压电式传感器的性能测试.
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。
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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
应变式、压阻式、压电式传感器特性比较
应变式、压阻式、压电式传感器特性比较1．应变式传感器应变式传感器是把力的变化转换成电阻值的变化来进行测量的，应变片是由金属导体或半导体制成的电阻体，其阻值随力所产生的应变而变化。
应变效应是导体受机械变形时，其电阻值发生变化的现象。
2．压阻式传感器压阻式传感器的灵敏度比金属丝式应变片的灵敏度高，其精度好，而且响应频率好，工作可靠。
缺点是受温度影响较大，应进行温度补偿压阻效应是物质受外力作用发生变形时，其电阻率发生变化的现象。
3．压电式传感器压电式传感器的原理是基于某些晶体材料的压电效应，目前广泛使用的压电材料有石英和钛酸钡等，当这些晶体受压力作用发生机械变形时，在其相对的两个侧面上产生异性电荷，这种现象称为“压电效应”。
压电式压力传感器不能用作静态测量，一般用于测量脉动压力，不能测量静压力；压电传感器产生的信号很弱而输出阻抗很高，必须根据压电传感器的输出要求，将微弱的信号经过电压放大或电荷放大（一般是电荷放大），同时把高输出阻抗变换成低输出阻抗，此信号才能被示波器或其他二次仪表接受。
压电式传感器与压阻式传感器的区别及其优缺点前边的那个受电场的干扰，后边那个受温度的干扰，看你用在那个场合。
前者的原理是压电效应，后者原理是受力后的应变。
前者的缺点是电荷泄露，优点是结构简单，灵敏度和信噪比高。
后者的缺点是信噪比不高，而且结构比前者复杂，优点是便宜，耐用，频率响应好。
压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基片上经扩散电阻而制成的器件。
其基片可直接作为测量传感元件，扩散电阻在基片内接成电桥形式。
当基片受到外力作用而产生形变时，各电阻值将发生变化，电桥就会产生相应的不平衡输出。
用作压阻式传感器的基片（或称膜片）材料主要为硅片和锗片，硅片为敏感材料而制成的硅压阻传感器越来越受到人们的重视，尤其是以测量压力和速度的固态压阻式传感器应用最为普遍。
压电式传感器：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。
【实验报告】压电式传感器测振动实验报告
压电式传感器测振动实验报告篇一：压电式传感器实验报告一、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。
四、实验步骤：1、压电传感器装在振动台面上。
2、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。
3、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，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。
3、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。
4、改变低频振荡器的频率，观察输出波形变化。
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1、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）。
3、参考“光纤传感器位移特性试验”的实验连线，Vo1与低通滤波器中的Vi 相接，低通输出Vo接到示波器。
4、将低频振荡器的幅度输出旋转到零，低频信号输入到振动模块中的低频输入。
5、将频率档选在6~10Hz左右，逐步增大输出幅度，注意不能使振动台面碰到传感器。
传感器实验
实验一 （1）金属箔式应变片——单臂电桥性能实验一、实验目的：了解金属箔式应变片的应变效应，单臂电桥工作原理和性能。
二、基本原理：电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为：εK R R =∆/式中R R /∆为电阻丝电阻的相对变化，K 为应变灵敏系数，l l /∆=ε为电阻丝长度相对变化，金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，通过它转换被测部位的受力状态变化，电桥的作用是完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。
单臂电桥输出电压U O14/εEK =。
三、需用器件与单元：应变式传感器实验模块、应变式传感器、砝码、数显表、±15V 电源、±4V 电源、万用表（自备）。
四、实验步骤：1、根据图1-1应变式传感器已装于应变传感器模块上。
传感器中各应变片已接入模块的左上方的R 1、R2、R3、R 4。
加热丝也接于模块上，可用万用表进行测量判别，R 1= R 2= R 3= R 4=350Ω，加热丝阻值为50Ω左右。
2、接入模块电源±15V （从主控箱引入），检查无误后，合上主控箱电源开关，将实验模块调节增益电位器Rw 3顺时针调节大致到中间位置，再进行差动放大器调零，方法为将差放的正、负输入端与地短接，输出端与主控箱面板上的数显表电压输入端Vi 相连，调节实验模块上调零电位器Rw 4，使数显表显示为零（数显表的切换开关打到2V 档）。
关闭主控箱电源。
图1-1 应变式传感器安装示意图3、将应变式传感器的其中一个应变片R 1（即模块左上方的R 1）接入电桥作为一个桥臂与R 5、R 6、R 7接成直流电桥（R 5、R 6、R 7模块内已连接好），接好电桥调零电位器Rw 1，接上桥路电源±4V （从主控箱引入）如图1-2所示。
检查接线无误后，合上主控箱电源开关。
调节Rw 1，使数显表显示为零。
压电式传感器实验报告
压电式传感器实验报告压电式传感器实验报告引言压电式传感器是一种常见的传感器类型，利用压电效应来测量物理量。
本实验旨在通过实际操作和数据分析，探索压电式传感器的工作原理和应用。
实验目的1. 了解压电效应的基本原理；2. 掌握压电式传感器的工作原理；3. 学习使用实验仪器和测量设备；4. 分析压电式传感器在不同应用场景下的特点和限制。
实验器材与方法1. 实验器材：压电式传感器、信号放大器、示波器、电源等；2. 实验方法：将压电式传感器与信号放大器和示波器连接，通过施加外力或改变环境条件，观察传感器输出信号的变化。
实验过程与结果1. 实验一：压力测量将压电式传感器连接到信号放大器和示波器，施加不同的压力到传感器上，并记录示波器上的输出信号。
结果显示，当施加压力时，传感器输出的电压信号随之增加，表明压电式传感器能够准确测量外部压力。
2. 实验二：温度测量将压电式传感器暴露在不同温度环境下，记录示波器上的输出信号。
结果显示，传感器输出的电压信号随温度的升高而增加，说明压电式传感器对温度变化敏感，并可用于温度测量。
3. 实验三：振动测量将压电式传感器固定在振动源上，记录示波器上的输出信号。
结果显示，传感器输出的电压信号随振动频率和振幅的变化而变化，表明压电式传感器能够测量振动的特征。
讨论与分析1. 压电效应是压电式传感器工作的基础，其原理是施加压力或改变温度会使压电材料产生电荷分离和极化，进而产生电压信号。
2. 压电式传感器的优点包括高灵敏度、快速响应和广泛的应用领域。
然而，它也存在一些限制，如温度和湿度对传感器性能的影响，以及易受机械冲击和振动的干扰。
3. 在实际应用中，压电式传感器可用于压力、温度、振动等物理量的测量，如工业自动化、医疗设备、环境监测等领域。
结论通过本实验，我们深入了解了压电式传感器的工作原理和应用。
压电式传感器具有广泛的应用前景，但在实际使用中需要考虑其特点和限制。
通过进一步的研究和改进，可以提高压电式传感器的性能和可靠性，推动其在各个领域的应用。
压电式传感器实验报告
压电式传感器实验报告传感器实验报告某某大学?综合性、设计性实验报告实验项目名称所属课程名称传感器工程实践实验日期班级学号姓名成绩1电气与信息工程学院实验室2345篇二：东南大学传感器实验报告传感器第一次实验试验一金属箔式应变片——单臂电桥性能实验一．实验目的了解金属箔式应变片的应变效应及单臂电桥工作原理和性能。
二．基本原理电阻丝在外力作用下发生机械形变时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应。
金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，通过它反映被测部位受力状态的变化。
电桥的作用是完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。
单臂电桥输出电压Uo1?EK?/4，其中K为应变灵敏系数，L/L为电阻丝长度相对变化。
三．实验器材主机箱、应变传感器实验模板、托盘、砝码、万用表、导线等。
四．实验步骤1. 根据接线示意图安装接线。
2. 放大器输出调零。
3. 电桥调零。
4. 应变片单臂电桥实验。
测得数据如下：实验曲线如下所示：分析：由图可以看出，输出电压与加载的重量成线性关系，由于一开始调零不好，致使曲线没有经过原点，往上偏离了一段距离。
5. 根据表中数据计算系统的灵敏度S??U/?W（?U为输出电压变化量，?W为重量变化量）和非线性误差m/yFS?100%，式中?m为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差；yFS为满量程输出平均值，此处为140g。
?U=30mv，?W=140g，0 所以S?30/140.2m1v43gm=1.9768g，yFS=140g，40100% 所以??1.9768/16. 利用虚拟仪器进行测量。
1.五．思考题单臂电桥工作时，作为桥臂电阻的应变片应选用：（1）正（受拉）应变片；（2）负（受压）应变片；（3）正、负应变片均可以。
答：应变片受拉，所以选（1）正应变片。
实验二金属箔片应变片——板桥性能实验一、实验目的比较半桥与单臂电桥的不同性能、了解其特点二．基本原理不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，电桥暑促灵敏度提高，非线性得到改善。
实验 压电式传感器实验
实验压电式传感器实验实验项目编码：实验项目时数：2实验项目类型：综合性（）设计性（）验证性（√）一、实验目的本实验的主要目的是了压电式传感器的结构特点；熟悉压电传感器的工作原理；掌握压电传感器进行振动和加速度测量的方法。
二、实验内容及基本原理（一）实验内容1．压电传感器进行振动和加速度测量的方法（二）实验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：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。
压电材料受到外力作用时，在发生变形的同时内部产生极化现象，它表面会产生符号相反的电荷。
当外力去掉时，又重新回复到原不带电状态，当作用力的方向改变后电荷的极性也随之改变，如图1 (a) 、(b) 、(c)所示。
这种现象称为压电效应。
(a) (b) (c)图1 压电效应2．压电晶片及其等效电路多晶体压电陶瓷的灵敏度比压电单晶体要高很多，压电传感器的压电元件是在两个工作面上蒸镀有金属膜的压电晶片，金属膜构成两个电极，如图2(a)所示。
当压电晶片受到力的作用时，便有电荷聚集在两极上，一面为正电荷，一面为等量的负电荷。
这种情况和电容器十分相似，所不同的是晶片表面上的电荷会随着时间的推移逐渐漏掉，因为压电晶片材料的绝缘电阻(也称漏电阻)虽然很大，但毕竟不是无穷大，从信号变换角度来看，压电元件相当于一个电荷发生器。
从结构上看，它又是一个电容器。
因此通常将压电元件等效为一个电荷源与电容相并联的电路如2(b)所示。
其中ea=Q/Ca 。
式中，ea为压电晶片受力后所呈现的电压，也称为极板上的开路电压；Q为压电晶片表面上的电荷；Ca为压电晶片的电容。
实际的压电传感器中，往往用两片或两片以上的压电晶片进行并联或串联。
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。
电子血压计采用的传感器技术与性能比较分析
电子血压计采用的传感器技术与性能比较分析一、引言随着现代医疗技术的不断发展，电子血压计已经成为临床上测量血压的主要工具之一。
电子血压计通过传感器技术能够快速、准确地获取血压数据，为医生诊断疾病提供重要参考。
本文将就电子血压计采用的传感器技术与性能展开比较分析，以揭示各种传感器技术的优缺点，从而为消费者选择合适的产品提供帮助。
二、压力传感器压力传感器是电子血压计中最重要的传感器之一，它通过测量被测物体的压力变化来确定血压值。
目前主要的压力传感器技术有：1. 振膜式传感器振膜式传感器通过血压袖带上的振膜感应被测对象的脉搏压力，常用于手持式电子血压计中。
其优点是结构简单、响应速度快，但精度相对较低。
2. 压电式传感器压电式传感器是一种利用压电效应测量压力的传感器技术，具有较高的精度和稳定性，在一些高端电子血压计中得到应用。
然而，价格相对较高。
三、测量算法除了传感器技术，电子血压计的测量算法也对性能起到重要影响。
目前常见的测量算法有：1. 振动测量法振动测量法通过测量血液流经动脉时产生的振动来计算血压值，其优点是无需充气，测量速度快。
但在某些情况下精度可能不高。
2. 充气式测量法充气式测量法是传统的血压测量方法，在电子血压计中得到了发展。
通过对袖带内气压的调节来测量血压值，精度高但测量时间较长。
四、应用领域比较不同的传感器技术和测量算法适用于不同的应用领域。
振膜式传感器适用于便携式血压计，而压电式传感器适用于专业医疗设备。
振动测量法适用于快速便捷的血压测量，充气式测量法适用于对精度要求较高的场合。
五、总结通过本文对电子血压计采用的传感器技术与性能的比较分析，可以看出不同的传感器技术和测量算法各有优劣，应根据实际需求选择合适的电子血压计产品。
希望本文能够为消费者在购买电子血压计时提供一定的参考依据。
以上就是关于电子血压计采用的传感器技术与性能比较分析的相关内容，希望对您有所帮助。
压电式传感器测量的基本参数
压电式传感器测量的基本参数
压电式传感器测量的基本参数可以包括以下几个方面：
1. 灵敏度（Sensitivity）：指传感器输出信号与输入量之间的
关系。
通常以电压或电流的变化率表示，单位为V/m、
mV/kPa等。
2. 测量范围（Measurement Range）：指传感器能够测量的输
入量的最小值和最大值。
通常表示为最小值和最大值的差值，单位为Pa、kPa等。
3. 静态特性（Static Characteristics）：包括零点漂移、线性度、重复性等。
零点漂移是指在零输入条件下，输出信号的变化；线性度是指输入量与输出信号之间的关系是否是线性的；重复性是指在多次测量同一输入量后，输出信号的变化程度。
4. 动态特性（Dynamic Characteristics）：包括响应时间、输出
信号的频率响应等。
响应时间是指传感器从接收到输入信号到输出信号达到稳定状态所需的时间；频率响应是指传感器对输入信号的频率变化所作出的响应。
5. 温度特性（Temperature Characteristics）：包括温度影响、
温度稳定性等。
温度影响是指传感器输出信号随温度变化而产生的变化；温度稳定性是指在一定温度范围内，传感器输出信号的稳定性。
以上是压电式传感器测量的基本参数，实际应用中还可以根据具体需求添加其他参数。
压电式传感器
测量时，将传感器基座与试件刚性固定在一起。当传感器感受到振动时，由
于弹簧的刚度相当大，而质量块的质量相对较小，可以认为质量块的惯性很小， 因此质量块感受到与传感器基座相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力 作用。这样，质量块就有一正比于加速度的交变力作用在压电片上。由于压电片 具有压电效应，因此在它的两个表面上就产生了交变电荷（电压），当振动频率 远低于传感器固有频率时，传感器的输出电荷（电压）与作用力成正比，即与试 件的加速度成正比。输出电量由传感器输出端引出，输入到前置放大器后就可以 用普通的测量器测出试件的加速度，如在放大器中加进适当的积分电路，就可以 测出试件的振动加速度或位移。
极严格的要求，否则会使横向灵敏度增加或使片子因应力集中而过早破碎。为提
高绝缘阻抗，传感器装配前要经过多次净化（包括超声波清洗），然后在超净工 作环境下进行装配，加盖之后用电子束封焊。
2）压电式加速度传感器 如图所示为压缩式压电加 速度传感器的结构原理图， 压电元件一般由两片压电片 组成。在压电片的两个表面 上镀银层，并在银层上焊接 输出引线，或在两个压电片 之间夹一片金属，引线就焊 接在金属片上，输出端的另 一根引线直接与传感器基座 相连。在压电片上放置一个 比重较大的质量块，然后用 一硬弹簧或螺栓、螺帽对质量块预加载荷。整个组件装在一个厚基座的金属壳 体中，为了隔离试件的任何应变传递到压电元件上去，避免产生假信号输出， 所以一般要加厚基座或选用刚度较大的材料来制造。
压电式传感器
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。压电式传感器只 能利用正向压电效应制成。
压电式雨量传感器试验标准
外观：压电式雨量传感器的外观应无明显缺陷，各部分组件（如雨量筒、传感器、显示屏等）应完好无损，安装牢固，不出现渗漏现象。
精度：对于压电式雨量传感器，其精度应满足国家规定的计量要求，如误差不超过±4%降雨量等。
分辨率：压电式雨量传感器的分辨率应不小于0.01mm。
零点漂移：在测试期间，压电式雨量传感器的零点漂移应不超过±0.05mm。
最大工作电压：压电式雨量传感器的最大工作电压不应超过36V。
绝缘电阻：在500V直流电压下，压电式雨量传感器的绝缘电阻应不小于5MΩ。
耐压：压电式雨量传感器应能承受50Hz正弦波 1.5倍最大工作电压的耐压试验，且无击穿或闪烁现象。
响应时间：压电式雨量传感器的响应时间应不大于2s。
测量范围：压电式雨量传感器应能准确测量给定范围内的降雨量。
重复性：在相同条件下，对同一降雨过程进行多次测量，压电式雨量传感器的测量结果应具有较好的重复性。
《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）。
压电式传感器资料
目录
CONTENTS
• 压电式传感器概述 • 压电效应及材料特性 • 传感器结构与工作原理 • 性能评价与测试方法 • 选型、安装与使用注意事项 • 典型应用案例分析
01 压电式传感器概述
CHAPTER
定义与工作原理
定义
压电式传感器是一种利用压电效应将机械能转换为电能的装置。其核心部件是压 电材料，当受到外力作用时，压电材料内部会产生极化现象，从而在材料表面产 生电荷，实现机械能到电能的转换。
01
03
机械品质因数
反映压电材料在振动过程中的能量损 耗，影响传感器的频率响应和稳定性。
选用依据
根据具体应用场景和需求，综合考虑 压电材料的性能参数、成本、加工难 度等因素进行选择。
05
04
居里温度
压电材料失去压电性的温度点，选用 时需考虑传感器的工作温度范围。
03 传感器结构与工作原理
CHAPTER
航空航天
在航空航天领域，压电式传感器可用于测量飞行 器的加速度、振动、压力等参数，确保飞行器的 安全和稳定。
军事领域
压电式传感器在军事领域也有广泛应用，如用于 测量枪炮射击时的后坐力、导弹发射时的冲击力 等。
谢谢
THANKS
压电力传感器
压电压力传感器
利用压电元件在压力作用下产生电荷 的原理来测量压力。广泛应用于气压、 液压等压力测量领域。
通过测量受力物体对压电元件的作用 力来测量力的大小。常用于工业控制、 机器人等领域中的力反馈控制。
04 性能评价与测试方法
CHAPTER
性能评价指标体系建立
重复性
线性度
描述传感器输出信号与被测量之 间线性关系的程度，用线性误差 表示。
【课件】传感器与检测技术---压电式传感器解析
P1 -
P3
P2 +
-
X
零，即
P1＋P2＋P3＝0
(a) FX=0
当晶体受到沿X方向的压力（FX<0）作用时，晶体沿X方 向将产生收缩，正、负离子相对位置随之发生变化，如 图（b）所示。此时正、负电荷中心不再重合，电偶极矩 在X方向的分量为(P1+P2+P3)X>0
在Y、Z方向上的分量为：
（P1+P2+P3）Y=0 （P1+P2+P3）Z=0
（二） 压电陶瓷
1、 钛酸钡压电陶瓷 钛酸钡（BaTiO3）是由碳酸钡（BaCO3）和二氧化
钛（TiO2）按1：1分子比例在高温下合成的压电陶瓷。 它具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为石
英晶体的50倍）。不足之处是居里温度低（120℃）， 温度稳定性和机械强度不如石英晶体。
2、 锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT） 锆钛酸铅是由PbTiO3和PbZrO3组成的固溶体Pb（Zr、
F －－－－－ － ＋＋＋＋＋
极化方向 －－－－－ ＋＋＋＋＋＋
正压电效应示意图 （实线代表形变前的情况，虚线
代表形变后的情况）
同样，若在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场， 如图，由于电场的方向与极化强度的方向相同，所以电 场的作用使极化强度增大。这时，陶瓷片内的正负束缚 电荷之间距离也增大，就是说，陶瓷片沿极化方向产生 伸长形变（图中虚线）。同理，如果外加电场的方向与 极化方向相反，则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变。这 种由于电效应而转变为机械效应或者由电能转变为机械 能的现象，就是逆压电效应。
FY CX
（二） 压电陶瓷的压电效应
压电陶瓷属于铁电体一类的物质，是人工制造的多晶压电材 料，它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。电畴是分子自发 形成的区域，它有一定的极化方向，从而存在一定的电场。在无 外电场作用时，各个电畴在晶体上杂乱分布，它们的极化效应被 相互抵消，因此原始的压电陶瓷内极化强度为零，见图（a）。 在外电场的作用下，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场 的方向排列。从而使材料得到极化，如图 (b)所示。极化处理之后， 陶瓷材料内部仍存在有很强的剩余极化。如图 (c)所示。
压电式传感器实验报告
压电式传感器实验报告压电式传感器实验报告引言：压电式传感器是一种常用的传感器，利用压电效应将压力、力或加速度等物理量转换为电信号。
本实验旨在通过实际操作，了解压电式传感器的工作原理、特性及应用，并通过实验数据分析，探讨其在工程领域中的应用前景。
实验装置与步骤：实验装置包括压电式传感器、信号放大电路、数据采集卡和计算机等。
首先，将压电式传感器连接至信号放大电路，再将信号放大电路与数据采集卡相连，最后将数据采集卡连接至计算机。
在实验过程中，需要注意保持实验环境的稳定，避免外界干扰。
实验一：压电式传感器的特性测试在此实验中，我们将测试压电式传感器的灵敏度、频率响应和线性度等特性。
首先，将压电式传感器固定在测试台上，然后通过施加不同大小的压力来模拟实际应用中的不同工况。
同时，通过改变施加压力的频率，测试传感器的频率响应特性。
最后，记录并分析实验数据，得出传感器的灵敏度和线性度等参数。
实验二：压电式传感器在振动测量中的应用压电式传感器在振动测量中有着广泛的应用。
在此实验中，我们将利用压电式传感器测量不同振动源的振动信号，并通过数据采集卡将信号传输至计算机进行分析。
通过对振动信号的频谱分析，我们可以了解振动源的频率成分及其强度，从而为工程设计提供参考依据。
实验三：压电式传感器在压力测量中的应用压电式传感器在压力测量中也有着重要的应用。
在此实验中，我们将利用压电式传感器测量不同压力下的电信号，并通过数据采集卡将信号传输至计算机进行分析。
通过对压力信号的变化趋势进行分析，我们可以了解被测对象的压力状态及其变化规律，从而为工程设计提供参考依据。
实验结果与分析：通过实验数据的分析，我们可以得出压电式传感器的灵敏度、频率响应、线性度等参数。
同时，我们还可以通过对振动信号和压力信号的分析，了解被测对象的振动状态和压力状态。
这些分析结果对于工程设计和故障诊断等领域具有重要的参考价值。
结论：压电式传感器是一种常用的传感器，具有灵敏度高、频率响应广、线性度好等优点。
使用压电传感器进行力的测量的原理与方法
使用压电传感器进行力的测量的原理与方法引言力的测量在科学研究、制造业和医疗领域等众多领域中都扮演着重要的角色。
近年来，随着科技的不断进步，压电传感器作为一种高灵敏度、高精度的力传感器被广泛应用于力的测量。
本文将介绍使用压电传感器进行力的测量的原理与方法。
一、原理压电传感器基于压电效应，即施加压力时导致介质产生电荷。
压电材料通常是一种晶体，当外力作用于晶体时，晶体中的正负电荷会发生分离，从而产生电荷。
压电材料通过将外力转化为电荷的变化，从而实现对压力的测量。
二、压电传感器的结构压电传感器主要由压电元件、传感器壳体、接口电缆和放大器等组成。
压电元件是压电传感器的核心部分，通常采用石英或陶瓷等材料制成。
传感器壳体起到保护压电元件的作用，接口电缆用于将压电元件的电信号传输给放大器进行处理，放大器则起到信号放大和处理的作用。
三、压电传感器的测量方法1. 静态测量方法：静态测量方法是将压力施加到压电传感器上，然后记录测量读数。
这种方法适用于静态力的测量，如物体的重量。
通过将压力转化为电荷变化，然后通过放大器进行信号放大和处理，最终得到测量结果。
2. 动态测量方法：动态测量方法适用于需要记录力的动态变化的情况，如冲击力的测量。
这种方法在静态测量方法的基础上，加入了时间因素的考虑。
可以通过将压电传感器与快速数据采集系统结合，实时记录压力的变化情况。
3. 多点测量方法：有些测量需要在多个点同时进行，以得到更全面的力分布信息。
在这种情况下，可以将多个压电传感器进行组合，分别安装在不同的测量点上，通过平行接法或串行接法将多个传感器的信号合并。
四、压电传感器的应用1. 工程领域：压电传感器在工程领域中广泛应用于材料测试、结构强度分析以及机械力学等方面。
例如，利用压电传感器可以测量建筑物的变形、材料的硬度和强度等。
2. 医疗领域：在医疗领域，压电传感器可用于测量心率、血压以及骨骼的压力等，帮助医生进行诊断和治疗。
例如，通过压电传感器可以监测人体的呼吸和运动情况。
压电振动加速度传感器的性能指标
爆震测量
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七、振动的频谱分析及仪器
测量时域图形用的是示波器，测量频 域图形用频谱仪.
时域图形
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频谱仪
频域图形
（频谱图）
频谱图或频域图：它的横坐标为频率f，纵坐标 可以是加速度，也可以是振幅或功率等。它反映了 在频率范围之内，对应于每一个频率分量的幅值。
扭矩。
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爆震波形
汽车发动机中的气缸点火时刻
必须十分精确。如果恰当地将点火 时间提前一些，即有一个提前角，
就可使汽缸中汽油与空气的混合气
体得到充分燃烧，使扭矩增大，排 污减少。但提前角太大时，混合气 体产生自燃，就会产生冲击波，发 出尖锐的金属敲击声，称为爆震， 可能使火花塞、活塞环熔化损坏， 使缸盖、连杆、曲轴等部件过载、 变形，可用压电传感器检测并控制 之。
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气象接收及 发射ห้องสมุดไป่ตู้线
浮标
振动压力 传感器
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深海地沟
6000m海底
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本章作业 p108：2、3、5
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休息一下
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（参考东方振动和噪声技术研究所资料）
包含高次谐波的频谱
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基波与三次谐波的频谱
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基波与
3次谐
波合成
的波形
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方波可分 解成同频 基波及 3、 5、 7……奇次 谐波
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依靠频谱分析法
进行故障诊断
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ua dFm sin t U m sin t（18—1） Ca
i1 1 1 0
i
A 图 图18.1 电压放大器工作原理图
B 图
2.电荷放大器 电荷放大器通常作为压电传感器的输出电路，它由一个反馈电容和高增益 运算放大器组成。当忽略和并联电阻的影响后，其等效电路如图18.2所示。 图中A为运算放大器增益，由于运算放大器输入阻抗极高，故放大器输入 端几乎没有分流，其输出电压U0为：
U im
以忽略频率的影响了。ω 0为测量电路时间常数之倒数，即ω 0=1/R （Ca+Cc+Ci），这表明压电传感器有很好的高频响应，但是当作用力为静态力 （ω =0）时，则前置放大器的输入电压为零，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， 所以压电式传感器不能用于 Ca Ca U + 静态力（变形）的测量，只 A 能用于动态测量中。由于Uim C R Rc Cc R R C U 与Cc（电缆分布电容）有关，U U U 故传感器与前置放大器之间 R 的连接电缆不能随意更换， 否则会引起测量不准确。
式中：Um为压电传感器输出电压幅值，Um=dFm/ Ca；d是压电系数； 由此可得放大器输入端电压Ui，其复数形式为
U i dFmLeabharlann Ui的幅值Uim为U im
jR （18—2） 1 jR (Ci Cc C a )
dFm R
1 2 R 2 (C i C c C a ) 2
压电式传感器的前置放大级起到以下二个方面的作用：一是把传感器的高 输出阻抗变换成低输出阻抗；二是放大传感器输出的微弱信号。压电式传感 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：一种是电压放大器，它的输出电压与输入电压（传感器的输出电压） 成正比；另一种是电荷放大器，其输出电压与传感器的输出电荷成正比。下 面分别介绍电压放大器和电荷放大器的工作原理。
（18—3）
输入电压与作用力的相位差为
2
18—4） arctg R(C a C c Ci ) （
在理想状态下，传感器的Ra与前置放大器的Ri均为无穷大，即ω R(Ca+Cc+Ci) 远大于1，所以由式（18—3）可得理想状态时的输入电压幅值为 （18—5） dFm 上式说明前置放大器输入电压与频率无关。一般认为 ω /ω 0>3时，就可 Ci C c C a
第18章 压电式传感器的性能测试 18.1 实训的目的要求
18.1.1实训目的 1.通过实训更好地掌握有关压电式传感器的结构原理，更好地理解相 关的理论知识，为更好地使用这种传感器打下坚实的基础；
2.通过实训彻底弄清压电式传感器的构造情况，了解其使用过程中常 见的故障，掌握排除的方法；
3.了解这种传感器在工程实际中的应用状况，弄清其性能特点和应用 范围；
2
4.机械耦合系数：在压电效应中，其值等于转换输出能量（如电能）与 输入能量（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； 5.电阻：压电材料的绝缘电阻将减小电荷泄漏，从而改善压电传感器的 低频特性； 6.居里点：压电材料开始丧失压电特性时的温度称为居里点； 18.2.2 常用压电材料 目前常用的压电材料主要有石英晶体、钛酸钡（BaTiO3）、锆钛酸铅 (PZT)等很多种类。石英晶体材料的压电系数很稳定，但其灵敏度较低且介 电常数小，因此已渐渐地被其它压电材料代替；钛酸钡材料有较高的压电 系数且价格低廉，但只适用于700C以下的低温场合；锆钛酸铅系压电材料是 钛酸铅(PbTiO3)和锆酸铅(PbZrO3)组成的固溶体。这种陶瓷的压电性能大约 是钛酸钡的两倍，特别是在—55~2000C的温度范围内无晶相转变，已成为压 电陶瓷研究的主要对象。它的缺点是烧结过程中氧化铅（PbO）的挥发问题， 难以获得致密的烧结体，以及压电性能依赖于钛和锆的组成比，难以保证 性能的均匀一致。 18.2.3 测量电路简介 压电式传感器本身具有很高的内阻抗，而输出的能量又非常微弱，因 此它的测量电路通常需要有一个高输入阻抗的前置放大级作为阻抗匹配， 方可接入到一般的放大、检波和显示等处理电路，或者再经功率放大器至 记录仪器。
18.1.2实训要求
1.认真复习有关压电式传感器的工作原理、性能特点等理论知识； 2.预习该实训的相关内容，看懂实训教程所给的电路原理图，考虑好 接线和布线的方法，以利于更好地完成本次实训； 3.认真仔细地测量每一个数据，作好记录、及时完成实训报告；
1
18.2 实训的基本原理
18.2.1压电式传感器的工作原理 压电式传感器的工作原理是建立在某些材料的压电效应的基础上的，它 利用具有压电效应的材料作为传感器的敏感元件，将被测量转换为电信号， 实现对非电量的检测。所谓压电效应[7]是指某些电介质材料，当沿着某些 特定方向对其施加作用力使其发生变形时，这种材料的内部就会产生极化 现象，在其相对的两个表面会形成正负电荷。一旦外力消失后又会重新恢 复到不带电状态，这种应变致电现象叫压电效应。当改变作用力的方向时， 电荷的极性也随之改变。我们把由机械能转换成电能的现象叫“正压电效 应”；反之，若在电介质的极化方向上施加一定的电场，它们就会产生变 形，我们称之为“逆压电效应”或叫“电致伸缩效应”。 自然界中大多数晶体都具有压电效应，但压电效应十分微弱，不具备实 用价值。压电材料可能分成两大类：压电晶体和压电陶瓷。衡量压电材料 的性能参数主要有： 1.压电常数：它是衡量材料压电效应强弱的参数，直接关系到输出灵敏 度； 2.弹性常数：它与压电器件的固有频率和动态特性有关； 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；