4-2压电传感器
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。
压电式传感器的应用
F
石石石石
上上
绝绝绝
压电
基基
图1 压力式单向测力传感器结构图
压电式传感器的应用 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 mm ， 外力作用使它产生弹性变形， 递到石英晶片上。石英晶片采用xy切型， 递到石英晶片上。石英晶片采用xy切型， 利用其纵向 xy切型 实现力—电转换。 压电效应， 压电效应， 通过d11实现力—电转换。
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。
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。
压电式传感器的原理及应用
压电式传感器的原理及应用压电式传感器是一种应用了压电效应的传感器，通过将压电材料置于受力区域，当被测物体发生变形或受力时，压电材料发生形变，从而产生电荷信号，利用该信号来测量被测量的变化情况。
一、压电效应的原理压电效应是一种物理现象，指在压力或拉伸下，某些晶体（通常是晶体的极性方向）会产生电位差。
这种效应被广泛应用于各种传感器中，特别是在加速度计、其它惯性传感器、压力传感器和液位传感器等方面。
二、压电式传感器的原理压电式传感器通常由压电晶体和测量电路组成。
当被测物体发生形变或受力时，压电材料中的极性方向的晶体产生压电效应，导致产生电荷的位移，并与电荷电容匹配的放大器或其他电路连接。
由于被测量的变化（压力，成形，位移等）与电荷位移之间存在特定关系，所以可以根据电荷电荷读数来确定被测物体发生变化的精确程度。
三、压电式传感器的应用由于压电效应具有高灵敏度、高频响应、耐腐蚀、抗干扰等优点，压电式传感器在各种领域得到广泛应用。
1.压力测量：压电式传感器常用于压力传感器的制造，用于测量汽车轮胎、气缸、油压和空气压力等。
2.振动测量：压电式传感器还可以用于测量机器和车辆的振动水平，以便定位有问题的部件。
3.流量测量：压电式传感器在流量测量中应用广泛，例如在医疗方面测量血流，工业方面可以应用于计算液体的流量。
4.力学测试：压电式传感器的高灵敏度和高频响应特性，在体育、自然科学和工程学中用于测量冲击、震动和变形等量。
5.地震观测：压电式传感器还可以用于地震观测，以便在监测过程中测量地震的振动率。
压电式传感器在上述应用领域中具有重要作用，并与其他类型的传感器如压阻式传感器、光电式传感器、磁性传感器等合作，实现了各种领域的数据测量工作，体现了良好的应用前景。
传感器课件-压电式传感器与超声波传感器
（ 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 继续工作，可作为高温下的力传感器。
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20
1. 压电元件的等效电路
压电传感器在受外力作用时，在两个电极 表面将要聚集电荷，且电荷量相等，极性相 反。这时它相当于一个以压电材料为电介质 的电容器，其电容量为
Ca
r0S
ε0为真空介电常数；ε为压电材料的相对介电常数； δ为压电元件的厚度；S为压电元件极板面积。
21
Ca
s
h
r0s
h
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U Q Ca
22
压电式传感器的等效电路
(a)等效为一个电荷源Q与一个电容Ca并联的电路 (b) 等效成一个电源U = Q/Ca 和一个电容Ca的串联电路
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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。
（1+K）Cf>>（Ca+Cc+Ci）
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电荷放大器能将压电传感器输出的电荷
转换为电压（Q/U转换器），但并无放大 电荷的作用，只是一种习惯叫法。
压电式传感器的应用和原理
压电式传感器的应用和原理应用领域压电式传感器是一种广泛应用于各个领域的传感器，主要包括以下几个方面的应用：1.工业自动化：在工业自动化领域中，压电式传感器常被用于测量力、压力、力矩等参数，可以实时监测设备的工作状态，保证生产过程的稳定性和安全性。
2.汽车工业：在汽车工业中，压电式传感器被广泛应用于发动机控制、刹车系统、悬挂系统等方面，可以实时监测汽车的各项参数，提高行驶安全性和驾驶舒适性。
3.医疗设备：在医疗设备中，压电式传感器可以用于测量心率、呼吸、体温等生命体征参数，用于疾病诊断、治疗和康复监测，为医疗工作者提供精准的数据支持。
4.空气质量监测：压电式传感器可以用于监测空气质量，检测并记录大气中的各种有害气体，为改善环境质量提供客观数据。
5.智能穿戴设备：压电式传感器适用于智能手环、智能手表等穿戴式设备中，可以实时监测心率、睡眠质量、运动步数等健康指标，为用户提供全面的健康数据。
工作原理压电式传感器的工作原理基于压电效应，压电效应是指某些特定的材料在受到机械应力作用时，会产生正比于应力大小的电荷。
压电式传感器通常由一个或多个压电晶体组成，压电晶体一般为陶瓷材料，具有压电效应。
当外部施加压力或力矩时，压电晶体发生微小的尺寸变化，导致晶格结构的变化，从而产生极性的电荷。
这种电荷的变化可以通过电路进行测量和记录。
压电式传感器通常由以下几个主要组件构成：1.压电晶体：负责将机械应力转换为电荷信号，并根据机械应力的大小和方向产生相应的电荷。
2.支撑结构：提供对压电晶体的支持和保护，使其能够承受外部应力并稳定工作。
3.信号调理电路：负责将压电传感器输出的微弱信号放大和处理，以便能够进行准确的测量和记录。
压电式传感器的工作原理可以用以下步骤总结：1.压电晶体受到外部力或压力作用，发生微小的尺寸变化。
2.压电晶体的晶格结构发生相应的变化，产生极性的电荷。
3.电荷被信号调理电路检测和放大。
4.信号被记录或用于控制其他设备。
四种压力传感器的基本工作原理及特点
四种压力传感器的基本工作原理及特点四种压力传感器的基本工作原理及特点一：电阻应变式传感器一：电阻应变式传感器1 1电阻应变式传感器定义被测的动态压力作用在弹性敏感元件上，被测的动态压力作用在弹性敏感元件上，使它产生变形，使它产生变形，在其变形的部位粘贴有电阻应变片，电阻应变片感受动态压力的变化，电阻应变片感受动态压力的变化，按这种原理设计的传感器称按这种原理设计的传感器称为电阻应变式压力传感器。
为电阻应变式压力传感器。
1.2 电阻应变式传感器的工作原理电阻应变式传感器所粘贴的金属电阻应变片主要有丝式应变片与箔式应变片。
箔式应变片是以厚度为0.002——0.008mm 的金属箔片作为敏感栅材料，，箔栅宽度为0.003——0.008mm 。
丝式应变片是由一根具有高电阻系数的电阻丝(直径0．015--0．05mm)，平行地排成栅形(一般2——40条)，电阻值60——200 Ω，通常为120 Ω，牢贴在薄纸片上，电阻纸两端焊有引出线，表面覆一层薄纸，即制成了纸基的电阻丝式应变片。
制成了纸基的电阻丝式应变片。
测量时，测量时，用特制的胶水将金属电阻应变片粘贴于待测的弹性敏感元件表面上，待测的弹性敏感元件表面上，弹性敏感元件随着动态压力而产生变形时，弹性敏感元件随着动态压力而产生变形时，弹性敏感元件随着动态压力而产生变形时，电阻片电阻片也跟随变形。
如下图所示。
B 为栅宽，L 为基长。
为基长。
材料的电阻变化率由下式决定：材料的电阻变化率由下式决定：d d d R A R A r r=+ （1） 式中；式中；R —材料电阻由材料力学知识得；由材料力学知识得； [(12)(12)]dRR C K m m e e =++-= (2) K —金属电阻应变片的敏感度系数式中K 对于确定购金属材料在一定的范围内为一常数，将微分dR 、dL 改写成增量ΔR 、ΔL,可得可得 R L K K R Le D D == (3) 由式(2)可知，可知，当弹性敏感元件受到动态压力作用后随之产生相应的变形当弹性敏感元件受到动态压力作用后随之产生相应的变形ε,而形应变值可由丝式应变片或箔式应变片测出，从而得到了ΔR 的变化，也就得到了动态压力的变化，基于这种应变效应的原理实现了动态压力的测量。
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。
压电式传感器原理与应用
压电式传感器原理与应用压电式传感器是一种利用压电效应进行测量的传感器。
压电效应是指在压力作用下，一些晶体会产生电荷分布的改变，从而产生电势差。
压电式传感器利用这种原理，将压力或力的变化转化为电信号输出，从而实现对压力或力的测量。
1.传感器中的压电材料受到外力作用产生变形，从而引起内部电荷分布的改变。
2.内部电荷分布的改变使得传感器的两个电极上产生电势差。
3.传感器将电势差转化为与外力大小成正比的电信号输出。
1.工业自动化：压电式传感器可以用于测量各种物体的压力，如流体管道中的压力、机械设备的挤压力等，从而实现对工业过程的自动控制。
2.汽车工业：压电式传感器可以用于测量汽车发动机的油压、气压等参数，从而实现对发动机的控制和保护。
3.医疗器械：压电式传感器可以用于测量人体体内的压力，如心脏的血压、呼吸的压力等，从而实现对人体生理状态的监测。
4.空气质量监测：压电式传感器可以用于测量空气中的压力、气体浓度等参数，从而实现对空气质量的监测。
5.智能手机：压电式传感器可以用于智能手机屏幕上的触摸功能，可以感知用户的触摸力度和位置，从而实现对屏幕的操作。
1.灵敏度高：压电材料对压力或力的变化非常敏感，可以实现对微小压力的测量。
2.响应速度快：压电材料的压电效应响应速度非常快，可以实现对快速变化的压力的测量。
3.耐用性好：由于压电材料的特殊性质，压电式传感器具有较好的耐用性，可以经受较大的压力和力的作用。
4.体积小：压电材料的尺寸可以做得非常小，因此压电式传感器可以设计成小型化的产品。
5.易于集成：压电材料和传感器电路可以进行集成设计，从而降低了传感器的制造成本，提高了其可靠性。
总之，压电式传感器是一种利用压电效应进行测量的传感器，在工业、汽车、医疗、环境监测等领域有着广泛的应用。
它具有高灵敏度、快速响应、良好的耐用性、小体积和易集成等优点，可以满足各种应用场景的需求。
压电式传感器测振动实验
压电式传感器测量振动实验一、实验目的：1、了解压电式传感器结构及其特点；2、了解压电式传感器测量电路的组成方式和测量振动的方法。
二、基本原理：压电式传感器是一和典型的发电型传感器，其传感元件是压电材料，它以压电材料的压电效应为转换机理实现力到电量的转换。
压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动进行测量，在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用。
1、压电效应：一些离子型晶体的电介质（如石英、酒石酸钾钠、钛酸钡等）不仅在电场力作用下，而且在机械力作用下，都会产生极化现象。
即：在这些电介质的一定方向上施加机械力而产生变形时，就会引起它内部正负电荷中心相对转移而产生电的极化，从而导致其两个相对表面（极化面）上出现符号相反的束缚电荷，且其电位移D（在MKS 单位制中即电荷密度σ）与外应力张量T 成正比。
当外力消失，又恢复不带电原状；当外力变向，电荷极性随之而变。
这种现象称为正压电效应，或简称压电效应。
具有压电效应的材料称为压电材料，常见的压电材料有两类压电单晶体，如石英、酒石酸钾钠等；人工多晶体压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等。
压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。
其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温就是所谓的“居里点”）。
由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。
而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。
磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。
现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。
2、压电式加速度传感器图4-1 是本实验仪上所有的压电式加速度传感器的结构图。
压电式传感器
02 压电效应与压电材料
3. 石英晶体的压电机理和压电常数
石英晶体化学式为SiO2, 是单晶体结构。图示为天然结构的石英晶体外形。它 是一个正六面体。 石英晶体各个方向的特性是不同的。其中纵向轴 z 称为光轴, 经 过六面体棱线并垂直于光轴的 x 轴称为电轴, 与 x 和 z 轴同时垂直的 y 轴称为机械 轴。通常把沿电轴x 方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”,
04 压电式传感器的测量电路
04 压电式传感器的测量电路
04 压电式传感器的测量电路
05 压电式传感器的应用
1. 压电式测力传感器
下图为压电式单向测力传感 器的结构图, 它主要由石英晶片、 绝缘套、电极、上盖及基座等组 成。
传感器上盖为传力元件, 它 的外缘壁厚为0.10.5mm, 当外 力作用时, 它将产生弹性变形, 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。 石英晶片的尺寸为φ 8×1 mm。 该传感器的测力范围为0 50 N, 最小分辨力为0.01, 固有频率为 50 60 kHz, 整个传感器重10g。
正压电效应
电能
机械能
逆压电效应
02 压电效应与压电材料
压电材料主要特性参数有: 1. 压电常数：压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数，它d=Q/F 直接
关系到压电输出的灵敏度。 2. 弹性常数：压电材料的弹性常数、 刚度决定着压电器件的固有频率和
动态特性。 3. 介电常数：对于一定形状、 尺寸的压电元件, 其固有电容与介电常数有
05 压电式传感器的应用
2. 压电式加速度传感器
图为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, 并用螺 栓加以固定。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
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测量压力的传感器，其工作原理是利用压电效应将压力转化为电信号。
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、标定原理压电式压力传感器的标定主要是通过施加不同压力到传感器上，测量对应的输出电压或电流，然后建立压力与电信号之间的关系。
标定的目的是确定传感器的灵敏度和线性度。
二、标定设备和仪器1. 压力源：使用稳定可调的压力源，可以是液压泵或气压源，确保施加到传感器上的压力准确可控。
2. 电压表或电流表：用于测量传感器输出的电压或电流信号。
3. 数据采集系统：将传感器的输出信号采集并记录下来，可以使用数据采集卡或数据采集仪等设备。
三、标定步骤1. 准备工作：连接好压力源、电压表或电流表、数据采集系统，并进行相应的校准。
2. 将传感器与标定设备连接好，并确保连接牢固可靠。
3. 施加压力：根据需要的压力范围，逐步施加压力到传感器上，并记录下相应的输出电压或电流。
4. 重复步骤3，以不同的压力值进行标定，至少需要3个点以建立压力与电信号之间的关系。
5. 数据处理：将采集到的数据导入数据处理软件中，进行拟合或回归分析，确定传感器的灵敏度和线性度。
6. 结果验证：使用已知压力进行验证，检查标定结果的准确性和可靠性。
四、注意事项1. 在标定过程中，要确保传感器和标定设备的连接牢固可靠，避免引入额外的误差。
2. 施加压力时要平稳缓慢，避免冲击加载导致传感器的损坏。
3. 根据传感器的特性和要求，选择合适的压力范围和标定点数。
4. 在数据处理过程中，要注意选择合适的拟合方法或回归模型，确保结果的准确性和可靠性。
5. 标定完成后，要及时对标定设备进行校准，以确保下次标定的准确性。
总结：压电式压力传感器的标定是确保其准确性和可靠性的重要步骤。
通过施加不同压力并测量对应的输出信号，可以建立压力与电信号之间的关系。
标定设备和仪器的选择和使用要注意细节，确保标定结果的准确性和可靠性。
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 -。
压电式传感器实验报告
传感器测振动实验报告院系: 电子通信工程系班级: 应电112班、小组: 第二组组员：日期: 2013年5月14日实验二十二压电式传感器测振动实验一、实验目的: 了解压电传感器的测量振动的原理和方法。
二、基本原理：压电式传感器由惯性质量块和受压的压电片等组成。
（观察实验用压电加速度计结构）工作时传感器感受与试件相同频率的振动, 质量块便有正比于加速度的交变力作用在晶片上, 由于压电效应, 压电晶片上产生正比于运动加速度的表面电荷。
三、需用器件与单元: 振动台、压电传感器、检波、移相、低通滤波器模板、压电式传感器实验模板。
双踪示波器。
1、实验步骤:2、压电传感器装在振动台面上。
3、将低频振荡器信号接入到台面三源板振动源的激励源插孔。
图7－1压电式传感器性能实验接线图将压电传感器输出两端插入到压电传感器实验模板两输入端, 见图7－1, 与传感器外壳相连的接线端接地, 另一端接R1。
将压电传感器实验模板电路输出端Vo1, 接R6。
将压电传感器实验模板电路输出端V02, 接入低通滤波器输入端Vi, 低通滤波器输出V0与示波器相连。
4、合上主控箱电源开关, 调节低频振荡器的频率和幅度旋钮使振动台振动, 观察示波器波形。
5、改变低频振荡器的频率, 观察输出波形变化。
6、用示波器的两个通道同时观察低通滤波器输入端和输出端波形。
实验三十光纤式传感器测量振动实验一、实训目的: 了解光纤传感器动态位移性能。
二、实训仪器: 光纤位移传感器、光纤位移传感器实验模块、振动源、低频振荡器、通信接口（含上位机软件）。
三、相关原理：利用光纤位移传感器的位移特性和其较高的频率响应, 用合适的测量电路即可测量振动。
四、实训内容与操作步骤光纤位移传感器安装如图所示, 光纤探头对准振动平台的反射面, 并避开振动平台中间孔。
2.根据“光纤传感器位移特性试验”的结果, 找出线性段的中点, 通过调节安装支架高度将光纤探头与振动台台面的距离调整在线性段中点（大致目测）。
压电式传感器原理及应用
压电式传感器原理及应用压电效应是指一些晶体材料在受到外力作用时，会产生电势差和电荷分布不均，即产生电荷偶极矩，从而在外加电场作用下发生形变。
常见的压电材料有石英、陶瓷和聚偏氟乙烯等。
当压电材料受到外力作用时，材料内部的电荷分布会出现改变，从而产生电势差。
此时，可以通过测量电荷或电势差的变化来间接测量外力的大小。
压电式传感器一般由压电材料、电极、保护壳等组成。
当外力作用于传感器的压电材料上时，压电材料会产生电荷偶极矩，从而产生电势差。
电极用来收集这些电荷，并将信号输出到外部电路中进行处理。
为了提高传感器的灵敏度和稳定性，常常在压电材料上覆盖一层薄膜电极以增加电荷的收集效果。
1.声波传感器：压电式传感器可以用来探测声波的压力和振动。
在市场上常见的麦克风和扬声器就是基于压电效应工作的传感器。
2.加速度计：压电式传感器可以用来测量物体的加速度和振动，常用于汽车、飞机等交通工具中，以及机械设备中对振动进行监测和控制。
3.压力传感器：压电式压力传感器可以用来测量液体和气体的压力，广泛应用于工业自动化控制、航空航天、汽车工业等领域。
4.应变计：压电应变计可以用来测量物体的形变和变形，广泛应用于材料力学测试、结构工程、土木工程、航空航天等领域。
5.流量计：压电式传感器可以用于测量液体和气体的流量，广泛应用于水务系统、天然气供应系统、石油化工等领域。
在这些应用中，压电式传感器具有灵敏度高、响应速度快、能够直接转换物理量为电信号等优点。
然而，也有一些局限性，比如温度对其工作性能的敏感性较高，需要进行温度补偿以提高精度和稳定性。
总结起来，压电式传感器是一种基于压电效应工作的传感器，适用于多个领域，如声波传感、加速度计、压力传感、应变计和流量计等。
通过测量压电材料产生的电势差和电荷分布，可以间接测量外力的大小和形变情况。
压电式传感器具有灵敏度高、响应速度快等优点，但同时也有温度敏感性高的限制。
04压电式传感器
当ω R(C+Ca)>>1时,上式简化为:
其幅值:
返 回
1 d d F F C Ca Ca Ci Cc
uim
dFm Ca Cc Ci
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结论:
1. 放大器的输入Uim与作用力F的频率无关，因此具有较好的高频响 应特性； 2. 当作用力是静态力（ω=0） 时，前置放大器的输入电压为零。原 理上决定了压电式传感器不能测量静态物理量。
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2 并联输出型压电元件
Ca C1 C 2 2C qa q1 q 2 2q Ua U1 U 2 U
结论：并联输出型压电元件的输出电荷等于各片电荷之和，可等效 为电荷输出型的电荷源。适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输 出量的地方。
返 回 上一页 下一页
返
回
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下一页
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。
Ca：传感器的电容 Ra：传感器的漏电阻 Cc：连接电缆的等效电容 Ri：放大器的输入电阻 Ci：放大器的输入电容
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Ra Ri R Ra Ri
C C a Cc C i
Ra Ri R Ra // Ri 等效电阻: Ra Ri
等效电容: C Ca // Ci Ca Ci 压电元件的力 F=Fmsinωt 压电元件的压电系数为d，产生的电荷为Q = d· F。
压电式传感器
第8章压电式传感器 压电传感器是一种电能量型传感器，它的工作原理是基于某些电介质的压电效应。
在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，实现力与电荷的转换，所以它能测量最终转换为力的物理量，如压力、加速度等。
最常见的压电材料有石英晶体、压电陶瓷等。
压电传感器具有使用频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠、质量轻、测量范围广等优点。
近年来，由于电子技术迅猛发展，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，使压电传感器使用更为方便，集成化、智能化的新型压电传感器也正在被开发出来。
8.1 压电效应对某些电介质，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符号相反的电荷；当外力去掉后，它又重新恢复为不带电状态；当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。
晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比，这种现象称为压电效应。
相反，当在电介质的极化方向上施加电场时，这些电介质也会产生变形，当外电场撤离时，变形也随着消失，这种现象称为逆压电效应。
具有压电效应的物质很多，如石英晶体、压电陶瓷、压电半导体等。
8.1.1 石英晶体的压电效应石英晶体是最常用的压电晶体之一，图8.1（a ）所示为天然结构的石英晶体理想外形，它是一个正六面体，在晶体学中可以用三根相互垂直的轴x 、y 、z 来表示它们的坐标，如图8.1（b ）所示。
z 轴为光轴（中性轴），它是晶体的对称轴，晶体沿光轴z 方向受力时不产生压电效应；经过正六面体棱线并垂直于光轴的x 轴为电轴，晶体在沿电轴x 方向的力作用下产生电荷的压电效应称为纵向压电效应，纵向压电效应最为显著；与z 轴和x 轴同时垂直的轴为y 轴，y 轴垂直于正六面体的棱面，称为机械轴，晶体沿机械轴y 方向的力作用下产生电荷的压电效应称为横向压电效应，在y 轴上加力产生的变形最大。
从石英晶体上沿轴线切下的一片平行六面体称为压电晶体切片，如图8.1（c ）所示。
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。
压电式传感器的特点及应用
压电式传感器的特点及应用压电式传感器是一种常见的传感器类型，它的主要特点是能够将压力、力、加速度、应力等物理量转化为电信号。
它利用一种或多种压电材料的特殊性质，通过压电效应来实现信号的转换。
这种传感器结构简单、易于制造，且具有较高的灵敏度和稳定性，因此被广泛应用于各个领域。
压电式传感器的主要特点有以下几个方面：1. 高灵敏度：压电材料具有较高的压电系数，能够将微小的压力或应变转化为电信号，具有很高的灵敏度。
2. 宽频响特性：压电材料的频率响应范围广，可以实现高频、宽频的信号传输，适用于不同频段的应用。
3. 快速响应速度：压电传感器具有快速的响应速度，能够在短时间内将物理量的变化转化为电信号，并能实现实时监测和反馈。
4. 宽工作温度范围：压电材料具有较高的工作温度范围，能够在高温或低温环境下正常工作，适用于各种工况条件。
5. 高稳定性：压电材料具有较高的稳定性，不易受环境影响，具有长期稳定的工作性能。
压电式传感器在各个领域有广泛的应用，包括但不限于以下几个方面：1. 工业领域：在工业领域中，压电式传感器可以用于测量各种物理量，如压力传感器用于测量液压系统中的压力，力传感器用于测量机械装置的力和扭矩，加速度传感器用于监测设备的振动和运动状态等。
2. 医疗领域：在医疗领域中，压电式传感器被广泛应用于医疗设备和仪器中。
例如，心脏起搏器中的压力传感器用于测量心脏的收缩和舒张压力，听诊器中的压电传感器用于接收和转化心音和呼吸音等。
3. 汽车领域：在汽车领域中，压电式传感器被应用于多个方面，如发动机管理系统中的压力传感器用于测量燃油压力，刹车系统中的压力传感器用于测量刹车液的压力，加速度传感器用于检测车辆的加速度和倾斜度等。
4. 航空航天领域：在航空航天领域中，压电式传感器广泛应用于飞行器的测控系统中。
例如，飞机中的压力传感器用于测量气压和油压，加速度传感器用于监测飞机的振动和运动状态，应力传感器用于测量结构的应变和应力等。
(完整版)四种压力传感器的基本工作原理及特点
四种压力传感器的基本工作原理及特点一：电阻应变式传感器1 1电阻应变式传感器定义被测的动态压力作用在弹性敏感元件上，使它产生变形，在其变形的部位粘贴有电阻应变片，电阻应变片感受动态压力的变化，按这种原理设计的传感器称为电阻应变式压力传感器。
1.2 电阻应变式传感器的工作原理电阻应变式传感器所粘贴的金属电阻应变片主要有丝式应变片与箔式应变片。
箔式应变片是以厚度为0.002——0.008mm的金属箔片作为敏感栅材料，，箔栅宽度为0.003——0.008mm。
丝式应变片是由一根具有高电阻系数的电阻丝(直径0．015--0．05mm)，平行地排成栅形(一般2——40条)，电阻值60——200 ?，通常为120 ?，牢贴在薄纸片上，电阻纸两端焊有引出线，表面覆一层薄纸，即制成了纸基的电阻丝式应变片。
测量时，用特制的胶水将金属电阻应变片粘贴于待测的弹性敏感元件表面上，弹性敏感元件随着动态压力而产生变形时，电阻片也跟随变形。
如下图所示。
B为栅宽，L为基长。
材料的电阻变化率由下式决定：R Ad d d（1）R A式中；R—材料电阻由材料力学知识得；[(12)(12)]dRR C K (2)K —金属电阻应变片的敏感度系数式中K 对于确定购金属材料在一定的范围内为一常数，将微分dR 、dL 改写成增量ΔR 、ΔL,可得RLK K R L (3) 由式(2)可知，当弹性敏感元件受到动态压力作用后随之产生相应的变形ε,而形应变值可由丝式应变片或箔式应变片测出，从而得到了ΔR 的变化，也就得到了动态压力的变化，基于这种应变效应的原理实现了动态压力的测量。
1.3电阻应变式传感器的分类及特点测低压用的膜片式压力传感器常用的电阻应变式压力传感器包括测中压用的膜片——应变筒式压力传感器测高压用的应变筒式压力传感器1.3.1膜片——应变筒式压力传感器的特点该传感器的特点是具有较高的强度和抗冲击稳定性，具有优良的静态特性、动态特性和较高的自震频率，可达30khz 以上，测量的上限压力可达到9.6mp a 。
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压电陶瓷的极化处理
a）极化处理前电畴杂乱分布 b）在极化电压下的电畴分布 c）冷却、稳定后的电畴分布 1－镀银上电极 2－压电陶瓷 3－镀银下电极 4－电畴 5－极化高压电源 ↑－细微的电畴极化方向
压电陶瓷极化的影响因素
极化电场和极化温度越高，促使电畴取向 排列的作用越大，极化就越充分。常用压电 陶瓷材料的极化温度取320~420K，极化时间 从几分钟到几十分钟。
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。
（三）高分子压电材料
高分子压电材料是一种柔性的压电元件。密度仅为 压电陶瓷的1／4，弹性柔顺常数比陶瓷大30倍。 可以在几十微米的PVDF压电膜上，两面蒸镀金、 银等金属电极，电极厚度约0.1μm，再层压在0.125mm 聚酯基片上，并制作两个压接端子，作为信号引脚。 高分子压电材料的应用，从医学上使用的精密微细 敏感元件，到工业上用的各种传感器；从军事上应用 的声纳，到民用的防盗报警系统等。可以用于制作超 声诊断仪、血压计、指脉膊计、心率计、机器人的触 觉传感器、加速度传感器、水声探测器、声纳器件、 扬声器等。
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。
压电元件的等效电路
交变电荷源两端并联一个极间电容Ca和漏电电阻Ra 。 极间电容Ca约为1000pF数量级，与压电片的面积成正比；漏
电电阻Ra应大于1MΩ。
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。
压电陶瓷与石英晶体的特性比较
.
（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
压电变压器可用于电子警棍、负离子发生器、臭氧发生器、 静电喷漆、静电除尘、静电复印机、扫描电子显微镜等高压发
生装置。
29
二、压电材料的分类及特性
压电传感器中的压电元件材料常用的 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；第三类是经过极化处理的高分子
压电材料。
压电材料 的分类
.
石英晶体的特性
石英晶体在 20 ～ 200℃的范围内压电常数的变化量只有 -
0.0001/℃。还具有自振频率高、动态响应好、机械强度高、绝
缘性能好、迟滞小、重复性好、线性范围宽等优点。 石英晶体的不足之处是压电常数较小： d=2.3110-12C/N 。因此石英晶体大多只在标准传感器、高 准确度传感器或使用高温压电传感器中使用，而在一般要求的 测量中，基本上采用压电陶瓷。
逆压电效应示意图
实线代表未施加激励电压的形变前的状态 虚线代表在激励源的正半周，压电材料拉长形变后的状态。
在激励源的负半周，压电材料压缩变形(未画出)。
鸣沙丘
清代诗人苏履吉赞颂鸣沙 “雷送余音声袅袅，风生细响语喁喁” ——鸣沙山上的逆压电效应
煤气灶压电点火器
煤气灶上的点火器有两 种。一种为有源点火器，要
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）。
压电陶瓷外形
压电陶瓷的工作原理
压电陶瓷是一种多晶压电材料。某些陶瓷粉末原料，在一定的工艺条件 下，经1000℃以上高温烧结、机械加工，可以制成圆片或其他需要的形状。 烧结而成的压电陶瓷由无数细微的电畴组成，这些电畴实际上是分子自发极 化的小区域。在无外电场作用时，各个电畴在晶体中杂乱分布，它们的极化 效应被相互抵消了，因此原始的压电陶瓷呈中性,不具有压电性质。为了使压 电陶瓷具有压电效应,必须在高温下，在上下端面镀上电极，用上千伏高电压 进行极化处理，使电畴的方向趋向一致，冷却后就具有压电效应。
1－正电荷等效中心 2－负电荷等效中心
沿 y面受压力时,石英晶体的正负电荷中心也产生 分离, x面的上表面带负电,下表面带正电
Q d11
l
Fy
y面受压力时的带电情况等效于沿x轴方向施拉力的情况。 但产生的电荷量可能比沿x轴方向施拉力时的电荷量大几倍， 视晶片的长度与宽度之比 l/δ的倍数而不同。
石英晶体（单晶体）
石英晶体的化学式为SiO2，它的每个晶胞中有3个硅离子和6
个氧离子，一个硅离子和两个氧离子交替排列（氧离子是成对
出现的）。沿光轴看去，可以认为是正六边形排列结构。在无 外力作用时，硅离子所带正电荷的等效中心与氧离子所带负电 荷的等效中心是重合的，整个晶胞不呈现带电现象。
天然石英晶体外形
头烧渗银电极，作为输出端，称为发电部分。当一个交变电压加到压电变
压器的输入端时，在输入端,沿厚度方向引起陶瓷体的收缩与拉伸，这种应 变沿长度方向传递，使压电变压器沿长度方向产生连续的正弦波电压（正
压电效应），将机械能转换为电能。由于长度是厚度的几十倍，又由于纵
驻波的加强效应，输出电压倍增。
28
压电陶瓷高压变压器电路
天然石英晶体的三个面
从石英晶体上切割出一块平行六面体的切片，再进 一步从该正六面体上切割出正方形薄片，就是工业中常
用的石英晶片。正方形薄片的6个面分别垂直于光轴（z
轴）、电轴（x轴）和机械轴（y轴）。
石英晶体切片的三个面（续）
在x面的两个表面施加压力，在x面的上下表面产生电荷；
在y面的两个表面施加压力，仍然只在x面产生电荷。
常用的压电陶瓷材料
（1）锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）：是由钛酸 铅和锆酸铅组成的固熔体。有较高的压电常数 [d ＝ （200～500）10-12C/N]。在上述材料中加入微量的 镧（La）、铌（Nb）或锑（Sb）等，可以得到不同 性能的PZT材料。
（2）非铅系压电陶瓷：能减少制造过程中铅对环 境的污染。BaTiO3基无铅压电陶瓷、BNT基无铅压 电陶瓷、铌酸盐基无铅压电陶瓷、钛酸铋钠钾无铅 压电陶瓷、钛酸铋锶钙无铅压电陶瓷和钛酸钡钙压 电陶瓷等，它们的多项性能都已超过含铅系列压电 陶瓷，是今后压电陶瓷的发展方向。
外力作用在压电元件上，虽然可以产生电荷Q，但在上下 镀银电极之间总是存在泄漏电阻Ra，电荷的保存时间通常小 于几秒，而且要求放大器的输入电阻Ri无限大,因此压电式传
感器不能用于静态力的测量。
逆压电效应
如果在压电材料的两个电极面上施加交流电压，
那么压电片能产生机械振动。即：压电片在电极方向 上有伸缩的现象，称为“电致伸缩效应”，也叫做 “逆压电效应”。
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。
一、压电效应
天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，用金刚石刀具切割出
一片正方形薄片。当晶体薄片受到压力时，晶格产生变形，表
面产生电荷，电荷Q与所施加的力F成正比 ，这种现象称为压 电效应 。还有一些人造材料也具有压电效应。 若在电介质的极化方向上施加交变电压，它就会产生机械 变形。当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失，这种现象 称为逆压电效应（电致伸缩效应）。
到573℃时，它突然完全失去了压电特性，这就是它的居里点。
石英的d11系数相对于20℃ 的d11温度变化特性
石英在高封装
石英晶体薄片
双面镀银并封装
天然石英晶体的x、y轴向受力产生电荷比较
1.在晶体的弹性限度内，在x轴方向上施加压力Fx时，
在x面上产生的电荷为：Q=d11Fx
式中 的 d11称为压电常数。
2. 在 y 轴方向施加压力 Fy 时，仍然在 x 面上产生电荷：
Q d11
l
Fy
式中的 l、δ为石英 晶片的长度和厚度。
石英晶体
的压电效 应演示
当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电
压的频率与动态力的频率相同；当施加静态力时，在 初始瞬间，产生与力成正比的电荷，但由于表面漏电， 所产生的电荷很快泄漏，并消失。
割角度。使在正常的工
作温度范围内，不至超
过所要求的容许误差。
晶片在切割、抛光的连 续加工过程中，都会因 加工的准确度不同，导 致一定的离散型，使温
度漂移变大，灵敏度不
一致等。
（二）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
检测与传感技术
--压电传感器
1
第四章
压电传感器
一、认识压电传感器
二、压电传感器的工作原理
三、压电传感器的等效电路 四、压电传感器的结构和应用
五、电荷放大器
第一节
压电传感器的工作原理
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。
l、δ、b分别为石英 晶片的长度、厚度和高
度。电荷只产生在与x
轴垂直的x面的前后两 侧。
石英晶体的特性
石英（SiO2）是一种具有良好压电特性的压电晶体。其介电常数和压电
系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 ,如下
两图。 在20～200℃范围内，温度每升高1℃，压电系数仅减少0.016％。但是当
沿 y面受拉力时,石英晶体的正负电荷中心也产生
分离, x面的上表面带正电,下表面带负电，
带电的方向与x面受压力时的情况相同