第6章 压电传感器
第11 12讲 压电式传感器
电荷量与外力的关系：
q d33 F
d33——压电陶瓷的压电系数。
• 钛酸钡的压电系数是石英的50倍，但居里 温度点只有115℃，使用温度不超过70℃， 温度稳定性和机械强度都不如石英。 • 目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅， 居里温度点300℃，性能稳定，有较高的介 电常数和压电系数。
• 压电陶瓷可以按受力和变形的不同形式制 成各种形状的压电元件。
• 2.电荷放大器
由运算放大器的特性，可求出电荷放大器的输出：
Aq u0 Ca Cc Ci (1 A)C f
当（1+A）Cf>>Ca+Cc+Ci时，
q Uo Cf
电荷放大器的输出电压只取决于输入电荷与反馈电容，与电缆电容无关， 且与q成正比，因此通常与压电传感器配合使用。
6.2
压电式传感器的测量电路
一、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：
Ca
r 0 A
d
压电元件的等效电路
q Ua Ca
当受到Y方向的压力作用时，P1增大，P2,P3减小，在X轴 正方向出现正电荷。
ห้องสมุดไป่ตู้
• 二、压电陶瓷
– 是一种人工制造的多晶压电材料，它由无数 个细微的单晶组成。材料内部的晶粒有许多 自发极化的电畴，在无电场作用时，电畴在 晶体中杂乱分布，它们的极化效应被相互抵 消，因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压 电性质。 – 必须对压电陶瓷进行极化处理，在陶瓷上施 加外电场。 – 在压电传感器中多采用钛酸钡及锆钛酸铅压 电陶瓷作为压电元件。
压电传感器的应用精品
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。
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5
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，平行埋设于柏油公路 的路面下约5cm，可以用来测量车速及汽车的载重量，并根据 存储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。
2019/9/3
3
2．压电式周界报警系统
（用于重要位置出入口、周界安全防护等）
将长的压电电缆埋在 泥土的浅表层，可起分布 式地下麦克风或听音器的 作用，可在几十米范围内 探测人的步行, 对轮式或履 带式车辆也可以通过信号 处理系统分辨出来。右图 为测量系统的输出波形。
2019/9/3
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3.交通监测
8
压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用
压电传感器测量 双腿跳的动态力
压电式步态 分析跑台
压电式纵跳 训练分析装置
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本章作业 p108：2、3、5
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休息一下
2019/9/3
11
第六章：第三节 压电传感器的应用
一、高分子压电材料的应用
1. 玻璃打碎报警装置 将高分子压电测
振薄膜粘贴在玻璃上， 可以感受到玻璃破碎 时会发出的振动，并 将电压信号传送给集 中报警系统。
粘贴 位置
2019/9/3
1
高分子压电材料制作的玻璃打碎传感器
将厚约0.2mm左右的PVDF
薄膜裁制成1020mm大小。在它
的正反两面各喷涂透明的二氧化
锡导电电极，再用超声波焊接上
传感器与检测技术习题答案(六)
第6章 压电传感器习题答案
1．为什么说压电式传感器只适用于动态测量而不能用于静态测量?
答：因为压电式传感器是将被子测量转换成压电晶体的电荷量，可等效成一定的电容，如被测量为静态时，很难将电荷转换成一定的电压信号输出，故只能用于动态测量。
2．压电式传感器测量电路的作用是什么?其核心是解决什么问题?
答：压电式传感器测量电路的作用是将压电晶体产生的电荷转换为电压信号输出，其核心是要解决微弱信号的转换与放大，得到足够强的输出信号。
3．一压电式传感器的灵敏度K 1＝10pC ／MPa ，连接灵敏度K 2=0.008V ／pC 的电荷放大器，所用的笔式记录仪的灵敏度K 3=25mm ／V ，当压力变化Δp =8MPa 时，记录笔在记录纸上的偏移为多少?
解：记录笔在记录纸上的偏移为
S =10×0.008×25×8=16/mm
4．某加速度计的校准振动台，它能作50Hz 和1g 的振动，今有压电式加速度计出厂时标出灵敏度K ＝100mV ／g ，由于测试要求需加长导线，因此要重新标定加速度计灵敏度，假定所用的阻抗变换器放大倍数为1，电压放大器放大倍数为100，标定时晶体管毫伏表上指示为9.13V ，试画出标定系统的框图，并计算加速度计的电压灵敏度。
解：此加速度计的灵敏度为
3.91100
9130=='K mV/g 标定系统框图如下：。
第六章 压电式传感器
测量时，需把压电传感器用电缆接于前置放大
器。
1、电压放大器
等效电阻
R R a // R i
Ra Ri Ra Ri
等效电容
C Ca Ci
在力作用下产生的电压：
u d Fm Ca s in t U m s in t
送入放大器输入端的电压为：
R R 1 j C 1 j C R 1 j C a R 1 j C 1 j C u j R C a 1 j R ( C C a )
q1 d 1 4
4
X切晶片
Y切晶片
q 2 d 2 5 5
厚度剪切变形(TS方式)
q 2 d 2 6 6
Y切晶片
（四）弯曲变形(BS方式)
它不是基本变形方式，而是拉、压、切应力 共问作用的结果。根据具体情况选择合适的 压电常数。
体积变形（VE）方式
对于BaTiO3压电陶瓷，
还有体积变形方式。
U im
d Fm R 1 R (C a C i C c )
2 2 2
高 频 R 1
U im
d F im Ca Ci Cc
为定值。
低的高频响应很好。
• 电荷放大器
– 是一个带电容负反馈的高增益运算放大器。 – 等效电路图如图所示。
第三节 压电元件常用结构形式
第三节 压电元件的常用结构形式
一、压电元件的基本变形
(一)厚度变形(TE方式) 石英晶体的纵向压电效 应，产生的表面电荷密 度为
q 1 d 1 1 1
(二)长度变形(LE方式) 利用石英晶体的横向压 电效应，表面电荷的计 算式为
q1 d 1 2 2
第6章 压电式传感器习题
第6章压电式传感器习题第6章压电式传感器1、为什么压电式传感器不能用于静态测量，只能用于动态测量中？而且是频率越高越好？2、什么是压电效应？试比较石英晶体和压电陶瓷的压电效应3、设计压电式传感器检测电路的基本考虑点是什么，为什么?4、有一压电晶体，其面积为20mm2，厚度为10mm，当受到压力P=10MPa作用时，求产生的电荷量及输出电压：(1)零度X切的纵向石英晶体；(2)利用纵向效应的BaTiO3。
解：由题意知，压电晶体受力为F=PS=10×106×20×10-6=200(N)（1）0°X切割石英晶体，εr=4.5，d11=2.31×10-12C/N 等效电容36120101010205.41085.8---?????==d S C r aεε=7.97×10-14(F)受力F产生电荷Q=d11F=2.31×10-12×200=462×10-2(C)=462pC输出电压()V C Q U a a3141210796.51097.710462?=??==--（2）利用纵向效应的BaTiO3，εr=1900，d33=191×10-12C/N 等效电容361201010102019001085.8---?????==d SC r aεε=33.6×10-12(F)=33.6(pF)受力F产生电荷Q=d33F=191×10-12×200=38200×10-12(C)=3.82×10-8C输出电压()V C Q U a a312810137.1106.331082.3?=??==--5、某压电晶体的电容为1000pF，k q=2.5C/cm，电缆电容C C =3000pF，示波器的输入阻抗为1MΩ和并联电容为50pF，求：(1)压电晶体的电压灵敏度足K u；(2)测量系统的高频响应；(3)如系统允许的测量幅值误差为5％，可测最低频率是多少?(4)如频率为10Hz，允许误差为5％，用并联连接方式，电容值是多大?解：（1）cm V pF cm C C K K a q u/105.21000/5.2/9?===（2）高频（ω→∞）时，其响应i c a q i c a m am u C C C k C C C d F U K++=++==33()cm/V.F cm/C.8121017610503000100052?=?++=-（3）系统的谐振频率()i c a n C C C R++==11τω()()s rad2471050300010001011126=?++?=-由()()2/1/n n am im U U Kωωωωω+==，得()%51/1/2-≤-+=n nωωωωγ（取等号计算）()()[]22/19025.0n nωωωω+=()29025.09025.0nωω+=解出(ω/ωn)2=9.2564→ω/ωn=3.0424ω=3.0424ωn=3.0424×247=751.5(rad/s)f=ω/2π=751.5/2π=119.6(Hz)（4）由上面知，当γ≤5%时，ω/ωn=3.0424当使用频率f=10Hz时，即ω=2πf=2π×10=20π(rad/s)时ωn=ω/3.0424=20π/3.0424=20.65(rad/s)又由ωn=1/RC，则C=1/ωn R=1/(20.65×1×106)=4.84×10-8(F)=4.84?104pF 6、分析压电加速度传感器的频率响应特性。
传感器原理及应用压电式传感器.完美版PPT
§6.1 压电效应
二、压电效应的基本原理
z
3、石英晶体压电效应作用力与电荷关系
若从晶体上沿y方向切下一块晶片，当沿 电轴x方向施加应力时，晶片将产生厚度变形，
O
y
并发生极化现象。在晶体线性弹性范围内，极
x
化强度与应力成正比。
在垂直于x轴晶面上产生的电荷量为
b
z
q1 1d1 1 Fx
x
y
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、b、c—石
这些自由电荷与陶瓷片内的束缚 电荷符号相反而数量相等，屏蔽和抵消 了陶瓷片内极化强度对外界的作用。
电极
自由电荷
-----
＋＋＋＋＋
极化方向
- - - - - 束缚电荷
＋＋＋＋＋
陶瓷片内束缚电荷与电极上 吸附的自由电荷示意图
因此，无外力或外场 作用时，极化处理后的压 电陶瓷也表现不出来对外 界的电场或应力。
产生电荷q11和q12的符号，决定于受压力
c a
还是受拉力。
§6.1 压电效应
二、压电效应的基本原理 4、石英晶体压电效应特点
§6.1 压电效应
二、压电效应的基本原理 5、压电陶瓷的压电效应
压电陶瓷是人工制造的多晶体 压电材料。
材料内部的晶粒有许多自发极 化的电畴，有一定的极化方向，从 而存在电场。
英晶片的长度、厚度和宽度。
c a
§6.1 压电效应
二、压电效应的基本原理
z
3、石英晶体压电效应作用力与电荷关系
若在同一切片上，沿机械轴y方向施加应 力，则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷为
O
y
a q 12 d 12 b F y
第6章 压电式传感器
2.电荷放大器 电荷放大器
压电式传感器另一种专用的前置放大器。 压电式传感器另一种专用的前置放大器。 能将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源， 能将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源，而 且输出电压正比于输入电荷，因此， 且输出电压正比于输入电荷，因此，电荷放大器 同样也起着阻抗变换的作用， 其输入阻抗高达 同样也起着阻抗变换的作用 ， 1010~1012 ，输出阻抗小于 输出阻抗小于100 。 使用电荷放大器突出的一个优点：在一定条件下， 使用电荷放大器突出的一个优点：在一定条件下， 传感器的灵敏度与电缆长度无关。 传感器的灵敏度与电缆长度无关。
切片上电荷的符号与受力方向的关系
轴方向受压力， 轴方向受拉力， 图（a）是在 轴方向受压力，图（b）是在 轴方向受拉力， ）是在X轴方向受压力 ）是在X轴方向受拉力 轴方向受压力， 轴方向受拉力。 图（c）是在 轴方向受压力，图（d）是在 轴方向受拉力。 ）是在Y轴方向受压力 ）是在Y轴方向受拉力 “纵向压电效应”：沿电轴（X轴）方向的力作用下产生电荷 纵向压电效应” 沿电轴（ 轴 纵向压电效应 横向压电效应” 沿机械轴（ 轴 “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（ 轴 方向时则不产生压电效应。 在光轴（Z轴）方向时则不产生压电效应。
3.高分子压电材料 3.高分子压电材料
典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（ 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）、聚氯乙烯（PVC） PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、聚氯乙烯（PVC）等。 ）、聚氟乙烯 ）、聚氯乙烯 它是一种柔软的压电材料， 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， 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， 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， 价格便宜，频率响应范围较宽，测量动态范围可 达80dB。 80dB。
第6章 压电式传感器
应力与电荷密度
力与应力：用F表示力，用T表示应力，即 单位面积上的力：
F T A
电荷与电荷密度：用Q表示电荷，用 表示 电荷密度，即单位面积上的电荷：
Q A
压电效应可以用下面的方程描述：
σ = dT
• 该方程称为压电方程，它描述了压电传感器输 出（电荷密度）与输入（应力）之间的静态关 系 • d相当于灵敏度
A( )
d R 1 [ R(Ca Cc Ci )]
2
d R 1 ( )
2
可得实际增益与理想增益之比：
A( ) k ( ) * 2 A ( ) 1 ( )
k ( )
1 ( )
2
• 当 1 ，即输入信号频率较大， k ( ) 1 ， 此时，实际增益趋近于理想增益 • 因此，压电式传感器的高频特性较好，这是压电 式传感器的优点
S = dt E
•
d t 称为逆压电常数矩阵
二、压电方程和压电常数矩阵
压电效应可用压电方程来定量描述，如下：
σ = dT • d称为压电常数矩阵
• 不同的压电材料具有不同的压电常数矩阵 • 相同的压电材料，如果加工方式不同，也会有 不同的压电常数矩阵
应力：如图所示，一 共有6个方向 • T1 , T2 , T3 ：分别表 示沿x,y,z方向上的 应力（拉力为正， 压力为负） • T4 , T5 , T6：分别表 示绕x,y,z方向上的 切应力（右旋为正， 左旋为负）
T
三个端面的面积：
• A1 , A2 , A3 ：分别表 示与x,y,z垂直的端 面面积
T1 T 因此有： 2 1 d11 d12 d13 ... d16 T3 d d d ... d 2 21 22 23 26 T4 3 d31 d32 d33 ... d36 T 5 T6 写为向量-矩阵形式的压电方程为：
传感器(电子教案)第6章
压电传感器的幅值线性度是指被测物理量(如力、压力、 加速度等)的增加，其灵敏度的变化程度。
6.6.2横向灵敏度
压电加速度传感器的横向灵敏度是指当加速度传感器 感受到与其主轴向(轴向灵敏度方向)垂直的单位加速度 振动时的灵敏度，一般用它与主轴向灵敏度的百分比 来表示，称为横向灵敏度比。
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6.1 压电效应
压电式传感器大都是利用压电材料的压电效应制 成的。在电声和超声工程中也有利用逆压电效应 制作的传感器。压电转换元件受力变形的状态可 分为图6-1所示的几种基本形式。
但由于压电晶体的各向异性，并不是所有的压电 晶体都能在这几种变形状态下产生压电效应。例 如石英晶体就没有体积变形压电效应。但它具有 良好的厚度变形和长度变形压电效应。
第6章 压电式传感器
压电式传感器是一种有源的双向机电 传感器。它的工作原理是基于压电材 料的压电效应。石英晶体的压电效应 早在1680年即已发现，1948年制作出 第一个石英传感器。
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第6章 压电式传感器
6.1压电效应 6.2压电材料 6.3等效电路 6.4测量电路 6.5压电式传感器的应用举例 6.6影响压电式传感器精度的因素分析 本章要点
电压放大器的作用是将压电式传感器的高输 出阻抗经放大器变换为低阻抗输出，并将微 弱的电压信号进行适当放大．因此也把这种 测量电路称为阻抗变换器。图6-9是电压放大 器的简化电路图。
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6.4 测量电路
6.4.2电荷放大器
由于电压放大器使所配接的压电式传感器的 电压灵敏度将随电缆分布电容及传感器自身 电容的变化而变化，而且电缆的更换得引起 重新标定的麻烦，为此又发展了便于远距离 测量的电荷放大器，目前它巳被公认是一种 较好的冲击测量放大器。
传感器原理与应用习题第6章压电式传感器
《传感器原理与应用》习题集与部分参考答案教材：传感器技术（第3版）贾伯年主编，及其他参考书第6章 压电式传感器6-1 何谓压电效应？何谓纵向压电效应和横向压电效应？答：一些离子型晶体的电介质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。
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： D = dT 式中 d —压电常数矩阵。
当外力消失，电介质又恢复不带电原状；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。
若对上述电介质施加电场作用时，同样会引起电介质内部正负电荷中心的相对位移而导致电介质产生变形，且其应变S 与外电场强度E 成正比： S=d t E 式中 d t ——逆压电常数矩阵。
这种现象称为逆压电效应，或称电致伸缩。
6-2 压电材料的主要特性参数有哪些？试比较三类压电材料的应用特点。
答：主要特性：压电常数、弹性常数、介电常数、机电耦合系数、电阻、居里点。
压电单晶：时间稳定性好，居里点高，在高温、强辐射条件下，仍具有良好的压电性，且机械性能，如机电耦合系数、介电常数、频率常数等均保持不变。
此外，还在光电、微声和激光等器件方面都有重要应用。
不足之处是质地脆、抗机械和热冲击性差。
压电陶瓷：压电常数大，灵敏度高，制造工艺成熟，成形工艺性好，成本低廉，利于广泛应用，还具有热释电性。
新型压电材料：既具有压电特性又具有半导体特性。
因此既可用其压电性研制传感器，又可用其半导体特性制作电子器件；也可以两者合一，集元件与线路于一体，研制成新型集成压电传感器测试系统。
6-3 试述石英晶片切型（︒︒+45/50yxlt ）的含意。
6-4 为了提高压电式传感器的灵敏度，设计中常采用双晶片或多晶片组合，试说明其组合的方式和适用场合。
答：（1）并联：C ′＝2C ，q ′=2q,U ′=U,因为输出电容大，输出电荷大，所以时间常数，适合于测量缓变信号，且以电荷作为输出的场合。
压电传感器(第六章)
电路并联
电路串联
C 2C,Q ' 2Q,U ' U C ' C ,U ' 2U ,Q ' Q
2
U’
+++++++++++ +
____________ _
___________
+++++++++++
+ _
U’
+++++++++++ + ___________ _ ++ + + + + + + + + + + _ ____________ +
第六章 压电传感器
主要内容
1.压电效应 2.压电材料 3.压电元件结构 4.等效电路与测量电路 5.压电传感器的应用
1
概述
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。 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。
25
聚偏氟乙烯压电材料
聚 偏 氟 乙 烯 压 电 效 应
26
高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆
27
可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板
28
压电式脚踏报警器
29
6.3 压电元件结构形式
单片压电元件产生的电荷量甚微，为了提高压电传 感器的输出灵敏度， 在实际应用中常采用两片（或两 片以上）同型号的压电元件粘结在一起。 由于压电材 料的电荷是有极性的，因此接法也有两种。
第六章 压电式传感器
1 CR
2
i
d 33 Fm C
2
arctan RC
当R无限大时 电压幅值比：
U im Um
Um
RC
1 1 RC
CR 2 1
U im 1 2 Um 1 1 i arctan 1 2
第六章：压电式传感器
主讲人：贾鹤萍
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。
1、工作原理--压电效应
图6-1 压电转换元件受力变形的几种基本形式
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1、工作原理--压电效应 压电传感器中的压电元件材料一般有三类： 压电晶体（如上述的石英晶体）； 经过极化处理的压电陶瓷； 高分子压电材料。
1、工作原理----石英晶体 天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，
Z轴为光轴，是晶体的对称轴，光线沿Z轴通过晶体 不产生双折射现象。
q1 q11 q12 q13 q14 q15 q16
q1 d111 d12 2 d13 3 d14 4 d15 5 d16 6 q2 d211 d22 2 d23 3 d24 4 d25 5 d26 6 q3 d311 d32 2 d33 3 d34 4 d35 5 d36 6 [D] 1
压电式传感器 ppt课件
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
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F=ma
此时惯性力F 作用于压电元件上，因而产生电荷q，当传感器选 定后，m为常数， 则传感器输出电荷为
q d 33 F d 33 ma
q=d11F=d11ma
与加速度a成正比。因此，测得加速度传感器输出的电荷便可知 加速度的大小。
4. 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
2）被测振动力
Q 2001012V F 2N 12 d11 10010 V / N
3）灵敏度 4）下限频率：
KQ
U 200m V 1m V / pC 12 Q 20010 V / C
1 1 fL 16Hz 6 12 2R f C f 2 3.141010 100010 s
6.1 压电式传感器的工作原理 一、压电效应Piezoelectric effect
1、正（顺）压电效应
某些电介质（晶体）当沿着一定方向施加力变形时，内部 产生极化现象，同时在它表面会产生符号相反的电荷；当 外力去掉后又重新恢复不带电状态； 当作用力方向改变 后，电荷的极性也随之改变; 这种现象称压电效应。
四、压电振动加速度传感器的性能指标
（1）灵敏度K 压电式加速度传感器的输出为电荷量，以 pC为单位（1pC=10-12C）。而输入量为加速度，单位为 m/s2,所以灵敏度以pC/ms-2为单位,或用重力加速度pC/g。灵 敏度的范围约为10～100pC/g。目前许多压电加速度传感器 的输出是电压，所以灵敏度单位也可以为mV/g，通常为10 ～1000mV/g。 （2）频率范围 常见的压电加速度传感器的频率范围为 0.01Hz～20kHz。 （3）动态范围 常用的测量范围为0.1～100g，或 1000m/s2。测量冲击振动时应选用100～10000g的高频加速 度传感器；而测量桥梁、地基等微弱振动往往要选择0.001 ～10g的高灵敏度的低频加速度传感器。
压电半导体 有机高分子 压电材料
6.2 压电传感器的测量转换电路
一、压电元件的等效电路
当压电晶体承受应力作用时，在它的
Ca
S
b
r 0 S
b
两个极面上出现极性相反但电量相等
的电荷。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
。
q Ua Ca
压电晶片：
S
d
Ce
压电传感器：
洗衣机
机床
风机
一、振动的基本概念
物体围绕平衡位置作往复运动称为振动。
物体振动一次所需的时间称为周期,用T表示,单位
是s。每秒振动的次数称频率，用f表示,单位为Hz。
振动物体的位移用x表示，偏离平衡位置的最大距
离称为振幅，用Am表示，单位为mm；
振动的速度用v表示，单位为m/s；
加速度用a表示，单位为m/s2。
振动幅值随时间的变化得到的曲线，叫振动波形。
测振系统力学模型
振幅
弹簧振子的简谐振动
简谐振动的三个基本参数
简谐振动——最基本的、最简单的周期振动。
位移： x=Asin(ωt+φ)
速度： v=Aωsin(ωt+φ+π/2) 加速度： a= Aω2 sin(ωt+φ+π) 位移、速度和加速度的关系： （1）都是同频率的简谐波； （2）三者的幅值依次为A、Aω、 Aω2 。 （3）相位关系，加速度超前于速度90˚，速度超前于位移 90˚。
1. 压电陶瓷的并联接法 2. 压电陶瓷的预紧力 3. 压电陶瓷用于动态力、振动和加速度的测量
一、高分子压电材料的应用 1. 玻璃打碎报警装置
将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上，当玻璃遭暴力打碎瞬间， 压电薄膜感受到剧烈振动，表面产生电荷Q，在两输出引脚间产
生窄脉冲电压U=Q/C,脉冲信号经放大后，用电缆输送到集中报
2、逆压电效应（电致伸缩）
正压电效应 T(S) 机械能
压电介质
逆压电效应
Q(E) 电能
在某些电介质（晶体）的极化方向上施加交变电 场或电压，它会产生机械振动。当去掉外加电场 时，电介质变形随之消失。 这种现象称逆压Байду номын сангаас 效应。
二、压电材料的分类和特性
1. 石英晶体Quartz crystal 2. 压电陶瓷 Piezoelectric ceramic 3. 高分子压电材料
fy y
a Q d11 Fy b
Q=d11Fx
2、压电陶瓷(多晶体）
人造多晶体：经极化处理后的人工多晶铁电体
E
电畴
未极化前：不具压电性
加外高电压，强电场
撤销外电场
对外不呈极性
加力F：放电现象 取消F：充电现象 机械能 电能
3、高分子压电材料
新型合成材料的 分子链中C—F键 具有极性，有一 定的偶极矩，通 常晶胞内的极矩 相互抵消整体不 显极性，没有压 电效应。必须经 过拉伸、极化过 程，特殊处理才 会具有良好的压 电效应。
二、测振传感器分类
测振用的传感器又称拾振
器，它有接触式和非接触
式之分。根据振动系统固 有振动频率f0和被测体振 动频率f的关系，分为：
振幅计 f>5f0
速度计 f0=f
加速度计f0>5f
三、压电式振动加速度传感器的结构
当传感器与被测振动加速度的机件紧固在一起后，传感器收机械运
动的振动加速度作用，压电晶片受到质量块惯性引起的交变力，其方向 与振动加速度方向相反，大小由F=ma决定。惯性引起的压电作用在压电 晶片上产生电荷，电荷由引出电极输出，由此将振动加速度转换成电参 量。
电荷放大器
由运算放大器基本特性， 可求出电荷放大器的输出电压
Aq Uo C a C c C i ( 1 A )C f
通常 A=104-108 ，因此 , 当满足 (1+A)Cf>>Ca+Cc+Ci 时，上式可表 示为：
Q AQ Q U o AUi A C总 (1 A)C f Cf
尽量使点火时刻接近爆震区而不发生爆震，但又能使发动 机输出尽可能大的扭矩。
点火时间可用压电传感器检测爆震
压电陶瓷 加速度传感器
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（例如10度以内），就可使汽 缸中汽油与空气的混合气体得到充分燃烧，
6.3 压电传感器的结构和应用
石英晶体主要用于精密测量，多用作实验室 基准传感器；
压电陶瓷灵敏较高，机械强度稍低，多用作
测力和振动传感器；
高分子压电材料多用于定性测量。
6.3 压电传感器的结构和应用
一、高分子压电材料的应用
1. 玻璃打碎报警器
2. 压电式周界报警系统
二、压电陶瓷传感器的应用
3.压电式加速度传感器
压电式加 速度传感 器主要由 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，并由 螺栓加以 固定。
F ma m —— 重块质量 a —— 加速度
q d F d ma
q dma U C C
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 作用，根据牛顿第二定律，此惯性力是加速度的函数， 即
电荷放大器的输出电压Uo只取决于输入电荷与反馈电容CF，与电 缆电容Cc无关，且与q成正比，因此，采用电荷放大器时，即使
连接电缆长度在百米以上，其灵敏度也无明显变化，这是电荷
放大器的最大特点。
电荷放大器原理
当被测振动较小时，电荷放大器的反馈电容Cf取小一些，可
获得较大的输出电压；
为减小分布电容的影响，电荷放大器紧靠传感器；
二、 压电材料的分类及特性
类 别
石英晶体
材 料
单晶体、水晶 （人造、 天然）
成 分
SiO2
特 性
d11=2.31× 10-12C/N， 压电系数稳定，固有频率稳定 承受压力 700-1000Kg/cm2
压电陶瓷 新型压电 材料
人造多晶体
钛酸钡、锆钛酸 压电系数高 d33=190× 10-11C/N 钡、铌酸盐系 压电特性 半导体特性 品种多、性能各异 集成压电传感器 质轻柔软、抗拉强度高、 机电耦合系数高
q d11 F d11SP
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
即：压电式压力传感器的输出电荷q与输入压强P成正比。
3. 压电式声传感器
压电陶瓷圆环
当交变信号加在压电陶瓷片两端面
时，由于压电陶瓷的逆压电效应，
陶瓷片会在电极方向产生周期性的 黄铜尾部 伸长和缩短 。当一定频率的声频
1.石英晶体 Quartz crystal
石英 居里点573℃，六角晶系结构,各向异性
光轴
电轴
机械轴
fy
qx d 11 fx
a a qy d 12 fy d 11 fy b b
fx
x轴方向受力：压力
x轴方向受力：拉力
y轴方向受力：压力
y轴方向受力：拉力
石英晶体sio2压电模型
在Y轴施加 压力时，在 x轴方向上 产生的电荷 与施加的压 力成正比， 还与石英晶 片的长度和 厚度有关
铝头 信号加在换能器上时，换能器上的
压电陶瓷片受到外力作用而产生压 缩变形，由于压电陶瓷的正压电效 应，压电陶瓷上将出现充、放电现 象，即将声频信号转换成了交变电
螺钉
信号。这时的声传感器就是声频信 号接收器。
6.4
振动测量及频谱分析
夯实机
一、振动的基本概念