压电传感器的信号调节
传感器信号调理电路
（1）反向比例运算放大器
二、典型放大器的设计 （一）反相放大器
放大倍数
R2
A= uo / ui = –R2 / R1 当R2 = R1时， uo =- ui
ui
R1
-ห้องสมุดไป่ตู้
∞
+
uo
+ N1
R3
（2）同相放大器
放大倍数
R2
R1 -
A= uo / ui = 1+R2 / R1
反向运算放大器存在的问题主要是 输入电阻较低，通常只有几千欧 而同比例运算放大器可以得到较大的 输入电阻，较低的输出电阻
测量放大器也叫仪表放大器、数据放大器 它对微小差模电压很敏感，适用于测量远 距离的小信号，适合与微小信号输出的传 感器配合使用。
2 测量放大器的电路原理
测量放大器构成
由两级放大器构成：
Ui1
+
A1
U3
R3
U5
R5
-
1. 两个同相放大 器A1、A2输 入阻抗高。 2. 普通差动放大 器A3，将双端 输入变为对地 的单端输入。
1.3 信号调理电路与敏感、转换元件输出阻抗匹配 敏感或转换元件的输出阻抗大小决定电路结构形式。 (1) 高输出阻抗型 敏感元件输出信号微弱、输出阻抗高，如压电元件，其 输出阻抗高达108Ω以上。 电路的作用：一是吸收信号源的输出并进行一定变换和 放大，将信号变换成电路易于处理的形式；二是阻抗变 换，将高输出阻抗变换成低输出阻抗。要求电路有高输 入阻抗和尽可能低的输出阻抗，以及低噪声、低漂移和 抗干扰能力。 (2) 低输出阻抗型 传感器的输出阻抗较低，输出信号形式多种多样。 后接电路的作用：一般是将信号不失真地变换成较强的 电压或电流信号，在它的性能上对稳定性、抗干扰能力 等方面考虑较多。
压电式压力传感器(带信号放大解调滤波电路)
题目：压电式压力传感器的设计姓名：刘福班级：3 学号：********** 专业：测控技术与仪器目录引言第一章传感器基本原理第二章传感器的基本要求第三章传感器的结构设计第四章传感器的参数计算第五章测量电路信号处理电路总结参考文献一、引言此次压电式力传感器主要阐述了压电式力传感器的具体设计过程。
设计过程主要包括设计格式、设计要求及设计过程中有关压电式力传感器的设计，还有在整个设计过程中的有关计算、与传感器相连的测试电路。
本压电式传感器采用压缩型单项里传感器结构，利用纵向压电效应进行工作，在设计中压电材料采用石英晶体。
由于安装中需施加预紧力，以保证该传感器的线性度良好，故留出一定的过载量，本设计中重点考虑了各部分的面积、刚度等参数，未讨论预紧力的选用范围，可能还存在一些其他因素，如安装误差等可以影响设计传感器的性能，属于正常范围内，使用中可忽略。
压电式传感器的设计，主要是让同学们了解传感器的设计过程，知道如何计算一些参数，如何设计尺寸，如何选择材料，把自己学到的知识熟练灵活的运用起来，活学活用，加深对传感器这门课程的认知。
第一章传感器基本原理1、基本原理：压电效应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。
常见有以下几种压电效应模型（见图1）图1压电效应可分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,内部就产生电极化,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。
基于压电加速度计速度测量信号调理电路设计
课程设计报告题目基于单片机的压电加速度传感器低频信号采集系统的设计2014-2015 第二学期专业班级2012级电气5班姓名赵倩学号************指导教师马鸣教学单位电子电气工程学院2015年7月6日课程设计任务书一、压电式加速度传感器的概要 (4)二、信号采集系统的总设计方案 (5)三、信号采集系统分析 (6)1、电荷转换部分: (6)2、适调放大部分 (6)3、低通滤波部分: (7)4、输出放大部分 (7)5、积分器部分： (8)四、单片机软件设计 (8)五、Multisim仿真分析 (10)1．仿真电路图 (10)2.仿真波形及分析 (11)六、误差分析 (11)1、连接电缆的固定 (11)2、接地点选择 (12)3、湿度的影响 (12)4、环境温度的影响 (12)七、改进措施 (12)六、心得体会 (12)七、参考文献 (13)前言在数据采集领域，NI作为虚拟仪器技术的开创者和领导者，也是基于PC的数据采集产品的领导者，为用户提供了最为广泛的数据采集设备选择。
但配备NI公司的数据采集硬件及软件比较昂贵，并且对于本文中在实验室进行的压电加速度传感器信号的采集，其输出模拟量为缓变低频信号，采用总线型。
压电式加速度传感器是以压电原材料为转换元件，输出与加速度成正比的电荷或电压量的装置。
由于它具有结构简单、工作可靠等性能，目前已成为冲击振动测试技术中使用广泛的一种传感器。
世界各国作为量值传递标准的高频和中频基准的标准加速度传感器，都是压电式的。
本文基于上述特点对压电加速度传感器低频信号进行了分析，同时在参阅大量文献资料的情况下设计了基于单片机的压电加速度传感器低频信号的采集系统。
基于单片机的压电加速度传感器低频信号采集系统的设计一、压电式加速度传感器的概要压电式加速度传感器是一种典型的自发式传感器，又称压电加速度计，它也属于惯性式传感器。
它是以某些晶体受力后在其表面产生电荷的电压效应为转换原理的传感器。
压电式加速度传感器的信号输出形式
电荷输出型传统的压电加速度计通过内部敏感芯体输出一个与加速度成正比的电荷信号。
实际使用中传感器输出的高阻抗电荷信号必须通过二次仪表将其转换成低阻抗电压信号才能读取。
由于高阻抗电荷信号非常容易受到干扰，所以传感器到二次仪表之间的信号传输必须使用低噪声屏蔽电缆。
由于电子器件的使用温度范围有限，所以高温环境下的测量一般还是使用电荷输出型。
北智BW-Sensor采用进口陶瓷的加速度计可在温度-40oC~250oC范围内长期使用。
低阻抗电压输出型（IEPE）IEPE型压电加速度计即通常所称的ICP型压电加速度计。
压电传感器换能器输出的电荷通过装在传感器内部的前置放大器转换成低阻抗的电压输出。
IEPE型传感器通常为二线输出形式，即采用恒电流电压源供电;直流供电和信号使用同一根线。
通常直流电部分在恒电流电源的输出端通过高通滤波器滤去。
IEPE型传感器的最大优点是测量信号质量好、噪声小、抗外界干扰能力强和远距离测量，特别是新型的数采系统很多已配备恒流电压源，因此，IEPE传感器能与数采系统直接相连而不需要任何其它二次仪表。
在振动测试中IEPE传感器已逐渐取代传统的电荷输出型压电加速度计。
传感器的灵敏度，量程和频率范围的选择压电型式的加速度计是振动测试的最主要传感器。
虽然压电型加速度计的测量范围宽，但因市场上此类加速度计品种繁多，所以给正确的选用带来一定的难度。
艾驰商城是国内最专业的MRO工业品网购平台，正品现货、优势价格、迅捷配送，是一站式采购的工业品商城！具有10年工业用品电子商务领域研究，以强大的信息通道建设的优势，以及依托线下贸易交易市场在工业用品行业上游供应链的整合能力，为广大的用户提供了传感器、图尔克传感器、变频器、断路器、继电器、PLC、工控机、仪器仪表、气缸、五金工具、伺服电机、劳保用品等一系列自动化的工控产品。
如需进一步了解图尔克、奥托尼克斯、科瑞、山武、倍加福、邦纳、亚德客、施克等各类传感器的选型，报价，采购，参数，图片，批发信息，请关注艾驰商城/。
压电加速度传感器灵敏度的校准【干货】
传感器的灵敏度是传感器的最基本指标之一。
灵敏度的大小直接影响到传感器对振动信号的测量。
不难理解，传感器的灵敏度应根据被测振动量(加速度值)大小而定，但由于压电加速度传感器是测量振动的加速度值，而在相同的位移幅值条件下加速度值与信号的频率平方成正比，所以不同频段的加速度信号大小相差甚大。
1、简介加速度传感器被广泛应用于振动分析和旋转机械的故障诊断。
加速度传感器在使用一段时间后通常需要进行灵敏度校准，但由于传统的校准装置非常昂贵，用户不得不将传感器送到生产厂家去进行校准，这往往需要耗费很长的时间。
MC-20 便携式加速度传感器校准仪正是基于这一需要推出的，它有着加振器和显示屏集成一体的紧凑型设计，体积小巧便携，并且使用干电池供电，可以在短时间内快速校准加速度传感器的灵敏度，非常适合在现场使用。
2、产品特点①标定仪内置了加振器，可以直接读取压电加速度传感器的灵敏度值，标定过程可以在很短时间内完成。
②仪器小巧轻便，方便携带和现场使用。
③可以使用干电池工作，如果在实验室长时间使用也可使用适配器供电。
④对于电压输出型的加速度传感器，标定仪可提供多种驱动电源。
⑤MC-20 标定仪可以记录100 组传感器的标定数据，也可使用USB 电缆进行传输。
⑥标定仪对于灵敏度较低或者体积很小的加速度传感器也可以进行标定。
⑦当和大体积的加速度传感器配套使用时，MC-20 可以当作加振器使用，并可提供10m/s²振动加速度。
3、使用方法（1）将要校准的加速度传感器安装到加振器上。
请用手直接安装（如果使用扳手安装的话，扳手的力矩不能超过2.0N•m）。
加振器是用M6丝锥加工的，因此如安装M6螺丝以外的传感器时，请使用转换螺丝。
此外，也可装上附带的M6-flat转换螺丝，涂上硅胶润滑油，贴紧固定后，进行校准。
（2）请将传感器的输出与input 接头连接。
（3）将电源开关调成on。
（4）传感器是标准型的情况下，请按下选择开关，使normal 灯亮起；传感器是内置前置放大器的情况下，请按下选择开关，使preamp 灯亮起。
压电传感器的正确安装与调试
压电传感器的正确安装与调试压电传感器是一种常见的传感器，常用于测量压力、力学振动、流量等物理量的变化。
然而，要确保压电传感器的正常工作和准确输出，正确的安装和调试是至关重要的。
在本文中，我们将探讨压电传感器的正确安装和调试方法，帮助读者更好地应用于实际工程中。
首先，正确的安装位置是保证压电传感器准确度和可靠性的关键。
在选择安装位置时，应尽量避免电磁干扰和机械振动。
电磁干扰会影响传感器的信号传输和处理，而机械振动则会引起误差。
因此，建议将压电传感器安装在远离电源、电机等可能产生强电磁场干扰的设备附近，并采取防振措施，如使用减振材料或隔离装置。
其次，正确的安装方法也是保证压电传感器准确度的重要因素。
在安装过程中，应注意传感器与被测物体的接触情况。
传感器与被测物体之间的接触面应尽量光滑，避免出现气泡、杂质等。
在连接传感器和被测物体的管路时，应避免出现漏气、泄漏等情况。
同时，还应根据具体的应用场景选择合适的密封材料和焊接方法，确保传感器的密封性和稳定性。
一旦安装完成，就需要对压电传感器进行调试。
调试的目的是验证传感器的输出是否与实际测量值相符，并对传感器进行校准。
一般来说，可以通过连接传感器与测量仪器（如示波器、数据采集卡等）来观察传感器的输出信号，并与实际测量值进行比较。
在调试过程中，应注意以下几点。
首先，应确保传感器和测量仪器的接线正确可靠。
传感器和测量仪器的接线正确与否直接影响到输出信号的准确度。
因此，在接线过程中，应仔细查看传感器和测量仪器的接口类型和极性，并根据说明书正确连接。
其次，应注意传感器的零点偏差和温度漂移。
传感器在使用过程中，可能会出现零点偏差和温度漂移等情况，导致输出信号的不准确。
针对这种情况，可以通过调整传感器的零点和进行温度补偿来进行校准。
零点校准可通过在无力状态下测量输出信号并调整补偿电路来实现；温度补偿可通过使用温度传感器和补偿电路来实现。
最后，还应注意传感器的线性度和响应时间。
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。
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。
压电传感器信号调理及输出芯片设计
ｇ ａ ｉ ｎ ｒ ａ ｎ ｇ ｅ ． Ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｗ ｉ ｄ ｅ ｓ ｕ ｐ ｐ ｌ ｙ ｖ ｏ ｌ ｔ ａ ｇ ｅ ｒ ａ ｎ ｇ ｅ（ １ ２ — ２ ４ Ｖ ） ， ｔ ｈ ｅ ｃ ｕ ｒ ｒ ｅ ｎ ｔ ｃ ｏ ｎ ｓ ｕ ｍｐ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｃ ｈ ｉ ｐ ｉ ｓ ｏ ｎ ｌ ｙ ３ ． １ ｍ Ａ． Ｋｅ ｙ ｗ ｏ ｒ ｄ ｓ ： ｐ ｉ ｅ ｚ ｏ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ｓ ｅ ｎ ｓ ｏ ｒ ；ｉ ｎ ｔ ｅ ｇ ｒ ａ ｔ ｅ ｄ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ；ｈ ｉ ｇ ｈ — ｖ ｏ ｌ ｔ ａ ｇ ｅ ｂ ｉ ｐ ｏ ｌ ａ ｒ — Ｃ ＭＯ Ｓ — Ｄ ＭＯ Ｓ（ Ｂ Ｃ Ｄ）
Ｄ ＭＯ Ｓ （ Ｂ Ｃ Ｄ）ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ． Ｔ ｈ ｅ ｐ ｒ ｏ ｐ ｏ ｓ ｅ ｄ ｃ ｈ ｉ ｐ ｃ ｏ ｎ ｓ ｉ ｓ ｔ ｓ ｏ ｆ ｉ ｍ ｐ ｅ ｄ ａ ｎ ｃ ｅ ｃ ｏ ｎ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｏ ｎ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｖ ｏ ｌ ｔ ａ ｇ ｅ ａ ｍ ｐ ｌ ｉ ｉ ｆ ｅ ｒ ， ｐ ｒ ｏ ｇ ｒ ａ ｍｍ ａ ｂ ｌ ｅ ｇ ａ ｉ ｎ ａ ｍ ｐ ｌ ｉ ￣ｉ ｎ ｇ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ， ａ ｎ ｄ ｔ ｗ ｏ — ｗ ｉ ｒ ｅ ｃ ｕ ｒ ｒ ｅ ｎ ｔ ｏ ｕ ｔ ｐ ｕ ｔ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ． Ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｓ ｈ ｏ ｗ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ
Ｓｉ ｇ ｎ ａ ｌ ｃ ｏ ｎｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎｉ ｎ ｇ ｏ ｆ ｐｉ ｅ ｚ ｏ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ｓ ｅ ｎ ｓ ｏ ｒ ａ ｎ ｄ
压电传感器的作用及应用
压电传感器的作用及应用压电传感器是一种能将机械振动或压力转化为电信号的传感器。
它基于压电效应，当受到外部的机械压力或振动时，会产生电荷，从而产生电压或电荷信号。
压电传感器具有广泛的应用领域，下面将详细介绍其作用及应用。
压电传感器的主要作用是将各种机械力量转化为电信号，实现机械量的测量、检测和控制。
它能够将振动、压力、加速度、应力等各种机械量转换为电信号，并通过信号传输和处理实现对这些机械量的测量和监测，从而使得机械系统的运行更加稳定可靠。
压电传感器的作用可以总结为以下几个方面：1.测量和检测：压电传感器能够将机械量转换为电信号，通过对电信号的测量和分析，可以获取被测量对象的相关参数。
例如，通过测量压电传感器的电压，可以获取物体的振动频率、压力大小等信息。
2.监测和控制：借助于压电传感器对机械量的测量和检测功能，可以实现对机械系统的监测和控制。
例如，在工业自动化中，可以利用压电传感器来监测机器设备的振动情况，从而判断其是否处于正常运行状态，并通过控制系统对其进行调整和控制。
3.安全保护：压电传感器可以用于安全保护系统中，实现对危险机械运行状态的检测和监测。
例如，火灾报警系统中的烟雾传感器就是利用压电效应来检测烟雾颗粒的浓度，并通过电信号控制报警器的工作，起到保护人们生命财产安全的作用。
4.医疗仪器：压电传感器在医疗仪器中有广泛的应用。
例如，心电图机利用压电传感器来检测人体心脏的电信号，并通过信号采集和处理来显示和记录心电图。
此外，压电传感器还可以用于血压计、呼吸机、体温计等医疗设备中，实现对人体机能的监测和控制。
5.工业控制：压电传感器在工业领域中的应用也非常广泛。
例如，在加工生产中，可以利用压电传感器来检测和控制加工设备的运行状态，实现对产品质量的监测和控制。
此外，压电传感器还可以用于机器人、自动化设备中的力量检测和控制。
6.环境监测：压电传感器也可以用于环境监测领域。
例如，在地震监测中，可以利用压电传感器来检测地壳的振动情况，从而判断地震的发生和强度。
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。
压电传感器工作原理
压电传感器工作原理压电传感器是一种利用压电效应来实现信号转换的传感器。
它可以将压力、力、加速度、位移等物理量转换为电信号，是一种常用的传感器类型。
在工业自动化、医疗设备、航空航天等领域都有广泛的应用。
本文将介绍压电传感器的工作原理及其应用。
压电效应是指某些晶体在受到外力作用时会产生电荷分离的现象。
这种现象可以用来制造压电传感器。
压电传感器通常由压电晶体、电极和外壳组成。
当外力作用于压电晶体时，晶体内部的正负电荷会发生分离，从而在电极上产生电压信号。
这个电压信号可以被放大、处理，并最终转换成我们需要的物理量信号。
压电传感器的工作原理可以分为两个部分：压电效应和信号转换。
首先是压电效应，当外力作用于压电晶体时，晶体内部的正负电荷会发生分离，从而产生电压信号。
这个电压信号的大小与外力的大小成正比，可以通过放大电路进行放大处理。
然后是信号转换，经过放大处理后的电压信号可以被转换成我们需要的物理量信号，如压力、力、加速度等。
这样就实现了从外力到电信号再到物理量信号的转换过程。
压电传感器具有许多优点，例如灵敏度高、频率响应宽、稳定性好等。
它可以实现对微小变化的检测，适用于各种环境和条件下的测量。
因此，在工业自动化领域，压电传感器被广泛应用于压力、力、加速度等物理量的测量和控制。
在医疗设备领域，压电传感器可以用于呼吸机、血压计等设备中。
在航空航天领域，压电传感器可以用于飞行器的姿态控制、结构监测等方面。
除了上述应用外，压电传感器还可以用于声波传感、超声波成像、振动传感等领域。
例如，压电传感器可以将声波信号转换成电信号，从而实现声音的检测和测量。
在超声波成像中，压电传感器可以将超声波信号转换成图像信号，用于医学诊断、材料检测等领域。
在振动传感中，压电传感器可以实现对结构振动的监测和分析。
总之，压电传感器是一种利用压电效应来实现信号转换的传感器。
它具有灵敏度高、频率响应宽、稳定性好等优点，在工业自动化、医疗设备、航空航天等领域有广泛的应用。
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。
压电式力传感器原理
压电式力传感器原理
压电式力传感器是一种常用的力测量设备，其原理基于压电效应。
压电效应是指某些晶体材料在受到力的作用下会产生电荷的现象。
压电传感器通常由压电传感元件和前端电子信号处理电路组成。
压电传感元件由压电材料构成，常用的压电材料有石英、压电陶瓷等。
当受到外力作用时，压电材料会产生形变，进而改变其内部的电荷分布。
这种形变导致了压电材料产生电荷的极性和大小发生变化。
传感元件前端的电子信号处理电路用于放大和处理压电材料产生的微弱电信号。
它将压电材料产生的电荷转换成电压或电流信号，并进行调理和滤波，以便进行精确的力测量。
压电式力传感器的工作原理可以简单描述为：当外力施加到压电传感元件上时，压电材料产生形变，使得内部电荷分布发生变化。
这些变化被转换成电信号，经过信号处理电路放大和滤波后，最终得到与施加在传感元件上的外力成正比的电信号输出。
压电式力传感器具有灵敏度高、响应快、频率范围宽以及耐高温等特点。
它在工业自动化、医疗设备、机器人、汽车、航空航天等领域广泛应用。
通过测量压电材料变化产生的电信号，我们可以准确地获取被测物体施加在传感器上的力的大小。
压电传感器的等效电路
压电传感器的等效电路压电传感器是一种能将机械应力或变形转化为电信号的传感器，其使用的是压电效应。
压电效应是指在某些晶体（如石英、铅锆酸钛等）中，在机械应力的作用下会产生电荷分布的现象。
在压电传感器中，适当的机械应力作用下可以产生相关的电信号。
压电传感器的等效电路是一种模型，用于描述压电传感器的输出特性和电气性质。
压电传感器的等效电路通常由三个部分组成：压电元件、前置放大器和接收器。
其中，压电元件是核心组件，它是将机械应力转换成电压信号的关键元件。
针对不同类型的压电传感器，其等效电路可以有所差异。
对于一般的压电应力传感器来说，其等效电路模型如下：![img]()其中，输入电阻为R0，输出电压为Eout，压电传感器的电容为Ce，压电传感器的机械谐振频率为f。
在传感器端输出的电压信号中，包含了机械应力的大小信息。
下面对压电传感器等效电路中的各个部分进行详细说明：1. 压电元件压电元件是一种能够将机械应力转化为电信号的元件。
压电传感器的核心部分就是压电元件。
当压电材料受到机械应力作用时，会发生压电效应，从而在压电元件的两端产生电压信号。
压电元件通常采用石英、铅锆酸钛等材料制作，这些材料具备压电效应，以及良好的机械强度和稳定性，在压电传感器领域被广泛应用。
2. 前置放大器前置放大器是一种用于放大压电元件输出的微弱信号信号的放大器。
由于压电传感器的输出电信号很弱，需要使用前置放大器进行信号放大，以便后续的信号处理。
前置放大器通常采用集成放大器或放大器模块实现，其输出信号一般被连接到滤波器、模数转换器或其他数字电路模块中。
3. 接收器接收器是负责实现信号转换和信号条件调节的电路部分。
其功能包含了对前置放大器输出信号的处理，以及对信号进行阻抗匹配和施加外加电压的调节。
通常采用运算放大器构建，进行信号处理和信号转换。
其输出信号通过连接到计算机、PLC等设备实现数据采集和信号处理。
总结来说，压电传感器的等效电路模型是一个将机械应力转化为电信号的模型，其核心是压电元件。
压电式加速度传感器信号调理设计
1．设计目的：
1掌握电子系统的一般设计方法和设计流程；
2学习使用PROTEL软件绘制电路原理图及印刷板图；
3掌握应用Protues等软件对所设计的电路进行仿真，通过仿真结果验证设计的正确性，完成压电加速度计的信号调理电路。
2．设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：
（4）毕满清．电子技术实验与课程设计．北京：机械工业出版社，2005
（5）潘永雄．电子线路C电子电路计算机辅助分析和辅助设计．北京：航空工业出版社，2004
5．设计成果形式及要求：
提交内容：课程设计说明书（原理设计、PCB制作过程及电路仿真要在设计说明书详细说明）。
（3）对所设计的电路进行仿真；
（4）画出电路原理图与PCB版图；
（5）按照要求撰写设计说明书；
课程设计任务书
4．主要参考文献：
（1）童诗白．模拟电子技术基础．北京：高等教育出版社，2002
（2）张建华．数字电子技术．北京：机械工业出版社，2004
（3）陈汝全．电子技术常用器件应用手册．北京：机械工业出版社，2005
压电式加速度传感器作为一种微型传感器其输出信号比较微弱，通常为几十个毫伏或几百个微伏。所以有必要对其输出电压进行信号调理。主要包括电源模块、放大模块、滤波模块等组成。
3．设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等〕：
（1）查阅相关资料，完成系统总体方案设计；
（2）完成系统硬件设计；
中北大学
课程设计任务书
2013/2014学年第2学期
学院：
仪器与电子学院学院
专业：
微电子学
学生姓名：
学号：
课程设计题目：
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。
- 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)。
压电传感器的信号调节作者：Eduardo Bartolome，德州仪器(TI) 医疗事业部系统工程师压电传感器用于感应和激励的压电传感器应用延伸到了许多领域。
本文主要介绍对一些物理强度的感应，即加速度、振动、振荡和压力，从传感器及其要求信号调节的角度来看其可以被认为是类似的。
1就加速度而言，传感器灵敏度通常被表示为一个与外力即加速度（大多数时候称作重力加速度g）成比例关系的电荷。
然而，从严格物理意义上来讲，传感器输出一个实际由其变形/偏斜情况决定的电荷。
例如，图 1 显示了安装于顶部位置的一个传感器，与此同时底部正受到一个外力的拉拽，即F ext。
在使用加速计的情况下，固定端（顶部）会粘附在要测量加速度的物体上，同时外力为粘附于另一端（底部）的质量的惯性，而这一端不断想要保持静止。
就固定于顶端的参考坐标系而言（假设传感器充当的是一个弹簧，其具有很高的弹簧系数K），偏斜x 会形成一种反作用力：F int = Kx (1)最终，质量（传感器偏斜）将会在下列情况下停止移动/改变：F int = F ext = Kx (2)图 1 加速度力作用下的传感器由于电荷Q 与偏斜成比例关系（一阶），而偏斜与力成比例关系，因此Q 与力也成比例关系。
施加一个F max最大值的正弦力，会形成一个Q max 最大值的正弦电荷。
换句话说，当正弦力为最大值时，对来自传感器的电流求积分可得到Q max。
增加正弦波的频率，同时会增加电流；但是会更快地达到峰值，即保持积分(Q max) 恒定。
厂商会以传感器可用频率范围内Q max与F max的比率，来说明灵敏度规范。
但是，由于传感器的机械性质，传感器实际上有谐振频率（可用频率范围以上），其中一个即使很小的振荡力都会产生相对较大的偏转，从而得到较大的输出振幅。
如果忽略谐振的影响，则我们可以将压电传感器一阶建模为一个与传感器寄生电容（此处称作C d）并联的电流源，或者也可以将其建模为一个与C d串联的电压源。
该电压为存储电荷时在传感器阳极上看到的等效电压。
但是，我们需要注意的是，就许多应用的仿真而言，第二种方法要更加简单一些。
如前所述，电流与偏斜变化的速率成比例关系；例如，拿恒幅加速度的正弦AC 曲线来说，电流生成器的振幅必须根据频率来改变。
最后，如果这种生成器需要代表实际物理信号，则可以使用变压器，如图 2 所示。
本例中，我们建模了一个具有0.5 pC/g 灵敏度和500 pF 寄生电容的生成器。
正弦波生成器每单位g 输出1V，以实现仿真。
变压器在其次级线圈将它向下调节至1mV。
施加给C1（500 pF）的1-mV 摆动，将会如我们预计的那样在下一级注入Q = VC = 0.5 pC。
图 2 压电传感器模型电荷放大器分析图 3 显示了经典电荷放大器的基本原理，其可以用作一个信号调节电路。
这种情况下，我们选择电流源模型，表明传感器主要为一种带高输出阻抗的器件。
输入阻抗信号调节电路必须具有非低的输入阻抗，以收集传感器的大部分电荷输出。
因此，电荷放大器是理想的解决方案，因为只要放大器在这些信号频率下保持高增益，其输入便会让传感器信号出现虚拟接地。
换句话说，如果传感器的任何电荷想要在传感器阳极(C d) 或者放大器输入寄生电容(C a) 上增大，在放大器输入端就会形成电压。
通过拉或吸取相同量的负反馈网络电荷电流，即R FB和C FB，这种电压便立即得到了补偿。
图 3 用于信号调节的电荷放大器增益由于放大器的信号输入为虚拟接地，因此输入电流形成了一种输出电压摆动；并且高频增益由C FB的值设定（R FB影响减小，在“带宽”部分后面再进行叙述）。
请注意，电容越小，增益越大。
增益的近似值为：还需注意，电路增益根本上并非取决于传感器的电容(C d)，但最好还是注意该值对噪声的影响。
带宽为了能够正确地对放大器进行偏置（为放大器输入偏置电流提供一个DC 路径），一个反馈电阻(R f) 是必需的。
在更低频率下，反馈路径的电容电路变为开路，而反馈电阻变为主要电阻，从而有效降低增益。
在较高频率下，电容电路的阻抗变得更小，从而有效消除电阻反馈通路的影响。
对AC 物理激励的最终电路响应（包括传感器的寄生电容），为高通滤波器的响应，其极频为：相关信号带宽由应用决定；因此，降低电容增加增益的同时，也需要增加电阻来保持低极频。
增加电阻会影响解决方案的其他方面。
除影响噪声以外（在“噪声”部分详细介绍），电阻越高，实际实现就越难—难在寻找到现成的电阻，以及保证PCB 的线迹到线迹寄生电阻大于R FB本身。
如果电路规范允许使用几百兆欧量级的电阻，则表面贴装电阻马上就可以使用2，并且不要求使用先进的布局技术（例如使用防护频带等）。
如前所述，限制电阻值增加的另一个因素是电路偏置。
放大器的输入偏置电流通过该电阻，形成输出偏置电压。
通过选用具有低输入偏置电流的放大器，例如：FET 输入放大器等，可以最小化这种电压。
只要反馈电阻器值低于1GΩ，并且可以利用各级之间的AC 耦合来滤波产生的偏置，那么这种放大器的输入偏置电流（一般低于100pA）就应该没有问题。
请注意，由于保持高通滤波器低极频存在困难，因此在近DC 应用中使用压电传感器也变得越来越困难（尽管传感器本身的漏电流非常小）。
尽管并非该放大级的组成部分，但也需要在某处添加一个低通滤波器，旨在降低电路对传感器谐振频率下无用信号的响应，同时降低相关频带的总数字化和混叠噪声。
噪声最后，我们需要最大化信噪比(SNR)。
在进行仿真以前进行简单的理论噪声分析会有所帮助。
图 4 显示了电荷放大器的主噪声源。
输出噪声谱密度可以表示为：其中图 4 电荷放大器的噪声源且s = 2πfj。
方程式 5 为电荷放大器的经典噪声解决方案。
相对于C d，C a 一般非常小。
因此，方程式 5 可以简化为：实际上，如果考虑使用高通滤波器极频以上频率，则可以进一步减小第二项：我们可以使用几种方法来对各种趋势进行分析。
极点（R FB C FB S + 1 项）可以被看作是恒定，因为增加RFB 会要求降低CFB，反之亦然。
从这个角度来看，增加R FB会增加方程式8 的三项。
第一项相应的电压噪声会随R FB线性增加；第二项相应的电压噪声也会增加；第三项相应的电压噪声会随R FB 的平方根增加，因为E RFB k=玻耳兹曼常数，而T=凯氏度温度。
然而，由于C FB变得更小，增益会随R FB增加（参见方程式3）。
随R FB增加而出现的信号增加，与方程式8 中前两个噪声项的所有增加相似，但大于最后一个噪声项的增加，从而改善了总SNR。
归根结底就是要尽可能多地增加R FB。
需要注意的另一个趋势是从噪声角度来看，传感器的寄生电容越多，传感器就越不那么理想。
仿真结果为了获得更为实际的电路实施，我们选用了TI 的OPA337。
这款放大器拥有低输入电压和低输入电流噪声（请参见图5，其截取自产品说明书3），同时接受3-V 单极电源。
图 6 显示了TI SPICE型仿真程序中这种电路的模型，即TINA-TI™。
图 5 OPA337 的输入电压和输入电流噪声图 6 使用OPA337 的电路TINA-TI 模型这种实施中，极点为0.86 Hz。
我们可以在 5 Hz 下对方程式7 进行分析，以仔细检查公式的精确度：●在第一项中，如果INA R FB =270 MΩ，则该项对输出噪声的贡献值约为●在第二项中，如果E A≈60 nV●在第三项中，如果R FB= 270MΩ，则这一项对输出噪声的贡献值约为(2μ7 的仿真结果。
但把所有这三项二次方相加，得到约360 nV是，需要注意的是所用噪声值不同于图 5 所示数据表值。
OPA337 的TINA-TI 噪声模型并不精确，通过对图8 所示简化电路进行仿真并得到图9 所示结果（其应与图 5 所示一样），可以证实这一点。
图7 图 6 所示模型的输出噪声仿真图8 放大器噪声分析的TINA-TI 仿真电路图9 图8 所示电路的输出噪声仿真这些结果突出了进行一次快速理论/工艺分析的重要性。
该放大器电路并不准确，需要在TINA-TI 中解释说明，以获得实际数值。
我们可以在参考文献 4 中找到完成这项工作的方法，其为Art Kay 关于噪声的重要系列文章的第四部分。
一种稍微更简单的方法是，只需将噪声（图10 中的V noise和I noise）添加到图8 所示电路，以对缺少项进行补偿。
图10 添加至图8 所示电路的噪声尽管不是很完美，但图11 所示结果看起来比图9 所示结果要更加接近于规范。
图11 图10 所示电路的输出噪声仿真图12 添加噪声源后图 6 电路的TINA-TI 模型利用图 6 所示原始电路，我们使用最初指定的一些噪声值，可以通过方程式7 再次估算出5Hz 的噪声。
●在第一项中，如果I NA≈R FB =270 MΩ，则该项对输出噪声的贡献值约为●在第二项中，如果E A≈130 nV●在第三项中，如果R FB= 270 MΩ，则这一项对输出噪声的贡献值约为(2μ13 所示，其非常接近把所有这三项二次方相加，得到约为包括经校准噪声源的图12 所示电路的仿真结果。
图13 图12 所示电路的输出噪声仿真现在，请您思考噪声变化与反馈电阻的对比结果。
将方程式7 第一项的R FB从270 MΩ 改为540 MΩ（且把C FB除以2，从680 pF 降至340 pF，目的是保持极频恒定），对输出参考噪声产生如下影响：●在第一项中，如果I NA RFB =540 MΩ，则该项对输出噪声的贡献值约为●在第二项中，如果E A≈则这一项对输出噪声的贡献值约为320●在第三项中，如果R FB= 540 MΩ，则这一项对输出噪声的贡献值约为(3μ把所有这三项二次方相加，得到约为图14）。
不出所料，输出噪声上升。
然而，电阻加倍允许电容除以2，从而有效地使增益加倍（即输出信号加倍）。
即使R FB为主导噪声源，且它的增加会使其噪声增加，我们也可以实现3dB的SNR改善，因为输出信号加倍远超出增加的噪声。
图14 R FB 加倍而C FB 减半后图12 所示电路的输出噪声仿真其他实际问题利用T 型网络构建等效大电阻当我们需要在反馈网络中使用非常大的电阻时，利用由许多更小、更易使用的元件构成的一个T 型网络来构建这些大电阻，对我们很有吸引力（参见图15）。
但我们一般不建议使用这种方法，因为T 型网络会带来偏置和噪声大增益，从而一般会产生更糟糕的SNR。
图15 T型网络反馈电路使用差分输入到目前为止，我们只字未提使用差分输入来降低噪声的好处。
为了简单起见，我们以单端对建模放大器进行了分析，而图16 显示的是一个带差分输入的改进配置结构。
这种配置结构同时具有两个优势：1、它固有两倍单端输入电路增益（电荷整合到C2 和C4 中），而噪声仅以平方根函数增加（即噪声源不相关）。