压电石英称重传感器应用
压电石英称重传感器在公路动态称重中的应用
第 ２期 ２１ ０ ２年 ３月
压 电石 英 称 重传 感器 在公 路 动态 称 重 中的应 用
李晓 宝 ，简 水珍 。 恢 湘 ，彭
（． 西 省 交 通 科 学研 究 院 ，江西 南 昌 ３０ ３ ；２ 新余 市 公 路 管 理 局 ，江 西 新 余 １江 ３０８ ． ３８２） ３ ０ ５
较 高 的测量精 度 和使用 寿命 。
２ ２ 技术原 理 ．
３ 压 电式 传 感器 在 动 态 称 重 系 统 中 的 应 用
３ １ 系统 集成 形式 ．
应 用压 电式 传感 器 的公 路 动态称 重 系统 的构成 如 图 ３所示 。通 过安装 在最 上 游和最 下游 的感应 线
圈 ， 测进 入和 退 出测 量 区域 的 车辆 。根据 感 应 线 检
弓ｆ 高 时 速 重∑ 感 输 ×度 了 共 低 时轴 ＝传 器 出速
．
轮 胎
时 间
（ 般小 于 ５年） ３ 一 ；）不适 宜 车辆 较 高速 度 通过 。这 些缺 点影 响 了称 重 系 统 的 准确 性 和 使用 效 率 ， 使 且 系统 维护 成本 较高 。
轴 重 感 应
翼缘 的两个 平 面形成 的矩形 通 孔（ 图 ２所 示 ） 如 。
高 速度 的车辆 通过 动态 称重 系统 的 问题 。通 过选 择 合适 的晶片材 料 ， 以较 大 幅度 提 高 传感 器 的 使 用 可 寿命 ， 降低称 重系统 对传 感器 的维 修频 次 ， 大幅延 长 传感 器更 换 时间 ， 节省 系统 费用 。通过合 适 的屏蔽 、 防腐 蚀设 计 ， 传感 器可 以在 恶 劣 环境 下 工 作 且 具 有
压 电式 传 感 器 由于 其 体积 较 小 ， 度也 小 于 轮 宽 胎接 触 地面 面积 ， 载在 传 感 器 上 的 重量 是 轮 胎 接 荷
压电式传感器的工作原理和应用
压电式传感器的工作原理和应用1. 压电式传感器的工作原理压电式传感器是一种基于压电效应的传感器，利用压电材料的压电效应将机械能转化为电能。
压电效应是指某些晶体在受到压力或振动时会产生电荷，并且这种电荷与压力或振动的大小成正比。
常用的压电材料包括石英、陶瓷等。
这些材料具有特殊的晶体结构，使得在压力或振动作用下，晶格发生畸变，从而使晶体表面产生电荷。
压电式传感器通常由压电材料、电极和支撑结构组成。
当外力施加在压电材料上时，压电材料发生形变，导致电荷的积累。
电极将电荷收集，并通过导线传输到测量电路中。
2. 压电式传感器的应用2.1 压力传感器压力传感器是压电式传感器的一种常见应用。
由于压电材料对压力具有敏感性，因此可以将压电材料作为传感器的敏感元件，用于测量各种介质的压力。
压力传感器广泛应用于工业控制、医疗设备、环境监测等领域。
例如，在工业控制中，压力传感器可用于监测液体或气体的压力，从而实现对设备状态的监测和控制。
在医疗设备中，压力传感器可用于血压监测、呼吸机控制等应用。
2.2 加速度传感器加速度传感器是另一种常见的压电式传感器应用。
加速度传感器用于测量物体在运动过程中的加速度。
当物体受到加速度时，压电材料会发生振动，并产生电荷信号，通过测量电荷信号的大小可得到物体的加速度。
加速度传感器在车辆安全、航空航天、工程结构监测等领域有着广泛的应用。
例如，汽车中的车辆稳定系统会使用加速度传感器监测车辆的倾斜角度和加速度，以实现提高行驶安全性能。
2.3 声音传感器压电式传感器还可以用作声音传感器。
当声波通过压电材料时，材料内的晶体结构会发生振动，从而产生电荷信号。
通过测量这种电荷信号的大小，可以实现对声音的测量和分析。
声音传感器在声学测量、语音识别、噪音控制等领域有广泛的应用。
例如，在噪音控制系统中，声音传感器可以用于捕捉环境噪音信号，并通过控制系统反馈，实现噪音的消除或降低。
3. 总结压电式传感器利用压电效应将机械能转化为电能，以实现对外界力的测量。
压电石英称重传感器应用
压电石英称重传感器应用20世纪90年代公路车辆轴载超限越来越严重，已成为世界难题。
在公路车辆轴载超载预判，桥梁超载报警和轴载动态称重计量中，迫切需要体积小、高度低、重量轻，刚度大，固有频率高，动态范围广，灵敏度高的动态称重传感器和动态公路车辆称重系统。
压电石英晶体敏感元件及其组装的称重传感器就具备上述特点。
北京中航科仪测控技术有限公司开发出可以埋在路面下的以石英晶体为敏感元件的动态平行梁称重传感器，用于公路车辆轴载超载预判，桥梁超载报警，隧道保护和车辆轴载计量，取得了很好的应用效果。
这种压电石英称重传感器已在美国、英国、德国、澳大利亚、韩国、日本等许多国家广泛应用。
1993年7月在苏黎世的瑞士联邦技术研究所，根据欧洲研究项目“COTS323道路动态称重”的要求，对压电石英称重传感器与另外8个商用称重传感器进行了道路比较试验。
试验使用数字式示波器显示重量信号、并将其储存在软盘上，然后将数据用计算机进行离线分析。
除了车辆的轴重和毛重外，车速、轴距、轮距和单双轮胎等均可确定。
在20～50km/h速度下，动态称量结果与动态校准结果非常吻合，证明压电石英称重传感器完全可以用于公路车辆轴重计量。
称重传感器在动态公路车辆称重中的应用主要有两种方式。
一种是利用多个垫圈式压电石英称重传感器组装成薄形电子轮辐式称重、轴销称重传感器或条形称重板（平行梁称重传感器）。
一种是利用多个石英晶体片和电极板直接安装在特制的梁式承载器（张力传感器）内，形成专用的压电石英型称重传感器，将其埋在公路表面截面为50×50mm的长槽内，形成动态公路车辆轴重秤（轨道衡）。
北京中航科仪测控技术有限公司研制的石英晶体动态称重传感器就是这种应用的典型代表。
它的总体结构如同1m长的工字梁，所不同的是工字梁的腹板为圆形空心截面，实际上其空心是由平行于工字梁上下翼缘的两个平面形成的矩形通孔。
多个石英晶体片在梁式称重传感器内的安装及所施加的预紧力的大小，对称重传感器的性能影响较大，应有严格的装配要求和装配工艺。
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。
压电传感器在车辆行驶称重中的应用
压电传感器在车辆行驶称重中的应用作者：李鹏来源：《名城绘》2019年第04期摘要：车辆的超载超限运输己经成为公路、桥梁和隧道的头号“杀手”，严重影响到车辆的行驶安全。
车辆在行驶中称重的问题急需解决。
压电传感器是一种能把动能转换为电能的特殊材料，很适合用于检测高速行驶过程中车辆的载重。
应用压电传感器检测时不需要车辆放慢速度，不影响车辆的正常行驶。
它可在高速公路车辆超重超限监测和桥梁、隧道的超载警告系统中发挥着重要的作用。
本文主要分析探讨了压电传感器在车辆行驶称重中的应用情况，以供参阅。
关键词：压电传感器；车辆行驶；称重；应用当今社会车辆超载现象屡见不鲜，这种违反交通法规的不当行为，影响交通安全，给市政道路桥梁路面带来极大压力，缩减道路使用寿命，降低道路桥梁工程综合质量。
然而，相较于发达国家，我国道路桥梁车辆行驶称重存在技术设备滞后消极现象，车辆超载现象屡见不鲜，为市政道路桥梁带来极大压力。
基于此，为使车辆超载现象得以有效控制，分析在车辆行驶称重过程中，压电传感器应用方略显得尤为重要。
1压电传感器的检测原理在特殊加工状态下，可以将动能转化为电能的材料称为压电材料，压电材料在机械冲击和振动时往往会产生电荷。
处于材料原子层的偶极子，其顺序被打乱后会形成一个电子流，并具有恢复到原来状态的意愿。
一旦有压力施加到传感器上，就會产生电压，如果去掉负载，那么就会产生一个相反极性的信号，它产生的电压比较高，传感器产生的电流却很小。
压电传感器主要的通过检测车辆轮胎施加到传感器上的压力，产生成正比的模拟电压、信号等，且保证输出压力信号的时间与轮胎停留在传感器时间相同。
如果有轮胎经过传感器，传感器就会产生一个电子脉冲，由此可见，压电传感器对行驶车辆的检测原理是对其受力产生的信号进行分析。
这种检测和称重的技术与方法，不需要车辆放慢速度，不会影响车辆的正常形式，且检测精度较高，比较适用于中高级公路中推广与应用，从而实现动态、自动、实时、方便的车辆检测，并有效地进行检测信息的分析、处理、打印以及存储，有效地抑制了日益严重的车辆超载超速现象，为广大司机朋友营造一个安全的行车环境。
石英晶体微量压力传感器的研究和应用
石英晶体微量压力传感器的研究和应用石英晶体微量压力传感器是一种广泛应用于工业控制、科学研究和生物医学领域的高灵敏度传感器，其原理是通过测量石英晶体压电效应的变化来实现对压力的检测。
本文将简要介绍石英晶体微量压力传感器的工作原理、优点、应用场景以及未来的发展趋势。
一、工作原理石英晶体微量压力传感器的工作原理基于石英晶体的压电效应。
石英晶体是将一些氧化物（如二氧化硅）加热到高温并使其逐渐冷却而成的晶体，具有压电特性，即当晶体受到外部压力或张力时，其表面产生电势差。
该电势差可通过精确测量来反映环境中的压力变化情况。
二、优点相对于其他压力传感器，石英晶体微量压力传感器具有以下优点：1. 高灵敏度由于石英晶体具有很高的压电系数和机械品质因数，因此石英晶体微量压力传感器的灵敏度非常高，能够探测非常微小的压力变化。
2. 高精度石英晶体微量压力传感器以其高精度而著称。
通过精细制造和精密电子元器件的组合，可以达到极高的精确度，达到微米级别的探测范围。
3. 耐用性强石英晶体微量压力传感器的机械结构简单，由于其不受温度、机械振动和腐蚀的影响，所以具有很高的耐用性。
三、应用场景石英晶体微量压力传感器的应用场景非常广泛：1. 工业控制在工业控制领域中，石英晶体微量压力传感器用于精确控制工业生产线上流体介质的流速、流量和压力，从而实现高效、稳定的工业制造。
2. 科学研究在科学研究领域中，石英晶体微量压力传感器被广泛应用于气体分析、温度测量和压力控制等领域，为实现科学研究提供了重要的技术支持。
3. 生物医学在生物医学领域中，石英晶体微量压力传感器被用于测量人体内部结构和组织的压力，帮助医生进行精确诊断和手术操作。
四、未来发展趋势随着科技的发展和石英晶体微量压力传感器技术的不断提升，我们可以预见到以下趋势：1. 精度的提高随着制造工艺和电子元器件的不断提高，石英晶体微量压力传感器的精度将得到进一步提高，达到纳米级别。
2. 体积的缩小为了适应越来越小的机械结构和设备，石英晶体微量压力传感器的体积将逐渐缩小，越来越便于集成到微型系统中。
三向压电石英晶体力传感器应用场合
三向压电石英晶体力传感器应用场合
石英传感器的温漂极小，低速、高速状态下都可进行称量，同时石英的物理特性比较稳定，其灵敏度随时间变化较小。
压电石英称重传感器是利用石英晶体的纵向压电效应将重量信号转换，广州晶石的条形石英式动态称重传感器，是采用石英元件为核心部门的动态称重（WIM）力传感器，传感器安装在路面上，可提供高精度的测量信号，专门用于测量行驶道路车辆的轮轴载荷的设备。
压电式传感器的应用
1、压电式测力传感器
压电式测力传感器是一种利用压电元件直接实现力电转换的传
感器。
在拉伸和压缩应用中，通常使用两个或多个石英晶体作为压电元件。
刚性大，测量范围广，线性度和稳定性高，动态特性好。
当使用时间常数大的电荷放大器时，可以测量准静态力。
按测力状态分有单向、双向和三向传感器，其结构基本相同。
2、压电式加速度传感器
压电元件一般由两个压电片组成。
在压电片的两个表面镀一层银层，将输出引线焊接在银层上，或者在两片压电片之间夹一块金属，引线焊接在金属片上，另一根引线焊接在银层上。
输出端直接与传感器底座相连。
在压电片上放置一个比重较大的质量块，然后用硬弹簧或螺栓或螺母对质量块进行预加载。
整个组件安装在一个厚金属壳中。
为了隔离试件的任何应变传递到压电元件，避免错误信号输出，一般需要加厚底座或选择刚度更大的材料来制作。
目前制作压电传感器的材料很多，可分为压电单晶、压电多晶和有机压电材料。
最常用的压电传感器是压电单晶中属于压电多晶和石英晶体的各类压电陶瓷。
其他压电单晶还有铌酸锂、钽酸锂、镓酸锂、锗酸铋等，适用于高温辐射环境。
压电石英多分量力传感器及其应用
压电石英多分量力传感器及其应用中国运载火箭技术研究院第702研究所刘九卿【摘要】本文针对工程结构动态特性研究所提出的多分量动态力的测量问题，介绍了以石英晶体为敏感组件的压电石英多分量力传感器的工作原理、结构特点；石英晶体特性；多个石英芯片组合及测试技术；石英芯片装配工艺要点，重点工序理论基础；多个多分量压电石英力传感器并联组成测量系统（测力平台）的特性与受力分析。
并简要的介绍了压电石英多分量力传感器在动态测试中的应用。
【关键词】多分量力传感器；动态特性；石英晶体；压电效应；电荷灵敏度；电荷放大器；测力平台一、概述进入21世纪以来，随着科学技术的进步，在一些结构设计与测试中，用工程动力学代替工程静力学解决问题，研究结构的动态特性以保证结构的安全性和可靠性越来越被人们所重视。
在动态力、动态压力等参数测量中，由于被测力、压力不断变化，动态测量系统的响应能否及时跟上这种变化？这是动态测力、测压力和其它动态参数测量必须特别注意的问题。
这就对结构的动态特性研究、动态测试技术与装备提出了许多新要求，其中对动态测力、测压力的传感器要求比较苛刻。
动态测力、测压力等传感器应具备体积小、重量轻，刚度大，固有频率高，动态范围广，输出灵敏度高等特点。
动态参数测量的核心是选对传感器，并研究传感器动态误差出现原因和消除方法。
国际上工业发达国家在动态测试中，多采用以石英晶体为敏感组件的压电石英力、压力传感器。
由于石英晶体材料具有其它材料无可比拟的特性，因此在传感器研制领域被广泛的用作力—电转换组件，其优点是固有线性好，几乎无滞后；刚度大，石英的弹性模量E=8000kg/mm2，因石英晶体片的厚度只有0.4～1mm，所以整个传感器和实心小钢块相似，固有频率高，一般都在几十千赫以上；频率响应范围宽，特别适合用于动态测量；无热释电现象，时间老化率低，稳定性好；居里点高达573℃，受温度影响小，灵敏度稳定性好；绝缘电阻高，体积电阻率＞1012Ωm2/m。
石英称重传感器工作原理
石英晶体（Quartz Crystal）是二氧化硅无水化合物，分子式是SiO2。
当石英晶体片沿X轴方向受力作用时，内部产生极化，在垂直于X轴的两个平面上产生等量的正负电荷，这种现象称为纵向压电效应。
而在垂直于Y轴的平面上，沿着Y轴的方向施加外力时，在与X轴垂直的平面上产生电荷，这种现象称为剪切效应。
石英晶体的压电效应是由于在外力作用下石英晶体内的硅原子和氧原子的位置产生相对变形，正电荷和负电荷的重心互相移位所致。
产生的电荷由覆盖在石英晶体表面的电极板进行收集、传输。
力值的计量就是直接利用这三个压电效应，制成单分量或多分量测力与称重传感器。
利用石英晶体制造称重传感器时，石英晶体篇有并联和串联连接两种方式。
并联连接：两个压电石英晶体片按极化方向相反粘接，负电荷集中在中间的负电极板上，正电荷在两端的正电极板上。
这时相当于两个电容器并联，输出电极板上的电荷和电容量将增加一倍，如图4所示。
如果有n个石英晶体片按并联方式连接，此时的总输出电荷将增加n倍，电荷灵敏度也增加n倍，而电压灵敏度则与单个石英晶体片工作时相同，n个石英晶体片并联所产生的电荷为：Q X=nd11F x式中：Q X——石英晶体圆片垂直于Fx平面产生的电荷d11——石英晶体的纵向压电模数，d11=2.31PC/N两个表面之间的电压U X为：U X=Q X/C X=d11F x/C X式中：C X——石英晶体圆片的电容量.C X=επd2/4t.ε——石英晶体的介电系数。
.串联连接：两个石英晶体片按极化方向相同粘接，于是在两个石英晶体片粘接处的中间电极板上正负电荷相互抵消，这时总电容量为单个石英晶体片工作时的一半，电压都增大一倍，而总电荷则不变，如图5所示。
..若n个石英晶体片串联连接，由于输出电压增加n倍，因此电压灵明度也增加n倍，而电荷灵明度则与单个石英晶体片工作时相同。
.由此得出，多个石英晶体片并联连接时，输出电荷量大，电荷灵敏度高；串联连接时，输出电压大，电压灵敏度高。
压电式传感器原理与应用
压电式传感器原理与应用压电式传感器是一种利用压电效应进行测量的传感器。
压电效应是指在压力作用下，一些晶体会产生电荷分布的改变，从而产生电势差。
压电式传感器利用这种原理，将压力或力的变化转化为电信号输出，从而实现对压力或力的测量。
1.传感器中的压电材料受到外力作用产生变形，从而引起内部电荷分布的改变。
2.内部电荷分布的改变使得传感器的两个电极上产生电势差。
3.传感器将电势差转化为与外力大小成正比的电信号输出。
1.工业自动化：压电式传感器可以用于测量各种物体的压力，如流体管道中的压力、机械设备的挤压力等，从而实现对工业过程的自动控制。
2.汽车工业：压电式传感器可以用于测量汽车发动机的油压、气压等参数，从而实现对发动机的控制和保护。
3.医疗器械：压电式传感器可以用于测量人体体内的压力，如心脏的血压、呼吸的压力等，从而实现对人体生理状态的监测。
4.空气质量监测：压电式传感器可以用于测量空气中的压力、气体浓度等参数，从而实现对空气质量的监测。
5.智能手机：压电式传感器可以用于智能手机屏幕上的触摸功能，可以感知用户的触摸力度和位置，从而实现对屏幕的操作。
1.灵敏度高：压电材料对压力或力的变化非常敏感，可以实现对微小压力的测量。
2.响应速度快：压电材料的压电效应响应速度非常快，可以实现对快速变化的压力的测量。
3.耐用性好：由于压电材料的特殊性质，压电式传感器具有较好的耐用性，可以经受较大的压力和力的作用。
4.体积小：压电材料的尺寸可以做得非常小，因此压电式传感器可以设计成小型化的产品。
5.易于集成：压电材料和传感器电路可以进行集成设计，从而降低了传感器的制造成本，提高了其可靠性。
总之，压电式传感器是一种利用压电效应进行测量的传感器，在工业、汽车、医疗、环境监测等领域有着广泛的应用。
它具有高灵敏度、快速响应、良好的耐用性、小体积和易集成等优点，可以满足各种应用场景的需求。
石英传感器介绍
发表日期：2011-2-12 已经有268位读者读过此文
压电石英式称重传感器，它是一种新型的传感器，近几年由于其性能得到较大的提高，目前得到一定的应用。石英传感器的温漂极小，低速、高速状态下都可进行称量，同时石英的物理特性比较稳定，其灵敏度随时间变化较小。压电石英称重传感器是利用石英晶体的纵向压电效应将重量信号转换成电信号的装置。与其他采用的传感器相比较有以下优点：(1)量程范围广，结构紧凑、体积小、重量轻；(2)灵敏度高，测量值可到上百吨载荷，又能分辨出小至几公斤的动态力.
(3)刚度大，固有频率高(几十千赫以上)，是同尺寸应变式称重传感器的8倍，动态响应快；(4)时间老化率低，无热释电现象，工作可靠性高，寿命长；(5)对温度的敏感性低，灵敏度变化极小，长期稳定性好；(6)在使用时不用事先调整平衡，操作方便。石英晶体敏感元件惟一的缺点是不能在长时间内进行静态测量。综上所述，完全可以选择压电石英称重传感器作为动态称重系统的轴重称重传感器。称重传感器数量的选择是根据电子衡器的用途、秤体需要支撑的点数(支撑点数应根据使秤体几何重心和实际重心重合的原则而确定)而定。一般来说，秤体吊钩秤就只能采用一个传感器，一些机电结合秤就应根据实际情况来确定选用传感器的个数。称重系统的称量值越接近传感器的额定容量，则其称量准确度就越高，但在实际使用时，由于存在秤体自重、皮重及振动、冲击、偏载等，因而不同称量系统选用传感器的量限的原则有很大差别。作为一般规则，可有： 单传感器静态称重系统：固定负荷（秤台、容器等）+ 变动负荷（需称量的载荷）≤所选用传感器的额定载荷 X 70% 多传感器静态称重系统：固定负荷（秤台、容器等）+ 变动负荷（需称量的载荷）≤选用传感器额定载荷 X 所配传感器个数 X 70%,其中70%的系数即是考虑振动、冲击、偏载等因素而加的。
压电传感器的应用
压电传感器的应⽤压电传感器的应⽤摘要：传感器是获取⾃然和⽣产领域中信息的主要途径与⼿段。
在现代⼯业⽣产尤其是⾃动化⽣产过程中，要⽤各种传感器来监视和控制⽣产过程中的各个参数，使设备⼯作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。
传感器的种类⾮常⼴泛，其中压电传感器是基于材料的压电效应⽽制成的器件，其有较长的发展历史。
压电材料的种类由最初的压电晶体发展到压电陶瓷、进⽽发展到压电聚合物及其复合材料。
随着物理学、材料科学与各个学科的交叉发展，压电材料被⽤以研制成了多种⽤途的传感器，被⼴泛应⽤于⼯程技术各领域，在测量技术中被⽤来测量⼒和加速度。
Abstract:Sensor is the main ways and means to obtain information in the field of natural and production . In modern industrial production, especially automated production process, useing a variety of sensors to monitor and control the production process of various parameters,which enable the device to work in a normal state or the best condition, and to achieve the best quality products. Types of sensors is very broad, of which the piezoelectric sensor is based on the piezoelectric effect devices made of material which has a long history of development. Types of piezoelectric material from the initial development of the piezoelectric ceramic piezoelectric crystal, and thus the development of piezoelectric polymers and their composites. With the development of cross-physics, materials science and various disciplines, piezoelectric materials are used for research into a variety of uses sensors are widely used in variousfields of engineering technology, measurement techniques were used to measure the force and acceleration.关键字：压电式传感器、⼯作原理、压电效应、应⽤⼀、压电传感器⼯作原理——压电效应压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。
基于压电传感器的汽车动态称重系统
基于压电传感器的汽车动态称重系统摘要生活中我们身边很多的交通工具，每天无数的车辆航行在高速公路，很多大货车超载现象越来越严重，严重车载可能酿成大患，堵塞交通，为了减少汽车超重必须在高速上设立汽车动态称重检测系统，使其交通运行流畅，防止因为车载引起的交通事故，其中要实现这个功能要用到传感器，传感器又有很多种类型，其中汽车动态称重系统就是基于压电传感器。
Life around us a lot of vehicles, numerous vehicles per day sailing on the highway, many large trucks overloading phenomenon more and more serious, may lead to serious scourge car, blocking traffic, in order to reduce vehicle must establish overweight car at high speed, said dynamic weight detection system to traffic running smoothly, to prevent accidents caused because the car in which to achieve this functionality to use sensors which there are many types, including automotive dynamic weighing system is based on the piezoelectric sensor.概述尽管早在 1908 年 Pierre（皮埃尔）和 Jacguse Curie（雅克卡里）就发现了石英晶体的压电效应，但是用于动态力的测量还是 20 世纪 60 年代。
当时由苏黎世的瑞士联邦技术研究所研制出压电石英测力传感器，并利用它制成风洞天平，对空气动力进行测量。
压电传感器的应用
压电式传感器的应用摘要：压电式传感器是以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量测量。
压电传感元件是力敏感元件，所以它能测量最终能变换为力的那些物理量，例如力、压力、加速度等。
压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等优点，因此，在工程力学、生物医学、石油勘探、声波测井、电声学等许多技术领域中获得了广泛的应用。
关键字：压电式传感器，压电效应，发展与应用引言：压电现象是100多年前居里兄弟研究石英时发现的。
居里兄弟在研究热电性与晶体对称，发现正负电荷，而且电荷密度与压力大小成正比。
居里兄弟所报道的这些晶体就有后来广为研究的铁电体酒石酸钾钠（罗息盐）。
1881年，应用热力学原理预言了逆压电效应，即电场可以引起与之成正比的应变。
很快这一预言被居了里兄弟用实验所证实了。
正文：1、压电式传感器的工作原理1.1压电效应① 压电效应——机械能转变为电能某些电介质, 当沿着一定方向对其施力而使它变形时, 其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, 其又重新恢复到不带电状态， 这种现象称压电效应。
② 逆压电效应--电能转变为机械能当在电介质的极化方向施加电场，某些电介质在一定方向上将产生机械变形或机械应力，当外电场撤去后，变形或应力也随之消失，这种物理现象称为逆压电效应。
③ 电致伸缩效应- --电能转变为机械能电介质在电场的作用下会由于极化的变化而引起形变，若形变与电场方向无关，这个现象就称为电致伸缩效应。
1.2压电材料 压电单晶体，如石英、酒石酸钾钠等可分为两大类：多晶压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等1.3等效电路1）压电元件等效为一个电荷源与一个电容并联的电荷等效电路，如图6-5（b ）所示。
电容器上的电压Ua ，电荷量Q 和电容Ca 三者关系为aa C Q U 2）压电元件也可以等效为一个电压源和一个电容串联表示的电压等效电路，如图6-5（a ）所示。
压电传感器的应用及其原理
压电传感器的应用及其原理1. 压电传感器的介绍压电传感器是一种能够将机械应力转化为电荷或电势变化的传感器。
它利用压电效应，即某些晶体在外力作用下会产生电荷分布不均的现象，从而实现物理量的测量。
压电传感器具有灵敏度高、响应快、输出稳定等优点，被广泛应用于工业自动化、仪器仪表、医疗器械等领域。
2. 压电传感器的原理压电传感器利用压电效应实现对物理量的测量。
压电效应是指某些晶体在外力作用下会产生电势变化的现象。
常见的压电材料有石英晶体、陶瓷材料等。
压电传感器通常由压电材料以及电极组成。
当外力施加于压电材料上时，压电材料发生形变，导致正负电荷的不均匀分布。
这种电荷不均导致电极之间产生电势差，从而可以测量出外力的大小。
压电传感器的原理可以简化为以下步骤： - 外力施加于压电材料上，使压电材料发生形变； - 形变导致电荷分布不均，产生电势差； - 通过电极将电势差转化为电信号。
3. 压电传感器的应用3.1 工业自动化领域压电传感器在工业自动化领域中有着广泛的应用。
它可以用于测量压力、力矩、加速度、振动等物理量。
例如，在液压系统中，压电传感器可以测量液压系统的压力变化，从而实现对生产线的监控和控制。
3.2 仪器仪表领域压电传感器在仪器仪表领域中也得到了广泛应用。
它可以用于测量流体速度、液位、温度、压力等物理量。
例如，在汽车上，压电传感器可以用于测量轮胎压力，提供给驾驶员及时了解轮胎的状态，确保行车安全。
3.3 医疗器械领域在医疗器械领域，压电传感器也具有重要的应用价值。
它可以用于测量心率、体温、血压等生理参数，为医生提供诊断依据。
此外，压电传感器还可以用于医疗设备中的控制系统，如手术机器人等。
4. 压电传感器的优势和不足4.1 优势•高灵敏度：压电传感器能够对微小的外力变化产生较大的电势变化，具有高灵敏度。
•快速响应：由于压电传感器的结构简单，响应速度快，适用于需要快速测量的场合。
•输出稳定：压电传感器的输出信号稳定可靠，不受环境温度、湿度等因素的影响。
压电式传感器原理及应用
压电式传感器原理及应用压电效应是指一些晶体材料在受到外力作用时，会产生电势差和电荷分布不均，即产生电荷偶极矩，从而在外加电场作用下发生形变。
常见的压电材料有石英、陶瓷和聚偏氟乙烯等。
当压电材料受到外力作用时，材料内部的电荷分布会出现改变，从而产生电势差。
此时，可以通过测量电荷或电势差的变化来间接测量外力的大小。
压电式传感器一般由压电材料、电极、保护壳等组成。
当外力作用于传感器的压电材料上时，压电材料会产生电荷偶极矩，从而产生电势差。
电极用来收集这些电荷，并将信号输出到外部电路中进行处理。
为了提高传感器的灵敏度和稳定性，常常在压电材料上覆盖一层薄膜电极以增加电荷的收集效果。
1.声波传感器：压电式传感器可以用来探测声波的压力和振动。
在市场上常见的麦克风和扬声器就是基于压电效应工作的传感器。
2.加速度计：压电式传感器可以用来测量物体的加速度和振动，常用于汽车、飞机等交通工具中，以及机械设备中对振动进行监测和控制。
3.压力传感器：压电式压力传感器可以用来测量液体和气体的压力，广泛应用于工业自动化控制、航空航天、汽车工业等领域。
4.应变计：压电应变计可以用来测量物体的形变和变形，广泛应用于材料力学测试、结构工程、土木工程、航空航天等领域。
5.流量计：压电式传感器可以用于测量液体和气体的流量，广泛应用于水务系统、天然气供应系统、石油化工等领域。
在这些应用中，压电式传感器具有灵敏度高、响应速度快、能够直接转换物理量为电信号等优点。
然而，也有一些局限性，比如温度对其工作性能的敏感性较高，需要进行温度补偿以提高精度和稳定性。
总结起来，压电式传感器是一种基于压电效应工作的传感器，适用于多个领域，如声波传感、加速度计、压力传感、应变计和流量计等。
通过测量压电材料产生的电势差和电荷分布，可以间接测量外力的大小和形变情况。
压电式传感器具有灵敏度高、响应速度快等优点，但同时也有温度敏感性高的限制。
称重传感器具体应用场景
称重传感器具体应用场景
称重传感器具有广泛的应用场景，下面列举几个常见的应用场景：
1. 工业制造业
在工业制造业中，称重传感器常常用于物料的计量、搬运和检测等方面，如大型车间中的物料搬运系统、物流装备、机械加工设备等。
2. 食品加工和制造
在食品加工和制造行业中，称重传感器被广泛应用于生产线上的生产控制、称量和计量等方面，如酿酒、面包、糖果、奶制品、肉制品等。
3. 医疗
在医疗设备中，称重传感器被用于病人体重的测量和监控，如医院病房、康复中心、家庭医疗器械等。
4. 物流运输
在物流运输中，称重传感器可以用于货物的计量和称重，如货运车辆、装卸设备、仓库等。
5. 农业
在农业生产中，称重传感器可以用于农作物的称量和计量，如粮仓、果园、养殖场等。
总之，称重传感器在各个行业和领域都有重要的应用，它们可以为生产和监控等方面提供准确的数据，从而提高生产效率和质
量。
压电石英动态称重传感器
【技术参数】
型号
QSY8313A
车轴数量识别准确率
大于99%
触点间距
10～50mm
工作温度
-45℃～+80℃
检测触点数量
10个～150个
相对湿度
2、特殊车道的超强适用性
石英晶体传感器完全适用于大角度的纵坡、横坡、急弯、无法排水的车道以及桥梁路面，以上特殊车道安装时无须道路改造。如果采用其它方式的设备，就需要对车道进行改造，耗资大，工期长。
3、有效动态检测速度范围更广
石英晶体传感器具有极大的刚性，在载荷下无变形，因此频响高,可精确地测量快速变化的动态载荷（仅几个us）。石英晶体传感器实测有效车辆通过速度范围5~200km/h，即使在车辆变速的情况下，仍能确保相同称重精度。
≤95%RH
防护等级
IP68
检测宽度
≥1300mm
轮胎识别可靠性
大于99%
平均无故障工作寿命
≥20000h
车轴类型识别准确率
大于99%
使用寿命
10年以上
4、温度适应范围更广
石英晶体传感器温度漂移系数仅为0.02%。温度变化对于称量精度几乎没有任何影响，因此季节、温度变化无须重新标定，在各种恶劣环境下仍能确保测量精度，节省费用和减少工作量。
5、精准、稳定的动态称重性能
石英晶体传感器线性度好，重复性好，确保了精准的称重稳定性。同时石英晶体独特的切割工艺和传感器独特的结构型式决定了其对来自横向侧力的不敏感。因此即使车辆通过传感器时刹车、加速、变向等行为仍不会影响系统的精度。
动态称重系统-智能交通传感器-石英传感器-介绍
智能交通传感器-石英传感器石英的压电特性及应用）是一种天然的压电材料，当受外力作用时，石英表面便会产生电石英（SiO2荷，即压电效应。
用于制造传感器的石英需要置于高温、高压（1000bar，400℃）热压容器内，经过长时间的培养（每公斤石英约需一周）。
使用光学测角仪可以测出的方向，有纵向、横向和剪切向三种不同的切割方式，某一种切割方式的石英只对相应方向的力敏感，分别称为纵向效应、横向效应和剪切效应：●纵向效应，电荷产生在受载石英的表面（如图1）●横向效应，电荷产生在与受载表面垂直的另两个未加载的表面（如图2）●剪切效应，电荷产生在受剪切载荷的石英表面（如图3）图1 纵向效应图2 横向效应图3 剪切效应石英用于各种力的测量时，根据应用场合的需要，选择不同切割方向的石英作为检测元件，可以避免其它方向力的干扰。
石英损耗小，品质因素可达数百万，耐老化性能好，可长时间稳定可靠工作，99％以上的电子设备都采用石英振荡器作为时间或频率的基准，在民用、工业、军事和航天领域获得了非常广泛的应用。
石英传感器的结构及特点采用石英传感器的动态汽车衡构成原理图4为石英动态汽车衡检测部分的构成原理，其中的核心部件石英动态称重传感器与电荷放大器。
图4 石英动态汽车衡检测部分的构成原理图6 埋设于路表的传感器 图7 传感器安装断面尺寸承载垫 (可被研磨)合金铝质型材 石英敏感元件 弹性材料图5 石英压电检测器件 a) 内部结构b) 外形封装石英检测元件将动态轮胎力转换为电荷信号，经电荷放大器转换为模拟电压，再通过A/D 转换器将模拟信号转换为数字信号，最后通过嵌入式计算机及其专用软件得出称量结果。
其测量链信号形式和单位是： 力（N ）→电荷（pC ）→电压（V ）→数据 →重量（Kg ） 石英传感器的结构特点图5为石英WIM 传感器结构和外观，采用整体封装结构，有2m 、1.75m 、1.5m 、 和1.0m 等几种长度规格，可根据道路的宽度灵活组合。
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压电石英称重传感器应用
20世纪90年代公路车辆轴载超限越来越严重，已成为世界难题。
在公路车辆轴载超载预判，桥梁超载报警和轴载动态称重计量中，迫切需要体积小、高度低、重量轻，刚度大，固有频率高，动态范围广，灵敏度高的动态称重传感器和动态公路车辆称重系统。
压电石英晶体敏感元件及其组装的称重传感器就具备上述特点。
北京中航科仪测控技术有限公司开发出可以埋在路面下的以石英晶体为敏感元件的动态平行梁称重传感器，用于公路车辆轴载超载预判，桥梁超载报警，隧道保护和车辆轴载计量，取得了很好的应用效果。
这种压电石英称重传感器已在美国、英国、德国、澳大利亚、韩国、日本等许多国家广泛应用。
1993年7月在苏黎世的瑞士联邦技术研究所，根据欧洲研究项目“COTS323道路动态称重”的要求，对压电石英称重传感器与另外8个商用称重传感器进行了道路比较试验。
试验使用数字式示波器显示重量信号、并将其储存在软盘上，然后将数据用计算机进行离线分析。
除了车辆的轴重和毛重外，车速、轴距、轮距和单双轮胎等均可确定。
在20～50km/h速度下，动态称量结果与动态校准结果非常吻合，证明压电石英称重传感器完全可以用于公路车辆轴重计量。
称重传感器在动态公路车辆称重中的应用主要有两种方式。
一种是利用多个垫圈式压电石英称重传感器组装成薄形电子轮辐式称重、轴销称重传感器或条形称重板（平行梁称重传感器）。
一种是利用多个石英晶体片和电极板直接安装在特制的梁式承载器（张力传感器）内，形成专用的压电石英型称重传感器，将其埋在公路表面截面为50×50mm的长槽内，形成动态公路车辆轴重秤（轨道衡）。
北京中航科仪测控技术有限公司研制的石英晶体动态称重传感器就是这种应用的典型代表。
它的总体结构如同1m长的工字梁，所不同的是工字梁的腹板为圆形空心截面，实际上其空心是由平行于工字梁上下翼缘的两个平面形成的矩形通孔。
多个石英晶体片在梁式称重传感器内的安装及所施加的预紧力的大小，对称重传感器的性能影响较大，应有严格的装配要求和装配工艺。
装配时首先沿梁式称重传感器的水平对称轴，对圆形腹板施加水平力P，使腹板变形，矩形通孔高度增大。
在梁长1m的范围内，先插入电极板，再每隔50mm插入一个石英晶体片。
然后卸掉水平力P，此时石英晶体片已被施加上预紧力，并得到了很好的保护和密封。
利用称重传感器内部的沟槽从中间引出低噪声的同轴电缆，接入与其配套的动态称重仪表就可实现公路车辆动态称重。
压电石英梁式称重传感器在应用时必须埋在路面下，梁的上表面为载荷测量面，下表面安放在公路基础上为支撑面。
由于在高速公路上行驶的车辆，在路面上产生的水平力可能与垂直力的大小相当。
为保证动态称量的准确度，应对梁式称重传感器与路面采取隔离措施，尽量消除或减少水平力的影响，以获得高质量的信号脉冲形状和可重复的测量结果。
例如：在梁式称重传感器埋入地面时，采用窄条柔软泡沫围绕上部整个周边，将称重传感器与水平力隔离，采用75%石英沙和25%环氧树脂混合物固定称重传感器本体等。
由于压电石英梁式
称重传感器测量表面的宽度比车辆轮胎的印迹窄，重量信号必须沿车轮接触长度积分。
因此，称重传感器的性能主要取决于积分时段内信号质量的稳定性和称重传感器与路面相互作用的长期稳定性。
为提高动态称重的准确度，一般都采用排列多个称重传感器求动态称量平均值的方法。
结语
近年来，压电石英称重传感器组成的动态公路车辆称重系统，在美国、英国、德国、澳大利亚、韩国、日本等国家的高速公路超载识别、桥梁超载报警、隧道保护和公路收费中得到广泛的应用。
例如，美国密苏里州（Missouri）的所有称重站都使用以压电石英称重传感器为基础的动态公路车辆称重系统，为其提供这套系统的是北京中航科仪测控技术有限公司。
该公司为了实现快速、准确的动态称重和车速、轴距、单双轮胎识别等多参数测量，放弃了传统的以应变式称重传感器为基础的组秤方案，选择了北京中航科仪测控技术有限公司的CKY-199型压电石英称重传感器组成动态称重系统。
这套动态称重系统的各项功能特别是动态称量准确度、动态响应速度、工作的稳定性和可靠性都达到了较高的水平、经受了考验。
在美国密苏里州的19个称重站工作了3年，只有一个压电石英称重传感器出现故障。
在中国内，安徽，山东，江苏等地的称重站107个称重站已广泛推广使用。
美国密苏里州（Missouri）选择压电石英称重传感器的原因，正是本文所要总结的压电石英称重传感器具有的突出特点：
（1）测量比较准确且参数多，长期稳定性好，工作可靠性高，在超过30个月的测试期内，灵敏度变化在2%以内;
（2）结构紧凑、坚固耐用，可承受路面上通常见到的磨损、压力、振动和冲击等，疲劳寿命长，在环形疲劳试验场模拟重载交通试验10年，没有任何损坏;
（3）集成化、模块化设计，容易与所有道路宽度和路面形状匹配;
（4）安装方便，费用低，无需建造大面积混凝土地基，只用一把混凝土锯在路面上锯开截面为50×50mm的沟槽，放进称重传感器并注入石英沙和环氧树脂混合物即可固定;
（5）通过石英晶体片在称重传感器内有规律的分布和接线，不论车辆轮载施加在称重传感器长度方向上的任何位置，都能产生均匀的信号输出，所有检测参数在数秒内即可完成。