ra Ri Ra Ri
U Ca
(a ) 电荷等效电路
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
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12.01.2015
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第13讲
压电材料
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x
fx
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fx
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工作原理
o
fy
++++++++
fy
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