压电式传感器
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压电式传感器原理及应用
（2）锆钛酸铅Pb（Zr·Ti）O3系压电陶瓷（PZT） 压电系数较高，各项机电参数随温度、时间等外界条件的
变化小，在锆钛酸铅的基方中添加一两种微量元素，可以 获得不同性能的PZT材料。 （3）铌镁酸铅Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3压电陶瓷（PMN）
具有较高的压电系数，在压力大至700kg/cm2仍能继续 工
产生电荷
02
d11——压 电系数
（C/N）
03
作用力是沿 着机械轴方
向
电荷仍在与 X轴垂直的
平面
a
a
Qx d12bFy d11bFy
04 此时，
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d12 d11
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切片上电荷的符号与受力方向的关系
图（a）是在X轴方向受压力， 图（b）是在X轴方向受拉力， 图（c）是在Y轴方向受压力， 图（d）是在Y轴方向受拉力。
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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:
○ 把压电式传感器的微弱信号放大； ○ 把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。
作，可作为高温下的力传感器。
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1
等效电路及信号变换电路
2
一．压电元件的等效电路 二．压电式传感器的信号调节
电路
1.压电元件的等效电路
Ca
s
h
r0s
h
U Q Ca
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变化小，在锆钛酸铅的基方中添加一两种微量元素，可以 获得不同性能的PZT材料。 （3）铌镁酸铅Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3压电陶瓷（PMN）
具有较高的压电系数，在压力大至700kg/cm2仍能继续 工
产生电荷
02
d11——压 电系数
（C/N）
03
作用力是沿 着机械轴方
向
电荷仍在与 X轴垂直的
平面
a
a
Qx d12bFy d11bFy
04 此时，
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d12 d11
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切片上电荷的符号与受力方向的关系
图（a）是在X轴方向受压力， 图（b）是在X轴方向受拉力， 图（c）是在Y轴方向受压力， 图（d）是在Y轴方向受拉力。
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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:
○ 把压电式传感器的微弱信号放大； ○ 把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。
作，可作为高温下的力传感器。
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1
等效电路及信号变换电路
2
一．压电元件的等效电路 二．压电式传感器的信号调节
电路
1.压电元件的等效电路
Ca
s
h
r0s
h
U Q Ca
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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
• 串 联 时 ， 输 出 总 电 荷 ｑ′ 等 于 单 片 上 的 电 荷 ， 输 出 电 压 为 单 片 电 压 的 ２ 倍 ， 总 电 容 应 为单 片 的 １／２。 即
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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
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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。
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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
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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
实例6 ：煤气灶电子点火装置
20XX
ND!
此处添加正文，文字是您思想的提炼，为了演示发布的良好 ，请言简意赅地阐述您的观点。
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
电荷源
电压源
五、压电式传感器的应用
压电式力传感器 压电式压力传感器 压电式加速度传感器 。。。。。。
实例1：火炮堂内压力测试
发射药在堂内燃烧形成压力完成炮弹的发射。 堂内压力的大小，不仅决定着炮弹的飞行速度，而且 与火炮、弹丸的设计有着密切关系。
实例2：汽车安全气囊系统
事故性碰撞：点火信号、电点火管、气体发生剂、 气体、充气、弹性体
实例3：压电式血压传感器 实例4 ：指套式电子血压计
实例05.0：M 1水深P/测m a量仪
2
形
逆压电效应
4
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
压电晶体 石英晶体外形图 压电晶体是一种单晶体。 例如： 石英晶体； 酒石酸钾钠等 常见压电材料
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 压电陶瓷外形图
（3）有机压电材料
➢ 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。
C 2 C ,q 2 q ,U U
串联：
C1C,qq,U2U 2
压电式传感器介绍
R(Ca Cc Ci )
相对幅频特性
U im ( ) K1 2 U im () 1 ( )
2
tan ( )
1
(90 70 )
6.4 等效电路与测量电路 6.4.2 测量电路（1）电压放大器（阻抗变换器）
讨论：
压电传感器不能测量静态物理量(ω=0时，Uim=0)； 当ωτ≥3时，Uim输入与信号频率无关，高频响应特性好； 提高低频响应的办法是增大时间常数，但不能靠输入电容。实际办法：是增大前 置输入回路电阻，所以电压放大器响应差，要求前置电路具有高输入阻抗； 电压放大器的缺点:从传感器电压灵敏度 Ku可见，连接电缆的分布电容 Cc影响传感 器灵敏度，使用时更换电缆就要求重新标定，测量系统对电缆长度变化很敏感。
6．5 压电传感器的应用
晶体
点火器
外形结构
6.2 压电材料 6.2.1 石英晶体
• 压电元件受力后,表面电荷与外力成正比关系:
Q dF
d为压电系数
• 在X轴方向施力时,产生电荷大小为: σ 1为X方向应力 • 在Y轴方向施力时,产生电荷大小为: σ 2为Y方向应力 • 压电系数 d11=d12 为常数
qx d111
q y d12 b 2 a
缺点是电路复杂，价格昂贵，使用电荷放大器， 电缆长度变化影响可忽略，并且允许使用长电缆 工作。
6．5 压电传感器的应用 压电式玻璃破碎报警器
6．5 压电传感器的应用 压电式压力传感器
6．5 压电传感器的应用 压电式加速度传感器
6．5 压电传感器的应用
压电元件产品
压电加速度计
振 动 式 液 位 开 关 超声波传感器
3.2压电式压力传感器解析
32
§7.6 压电传感器的应用
地 震 的 巨 大 威 力
33
§7.6 压电传感器的应用
南海Ms7.2地震波形记录图
34
§7.6 压电传感器的应用 3) 压电式振动加速度传感器结构及外形
横向振动测振器
纵向振动测振器
35
4火炮堂内压力测试
发射药在堂内燃烧形成压力完成炮弹的发射。 堂内压力的大小，不仅决定着炮弹的飞行速 度，而且与火炮、弹丸的设计有着密切关系。
12
二、压电材料 1、种类：
石英晶体：如石英等； 压电陶瓷：如钛酸钡、锆钛酸铅等； 压电半导体：如硫化锌、碲化镉等； 高分子压电材料：聚二氟乙烯等。 2、对压电材料特性要求： ①转换性能：要求具有较大压电常数； ②机械性能： 机械强度高、刚度大，以期获得宽的线性
范围和高的固有振动频率； ③电性能：具有高电阻率和大介电常数，以减弱外部分布 电容的影响并获得良好的低频特性； ④环境适应性强：温度和湿度稳定性要好，要求具有较 高的居里点，获得较宽的工作温度范围； 13 ⑤时间稳定性：要求压电性能不随时间变化。
从作用力看，元件是串接的，因而每片受到的作用力相同，产生的变 形和电荷数量大小都与单片时相同。
图a）从电路上看，这是并联接法， 类似两个电容的并联。所以， 外力作用下正负电极上的 电荷量增加了1倍，电容量也增加了1倍，输 出电压与单片时相同。 图b）从电路上看是串联的，两压电片中间粘接处正负电荷中和， 上、 下极板的电荷量与单片时相同，总电容量为单片的一半，输出电 压增大了1倍。
3. 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。
§7.6 压电传感器的应用
地 震 的 巨 大 威 力
33
§7.6 压电传感器的应用
南海Ms7.2地震波形记录图
34
§7.6 压电传感器的应用 3) 压电式振动加速度传感器结构及外形
横向振动测振器
纵向振动测振器
35
4火炮堂内压力测试
发射药在堂内燃烧形成压力完成炮弹的发射。 堂内压力的大小，不仅决定着炮弹的飞行速 度，而且与火炮、弹丸的设计有着密切关系。
12
二、压电材料 1、种类：
石英晶体：如石英等； 压电陶瓷：如钛酸钡、锆钛酸铅等； 压电半导体：如硫化锌、碲化镉等； 高分子压电材料：聚二氟乙烯等。 2、对压电材料特性要求： ①转换性能：要求具有较大压电常数； ②机械性能： 机械强度高、刚度大，以期获得宽的线性
范围和高的固有振动频率； ③电性能：具有高电阻率和大介电常数，以减弱外部分布 电容的影响并获得良好的低频特性； ④环境适应性强：温度和湿度稳定性要好，要求具有较 高的居里点，获得较宽的工作温度范围； 13 ⑤时间稳定性：要求压电性能不随时间变化。
从作用力看，元件是串接的，因而每片受到的作用力相同，产生的变 形和电荷数量大小都与单片时相同。
图a）从电路上看，这是并联接法， 类似两个电容的并联。所以， 外力作用下正负电极上的 电荷量增加了1倍，电容量也增加了1倍，输 出电压与单片时相同。 图b）从电路上看是串联的，两压电片中间粘接处正负电荷中和， 上、 下极板的电荷量与单片时相同，总电容量为单片的一半，输出电 压增大了1倍。
3. 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。
压电式传感器
（5）和氧离子（6）都向内移动同样数值；硅离子（1）和氧离子（4）向
x 轴方向扩伸，所以y 轴方向上不带电荷，而在x 轴正向呈负电荷，在x 轴 负向呈正电荷。
如果在 y 轴方向施加拉力，如图b所示，结果在x 轴负向呈负电荷，在 x 轴正向呈正电荷。 这种沿y轴施 加力，而在垂直 于x轴的晶面上产 生电荷的现象， 称为“横向压电 效应”。
当在电轴 x 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 Qx ，其大小为
Qx d11Fx
d11—— x 轴方向受力的压电系数；
（d11 =±2.31×10-12C/N，对右旋石英晶体，受压时取+，受拉时取-）
若在同一切片上，沿机械轴y 方向施加作用力Fy ，则仍在与x 轴垂直的 平面上将产生电荷Qy，其大小为
第5章 压电式传感器
当石英晶体受到沿 x轴方向的压力作用时（厚度变形），将产生如图b所 示压缩变形，正、负离子的相时位臵随之变动，正、负电荷中心不再重合。 硅离子（ 1 ）被挤入氧离子（ 2 ）和（6 ）之间，氧离子（ 4 ）被挤入硅离子 （3）和（5）之间，电偶极矩在 x 轴方向的分量（P1＋P2＋P3）x> 0，（P1 ＋P2＋P3）y= 0，（P1＋P2＋P3）z= 0，结果在x轴负向呈负电荷，在x 轴正向 呈正电荷；
第5章 压电式传感器
② 有机高分子压电材料
其一，是某些合成高分子聚合物，经延展拉伸和电极化后具有
压 电 性 的 高分 子 压 电 薄膜 ， 如 聚 氟乙 烯 （ PVF ） ， 聚 偏 氟乙烯 （PVF2）、聚氯乙烯（PVC）、聚γ甲基－L谷氨酸脂（PMC）和尼 龙11等。 这些材料的独特优点是质轻柔软，抗拉强度高，蠕变小，耐冲 击，体电阻达 162Ω·m，击穿强度为 150~200kV/mm，声阻抗近于水 和生物体含水组织，热释电性和热稳定性好，且便于批量生产和大 面积使用，可制成大面积阵列传感器乃至人工皮肤。 其二，是高分子化合物中掺杂压电陶瓷（锆钛酸铅或钛酸钡)粉 末制成的高分子压电薄膜。 这种复合压电材料同样保持了高分子压电薄膜的柔软性，而且 还具有较高的压电性和机电耦合系数。
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：
压电式传感器
压电式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。
压电材料受到力后表面产生电荷。
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。
2压电式传感器的基本原理2.1 压电效应压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。
正压电效应是指：当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。
压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。
逆压电效应是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象，又称电致伸缩效应。
用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。
压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型 5种基本形式，如下图所示。
压电晶体是各向异性的，并非所有晶体都能在这 5种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，但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。
2.2 压电材料压电式传感器可分为压电单晶、压电多晶和有机压电材料。
压电式传感器中用得最多的是属于压电多晶的各类压电陶瓷和压电单晶中的石英晶体。
其他压电单晶还有适用于高温辐射环境的铌酸锂以及钽酸锂、镓酸锂、锗酸铋等。
压电陶瓷有属于二元系的钛酸钡陶瓷、锆钛酸铅系列陶瓷、铌酸盐系列陶瓷和属于三元系的铌镁酸铅陶瓷。
压电陶瓷的优点是烧制方便、易成型、耐湿、耐高温。
缺点是具有热释电性，会对力学量测量造成干扰。
有机压电材料有聚二氟乙烯、聚氟乙烯、尼龙等十余种高分子材料。
有机压电材料可大量生产和制成较大的面积,它与空气的声阻匹配具有独特的优越性,是很有发展潜力的新型电声材料。
压电式传感器
3．压电元件
用压电材料制造的传感元件称作压电元件。
第一节
压电式传感器的工作原理
4．压电效应机理 现以石英晶体为例，简要说明压电效应的机理。 （1）石英晶体的结构 石英晶体是二氧化硅单晶，属于六角 晶系。右图是天然晶体的外形图，它为规 则的六角棱柱体。 z 轴又称光轴，它与晶体的纵轴线方向 一致； x 轴又称电轴，它通过六面体相对的两 个棱线并垂直于光轴； y 轴又称为机械轴，它垂直于两个相对 的晶柱棱面。
AQ Uo [Ca Cc Ci (1 A)Cf ]
当 A 足够大时，则（1 + A）Cf >>（Ca + Cc + Ci），这样
AQ Q Uo (1 A)Cf Cf
由此可见，电荷放大器的输出电压仅与输入电荷和反馈电 容有关，电缆电容等其他因素的影响可以忽略不计。
第一节
压电式传感器的工作原理
（2）纵向压电效应 从晶体上沿 x y z 轴线切下的一片平 行六面体的薄片称为晶体切片。 它的六个面分别垂直于光轴、电轴 和机械轴。通常把垂直于 x 轴的上下两
个面称为 x 面，把垂直于 y 轴的面称为
y 面。 如右图所示。当沿着 x 轴对晶片施 加力时，将在 x 面上产生电荷，这种现 象称为纵向压电效应。
压电式传感器：一种典型的自发电式传感器。它以某些电 介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质表面将产生 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。 应用：它可以测量那些最终可以变换为力的非电物理量， 但不能用于静态参数的测量。
第一节 压电式传感器的工作原理
一、压电效应
二、压电材料
第三节
压电式传感器的结构与应用
二、压电式加速度传感器
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 -。
压电式传感器
当 (1 A)CF
C
时，即A》1： Uo
Q CF
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结论:
1. 放大器的输出Uo正比于信号Q，线性转换；
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解决电缆问题的办法
将放大器装入传感器中，组成一体化传感器。
压 电 式 加 速 度 传 感 器
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压电式加速度传感器的压电元件是
二片并联连接的石英晶片，放大器是一 个超小型静电放大器。这样引线非常短， 引线电容几乎等于零就避免了长电缆对 传感器灵敏度的影响。放大器的输入端 可以得到较大的电压信号，这样弥补了 石英晶体灵敏度低的缺陷。
把压电式传感器的微弱信号放大； 把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。
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4.2.2 电压输出型测量电路
串联输出型压电元件可以等效为电压源，但由于压电效 应引起的电容量Ｃａ很小，因而其电压源等效内阻很大，在 接成电压输出型测量电路时，要求前置放大器不仅有足够的 放大倍数，而且应具有很高的输入阻抗。
压电式传感器是一种典型的有源传感器; 压电效应具有可逆性，也是一种典型的”双向传感器”。 它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，电 介质表面产生电荷，从而实现外力与电荷量间的转换，达到 非电量的电如目的。
特点: 工作频带宽，灵敏度高，结构简单，体积小，重量轻，
工作可靠。
应用范围： 各种动态力、机械冲击、振动测量、生物医学、超声、
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4.1.2 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。
具有类似于铁磁材料磁畴结构的电畴结构，在末极化之前各电畴的极化方 向在晶体内杂乱分布，如图 (a)所示，极化强度相互抵消为0，对外呈中性，不 具备压电效应。
第6章压电式传感器课件
②逆压电效应 在这些电介质的极化方向上施加 电场，它们也会产生变形，电场去掉后，变形随之消 失，这种现象称逆压电效应，或电致伸缩效应。
6.1.1 压电效应
1.石英晶体的压电效应 石英晶体是最常用的压电晶
体 之 一 。 其 化 学 成 分 为 SiO2 ， 是 单晶体结构。它理想的几何形状 为正六面体晶柱，实际上两端为 晶锥形状。通过上下晶锥顶点的z 轴称为光轴，在此方向不产生压 电效应。
为了使压电陶瓷具有压电效 应，就必须在一定温度下对其进 行极化处理，即给压电陶瓷加外 电场，使电畴规则排列，从而具 备压电性能。
6.1.1 压电效应
外加电场的方向即是压电陶瓷的极化方向，通 常取沿z轴方向。左图为施加外电场时的情形。外加 电场去掉后，电畴极化方向基本保持原极化方向，如 右图所示。因此，压电陶瓷的极化强度不恢复为零， 而是存在着很强的剩余极化强度。
6.1.2 压电材料
(4)温度性能 要求压电材料具有较高的居里 点，以便获得较宽的工作温度范围，这是因为居 里点是压电材料开始失去压电效应的温度。
(5)长期稳定性 要求压电材料的压电特性不 随时间蜕变。
6.1.2 压电材料
1.压电晶体 由晶体学可知，无对称中心的晶体通常具有压
电效应，具有压电效应的单晶体统称为压电晶体。 石英晶体是最典型而常用的压电晶体，其特点是
P ql
式中，q为电荷量；l为正负电荷 间的距离。
6.1.1 压电效应
当石英晶体沿x轴方向被压缩时，沿y方向产生 拉伸变形，使正负离子的相对位置改变。P1、P2、P3 的矢量和不再为零，在x轴方向的分量小于零，因而 在x轴正方向的晶体表面上产生负电荷，在相对表面 上产生正电荷。
然而，电偶极矩的矢量和在 y轴和z轴的分量还是零，所以在 垂直于y轴和z轴的晶体表面上不 会出现电荷，d21＝d31＝0。
6.1.1 压电效应
1.石英晶体的压电效应 石英晶体是最常用的压电晶
体 之 一 。 其 化 学 成 分 为 SiO2 ， 是 单晶体结构。它理想的几何形状 为正六面体晶柱，实际上两端为 晶锥形状。通过上下晶锥顶点的z 轴称为光轴，在此方向不产生压 电效应。
为了使压电陶瓷具有压电效 应，就必须在一定温度下对其进 行极化处理，即给压电陶瓷加外 电场，使电畴规则排列，从而具 备压电性能。
6.1.1 压电效应
外加电场的方向即是压电陶瓷的极化方向，通 常取沿z轴方向。左图为施加外电场时的情形。外加 电场去掉后，电畴极化方向基本保持原极化方向，如 右图所示。因此，压电陶瓷的极化强度不恢复为零， 而是存在着很强的剩余极化强度。
6.1.2 压电材料
(4)温度性能 要求压电材料具有较高的居里 点，以便获得较宽的工作温度范围，这是因为居 里点是压电材料开始失去压电效应的温度。
(5)长期稳定性 要求压电材料的压电特性不 随时间蜕变。
6.1.2 压电材料
1.压电晶体 由晶体学可知，无对称中心的晶体通常具有压
电效应，具有压电效应的单晶体统称为压电晶体。 石英晶体是最典型而常用的压电晶体，其特点是
P ql
式中，q为电荷量；l为正负电荷 间的距离。
6.1.1 压电效应
当石英晶体沿x轴方向被压缩时，沿y方向产生 拉伸变形，使正负离子的相对位置改变。P1、P2、P3 的矢量和不再为零，在x轴方向的分量小于零，因而 在x轴正方向的晶体表面上产生负电荷，在相对表面 上产生正电荷。
然而，电偶极矩的矢量和在 y轴和z轴的分量还是零，所以在 垂直于y轴和z轴的晶体表面上不 会出现电荷，d21＝d31＝0。
压电式传感器
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， 将两根高分子压电电缆相距若干米，平行埋设于 若干米 柏油公路的路面下约5cm，可以用来测量车速及汽车 柏油公路的路面下约 ， 的载重量，并根据存储在计算机内部的档案数据， 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。 定汽车的车型。
压电材料（压电元件） 2. 压电材料（压电元件）
具有压电效应的物质(物体) 具有压电效应的物质(物体) 常见材料： 常见材料：
压电单晶体
石英(包括天然石英和人造石英) 石英(包括天然石英和人造石英)
多晶体压电陶瓷
钛酸钡压电陶瓷、 钛酸钡压电陶瓷、人工极化的陶瓷
石英晶体
结构形状为一个六角形晶柱，两端为一对称棱锥。 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， 在晶体学中，可以把它用三根互相垂直的轴表示
4.6压电式传感器 4.6压电式传感器
F
+
压电式传感器是一种可逆型 换能器， 换能器，它既可以将机械能 转换为电能， 转换为电能，又可以将电能 转化为机械能 工作原理是基于某些物质的 压电效应。 压电效应。
q=DF
1.变换原理: 1.变换原理:压电效应 变换原理
压电效应：某些物质(物体) 如石英、 压电效应：某些物质(物体)，如石英、铁酸钡 当受到外力作用时， 等，当受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生 变化，而且内部也会被极化， 变化，而且内部也会被极化，表面上也会产生 电荷;当外力去掉时，又重新回到原来的状态。 电荷;当外力去掉时，又重新回到原来的状态。 这种现象称之为压电效应。 这种现象称之为压电效应。 逆压电效应： 物体) 逆压电效应：如果将这些物质 (物体)置于电场 其几何尺寸也会发生变化， 中，其几何尺寸也会发生变化，这种由外电场 物体）产生机械变形的现象， 作用导致物质 (物体）产生机械变形的现象， 称之为逆压电效应，或称之为电致伸缩效应。 称之为逆压电效应，或称之为电致伸缩效应。
压电传感器
Z 轴为光轴（中性轴），它是晶体的对称轴，光线沿Z轴通过 晶体不产生双折射现象，因而它的贡献是作为基准轴。 X 轴为电轴（垂直于光轴），该轴压电效应最显著，它通过正 六棱柱相对的两个棱线且垂直于光轴Z，显然X轴共有三个。 Y 轴为机械轴（力轴），显然也有三个，它垂直于两个相对的 表面，在此轴上加力产生的变形最大。
在压电式传感器中，常用两片或多片组合在一 起使用。由于压电材料是有极性的，因此接法也有两 种，如图所示。图a为并联接法，其输出电容C ＇为 单片的n倍，即C＇=nC，输出电压U ＇ =U，极板上 的电荷量Q＇为单片电荷量的n倍，即Q＇=nQ。 图中b为串联接法，这时有Q＇＝Q，U＇= nU， C＇=C/n。
极化面
F
逆压电效应
Q
机械能｛ 压电介质 正压电效应 电能 ｝
F
压电效应及可逆性
☺具有压电效应的电介物质称为压电材料。具有压电 效应的物质很多，如天然形成的石英晶体，人工制造 的压电陶瓷、钛酸钡、锆钛酸铅等。
☺常见的压电材料可分为两类，即压电单晶体和多晶 体压电陶瓷。
一、石英晶体的压电效应
石英晶体有天然和人造石英单晶 两种。 石英晶体属六方晶系，是一个正 六面体，有右旋和左旋石英晶体之 分，在晶体学中用三根互相 垂直的 轴 Z、X、Y 表示它的坐标。
压电材料的主要性能指标
压电常数——衡量压电效应强弱的参数，直接关系到
压电输出的灵敏度
弹性常数——决定着压电器件的固有频率和动态特性
介电常数——影响压电器件的固有电容与频率下限
绝缘电阻——影响电荷泄漏和低频特性
居里点——压电材料开始丧失压电特性的温度
§5-2
压电式传感器的等效电路
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械 工 程 测 试 技 术
(1)和普通电容器不同的是极板上的电荷是在外力作用下产生的，
若力的作用终止，则电荷也随之消失。 (2) 如果负载不是无穷大，电路将按指数规律放电， (3) 适宜做动态测量，不适合作静态测量。
广东工业大学 机电工程学院
3. 测量电路
压电式产生的电荷量很微弱，本身内阻很大，输出能量很小。
机 生极化现象，在其两表面将产生极性相反的电荷，当
械 工
外力去掉后，表面又回到不带电状态。这种现象就是
程 测
压电效应。“正压电效应”或“顺压电效应” 。
试
技 术
电荷量q与力F的关系为
q dF
d—压电常数
与材料和力的方向有关
逆压电效应或电致伸缩效应
电能转换为机械能
广东工业大学 机电工程学院
4.6.1 压电效应和压电材料
机
械 工 程
(1) 测量范围：10-3N~104KN
测 试
(2)动态范围：60dB
技
术
(3)方向：单向、或多向
(4)测量准静态力时，须配用较大时间常数的 电荷放大器。
(5)两种结构形式 a. 膜片式弹性元件承压 b. 活塞承压
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压电式单向测力传感器
机 械 工 程 测 试 技 术
U SC
RCa 1 [R(Ca Cc Ci)]2
Ux
1
R(Ca Cc Ci)
U SC
Ca
Ca Cc
Ci
Ux
可近似看作输出电压与作用力频率无关 优点：高频响应相当好 缺点：与电缆电容有关
4.6 压电式传感器 4.6.3 压电式传感器的特点和应用
1.压电式传感器的特点
机 械 工 程
优点:频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工 作可靠、体积小和重量轻等。
工
程
测
试
技 术
压电陶瓷：
(1) 人造的，经过极化后才具有压电性;
(2) 压电效应强(为石英的几百倍），但稳定性差，用作工作
时的加速度计;
(3) 品种多，性能差异，应用前景大；
广东工业大学 机电工程学院
4.6 压电式传感器 4.6.2 压电式传感器的工作原理
1.压电元件的结构
机 械
压电式传感器实质上是一个具有一定电容的电荷源。
输出电压输入电荷
广东工业大学 机电工程学院
(1) 电荷测量电路
机 械 工 程 测
u0
q Cf
试
技
术
一般Cf做成可调的，当(1+A)Cf>>(Ca+Cc+Ci)约 10倍以上时，可认为灵敏度与电缆电容无关。 优点：与电缆电容无关 缺点：电路复杂，价格昂贵
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(2)电压测量电路
第4章 常用传感器和敏感元件
4.6 压电式传感器
敏感元件:压电元件
机
械 工
基于压电效应，被测量的变化→ 电荷输出
程
测 试
Hale Waihona Puke 4.6.1 压电效应和压电材料
技
术 1. 压电效应
广东工业大学 机电工程学院
4.6.1 压电效应和压电材料
1. 压电效应
机械能转换为电能
对某些材料沿一定方向施力而使其变形，内部产
2.压电材料 石英晶体
结晶形状是六角
机
械 工
形晶柱，两端为棱锥。
程
测
试
技 术
纵轴线z:光轴
穿过棱线且z轴的x轴：电轴 棱面的y轴:力轴（机械轴）
切下一个平行六面体晶片，使其表面分别平 行于电轴、机械轴和光轴
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2.压电材料
沿电轴x 方向施力，在x轴表面产生电荷: 纵向压电效应
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2.常用的压电式传感器 2) 压电式加速度传感器
机 械 工 程 测 试 技 术
大型加速度计：灵敏度高，灵敏域可达10-6g，测量 上 限小，智能测弱振动。
1. 压电材料
对某些材料沿一定方向施力而使其变形，内部产
机 生极化现象，在其两表面将产生极性相反的电荷，当
械 工
外力去掉后，表面又回到不带电状态。这种现象就是
程 测
压电效应。“正压电效应”或“顺压电效应” 。
试
技
术 电荷量q与力F的关系为
q dF
d—压电常数
与材料和力的方向有关
广东工业大学 机电工程学院
测
试
技 术
缺点:需防潮；直流响应差；需采用高输入阻抗电路
或电荷放大器;横向效应（横向灵敏度）会产生误差;
压电常数在环境温度、湿度等变化时会变化，需经
常校准。
应用:应用广泛，直接测力，间接测可转换为力的量
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4.6.3 压电式传感器的特点和应用
2.常用的压电式传感器
1) 压电式测力传感器
工
程
测 试 技 术
Ca
0 A
晶片相对介电常数
u0
q Ca
0 真空介电常数 A 工作面面积 晶片厚度
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双晶片连接形式
双晶片的总电荷、总电压取决于两片的连接方式：
(1)并联：用于电荷作为输出量场合，有利于准静态测量。
机 械
Uo=U qo=2q 则Co=2Ca
工
程 测
机
械 工
输出阻抗很高
输出阻抗适当降低
程 压电传感器
前置放大器
一般仪器
测
试
技
术
阻抗变换作用：高阻抗低阻抗
前置放大器的作用 功率放大:放大传感器输出的微弱信号
前置放大器
电压放大器 — 高内阻的电压源转换成低内阻的电压源 (阻抗变换器) 输出电压输入电压 电荷放大器 — 高内阻的电荷源转换成低内阻的电压源
沿力轴y 方向施力，也在x轴表面产生电荷:横向压电效应
沿力轴y 方向施力，也在x轴表面产生电荷:切向压电效应
机 械
沿光轴z 方向施力，表面不产生电荷； 若改变受力方向，表面极性也相应改变；
工
程
测
试
技
术
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2.压电材料
石英晶体：
（1）理想压电材料，应用广泛；
机 械
（2）天然，人造的占多数； （3）压电效应弱，但稳定，可作标准的加速度计
4.6.1 压电效应和压电材料
2.压电材料
压电晶体：石英晶体、铌酸锂、钽酸锂等
机
械 工
分类
压电陶瓷：钛酸钡、锆钛酸铅等
程
测 试
新型压电材料:压电半导体、有极高分子压电薄膜
技
术
石英晶体—压电效应弱，但稳定，
可用作标准的加速度计
压电陶瓷—压电效应强，但稳定性差， 用作工作时的加速度计
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这种联接，输出电荷大，本身电容
试 大，允许被测对象变化频率稍低。
技
术
(2)串联：用于电压作为输出量场合。
Uo=2U qo=q，则C=Ca/2
这种联接，输出电压大，本身电容小 ，要求后续电路有较大的输入阻抗。
足够的预应力，以保证压电元件始终受 到压力；全面接触；
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4.6.2 压电式传感器的工作原理 2. 等效电路 内部一个电荷源和一个电容器并联 电荷等效电路 机 一个电压源和一个电容器串联 电压等效电路
(1)和普通电容器不同的是极板上的电荷是在外力作用下产生的，
若力的作用终止，则电荷也随之消失。 (2) 如果负载不是无穷大，电路将按指数规律放电， (3) 适宜做动态测量，不适合作静态测量。
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3. 测量电路
压电式产生的电荷量很微弱，本身内阻很大，输出能量很小。
机 生极化现象，在其两表面将产生极性相反的电荷，当
械 工
外力去掉后，表面又回到不带电状态。这种现象就是
程 测
压电效应。“正压电效应”或“顺压电效应” 。
试
技 术
电荷量q与力F的关系为
q dF
d—压电常数
与材料和力的方向有关
逆压电效应或电致伸缩效应
电能转换为机械能
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4.6.1 压电效应和压电材料
机
械 工 程
(1) 测量范围：10-3N~104KN
测 试
(2)动态范围：60dB
技
术
(3)方向：单向、或多向
(4)测量准静态力时，须配用较大时间常数的 电荷放大器。
(5)两种结构形式 a. 膜片式弹性元件承压 b. 活塞承压
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压电式单向测力传感器
机 械 工 程 测 试 技 术
U SC
RCa 1 [R(Ca Cc Ci)]2
Ux
1
R(Ca Cc Ci)
U SC
Ca
Ca Cc
Ci
Ux
可近似看作输出电压与作用力频率无关 优点：高频响应相当好 缺点：与电缆电容有关
4.6 压电式传感器 4.6.3 压电式传感器的特点和应用
1.压电式传感器的特点
机 械 工 程
优点:频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工 作可靠、体积小和重量轻等。
工
程
测
试
技 术
压电陶瓷：
(1) 人造的，经过极化后才具有压电性;
(2) 压电效应强(为石英的几百倍），但稳定性差，用作工作
时的加速度计;
(3) 品种多，性能差异，应用前景大；
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4.6 压电式传感器 4.6.2 压电式传感器的工作原理
1.压电元件的结构
机 械
压电式传感器实质上是一个具有一定电容的电荷源。
输出电压输入电荷
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(1) 电荷测量电路
机 械 工 程 测
u0
q Cf
试
技
术
一般Cf做成可调的，当(1+A)Cf>>(Ca+Cc+Ci)约 10倍以上时，可认为灵敏度与电缆电容无关。 优点：与电缆电容无关 缺点：电路复杂，价格昂贵
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(2)电压测量电路
第4章 常用传感器和敏感元件
4.6 压电式传感器
敏感元件:压电元件
机
械 工
基于压电效应，被测量的变化→ 电荷输出
程
测 试
Hale Waihona Puke 4.6.1 压电效应和压电材料
技
术 1. 压电效应
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4.6.1 压电效应和压电材料
1. 压电效应
机械能转换为电能
对某些材料沿一定方向施力而使其变形，内部产
2.压电材料 石英晶体
结晶形状是六角
机
械 工
形晶柱，两端为棱锥。
程
测
试
技 术
纵轴线z:光轴
穿过棱线且z轴的x轴：电轴 棱面的y轴:力轴（机械轴）
切下一个平行六面体晶片，使其表面分别平 行于电轴、机械轴和光轴
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2.压电材料
沿电轴x 方向施力，在x轴表面产生电荷: 纵向压电效应
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2.常用的压电式传感器 2) 压电式加速度传感器
机 械 工 程 测 试 技 术
大型加速度计：灵敏度高，灵敏域可达10-6g，测量 上 限小，智能测弱振动。
1. 压电材料
对某些材料沿一定方向施力而使其变形，内部产
机 生极化现象，在其两表面将产生极性相反的电荷，当
械 工
外力去掉后，表面又回到不带电状态。这种现象就是
程 测
压电效应。“正压电效应”或“顺压电效应” 。
试
技
术 电荷量q与力F的关系为
q dF
d—压电常数
与材料和力的方向有关
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测
试
技 术
缺点:需防潮；直流响应差；需采用高输入阻抗电路
或电荷放大器;横向效应（横向灵敏度）会产生误差;
压电常数在环境温度、湿度等变化时会变化，需经
常校准。
应用:应用广泛，直接测力，间接测可转换为力的量
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4.6.3 压电式传感器的特点和应用
2.常用的压电式传感器
1) 压电式测力传感器
工
程
测 试 技 术
Ca
0 A
晶片相对介电常数
u0
q Ca
0 真空介电常数 A 工作面面积 晶片厚度
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双晶片连接形式
双晶片的总电荷、总电压取决于两片的连接方式：
(1)并联：用于电荷作为输出量场合，有利于准静态测量。
机 械
Uo=U qo=2q 则Co=2Ca
工
程 测
机
械 工
输出阻抗很高
输出阻抗适当降低
程 压电传感器
前置放大器
一般仪器
测
试
技
术
阻抗变换作用：高阻抗低阻抗
前置放大器的作用 功率放大:放大传感器输出的微弱信号
前置放大器
电压放大器 — 高内阻的电压源转换成低内阻的电压源 (阻抗变换器) 输出电压输入电压 电荷放大器 — 高内阻的电荷源转换成低内阻的电压源
沿力轴y 方向施力，也在x轴表面产生电荷:横向压电效应
沿力轴y 方向施力，也在x轴表面产生电荷:切向压电效应
机 械
沿光轴z 方向施力，表面不产生电荷； 若改变受力方向，表面极性也相应改变；
工
程
测
试
技
术
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2.压电材料
石英晶体：
（1）理想压电材料，应用广泛；
机 械
（2）天然，人造的占多数； （3）压电效应弱，但稳定，可作标准的加速度计
4.6.1 压电效应和压电材料
2.压电材料
压电晶体：石英晶体、铌酸锂、钽酸锂等
机
械 工
分类
压电陶瓷：钛酸钡、锆钛酸铅等
程
测 试
新型压电材料:压电半导体、有极高分子压电薄膜
技
术
石英晶体—压电效应弱，但稳定，
可用作标准的加速度计
压电陶瓷—压电效应强，但稳定性差， 用作工作时的加速度计
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这种联接，输出电荷大，本身电容
试 大，允许被测对象变化频率稍低。
技
术
(2)串联：用于电压作为输出量场合。
Uo=2U qo=q，则C=Ca/2
这种联接，输出电压大，本身电容小 ，要求后续电路有较大的输入阻抗。
足够的预应力，以保证压电元件始终受 到压力；全面接触；
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4.6.2 压电式传感器的工作原理 2. 等效电路 内部一个电荷源和一个电容器并联 电荷等效电路 机 一个电压源和一个电容器串联 电压等效电路