压电传感器的工作原理
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
24.10.2020
21
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
24.10.2020
4
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。
24.10.2020
5
（一）石英晶体
天然形成的石英晶体外形
24.10.2020
6
天然形成的石英晶体外形（续）
24.10.2020
10
压电陶瓷外形
24.10.2020
11
无铅压电陶瓷及其换能器外形
（上海硅酸盐研究所研制）
24.10.2020
12
高分子压电薄膜及拉制
24.10.2020
13
（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。
压电式压力传感器原理及应用
压电式压力传感器原理及应用自动化研1302班王民军压电式压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器。
而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也叫压电式压电传感器。
压电式压力传感器可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。
也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。
它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。
一、压电式传感器的工作原理1、压电效应某些离子型晶体电介质（如石英、酒石酸钾钠、钛酸钡等）沿着某一个方向受力而发生机械变形(压缩或伸长)时，其内部将发生极化现象，而在其某些表面上会产生电荷。
当外力去掉后，它又会重新回到不带电的状态，此现象称为“压电效应”。
压电式传感器的原理是基于某些晶体材料的压电效应。
2、压电式压力传感器的特点压电式压力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。
压电式压力传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量，如压力、加速度等(见压电式压力传感器、加速度计)。
压电式压力传感器是利用压电材料的压电效应将被测压力转换为电信号的。
由压电材料制成的压电元件受到压力作用时产生的电荷量与作用力之间呈线性关系：Q=k*S*p。
式中 Q为电荷量；k为压电常数；S为作用面积；p为压力。
通过测量电荷量可知被测压力大小。
压电式压力传感器的工作原理与压电式加速度传感器和力传感器基本相同，不同的是弹性元件是由膜片等把压力转换成集中力，再传给压电元件。
为了保证静态特性及稳定性，通常多采用压电晶片并联。
在压电式压力传感器中常用的压电材料有石英晶体和压电陶瓷，其中石英晶体应用得最为广泛。
二、压电压力传感器等效电路和测量电路在校准用的标准压力传感器或高精度压力传感器中采用石英晶体做压电元件外，一般压电式压力传感器的压电元件材料多为压电陶瓷，也有用高分子材料(如聚偏二氟乙稀)或复合材料的合成膜的。
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。
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。
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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压电式传感器的工作原理
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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iddQ td11Fmcots
Ijd11F
。
Ui
d11F1jjRRC
输入电压的幅值
uim
d11 FmR 1(R)2(CaCcCi)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。 压电式传感器突出优点：高频响应相当好。
压电式传感器的工作原理
1. 石英晶体的压电效应
X轴：电轴或1轴； Y轴：机械轴或2轴； Z轴：光轴或3轴。
“纵向压电效应”：沿电轴（X轴）方向的力作用下产生电荷 “横向压电效应”：沿机械轴（Y轴）方向的力作用下产生电荷 在光轴（Z轴）方向时则不产生压电效应。
压电传感器的工作原理
石英的d11系数相对于20℃ 的d11温度变化特性
石英在高温下相对介电常数的 温度特性
石英晶体的切片
石英晶体片及封装 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：
天然石英晶体外形（续）
天然石英晶体的结构及剖面
天然石英晶体的三个轴
在晶体学中，可用三根相互垂直的轴来表示。其中
纵向轴称为光轴，也称z轴，有折光效应，没有压电效 应。
经过正六面体棱
线，并垂直于光轴
的轴线称为电轴，
也称x轴；经过正六
面体的棱面且垂直
于光轴的轴线称为
机械轴，也称y轴。
2020/10/16
1－正电荷等效中心 2－负电荷等效中心
晶体沿x面受压力时的带电情况分析
石英晶体的正负电荷中心分离，宏观上看， x面的上表面带正电，下表面带负电
Q=d11Fx
1－正电荷等效中心 2－负电荷等效中心
晶片沿x面受拉力时，或是所受压力消失后，弹性体反弹时， 也能导致石英晶体的正负电荷中心分离, x面的上表面带负电,
压电式速度传感器工作原理
压电式速度传感器工作原理
压电式速度传感器是一种基于压电效应的传感器，其工作原理是利用压电材料的机械压力导致电荷分布发生变化的特性来测量速度。
压电材料是一种特殊的材料，在其晶格中存在着偏离电荷平衡位置的正负电荷。
当这些材料受到外力压力或应力时，晶格中的电荷会发生重新分布，从而产生电荷的不平衡现象。
这种电荷分布的变化可以通过外部电路测量到。
压电式速度传感器通常由压电材料、机械结构以及电路等组成。
当传感器受到运动物体的冲击或振动时，传感器中的机械结构会转化为压力，进而作用于压电材料上。
这个压力会导致压电材料中的电荷重新分布，产生电势差或电荷输出。
传感器通过测量这个电势差或电荷输出的变化，即可获取到速度的信息。
值得注意的是，压电式速度传感器测量的是速度变化，而不是速度的绝对值。
因此，在使用压电式速度传感器时，需要结合其他元件或者算法来将速度变化转换为速度值。
压电传感器的工作原理.
Ca
0 A
h
式中，ε 0为真空介电常数：ε 为压电材料的相对介电 常数；h为压电元件的厚度；A为压电元件极板面积。
2018/9/17
17
因此可以把压电式传感器等效成一个与电容相并
联的电荷源，如下图a所示，也可以等效为—个电压
源，如下图b所示。 压电传感器与测量仪表联接时，还必须考虑电缆
电容C，放大器的输入电阻Ri和输入电容Ci以及传感
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
2018/9/17 23
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
一、压电传感器的工作原理 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。
2018/9/17
1
（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，表面产生正电荷， 电荷Q与所施加的力F成正比 ，这种现象称为 压电效应 。还有一些人造的材料也具有压电效 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）。
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。
压电式传感器的工作原理
压电式传感器的工作原理
压电式传感器是利用压电效应的原理来进行测量的传感器。
它的工作原理基于压电材料的物理特性，即在应力作用下，会产生电荷的极化现象。
压电材料通常是长方形、薄片状或圆盘形的硬材料，例如石英、钛酸锆等。
当物体施加在传感器的表面上时，将会引起压电材料的弯曲或扭曲等变形，从而产生电荷。
具体来说，当压电材料受到力的作用时，其内部晶格结构会发生变化，从而导致正、负电荷分布的不对称。
这种不均匀的电荷分布在外部产生电场，使得在压电材料上的电荷发生积累，同时也会在传感器的两端产生震荡信号。
通过计算这些电荷和信号的强度和方向，可以测量出物体施加在传感器表面上的压力和力矩。
通常情况下，优质的压电式传感器具有较高的灵敏度和精度，并且对于温度和湿度的变化也具有较好的适应性。
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。
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。
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。
压电传感器的工作原理
压电传感器的工作原理
压电传感器是基于压电效应工作的传感器。
压电效应是指某些晶体材料在受到力的作用下会发生电荷的累积和分离现象。
当压力施加在压电材料上时，晶体内部的离子会发生位移，导致电荷的分离，形成正负电荷。
这种电荷的分离会产生一个电位差，在外加电路的作用下，就可以测量到这个电位差，从而得知施加在传感器上的压力大小。
压电传感器通常由压电材料和电极组成。
压电材料可以是晶体、陶瓷等，其晶格结构的不对称性决定了其具有压电效应。
电极用于连接外部电路，充当电流载体。
当施加压力时，压电材料内部离子发生移动，正负电荷分离，形成电位差。
电位差被电极收集，并通过电路输出为电信号。
压电传感器具有高精度、高灵敏度和快速响应的特点。
它可以测量不同范围的压力，并广泛应用于工业控制、机械设备、医疗仪器等领域。
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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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。
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
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
第六章 压电传感器 目录
6.1 压电传感器的工作原理 进入 6.2 压电传感器的测量转换电路 进入 6.3 压电传感器的结构和应用 进入 6.4 振动测量及频谱分析 进入
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。 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。
机电类 《自动检测技术及应用》
多媒体课件
（共13章，第六章）
统一书号：ISBN 978-7-111-34300-4
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或
2012年7月版
2020/6/27
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第六章 压电传感器
本章介绍压电效应、逆压电效应及应用、 压电元件、等效电路、电荷放大器、压电 传感器的结构及应用，振动的基本概念、 振动传感器及振动频谱分析等。
1－正电荷等效中心 2－负电荷等效中心
晶体沿x面受压力时的带电情况分析
石英晶体的正负电荷中心分离，宏观上看， x面的上表面带正电，下表面带负电 Q=d11Fx
1－正电荷等效中心 2－负电荷等效中心
晶片沿x面受拉力时，或是所受压力消失后， 弹性体反弹时，也能导致石英晶体的正负电荷 中心分离, x面的上表面带负电,下表面带正电。
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％。但是当到573℃时，它突然完全失去了 压电特性，这就是它的居里点。
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）。
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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x面的两个表面施加压力，仍然只在x面产 生电荷。
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”。
受交变力时，产生交变电信号。
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
ห้องสมุดไป่ตู้
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。
石英的d11系数相对于20℃ 的d11温度变化特性
石英在高温下相对介电常数的 温度特性
石英晶体的切片
石英晶体片及封装
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
天然石英晶体外形（续）
天然石英晶体的结构及剖面
天然石英晶体的三个轴
在晶体学中，可用三根相互垂直的轴来表示。其中
纵向轴称为光轴，也称z轴，有折光效应，没有压电效 应。
经过正六面体棱
线，并垂直于光轴
的轴线称为电轴，
也称x轴；经过正六
面体的棱面且垂直
于光轴的轴线称为
机械轴，也称y轴。
2020/6/27
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。
压电效应的微观分析
未受力时石英晶体的正负电荷中心重叠， 从宏观上看，整体不带电
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)。
石英晶体
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