压电式传感器的测量电路
合集下载
压电式传感器-测量技术基础
网络化
随着物联网技术的发展，压电式传感器 正与网络技术深度融合，实现远程监控 、数据传输等功能，提高传感器的工作 效率和可维护性。
VS
物联网应用
压电式传感器作为物联网系统中的感知层 器件，能够实时感知物理世界的各种信息 ，为物联网在智能制造、智慧城市等领域 的应用提供有力支持。
THANKS
感谢观看
应。压电式传感器利用材料的压电效应，将压力信号转换为电信号。
02 03
压电元件
压电元件是压电式传感器的核心部分，通常由压电陶瓷或高分子聚合物 等材料制成。当压电元件受到压力作用时，其内部电荷分布会发生变化， 从而产生电压输出。
测量电路
压电式传感器需要与测量电路配合使用，以将输出的电压信号转换为可 读的数据。测量电路通常包括放大器和滤波器等组件，以优化传感器的 性能和稳定性。
信号数字化处理
信号数字化处理
为了便于计算机处理和传输，压 电式传感器的模拟信号需要经过 数字化处理转换为数字信号。
采样率
采样率是数字化处理中的关键参 数，采样率过低可能导致信号失 真，过高则可能引入额外的噪声。
量化等级
量化等级决定了数字信号的精度， 应根据测量要求选择合适的量化 等级。
05
压电式传感器的误差与校准
压电式传感器-测量技术基础
• 压电式传感器概述 • 压电式传感器的类型与结构 • 压电式传感器的测量电路 • 压电式传感器的信号处理技术
• 压电式传感器的误差与校准 • 压电式传感器的发展趋势与展望
01
压电式传感器概述
压电式传感器的工作原理
01
压电效应
某些材料在受到外力作用时，会在内部产生电场，这种现象称为压电效
压电式传感器的应用领域
压电式传感器的测量电路
目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅（PZT系列）, 它是钛酸钡（BaTiO3)和锆酸铅（PbZrO3）组成的Pb（ZrTi） O3。它有较高的压电系数和较高的工作温度。
铌镁酸铅是 20 世纪 60 年代发展起来的压电陶瓷。 它由
铌镁酸铅(Pb（Mg13 ·Nb
2 3
）O3)、
锆酸铅(PbZrO3)和钛酸铅
当石英晶体未受外力作用时, 正、负离子正好分布在正 六边形的顶角上, 形成三个互成120°夹角的电偶极矩P1、 P2、P3。 如图 6 - 3（a）所示。
因为P=qL, q为电荷量, L为正负电荷之间距离。 此时正 负电荷重心重合, 电偶极矩的矢量和等于零, 即P1+P2+P3 = 0, 所以晶体表面不产生电荷, 即呈中性。
式中: Uo——放大器输出电压;
UCf——反馈电容两端电压。
由运算放大器基本特性, 可求出电荷放大器的输出电压
U0
Ca
Aq Cc Ci
通常A=104～106, 因此若满足（1+A）Cf 式（6 - 2）可表示为
q
Uo ≈ -
cf
<<Ca+Ｃc+Ci时,
由式（6 - 13）可见, 电荷放大器的输出电压Uo与电缆电 容Cc无关, 且与q成正比, 这是电荷放大器的最大特点。
当晶体受到沿y轴方向的压力作用时, 晶体的变形如图6 3（c）所示, 与图6 - 3（b）情况相似, P1增大, P2、P3 减小。 在x轴上出现电荷, 它的极性为x轴正向为负电荷。 在y轴方向 上不出现电荷。
如果沿z轴方向施加作用力, 因为晶体在x方向和y方向所 产生的形变完全相同, 所以正负电荷重心保持重合, 电偶极矩 矢量和等于零。这表明沿z轴方向施加作用力, 晶体不会产生 压电效应。
铌镁酸铅是 20 世纪 60 年代发展起来的压电陶瓷。 它由
铌镁酸铅(Pb（Mg13 ·Nb
2 3
）O3)、
锆酸铅(PbZrO3)和钛酸铅
当石英晶体未受外力作用时, 正、负离子正好分布在正 六边形的顶角上, 形成三个互成120°夹角的电偶极矩P1、 P2、P3。 如图 6 - 3（a）所示。
因为P=qL, q为电荷量, L为正负电荷之间距离。 此时正 负电荷重心重合, 电偶极矩的矢量和等于零, 即P1+P2+P3 = 0, 所以晶体表面不产生电荷, 即呈中性。
式中: Uo——放大器输出电压;
UCf——反馈电容两端电压。
由运算放大器基本特性, 可求出电荷放大器的输出电压
U0
Ca
Aq Cc Ci
通常A=104～106, 因此若满足（1+A）Cf 式（6 - 2）可表示为
q
Uo ≈ -
cf
<<Ca+Ｃc+Ci时,
由式（6 - 13）可见, 电荷放大器的输出电压Uo与电缆电 容Cc无关, 且与q成正比, 这是电荷放大器的最大特点。
当晶体受到沿y轴方向的压力作用时, 晶体的变形如图6 3（c）所示, 与图6 - 3（b）情况相似, P1增大, P2、P3 减小。 在x轴上出现电荷, 它的极性为x轴正向为负电荷。 在y轴方向 上不出现电荷。
如果沿z轴方向施加作用力, 因为晶体在x方向和y方向所 产生的形变完全相同, 所以正负电荷重心保持重合, 电偶极矩 矢量和等于零。这表明沿z轴方向施加作用力, 晶体不会产生 压电效应。
12第七章 压电式传感器7-2解析
（6-14）
q d 33 F d 33 ma
与加速度a成正比。因此，测得加速度传感
q=d11F=d11ma 器输出的电荷便可知加速度的大小。
压电式压力传感器
引线
壳体 基座
导电片 受压膜片 p
压电晶片
图7-19 压电式测压传感器
当膜片受到压力F作用后，在压电晶片表面
上产生电荷。在一个压电片上所产生的电荷 q为
管道上A、B两点放两只压电传感器，由从两个传
感器接收到的由O点传来的t0时刻发出的振动信号
所用时间差可计算出LA或LB。
地 L 面
LA
A O点
LB
B
两者时间差为
Δt= tA-tB=（LA - LB ）/v
又L=LA +LB ，所以
L t v LA 2 L t v LB 2
故可把压电传感器看成一个电荷源与一个
电容并联的电荷发生器。 其电容量为：
Ca q (a)
S r 0 S Ca
当两极板聚集异性电荷时，板间就呈现出
一定的电压，其大小为
q Ua Ca
因此，压电传感器还可以等效为电压源Ua 和一个电容器Ca的
Ca
串联电路，如图 (b)。
Ua (b)
（ ω=0 ）时，前置放大器的输出电压等于
零，因为电荷会通过放大器输入电阻和传 感器本身漏电阻漏掉，所以压电传感器不 能用于静态力的测量。
当 ω(Ca+Cc+Ci)R>>1 时，放大器输入 电压 Uim 如式（ 7-10 ）所示，式中 Cc 为连 接电缆电容，当电缆长度改变时，Cc也将 改变，因而 Uim 也随之变化。因此，压电
100~104pF。
q d 33 F d 33 ma
与加速度a成正比。因此，测得加速度传感
q=d11F=d11ma 器输出的电荷便可知加速度的大小。
压电式压力传感器
引线
壳体 基座
导电片 受压膜片 p
压电晶片
图7-19 压电式测压传感器
当膜片受到压力F作用后，在压电晶片表面
上产生电荷。在一个压电片上所产生的电荷 q为
管道上A、B两点放两只压电传感器，由从两个传
感器接收到的由O点传来的t0时刻发出的振动信号
所用时间差可计算出LA或LB。
地 L 面
LA
A O点
LB
B
两者时间差为
Δt= tA-tB=（LA - LB ）/v
又L=LA +LB ，所以
L t v LA 2 L t v LB 2
故可把压电传感器看成一个电荷源与一个
电容并联的电荷发生器。 其电容量为：
Ca q (a)
S r 0 S Ca
当两极板聚集异性电荷时，板间就呈现出
一定的电压，其大小为
q Ua Ca
因此，压电传感器还可以等效为电压源Ua 和一个电容器Ca的
Ca
串联电路，如图 (b)。
Ua (b)
（ ω=0 ）时，前置放大器的输出电压等于
零，因为电荷会通过放大器输入电阻和传 感器本身漏电阻漏掉，所以压电传感器不 能用于静态力的测量。
当 ω(Ca+Cc+Ci)R>>1 时，放大器输入 电压 Uim 如式（ 7-10 ）所示，式中 Cc 为连 接电缆电容，当电缆长度改变时，Cc也将 改变，因而 Uim 也随之变化。因此，压电
100~104pF。
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。
5-3 压电式传感器的测量电路
A0 CF
若考虑电缆电容 Cc，则有
U sc
1
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Ra
(1
A0 )
1 RF
jqA0 j[Ca
Cc
(1
A0 )CF ]
U（ 5-23）
§5-3 压电式传感器的测量电路
当 A0 足够大时，传感器本身的电容和电缆长短将不影响电荷放大器的输 出。因此输出电压 Usc 只决定于输入电荷 q 及反馈回路的参数 CF 和 RF。由 于1/RF<<ωCF，则
(5-14)
式中 Fm——作用力的幅值。
若压电元件材料是压电陶瓷，其压电系数为 d33, 则在外力作用下，压电元 件产生的电压值为
Ua
d33 Fm Ca
sin t
(5-15)
或
U a U m sin t
(5-16)
由图5-17（b）可得送入放大器输入端的电压 Ui，将其写为复数形式，为
Ui
可见压电式传感器配用电荷放大器时，其低频幅值误差和截止频率只决
定于反馈电路的参数 RF 和 CF，其中 CF 的大小可以由所需要的电压输出幅度 决定。所以当给定工作频带下限截止频率 fL 时，反馈电阻 RF 值可以由（530）式确定。譬如当 CF=1 000 pF，fL=0.16 Hz时，则要求 RF ≥109 Ω。
图5-18为一实用的阻抗变换电路，MOS 型 FFT 管 3DO1F 为输入级， R4 为它的自给偏置电阻，R5 提供串联电流负反馈。适当调节 R2 的大小可以 使 R3 的负反馈接近 100%。此电路的输入电阻可达 2×108 Ω。
近年来，由于线性集成运算放大器的飞跃发展，出现了如 5G28 型结型 场效应管输入的高阻抗器件，因而由集成运算放大器构成的电荷放大器电路 进一步得到发展。随着 MOS 和双极型混合集成电路的发展。具有更高阻抗的 器件也将问世。因而电荷放大器将有良好的发展远景。
压电式传感器的测量转换电路
( A 1)
QA (Ca Cc
Ci )
Q Cf
（5-6）
2021年3月14日星期日
Uo
Cf
( A 1)
QA (Ca Cc
Ci )
Q Cf
由式（5-6）可以得出以下几点结论： （1）电荷放大器的输出电压只与输入电荷量Q和反馈电容Cf有
关，而与放大器的放大系数A、电缆电容Cc和前置放大器 的输入电容Ci等的变化均无关。 （2）只要保持反馈电容Cf的数值不变，就可得到与输入电荷量 Q变化成线性关系的输出电压 。 （3）压电式传感器产生的电荷量Q一定时，反馈电容Cf越小， 输出电压 就越大。
压电式传感器的测量转换电 路
压电式传感器的测量转换电路 1.1 压电元件的等效电路
由压电元件的工作原理可知, 压电式传感器可以看作一个电荷发生器。同
时, 当压电元件表面聚集电荷时，相当于一个以压电材料为介质的电容器，
则其电容量为
Ca
0r A
d
(5- 2)
式中: A——压电片的面积; d ——压电片的厚度; εr——压电材料的相对介电常数。
2021年3月14日星期日
1.3 电荷放大器
图5-8 电荷放大器的等效电路
2021年3月14日星期日
由于电荷放大器中的反馈电容Cf在输入端的等效电容满足Cf（A+1）>> （Ca+Cc+Ci），因而可以忽略电缆电容Cc和前置放大器的输入电容Ci 的影响。因此，电荷放大器输出电压的表达式为
Uo
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Cf
压电传感器本身的内阻抗很高, 而输出能量较小, 因此 它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放 大器，其作用为: 一是把它的高输出阻抗变换为低输 出阻抗; 二是放大传感器输出的微弱信号。压电传感 器的输出可以是电压信号, 也可以是电荷信号, 因此前 置放大器也有两种形式: 电压放大器和电荷放大器。
6.2 压电传感器的测量电路
3
（1）电压放大器
压电传感器的测量电路
Uim
dFmR 1 2R2 (Ca Cc Ci )
4
当 30 时，
就可以认为Uim与频率无关，0表示测量电路 时间常数的倒数。
0 1/[R(Ca Cc Ci )]
结论：压电传感器具有很好的高频响应，但当作用于压电元件的力为静态力时，前 置放大器的输入电压等于零，因为电荷会通过放大器的输入电阻和传感器本身漏电 阻漏掉，所以压电传感器不能用于静态力的测量。
Ca
r0 A
d
1
压电元件的等效电路
Ua
q Ca
2
6.2.2 压电传感器的测量电路
压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小， 因此测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置 放大器，其作用为：
（1）把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗； （2）放大传感器输出的微弱信号。
压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷 信号，因此前置放大器也有两种形式：电压放大器 和电荷放大器。
压电传感器具有很好的高频响应但当作用于压电元件的力为静态力时前置放大器的输入电压等于零因为电荷会通过放大器的输入电阻和传感器本身漏电阻漏掉所以压电传感器不能用于静态力的测量
6.2 压电式传感器的测量电路
6.2.1 压电式传感器的等效电路
由压电元件的工作原理可知，压电传感器可以看作 一个电荷发生器。同时，它也是一个电容器，晶体 上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板， 极板间物质等效于一种介质，则其电容量为：
5
(Ca Cc Ci )R 1 时，理想情况下输入电压幅值Uim为：
U
im
Ca
dFm Cc
（1）电压放大器
压电传感器的测量电路
Uim
dFmR 1 2R2 (Ca Cc Ci )
4
当 30 时，
就可以认为Uim与频率无关，0表示测量电路 时间常数的倒数。
0 1/[R(Ca Cc Ci )]
结论：压电传感器具有很好的高频响应，但当作用于压电元件的力为静态力时，前 置放大器的输入电压等于零，因为电荷会通过放大器的输入电阻和传感器本身漏电 阻漏掉，所以压电传感器不能用于静态力的测量。
Ca
r0 A
d
1
压电元件的等效电路
Ua
q Ca
2
6.2.2 压电传感器的测量电路
压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小， 因此测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置 放大器，其作用为：
（1）把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗； （2）放大传感器输出的微弱信号。
压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷 信号，因此前置放大器也有两种形式：电压放大器 和电荷放大器。
压电传感器具有很好的高频响应但当作用于压电元件的力为静态力时前置放大器的输入电压等于零因为电荷会通过放大器的输入电阻和传感器本身漏电阻漏掉所以压电传感器不能用于静态力的测量
6.2 压电式传感器的测量电路
6.2.1 压电式传感器的等效电路
由压电元件的工作原理可知，压电传感器可以看作 一个电荷发生器。同时，它也是一个电容器，晶体 上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板， 极板间物质等效于一种介质，则其电容量为：
5
(Ca Cc Ci )R 1 时，理想情况下输入电压幅值Uim为：
U
im
Ca
dFm Cc
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
《传感器技术及其应用》第03单元 压电传感器的应用—压电传感实验
电荷放大模块电路图：
比较器模块电路图：
（1）压电传感模块场景模拟界面认识 压电传感模块场景模拟界面主要包括5个部分，
模拟场景、压电特性曲线、放大信号和灵敏度调节 信号AD值、模拟车速检测的参数、比较器输出状态。
任务一 实验目的 任务二 是按原理 任务三 实验步骤
1. 振动实验模块的启动
（1）将NEWLab实验硬件平台通电并与电脑连接。
原理说明
1. 压电式传感器的工作原理 （1）压电效应 ：
表达这一关系的压电方程如式：
式中 F——作用的外力； Q——产生的表面电荷； d——压电系数，是描述压电效应的物理量。
原理说明
（2)等效电路 其电容量为：
式中 S——压电元件电极面的面积，单位为； δ——压电元件厚度，单位为； ε——压电材料的介电常数，单位为，它随材料不同而不 同，如锆钛酸铅的；
第3单元 压电传感器的应用--压 电传感器实验
任务一 实验目的 任务二 实验原理 任务三 实验步骤
单元任务预览
一、实验目的 了解压电传感器的检测原理 掌握压电传感器的检测电路及方法 了解压电传感模块的原理并掌握其测量方法
任务一 实验目的 任务二 实验原理 任务三 实验步骤
原理说明
压电式传感器是将被测量变化转换成材料受 机械力产生静电电荷或电压变化的传感器，是一 种典型的、有源的、双向机电能量转换型传感器 或自发电型传感器。压电元件是机电转换元件， 它可以测量最终能变换为力的非电物理量，例如 力、压力、加速度等。
点为1210℃。
c）压电陶瓷：
4. NEWLab压电传感模块认识
①LDT0-028K压电薄膜传感器； ②电荷放大模块电路； ③灵敏度调节电位器； ④信号放大比较器模块； ⑤灵敏度调节信号接口J10，测量灵敏度调节点位器可调端 输出电压，即比较器1正端（3脚）的输入电压； ⑥传感器信号接口J7，测量压电传感器的输出信号； ⑦电荷信号接口J4，测量电荷放大模块的输出信号； ⑧放大信号接口J6，测量信号放大电路输出信号，即比较器 1负端（2脚）的输入信号； ⑨比较输出接口J3，测试信号放大比较器模块的输出信号。 ⑩接地GND接口J2
压电式传感器(4)
（2） 石英晶体切片压电效应
当晶体受到沿 轴方向的压力作用时 当晶体受到沿y轴方向的压力作用时，在x轴上出现电荷，它的极性 作用时， 轴上出现电荷， 轴正向为负电荷。 轴方向上不出现电荷。 为x轴正向为负电荷。在y轴方向上不出现电荷。
（2） 石英晶体切片压电效应
如果沿 轴方向施加作用力 因为晶体在x方向和y 如果沿z轴方向施加作用力, 因为晶体在x方向和y方向所产生的形 施加作用力, 变完全相同, 所以正负电荷重心保持重合, 电偶极矩矢量和等于零。 变完全相同, 所以正负电荷重心保持重合, 电偶极矩矢量和等于零。 这表明沿z轴方向施加作用力, 晶体不会产生压电效应。 这表明沿z轴方向施加作用力, 晶体不会产生压电效应。
§2.6 压电式传感器
§2.6 压电式传感器
概念： 概念：以具有压电效应的元件作为转换元件的有源传感 器称作压电式传感器 器称作压电式传感器。 压电式传感器。 功能：既可以把机械能转化为电能，也可以把电能转化 功能：既可以把机械能转化为电能， 为机械能。 为机械能。 用途：用于跟力有关的物理量的测量。 用途：用于跟力有关的物理量的测量。 如：（1）力、压力、加速度、机械冲击和振动等。 压力、加速度、机械冲击和振动等。 也可用于超声波的发射与接收装置。 （2）也可用于超声波的发射与接收装置。 工作原理：是基于某些材料的压电效应。 工作原理：是基于某些材料的压电效应。 常见压电材料有石英晶体 常见压电材料有石英晶体及多晶压电陶瓷 石英晶体及
§2.6 压电式传感器
压电材料的主要特性参数
•压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数，它直接关系到压电输出的灵 压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数， 是衡量材料压电效应强弱的参数 敏度。 敏度。 •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。 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。 弹性常数、 介电常数有关 •对于一定形状、 尺寸的压电元件，其固有电容与介电常数有关; 而固有 对于一定形状、 尺寸的压电元件，其固有电容与介电常数有关; 电容又影响着压电传感器的频率下限。 电容又影响着压电传感器的频率下限。 •在压电效应中，机械耦合系数等于转换输出能量（如电能）与输入的能 在压电效应中，机械耦合系数等于转换输出能量（如电能） 等于转换输出能量 如机械能）之比的平方根; 量（如机械能）之比的平方根; 它是衡量压电材料机电能量转换效率的一 个重要参数。 个重要参数。 •压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏，从而改善压电传感器的低频特性。 压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏，从而改善压电传感器的低频特性。 电阻将减少电荷泄漏 •压电材料开始丧失压电特性的温度称为居里点温度。 压电材料开始丧失压电特性的温度称为居里点温度 居里点温度。
压电式传感器
当 (1 A)CF
C
时，即A》1： Uo
Q CF
返回
上一页
下一页
结论:
1. 放大器的输出Uo正比于信号Q，线性转换；
返回
上一页
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
返回
上一页
下一页
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。
返回
上一页
下一页
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、
返回
上一页
下一页
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 ppt课件
• 压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多, 所 以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。 极化处理后的压电陶瓷材料的特性不稳定，而且剩 余极化强度和特性与温度有关, 它的参数也随时间 变化, 从而使其压电特性减弱。 • 目前使用较多的压电陶瓷材料是钛酸钡陶瓷及 PZT系列, 它有较高的压电系数和较高的工作温度。
ppt课件
19
6.1 工作原理及压电材料
7) 石英晶体的上述特性与其内部分
y
子 结 构 有 关 。 图 6.1.3 是 一 个 单 元 组
体中构成石英晶体的硅离子和氧离子
在垂直于z轴的xy平面上的投影，等
x
效为一个正六边形排列。右图中紫色
代表硅离子Si4+，绿色代表氧离子O2-。
8) 当石英晶体未受外力作用时，正、负离子正好分 布在正六边形的顶角上，形成三个互成120°夹角的 电偶极矩P1、P2、P3。 如图6.1.3（a）所示。
ppt课件
11
6.1 工作原理及压电材料
相6 对5
介4
电 常
3
数2 ε1
居里点 t/℃
0
100 200 300 400 500 600
石英在高温下相对介电常数的温度特性
居里点温度
573°C
其介电常数和压电常数 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。
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
• 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、 宇航等方面都得到了非常广泛的应用。
ppt课件
2
6.1 工作原理及压电材料
一、 压电效应
ppt课件
19
6.1 工作原理及压电材料
7) 石英晶体的上述特性与其内部分
y
子 结 构 有 关 。 图 6.1.3 是 一 个 单 元 组
体中构成石英晶体的硅离子和氧离子
在垂直于z轴的xy平面上的投影，等
x
效为一个正六边形排列。右图中紫色
代表硅离子Si4+，绿色代表氧离子O2-。
8) 当石英晶体未受外力作用时，正、负离子正好分 布在正六边形的顶角上，形成三个互成120°夹角的 电偶极矩P1、P2、P3。 如图6.1.3（a）所示。
ppt课件
11
6.1 工作原理及压电材料
相6 对5
介4
电 常
3
数2 ε1
居里点 t/℃
0
100 200 300 400 500 600
石英在高温下相对介电常数的温度特性
居里点温度
573°C
其介电常数和压电常数 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。
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
• 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、 宇航等方面都得到了非常广泛的应用。
ppt课件
2
6.1 工作原理及压电材料
一、 压电效应
压电式传感器的测量电路
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。
作用于压电元件的力为静态力（ω=0）时， 前置放大
器的输出电压等于零， 因为电荷会通过放大器输入电
阻和传感器本身漏电阻漏掉， 所以压电传感器不能用
于静态力的测量。
当 ω(Ca+Cc+Ci)R>>1 时，放大器输入电压 Uim 如
式（6-10）所示，式中Cc为连接电缆电容，当电缆长
度改变时，Cc也将改变，因而Uim也随之变化。因此， 否则将引入测量误差。
dFm Ua sin t U m sin t Ca
Um=dFm/Ca； d——压电系数。
（5-20）
式中： Um——压电元件输出电压幅值，
由此可得放大器输入端电压Ui，其复数形式为
i d 33 F U
. Ui的幅值Uim
jR 1 jR( C a C )
(5-21)
由此可得放大器输入端电压u33im522523在理想情况下传感器的r电阻值与前置放大器输入电阻rr1那么由式522可知理想情况下输入电压幅值uim33上式表明前置放大器输入电压uim与频率无关一般在3时就可以认为uim与无关表示测量电路时间常数之倒数即524这表明压电传感器有很好的高频响应但是当作用于压电元件的力为静态力0时前置放大器的输出电压等于零因为电荷会通过放大器输入电阻和传感器本身漏电阻漏掉所以压电传感器不能用于静态力的测量
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。
作用于压电元件的力为静态力（ω=0）时， 前置放大
器的输出电压等于零， 因为电荷会通过放大器输入电
阻和传感器本身漏电阻漏掉， 所以压电传感器不能用
于静态力的测量。
当 ω(Ca+Cc+Ci)R>>1 时，放大器输入电压 Uim 如
式（6-10）所示，式中Cc为连接电缆电容，当电缆长
度改变时，Cc也将改变，因而Uim也随之变化。因此， 否则将引入测量误差。
dFm Ua sin t U m sin t Ca
Um=dFm/Ca； d——压电系数。
（5-20）
式中： Um——压电元件输出电压幅值，
由此可得放大器输入端电压Ui，其复数形式为
i d 33 F U
. Ui的幅值Uim
jR 1 jR( C a C )
(5-21)
由此可得放大器输入端电压u33im522523在理想情况下传感器的r电阻值与前置放大器输入电阻rr1那么由式522可知理想情况下输入电压幅值uim33上式表明前置放大器输入电压uim与频率无关一般在3时就可以认为uim与无关表示测量电路时间常数之倒数即524这表明压电传感器有很好的高频响应但是当作用于压电元件的力为静态力0时前置放大器的输出电压等于零因为电荷会通过放大器输入电阻和传感器本身漏电阻漏掉所以压电传感器不能用于静态力的测量
第7章 压电式传感器
第7章压电式传感器（2学时）本章主要内容7.1 压电式传感器的基本原理7.2 压电式传感器的测量转换电路7.3 压电式传感器的应用教学要求及重点、难点一. 教学要求1. 了解压电式传感器基本原理，2. 熟悉压电式传感器的测量转换电路3. 了解压电式传感器的应用二. 重点、难点压电式传感器的测量转换电路概述压电式传感器是利用某些电介质材料(如石英晶体)具有压电效应现象制成的。
有些电介质材料在一定方向上受到外力(压力或拉力)作用而变形时，在其表面上产生电荷从而可以实现对非电量的检测。
压电式传感器具有体积小、重量轻、频带宽等特点，适用于对各种动态力、机械冲击与振动的测量，广泛应用在力学、声学、医学、宇航等方面。
压电式传感器是一种无源传感器，大多数是利用正向压电效应制成的。
外力去掉后，又回到不带电状态，这种将机械能转换成电能的现象，称为正向压电效应，简称压电效应。
当然这种电介质材料也具有逆压电效应，即在相应表面上施加电压后，电介质材料会发生机械变形；去掉电压后，变形立即消失，它将电能转换成机械能。
逆压电效应也称电致伸缩效应。
7.1 压电式传感器的基本原理一. 压电效应与压电材料1. 压电效应某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用产生变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面产生电荷。
当外力去掉后，又重新回到不带电状态，这种现象称为压电效应。
压电效应分为正向压电效应和逆向压电效应。
某些电介质，当沿着一定方向对其施加外力而使它变形时，内部就产生极化现象，相应地会在它的两个表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态，这种现象称压电效应。
当外力方向改变时，电荷的极性也随之改变，这种将机械能转换为电能的现象，称为正压电效应。
相反，当在电介质极化方向施加电场，这些电介质也会产生一定的机械变形或机械应力，这种现象称为逆向压电效应，也称为电致伸缩效应。
图6.1所示压电元件受力变形后的几种基本形式。
2. 压电材料：具有压电效应的材料称为压电材料，压电材料能实现机-电能量的相互转换，具有一定的可逆性，如图4.71 所示。
压电传感器等效电路
下一页 返回
第二节 压电传感器等效电路和测 量电路
并联连接式压电传感器的输出电容C’和极板上的电荷q‘分别
上一页 下一页 返回
第一节 压电效应和压电材料
三、石英晶体的压电特性
石英晶体是单晶体结构，其形状为六角形晶柱，两端呈六棱 锥形状，如图3-1所示。石英晶体各个方向的特性是不同的。 在三维直角坐标系中，z轴被称为晶体的光轴。经过六棱柱 棱线，垂直于光轴z的x轴称为电轴，把沿电轴x施加作用力 后的电压效应称为纵向压电效应。垂直于光轴z和电轴x的y 轴称为机械轴。把沿机械轴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。沿光轴z方向施加作用力则不产 生压电效应。
下一页 返回
第一节 压电效应和压电材料
二、压电材料简介
压电材料可以分为两大类：压电晶体和压电陶瓷。前者为晶 体，后者为极化处理的多晶体。它们都具有较好特性：压电 常数高，机械性能优良（强度高，固有振荡频率稳定），时 间稳定性和温度稳定性好等，是较理想的压电材料。
1．压电晶体 常见压电晶体有天然和人造石英晶体。石英晶体，其化学成
由于外力作用而使压电材料上产生电荷，该电荷只有在无泄 漏的情况下才会长期保存，因此需要测量电路具有无限大的 输入阻抗，而实际上这是不可能的，所以压电传感器不宜作 静态测量，只能在其上加交变力，电荷才能不断得到补充， 可以供给测量电路一定的电流，故压电传感器只宜作动态测 量。
制作压电传感器时，可采用两片或两片以上具有相同性能的 压电晶片粘贴在一起使用。由于压电晶片有电荷极性，因此 接法有并联和串联两种，如图3-6所示。
上一页 下一页 返回
第一节 压电效应和压电材料
如果在压电陶瓷片上加一个与极化方向平行的外力，陶瓷片 产生压缩变形，片内的束缚电荷之间表面的自由电荷，有一 部分被释放而呈现放电现象。
第二节 压电传感器等效电路和测 量电路
并联连接式压电传感器的输出电容C’和极板上的电荷q‘分别
上一页 下一页 返回
第一节 压电效应和压电材料
三、石英晶体的压电特性
石英晶体是单晶体结构，其形状为六角形晶柱，两端呈六棱 锥形状，如图3-1所示。石英晶体各个方向的特性是不同的。 在三维直角坐标系中，z轴被称为晶体的光轴。经过六棱柱 棱线，垂直于光轴z的x轴称为电轴，把沿电轴x施加作用力 后的电压效应称为纵向压电效应。垂直于光轴z和电轴x的y 轴称为机械轴。把沿机械轴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。沿光轴z方向施加作用力则不产 生压电效应。
下一页 返回
第一节 压电效应和压电材料
二、压电材料简介
压电材料可以分为两大类：压电晶体和压电陶瓷。前者为晶 体，后者为极化处理的多晶体。它们都具有较好特性：压电 常数高，机械性能优良（强度高，固有振荡频率稳定），时 间稳定性和温度稳定性好等，是较理想的压电材料。
1．压电晶体 常见压电晶体有天然和人造石英晶体。石英晶体，其化学成
由于外力作用而使压电材料上产生电荷，该电荷只有在无泄 漏的情况下才会长期保存，因此需要测量电路具有无限大的 输入阻抗，而实际上这是不可能的，所以压电传感器不宜作 静态测量，只能在其上加交变力，电荷才能不断得到补充， 可以供给测量电路一定的电流，故压电传感器只宜作动态测 量。
制作压电传感器时，可采用两片或两片以上具有相同性能的 压电晶片粘贴在一起使用。由于压电晶片有电荷极性，因此 接法有并联和串联两种，如图3-6所示。
上一页 下一页 返回
第一节 压电效应和压电材料
如果在压电陶瓷片上加一个与极化方向平行的外力，陶瓷片 产生压缩变形，片内的束缚电荷之间表面的自由电荷，有一 部分被释放而呈现放电现象。
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第6章 压电式传感器
压电材料 :具有压电效应的材料称为～，压电材料能实现机 —电 能量的相互转换，如图6 - 1所示。性能优良的压电材料 :石英晶 体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料。
机械量
压电元件
电量
图6-1 压电效应可逆性
第6章 压电式传感器 压电材料分类：压电晶体和压电陶瓷。
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， 它直接关系到压电输出灵敏度。 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 容与介电常数有关；而固有电容又影响着压电传感器的频率下 限。 ④ 机械耦合系数：它的意义是，在压电效应中，转换输 出能量（如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根， 这是衡量压电材料机—电能量转换效率的一个重要参数。 ⑤ 电阻: 压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏，从而改善 压电传感器的低频特性。 ⑥ 居里点温度: 它是指压电材料开始丧失压电特性的温度
化强度很大，这时的材料才具有压电特性, 如图6-4（b）所示。
第6章 压电式传感器
x ＋ － y ＋ o P1 － y ＋ －
x
Fx
x Fy y A ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ P1 － － P2 P3 o C ＋ ＋ － B － － － － Fy
A － － － － － － ＋ P1 o － － P3 ＋
P2 P3 －
＋ P2
B ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ Fx
D
(a )
(b )
图6-3 (a) 不受力时； (b) x轴方向受力； (c) y轴方向受力
(c)
第6章 压电式传感器
因为P=ql, q为电荷量，l为正负电荷之间距离。此时正负电荷重
心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即P1+P2+P3=0，所以晶体表面不 产生电荷，即呈中性。
当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时，晶体沿x方向
第6章 压电式传感器
表6-1 常用压电材料性能参数
第6章 压电式传感器 6.1.1
石英晶体SiO2，单晶体结构。 纵向轴—光轴z ， 经过六面体棱线并垂直于光轴的—电轴x ， 与x,z轴同时垂直的轴—机械轴y 纵向压电效应:沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压电效应称～， 横向压电效应:沿机械轴y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为～。 沿光轴z方向的力作用时不产生压电效应。
x
z
x a
c
y
(c) 晶片
(a ) (b ) (阅读P105）石英晶体的上述特性与其内部分子结构有关。 图6-3是一个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子，在垂 直于z轴的xy平面上的投影，等效为一个正六边形排列。 图中 “ ”代表硅离子Si4+， “ ”代表氧离子O2-。 当石英晶体未受外力作用时，正、负离子正好分布在正六 边形的顶角上，形成三个互成120°夹角的电偶极矩P1、P2、P3。 如图6-3（a）所示。
qx d11Fx
(6-1)
d11—x方向受力的压电系数
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 产生电荷qy，其大小为
z
a q y d12 Fy b
z b o y
(6-2)
d12——y方向受力的压电系数，根据石英 晶体的对称性有d12=-d11； a、b——晶体切片的长度和厚度。 o o qx、 x qy的符号由受压力还是受拉力决定。 y
如果沿 z轴方向施加作用力，因为晶体在x方向和 y方向所产生的形 变完全相同，所以正负电荷重心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。这 表明沿z轴方向施加作用力，晶体不会产生压电效应。
当作用力Fx、Fy的方向相反时，电荷的极性也随之改变。
第6章 压电式传感器 6.1.2 压电陶瓷:人工制造的多晶体压电材料。材料内部的晶粒有许多自发极化的
z z b o z
正六面 体,各个 方向的 特性不 同。
x
o y x
o
y
x a
c
y
(a )
(b )
(c)
图6-2天然结构石英晶体(a) 晶体外形； (b) 切割方向； (c) 晶片
第6章 压电式传感器
从晶体上沿 y 方向切下一块图 6-2 （ c ）示的晶片，当沿电轴方 向施加作用力Fx时，在与电轴x垂直的平面上将产生电荷， 其大小 为
电畴，它有一定的极化方向，从而存在电场。
极化过程:在无外电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们各自
的极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷
呈中性，不具有压电性质,
如图6-4（a）所示。施加外电场时→电畴
的极化方向发生转动→趋向于按外电场方向的排列→材料得到极化。 外电场愈强， 就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。让外电场强 度大到使材料的极化达到饱和的程度，即所有电畴极化方向都整齐地与外电 场方向一致时，当外电场去掉后，电畴的极化方向基本不变化，即剩余极
第6章 压电式传感器
第6章 压电式传感器
6.1 压电效应及压电材料 6.2 压电式传感器测量电路 6.3 压电式传感器的应用
第6章 压电式传感器
6.1 压电效应及压电材料
压电效应 :某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时， 内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的 电荷， 当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态。这种现象 称～。当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。 正压电效应 : 有时人们把这种机械能转换为电能的现象， 称为 “正压电效应”。 逆压电效应 : 当在电介质极化方向施加电场，这些电介质也会产 生几何变形，这种现象称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。
将产生压缩变形，正负离子的相对位置也随之变动。如图6-3（b）所 示，此时正负电荷重心不再重合，电偶极矩在 x 方向上的分量由于 P1 的减小和P2、P3的增加而不等于零。在x轴的正方向出现负电荷，
电偶极矩在y方向上的分量仍为零，不出现电荷。
第6章 压电式传感器
当晶体受到沿y轴方向的压力作用时，晶体的变形如图6-3c） 所示。与图 6-3 （ b ）情况相似， P1 增大， P2 、 P3 减小。 在 x 轴上出现 电荷，它的极性为x轴正向为正电荷。在y轴方向上仍不出现 电荷。