[工学]第五章压电式传感器
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第5章-压电式传感器
压电传感器的等效原理
12
第5章 压电式传感器
§5-3 压电式传感器的测量电路 一、等效电路
(a)电压等效电路
(b)电荷等效电路
13
第5章 压电式传感器
§5-3 压电式传感器的测量电路 一、等效电路
由等效电路可知，只有传感器内部信号电荷无 “漏损”，外电路负载无穷大时，压电传感器 受力后产生的电压或电荷才能长期保存下来， 否则电路将以某时间常数按指数规律放电。 传感器内部不可能没有泄漏，外电路负载也不 可能无穷大。
CX —电极面间电容
4
第5章 压电式传感器
§5-1 压电效应
• 当晶片受沿机械轴(Y轴)的压力Fy作用时， 电荷仍在与X轴垂直平面上出现 电荷的大小为： qXY d12ltbbFY d12ltFY
其中，d12 —石英晶体在Y轴方向受力时的压电系数， d11=- d12 t —晶片厚度
X轴平面上电荷
若考虑电缆电容Cc，则有
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
U SCR 1a1A 0R 1F jj q A C 0aC c1A 0C F
及反馈回路的参数CF和RF。 由于1/RF<<ωCF，有
USC
A0q
1A0CF
q CF
21
因此，在使用时，如果改变电缆长度，必须重新校正灵敏度值。
19
第5章 压电式传感器
§5-3 压电式传感器的测量电路 二、测量电路
（二）电荷放大
电荷放大器是一个具有深度负反馈的高增 益放大器。
i
U
U
SC
j C F
1 RF
U
《压电式传感器》课件
汽车领域
压电式传感器在汽车中用于测量和 控制关键系统的压力，如制动系统、 供油系统和排放系统，提高车辆的 性能和安全性。
与其他传感器的比较
1 压力传感器 vs. 光传感器
压力传感器可以检测和测量物体的压力，而光传感器可以用于检测光线的强度和频率。
2 压力传感器 vs. 温度传感器
压力传感器可以测量物体的压力变化，而温度传感器可以测量环境的温度变化。
续的信号处理和分析。
3
输出信号
经过处理和转换，压电式传感器将输出电压 信号转化为可读取的压力数值或其他形式的 信号。
应用领域
工业领域
压电式传感器在工业生产过程中用 于检测和测量压力、压力变化，广 泛应用于制造业、自动化系统和控 制系统。
医疗领域
压电式传感器在医学设备中用于监 测生命体征、药物输送系统、手术 器械等，确保医疗过程的安全和有 效性。
压电式传感器
欢迎来到《压电式传感器》的PPT课件！本课程将深入探讨压电式传感器的定 义、原理、种类、工作原理、应用领域、与其他传感器的比较，以及未来发 展方向。
定义
什么是压电式传感器？
压电式传感器是一种根据压电 效应原理制作的传感器，能够 将压力转化为电信号，实现压 力的检测和测量。
压电效应的原理
压电效应是指某些晶体材料在 受到压力或振动作用下，会产 生电荷分离和极化现象，从而 产生电压。
压电材料的种类
常用的压电材料包括石英、陶 瓷、聚合物等，每种压电材料 都具有不同的特性和应用领域。
工作ห้องสมุดไป่ตู้理
1
压电效应
当压电材料受到压力时，产生电荷分离和极
信号放大
2
化，从而产生电压信号。
传感器将微弱的电压信号放大，以便进行后
压电式传感器优秀课件
Y
l
b
PXX与应力σXX成正比，即
石英晶体切片
PXXd11 XXd11F lX b
PXXd11 XXd11F lX b
t
Z
式中 FX——X轴方向的压力大小；
X
d11——压电系数，又称机电耦合系数
Y
石英晶体d11=2.3×10-12C N-1；
l、b——石英晶片的长度和宽度。
PXX在数值上等于晶面上的电荷密度，即
压电式传感器
5.1 压电效应
第5章 压电式传感器
正压电效应：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，同时在它的一
定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带
电状态的现象。当作用力方向改变时，电荷极性也随
着改变。
F
F
＋＋＋＋＋＋ －－－－－－
－－－－－－ ＋＋＋＋＋＋
F
等于零，即 P1＋P2＋P3＝0
P2
-
+
(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
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）。
一、石英晶体压电效应
在晶体学中，可以把将 其用三根互相垂直的轴 表示，其中： 纵轴Z称为光轴； 通过六棱线而垂直于光
第5章-压电式传感器PPT课件
方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变 形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也 随之消失的现象。
正压电效应
电能
机械能
逆压电效应
.
3
1.正压电效应演示
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；当动态力变为静
态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。
⑤时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。
.
7
1.石英晶体
在几百摄氏度的温度范围内，其介电常数和压电系 数几乎不随温度而变化。但是当温度升高到573℃时，石 英晶体将完全失去压电特性，这就是它的居里点。 石英晶体的突出优点是性能非常稳定，它有很大的机械 强度和稳定的机械性能。但石英材料价格昂贵，且压电 系数比压电陶瓷低得多。因此一般仅用于标准仪器或要 求较高的传感器中。
压电传感器大多是利用压电材料的压电效应 （在超声和电声工程中也有利用逆压电效应）
.
6
压电材料应具备以下几个主要特性： ①转换性能。要求具有较大的压电常数。 ②机械性能。机械强度高、刚度大。 ③电性能。高电阻率和大介电常数。 ④环境适应性。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。
（b）
压电效应。
.
20
石英晶体受力方向与电荷极性关系
.
21
极化强度即： P11d11x d11aFxc d11——压电系数。下标的意义为产生电荷的面 的轴向及施加作用力的轴向；
a、c——石英晶片的长度和宽度。
.
9
石英晶体
天然形成的石英晶体外形
.
10
石英晶体切片及封装 石英晶体薄片
双面镀银并封装
.
正压电效应
电能
机械能
逆压电效应
.
3
1.正压电效应演示
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；当动态力变为静
态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。
⑤时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。
.
7
1.石英晶体
在几百摄氏度的温度范围内，其介电常数和压电系 数几乎不随温度而变化。但是当温度升高到573℃时，石 英晶体将完全失去压电特性，这就是它的居里点。 石英晶体的突出优点是性能非常稳定，它有很大的机械 强度和稳定的机械性能。但石英材料价格昂贵，且压电 系数比压电陶瓷低得多。因此一般仅用于标准仪器或要 求较高的传感器中。
压电传感器大多是利用压电材料的压电效应 （在超声和电声工程中也有利用逆压电效应）
.
6
压电材料应具备以下几个主要特性： ①转换性能。要求具有较大的压电常数。 ②机械性能。机械强度高、刚度大。 ③电性能。高电阻率和大介电常数。 ④环境适应性。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。
（b）
压电效应。
.
20
石英晶体受力方向与电荷极性关系
.
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极化强度即： P11d11x d11aFxc d11——压电系数。下标的意义为产生电荷的面 的轴向及施加作用力的轴向；
a、c——石英晶片的长度和宽度。
.
9
石英晶体
天然形成的石英晶体外形
.
10
石英晶体切片及封装 石英晶体薄片
双面镀银并封装
.
(第5章)-压电式传感器PPT课件
第5章 压电式传感器
第5章 压电式传感器
5.1 压电效应及压电材料 5.2 压电式传感器测及量电路 5.3 压电式传感器的应用
-
1
第5章 压电式传感器
压电式传感器：典型有源传感器。 原理：压电效应（石英晶体、压电陶瓷晶体） 适用于动态力学的测量，但不适用于静态测量 （与力相关的动态参数测量）
-
2
第5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5-3c） 所示。与图5-3（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。
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。
5.1 压电效应及压电材料
正压电效应
某些晶体，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 压电效应。 当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。 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”。
-
17
第5章 压电式传感器
5.2 压电式传感器及测量电路
5.2.1
压电式传感器的基本原理就是利用压电材料的压电效应这 个特性，即当有力作用在压电材料上时，传感器就有电荷（或 电压）输出。
由于外力作用而在压电材料上产生的电荷只有在无泄漏的 情况下才能保存，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗，这 实际上是不可能的， 因此压电式传感器不能用于静态测量。压 电材料在交变力的作用下，电荷可以不断补充，以供给测量回 路一定的电流，故适用于动态测量。
第5章 压电式传感器
5.1 压电效应及压电材料 5.2 压电式传感器测及量电路 5.3 压电式传感器的应用
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第5章 压电式传感器
压电式传感器：典型有源传感器。 原理：压电效应（石英晶体、压电陶瓷晶体） 适用于动态力学的测量，但不适用于静态测量 （与力相关的动态参数测量）
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第5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5-3c） 所示。与图5-3（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。
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。
5.1 压电效应及压电材料
正压电效应
某些晶体，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 压电效应。 当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。 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”。
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第5章 压电式传感器
5.2 压电式传感器及测量电路
5.2.1
压电式传感器的基本原理就是利用压电材料的压电效应这 个特性，即当有力作用在压电材料上时，传感器就有电荷（或 电压）输出。
由于外力作用而在压电材料上产生的电荷只有在无泄漏的 情况下才能保存，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗，这 实际上是不可能的， 因此压电式传感器不能用于静态测量。压 电材料在交变力的作用下，电荷可以不断补充，以供给测量回 路一定的电流，故适用于动态测量。
第5章-压电式传感器课件
荷会通过放大器输入电阻和传感器本身的漏电阻漏掉，
所以压电传感器不能用于静态测量。
当3＞ ＞1，即3＞ > 1 时，前置放大器输入电
压 随频率增加而渐渐减缓.
>3 时, 可近似认为输入电压与作用力的频率 无关。即说明压电传感器的高频响应比较好，所以它用 于高频交变力的测量，而且相当理想。
一般电压放大器采用高输入阻抗的前级放大器, 一般在集成运放出现以前多采用MOS场效应管和分 离元件来实现,但由于调试周期长,抗干扰能力较弱,所 以目前多采用集成运放来作为前级的放大.一般采用
2 微型化：随着微加工技术和纳米技术的进步，
生物传感器将不断地微型化，各种便携式生物传感器
的出现使人们在家中进行疾病诊断，在市场上直接检 测食品成为可能。
3、智能化与集成化：未来的生物传感器必定与计
算机紧密结合，自动采集数据、处理数据，更科学、 更准确地提供结果，实现采样、进样、结果一条龙,形 成检测的自动化系统。同时, 芯片技术将越来越多地 进入传感器领域,实现检测系统的集成化、一体化。
要注意的是，这两种放大器电路的输入端都应加过 载保护电路；否则，在传感器过载时会产生过高的输 出电压。
第五节 压电式传感器的应用
广义地讲，凡是利用压电材料各种物理效应构成的 各种传感器，都可称为压电式传感器、它们已经广泛 地应用在工业、军事和民用等领域。表5—2给出了其 主要应用类型。在这些应用类型中力敏类型应用最多。 可直接利用压电传感器测量力、压力、加速度、位移 等物理量。
第二节 压电传感器的连接方式
一、压电晶片的连接方式:
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。
压电式传感器ppt课件
ppt精选版
1
第5章 压电式传感器
5.1 压电式传感器的工作原理
一、压电效应 二、压电材料 三、石英晶体的压电机理 四、压电陶瓷的压电机理
ppt精选版
2
第5章 压电式传感器
一、压电效应
当某些物质沿其某一方向施加压力或拉力时，会产生变形，此时这种 材料的两个表面将产生符号相反的电荷。当去掉外力后，它又重新回到 不带电状态，这种现象被称为压电效应。
所以石英是理想的压电传感器的压电材料。
天然石英的上述性能尤佳，因此它们常用于精度和稳定性要求高的场合和 制作标准传感器。
② 除了天然和人造石英压电材料外，还有水溶性压电晶体，属于单斜晶系。
例如酒石酸钾钠（NaKC4H4O6·4H2O）、酒石酸乙烯二铵（C6H4N2O6）等， 还有正方晶系如磷酸二氢钾（KH 2PO4）、磷酸二氢氨（NH 4H2PO4）等等。
第5章 压电式传感器
第5章 压电式传感器
压电式传感器是以某些物质的压电效应制作的一种传感器，当 材料表面受力作用变形时，其表面会有电荷产生，从而实现非电量 测量。
压电式传感器是一种典型的有源传感器（发电型传感器）。
5.1 压电式传感器的工作原理 5.2 压电材料的主要特性 5.3 压电元件常用的结构形式 5.4 压电式传感器的信号调理电路 5.5 压电式传感器的应用
（PVF2）、聚氯乙烯（PVC）、聚γ甲基－L谷氨酸脂（PMC）和尼 龙11等。
这些材料的独特优点是质轻柔软，抗拉强度高，蠕变小，耐冲 击，体电阻达162Ω·m，击穿强度为150~200kV/mm，声阻抗近于水 和生物体含水组织，热释电性和热稳定性好，且便于批量生产和大 面积使用，可制成大面积阵列传感器乃至人工皮肤。
压电陶瓷元件
第五章压电式传感器《传感器原理及应用》课件(共45张PPT)
晶体在Y轴方向力FY作用下的情况与FX相似。当FY＞0时，晶 体的形变(xíngbiàn)与图〔b〕相似；当FY＜0时，那么与图〔c〕 相似。由此可见，晶体在Y〔即机械轴〕方向的力FY作用下，使 它在X方向产生正压电效应，在Y、Z方向那么不产生压电效应。
第十一页，共45页。
XF X ＋＋＋＋
XF X －－－－
压电效应〞，而把沿机械轴
Y
Y－Y方向的力作用 (zuòyòng)下产生电荷的压
Y
X
电效应称为“横向压电效应 X
〞，沿光轴Z－Z方向受力那
(a)
(b)
么不产生压电效应。
石英(shíyīng)晶体 (a)理想石英(shíyīng)晶体的外形 (b)坐标系
第六页，共45页。
压电电荷(diànhè)符号与受力方向
电为C荷a，中εdA间为绝εrεd缘0A体的电电(容dià极器nj ，如图(b)。其电容量
当两极板聚集异性电荷时， í)
q
那么两极板呈现一定的电压，
＋＋＋＋ q
Ca
其大小为
――――
压电晶体
Ua
q Ca
(jīngtǐ)
(a)
(b)
压电传感器的等效电路
第二十一页，共45页。
Ca
因此，压电传感器可等效为电 压源Ua和一个电容器Ca的串联
第十二页，共45页。
理解：纵向(zònɡ xiànɡ)压电效应 与 横向压电效应
第十三页，共45页。
假设从晶体上沿 yoz 方向(fāngxiàng)切下一块如图 所示晶片, 当 在电轴方向(fāngxiàng)施加作用力时, 在与电轴 x 垂直的平面上将产 生电荷, 其大小为 qx = d11 Fx 式中: d11 ——x方向(fāngxiàng)受力的压电系数; Fx——作用力。
第十一页，共45页。
XF X ＋＋＋＋
XF X －－－－
压电效应〞，而把沿机械轴
Y
Y－Y方向的力作用 (zuòyòng)下产生电荷的压
Y
X
电效应称为“横向压电效应 X
〞，沿光轴Z－Z方向受力那
(a)
(b)
么不产生压电效应。
石英(shíyīng)晶体 (a)理想石英(shíyīng)晶体的外形 (b)坐标系
第六页，共45页。
压电电荷(diànhè)符号与受力方向
电为C荷a，中εdA间为绝εrεd缘0A体的电电(容dià极器nj ，如图(b)。其电容量
当两极板聚集异性电荷时， í)
q
那么两极板呈现一定的电压，
＋＋＋＋ q
Ca
其大小为
――――
压电晶体
Ua
q Ca
(jīngtǐ)
(a)
(b)
压电传感器的等效电路
第二十一页，共45页。
Ca
因此，压电传感器可等效为电 压源Ua和一个电容器Ca的串联
第十二页，共45页。
理解：纵向(zònɡ xiànɡ)压电效应 与 横向压电效应
第十三页，共45页。
假设从晶体上沿 yoz 方向(fāngxiàng)切下一块如图 所示晶片, 当 在电轴方向(fāngxiàng)施加作用力时, 在与电轴 x 垂直的平面上将产 生电荷, 其大小为 qx = d11 Fx 式中: d11 ——x方向(fāngxiàng)受力的压电系数; Fx——作用力。
《压电式传感器》课件
结构简单
压电式传感器结构简单，易于加工和 集成。
压电式传感器的优缺点
响应速度快
由于压电效应的快速响应特性，压电式传感器具有较快的响 应速度。
无热干扰
由于压电式传感器不需要加热元件，因此不会受到热干扰的 影响。
压电式传感器的优缺点
易受环境影响
压电式传感器容易受到环境温度、湿度等因素的影响，需要进行温度补偿和湿 度补偿。
水声探测
在水下环境中，压电式传感器可用于水声探测和声呐系统，实现 水下目标的定位和识别。
05
压电式传感器的校准与维护
压电式传感器的校准方法
压电式传感器的校准是确保测量准确性的重要步骤，通常包括零点校准和灵敏度校 准。
零点校准是将传感器的输出读数调整到零或一个已知的基准值，以消除任何偏差。
灵敏度校准是测试传感器在不同激励电压下的输出响应，以验证其线性度和准确性。
和处理。
特点
高输入阻抗、低输出阻抗、稳定 性好。
04
压电式传感器的应用实例
压力测量
压力传感器
压电式传感器在压力测量中应用广泛，如气瓶压力监测、管道压 力检测等。
压电式压力计
用于测量液体或气体的压力，具有高精度、高稳定性的特点。
压电薄膜压力传感器
利用压电薄膜作为敏感元件，可测量微小压力变化，常用于生物医 学和环境监测领域。
电压放大器
概述
电压放大器用于放大压电传感器 输出的电压信号。
工作原理
电压放大器通过直接耦合方式，将 压电传感器的电压信号进行放大。
特点
低输入阻抗、高输出阻抗、线性度 高。
阻抗变换号
的电路。
工作原理
阻抗变换器通过电阻、电容等元 件，将高阻抗的输出信号转换为 低阻抗的输出信号，以便于传输
压电式传感器结构简单，易于加工和 集成。
压电式传感器的优缺点
响应速度快
由于压电效应的快速响应特性，压电式传感器具有较快的响 应速度。
无热干扰
由于压电式传感器不需要加热元件，因此不会受到热干扰的 影响。
压电式传感器的优缺点
易受环境影响
压电式传感器容易受到环境温度、湿度等因素的影响，需要进行温度补偿和湿 度补偿。
水声探测
在水下环境中，压电式传感器可用于水声探测和声呐系统，实现 水下目标的定位和识别。
05
压电式传感器的校准与维护
压电式传感器的校准方法
压电式传感器的校准是确保测量准确性的重要步骤，通常包括零点校准和灵敏度校 准。
零点校准是将传感器的输出读数调整到零或一个已知的基准值，以消除任何偏差。
灵敏度校准是测试传感器在不同激励电压下的输出响应，以验证其线性度和准确性。
和处理。
特点
高输入阻抗、低输出阻抗、稳定 性好。
04
压电式传感器的应用实例
压力测量
压力传感器
压电式传感器在压力测量中应用广泛，如气瓶压力监测、管道压 力检测等。
压电式压力计
用于测量液体或气体的压力，具有高精度、高稳定性的特点。
压电薄膜压力传感器
利用压电薄膜作为敏感元件，可测量微小压力变化，常用于生物医 学和环境监测领域。
电压放大器
概述
电压放大器用于放大压电传感器 输出的电压信号。
工作原理
电压放大器通过直接耦合方式，将 压电传感器的电压信号进行放大。
特点
低输入阻抗、高输出阻抗、线性度 高。
阻抗变换号
的电路。
工作原理
阻抗变换器通过电阻、电容等元 件，将高阻抗的输出信号转换为 低阻抗的输出信号，以便于传输
压电式传感器介绍课件
压电陶瓷：具有高灵敏度、 高稳定性和长寿命的特点
A
压电复合材料：结合多种材料 的优点，提高传感器的性能
C
B
压电薄膜：具有轻量化、柔 性化Fra bibliotek可弯曲的特点D
压电纳米材料：具有高灵敏度、 低功耗和快速响应的特点
集成化、微型化
01
集成化：将多个传 感器集成到一个芯 片上，实现多功能、
高精度的测量
02
微型化：减小传感 器的体积和重量， 提高便携性和可穿
压电材料：具有压电效应的材料，如石英、锆 钛酸铅等 传感器结构：由压电材料和电极组成，当受到 压力时，压电材料产生电荷，通过电极输出
信号处理：将输出的电荷信号进行放大、滤 波等处理，得到所需的测量信号
2
压电式传感器分 类
压电陶瓷传感器
工作原理：利用压电效应，将机械 能转化为电能
特点：体积小、重量轻、灵敏度高、 响应速度快
微型化：压电式传感器将向微型化方向发展，体积更小， 重量更轻，便于携带和安装。
集成化：压电式传感器将实现多种功能集成，如压力、温 度、加速度等，提高测量精度和效率。
谢谢
和补偿
应用领域：汽车 安全气囊、地震
2 监测、航空航天
等领域
3
优点：高灵敏度、 宽频率响应、低 功耗、体积小
流量测量
压电式传感 器可用于测 量液体和气
体的流量
通过检测压 力变化来测
量流量
适用于各种 管道和设备， 如泵、阀门、
管道等
具有高精度、 高可靠性和 长寿命的特
点
4
压电式传感器发 展趋势
新型压电材料
应用领域：广泛应用于压力、加速 度、流量、位移等物理量的测量
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由于外力作用而在压电材料上产生的电荷只有在无泄漏 的情况下才能保存，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗， 这实际上是不可能的， 因此压电式传感器不能用于静态测量。 压电材料在交变力的作用下，电荷可以不断补充，以供给测 量回路一定的电流，故适用于动态测量。
为灵敏度，常用两片同型号压电元件粘结在一起。两种接法：
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
19世纪末，著名物理家居里在自己的实验室里发现磁石
线并垂直于光轴的x称为电轴，与x和z 轴同时垂直的轴y称为机械轴。 把沿电
z 光轴
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”， 而把沿机
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”。 而沿光 y 机械轴
轴z方向的力作用时不产生压电效应。
电轴 x
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, P1+P2+P3 = 0, 所以晶体表面不产生电荷, 即 呈中性。
R
R i // R a
Ri Ra Ri Ra
C 1
R
C
电荷源
电压源
六、测量电路
•对测量电路的要求：由于压电材料内阻都很高， 输出的信号能量都很小，这就要求测量电路的 输入电阻应非常大。
压电式传感器在测量低压力时线性度不好，这主要是传感 器受力系统中力传递系数为非线性所致，即低压力下力的传递 损失较大。为此，在力传递系统中加入预加力，称预载。这除 了消除低压力使用中的非线性外，还可以消除传感器内外接触 表面的间隙，提高刚度。特别是，它只有在加预载后才能用压 电传感器测量拉力和拉、 压交变力及剪力和扭矩。
相同极性端粘结：负端粘结在一起，中间插入的金属电极为负
极，正电极在两边的电极上。类似电容的并联。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。
不同极性端粘结 ：类似两个电容的串联的，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。
①纵向效应：
q1 D1Fx
- - - F- -x xy
++ ++ Fx
②横向效应：
+++++
q2 D2Fy Fy
xy
Fy
-------
③切向效应：
+ + + + + Fy
q3 D3F Fy - - - - - - -
四、 压电式传感器
压电式传感器的基本原理：压电材料的压电效应，即当 有力作用在压电材料上时，传感器就有电荷（或电压）输出。
性的的一个温物度理。特性，就是当磁石加热到一定温度时，原来的
磁性就会消失。后来，人们把这个温度叫“居里点“。
三、工作原理
以石英晶体为例，石英晶体化学式为SiO2， 是单晶体结构。下图表示了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。 纵向轴z称为光轴，经过六面体棱
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。
从研究的模型同样可以看出：如果是使其伸 长而不是压缩时，则电荷的极性正好相反。总之， 石英等单晶体材料是各向异性的物体，在x或y轴 向施力时，在与x轴垂直的面上产生电荷，电场 方向与x轴平行，在z轴方向施力时，不能产生压 电效应。
压电式传感器中的压电元件，按其受力和变形方式不同， 大致有厚度变形、长度变形、体积变形和厚度剪切变形等几种 形式，如下图所示。目前最常使用的是厚度变形的压缩式和剪 切变形的剪切式两种。
F ＋
－ (a ) －
F －
(b )
F
＋
－
F
F
＋
(c) ＋
＋ －
(d )
(e)
压电元件变形方式
厚度变形( TE ); (b) 长度变形( LE )； (c) 体积变形( VE )； (a) 面切变形( FS )； (e) 剪切变形( TS )
＋
＋＋ ＋＋
＋ ＋＋ ＋
－
＋
＋＋ ＋＋
－ －－ － －
(a)
(b)
＋＋ ＋＋
＋ ＋ ＋＋ ＋
－
＋
＋＋ ＋＋
－ －－ － －
(a)
(b)
图6-5 压电元件连接方式 (a) 相同极性端粘结； (b) 不同极性端粘结
在上述两种接法中，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 场合。 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，并且测量电路输入阻抗很高的场合。
压电晶体
高分子压电材料
压电陶瓷
压电材料的主要特性参数有：
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。
五、等效电路
在压电晶片的两个工作面上进行蒸镀，形成金属膜， 构成两个电极。当金属片受力时，在晶片两表面出现数 值相等极性相反的电荷，形成电场。因此，可等效为一 个有源的电容器。
等效电容：Ca
0r A
开路电压： U 0
q Ca
接入后续电路，等效电路：
测量电路
传感器
连接电缆寄生电容
C Ca Cc Ci
——————
当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时, 晶体沿x 方向将产生压缩变形,硅离子1被挤入氧离子2和6之间， 而氧离子4被挤入硅离子3和5之间，结果表面A上呈现 负电荷，而在表面B上呈现正电荷。正负电荷重心不再 重合,在x轴的方向出现电荷, 电偶极矩在y方向上的分量 仍为零, 不出现电荷。
当受y轴方向的压力时,硅离子3和氧离子2，及硅离 子5和氧离子6都向内移动同样的数值，故在电极C和D 上不呈现电荷，而在表面A和B上，即在x轴的端面上 又呈现电荷，但与图(b)的极性正好相反。
为灵敏度，常用两片同型号压电元件粘结在一起。两种接法：
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
19世纪末，著名物理家居里在自己的实验室里发现磁石
线并垂直于光轴的x称为电轴，与x和z 轴同时垂直的轴y称为机械轴。 把沿电
z 光轴
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”， 而把沿机
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”。 而沿光 y 机械轴
轴z方向的力作用时不产生压电效应。
电轴 x
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, P1+P2+P3 = 0, 所以晶体表面不产生电荷, 即 呈中性。
R
R i // R a
Ri Ra Ri Ra
C 1
R
C
电荷源
电压源
六、测量电路
•对测量电路的要求：由于压电材料内阻都很高， 输出的信号能量都很小，这就要求测量电路的 输入电阻应非常大。
压电式传感器在测量低压力时线性度不好，这主要是传感 器受力系统中力传递系数为非线性所致，即低压力下力的传递 损失较大。为此，在力传递系统中加入预加力，称预载。这除 了消除低压力使用中的非线性外，还可以消除传感器内外接触 表面的间隙，提高刚度。特别是，它只有在加预载后才能用压 电传感器测量拉力和拉、 压交变力及剪力和扭矩。
相同极性端粘结：负端粘结在一起，中间插入的金属电极为负
极，正电极在两边的电极上。类似电容的并联。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。
不同极性端粘结 ：类似两个电容的串联的，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。
①纵向效应：
q1 D1Fx
- - - F- -x xy
++ ++ Fx
②横向效应：
+++++
q2 D2Fy Fy
xy
Fy
-------
③切向效应：
+ + + + + Fy
q3 D3F Fy - - - - - - -
四、 压电式传感器
压电式传感器的基本原理：压电材料的压电效应，即当 有力作用在压电材料上时，传感器就有电荷（或电压）输出。
性的的一个温物度理。特性，就是当磁石加热到一定温度时，原来的
磁性就会消失。后来，人们把这个温度叫“居里点“。
三、工作原理
以石英晶体为例，石英晶体化学式为SiO2， 是单晶体结构。下图表示了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。 纵向轴z称为光轴，经过六面体棱
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。
从研究的模型同样可以看出：如果是使其伸 长而不是压缩时，则电荷的极性正好相反。总之， 石英等单晶体材料是各向异性的物体，在x或y轴 向施力时，在与x轴垂直的面上产生电荷，电场 方向与x轴平行，在z轴方向施力时，不能产生压 电效应。
压电式传感器中的压电元件，按其受力和变形方式不同， 大致有厚度变形、长度变形、体积变形和厚度剪切变形等几种 形式，如下图所示。目前最常使用的是厚度变形的压缩式和剪 切变形的剪切式两种。
F ＋
－ (a ) －
F －
(b )
F
＋
－
F
F
＋
(c) ＋
＋ －
(d )
(e)
压电元件变形方式
厚度变形( TE ); (b) 长度变形( LE )； (c) 体积变形( VE )； (a) 面切变形( FS )； (e) 剪切变形( TS )
＋
＋＋ ＋＋
＋ ＋＋ ＋
－
＋
＋＋ ＋＋
－ －－ － －
(a)
(b)
＋＋ ＋＋
＋ ＋ ＋＋ ＋
－
＋
＋＋ ＋＋
－ －－ － －
(a)
(b)
图6-5 压电元件连接方式 (a) 相同极性端粘结； (b) 不同极性端粘结
在上述两种接法中，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 场合。 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，并且测量电路输入阻抗很高的场合。
压电晶体
高分子压电材料
压电陶瓷
压电材料的主要特性参数有：
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。
五、等效电路
在压电晶片的两个工作面上进行蒸镀，形成金属膜， 构成两个电极。当金属片受力时，在晶片两表面出现数 值相等极性相反的电荷，形成电场。因此，可等效为一 个有源的电容器。
等效电容：Ca
0r A
开路电压： U 0
q Ca
接入后续电路，等效电路：
测量电路
传感器
连接电缆寄生电容
C Ca Cc Ci
——————
当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时, 晶体沿x 方向将产生压缩变形,硅离子1被挤入氧离子2和6之间， 而氧离子4被挤入硅离子3和5之间，结果表面A上呈现 负电荷，而在表面B上呈现正电荷。正负电荷重心不再 重合,在x轴的方向出现电荷, 电偶极矩在y方向上的分量 仍为零, 不出现电荷。
当受y轴方向的压力时,硅离子3和氧离子2，及硅离 子5和氧离子6都向内移动同样的数值，故在电极C和D 上不呈现电荷，而在表面A和B上，即在x轴的端面上 又呈现电荷，但与图(b)的极性正好相反。