工程压电式加速度传感器的功能特点
压电式力传感器具有哪些特点
压电式传感器是一种典型的有源传感器，它以某些电介质的压电效应为基础，其基本工作原理是在外力作用下，电介质的表面上产生电荷，即压电效应。
它的两表面所形成的极板相当于电容器的两个极板，输出量是电荷，从而实现非电量的电测目的，所显示的电压取决于压电传感器的电容。
产品的主要特点是响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、质量轻等。
可用于力、压力、速度、加速度、震动等许多非电量的测量，可做成力传感器、压力传感器、震动传感器等。
这种的传感器是采用石英晶体或者是压电陶瓷和触针等各种部件制的。
当触针被监测工件外表滑动时，因为触针的上下活动而出现，一个力发挥在晶体上，所以然晶体出现一个非常小的电压，又因为触针增加在晶体的压力，随被测表面的外框而改变，因此在晶体上出现的电压也会跟随着改变。
为了
得到粗略度参数的显现模拟值，应当从此传感器上出微小电流，用作放大和处理显示值。
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压电式传感器的原理及特点
压电式传感器是利用弹簧质量系统原理。
敏感芯体质量受振动加速度作用后产生一个与加速度成正比的力，压电材料受此力作用后沿其表面形成与这一力成正比的电荷信号。
压电式加速度传感器具有动态范围大、频率范围宽、坚固耐用、受外界干扰小以及压电材料受力自产生电荷信号不需要任何外界电源等特点，是被最为广泛使用的振动测量传感器。
虽然压电式加速度传感器的结构简单，商业化使用历史也很长，但因其性能指标与材料特性、设计和加工工艺密切相关，因此在市场上销售的同类传感器性能的实际参数以及其稳定性和一致性差别非常大。
与压阻和电容式相比，其最大的缺点是压电式加速度传感器不能测量零频率的信号。
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压电式压力传感器原理及应用
压电式压力传感器原理及应用自动化研1302班王民军压电式压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器。
而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也叫压电式压电传感器。
压电式压力传感器可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。
也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。
它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。
一、压电式传感器的工作原理1、压电效应某些离子型晶体电介质（如石英、酒石酸钾钠、钛酸钡等）沿着某一个方向受力而发生机械变形(压缩或伸长)时，其内部将发生极化现象，而在其某些表面上会产生电荷。
当外力去掉后，它又会重新回到不带电的状态，此现象称为“压电效应”。
压电式传感器的原理是基于某些晶体材料的压电效应。
2、压电式压力传感器的特点压电式压力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。
压电式压力传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量，如压力、加速度等(见压电式压力传感器、加速度计)。
压电式压力传感器是利用压电材料的压电效应将被测压力转换为电信号的。
由压电材料制成的压电元件受到压力作用时产生的电荷量与作用力之间呈线性关系：Q=k*S*p。
式中 Q为电荷量；k为压电常数；S为作用面积；p为压力。
通过测量电荷量可知被测压力大小。
压电式压力传感器的工作原理与压电式加速度传感器和力传感器基本相同，不同的是弹性元件是由膜片等把压力转换成集中力，再传给压电元件。
为了保证静态特性及稳定性，通常多采用压电晶片并联。
在压电式压力传感器中常用的压电材料有石英晶体和压电陶瓷，其中石英晶体应用得最为广泛。
二、压电压力传感器等效电路和测量电路在校准用的标准压力传感器或高精度压力传感器中采用石英晶体做压电元件外，一般压电式压力传感器的压电元件材料多为压电陶瓷，也有用高分子材料(如聚偏二氟乙稀)或复合材料的合成膜的。
第7章---压电式传感器
直流电场E
剩余极化强度
电场作用下的伸长
(b)极化处理中
剩余伸长
(c)极化处理后
图6-6 压电陶瓷中的电畴变化示意图
2.压电效应分析 极化处理后的压电陶瓷材料，在其极化方向上施加外 力时将会产生压电效应，但其过程不同于石英晶体的 压电过程。
（1）在未受外力作用下，整个压电片如图6-7所示。
不呈现极性而呈现中性。
1、压电效应过程分析 石英晶体压电片如图6-1（c）所示，在其X轴或Y 轴上加外力F时，均在X轴的两个截面上产生符号 相反的电荷。而在Z轴方向上加外力时，不会产生 任何压电效应。
（1）石英晶体 Si4O22 的结构 如图所示，硅氧离子结构排列，图6-2中（a）
Y
Y
-
+
X+
-X
-
+
（a)硅氧离子在Z平面上的投影
第二节 压电效应的分析 一、石英晶体的压电效应的分析 石英晶体：SiO2又称石英晶体（单晶体）。天然结 构的石英晶体呈现一个正六面体的形状。如图6-1 （a）所示：
图6-1 石英晶体
其中： X轴----电轴，经过六面体棱线 Y轴----机械轴，垂直于六面体棱面 Z轴---光轴，垂直于晶体截面且与X、Y轴垂直
+
P2
P3
+
X
-
-
Fx
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
（c)Fx>0
图6-5 石英晶体的压电示意图
(5)在Y轴方向施加力Fy(横向压电效应)
1. 当受拉力时，Fy>0,则其效果与图6-4 Fx<0情况相同。 2.当受压力时，Fy<0,则其效果与图6-5 Fx>0情况相同。
PE和IEPE加速度传感器的比较
P E和I E P E加速度传感器的比较公司内部编号：（GOOD-TMMT-MMUT-UUPTY-UUYY-DTTI-P E和I E P E加速度传感器的比较PE是指电荷输出型压电式加速度传感器，IEPE是指内置处理电路的压电式加速度传感器，本文将要讨论二者各自的特点。
压电效应压电式加速度传感器的工作原理是以某些物质的压电效应为基础的。
当这些物质在某一方向上因受到拉力或压力的作用而产生变形时，其表面上会产生电荷；当去掉外力时，它们又会回到不带电的状态，这种现象就是压电效应。
常用的压电材料有石英、钛酸钡、锆钛酸铅等等。
实际上，当压电材料受到剪切力、横向拉力或压力时，也会产生压电效应。
PE加速度传感器PE压电式加速度传感器的工作原理是：将质量块的加速度转换为其对压电材料所施加的力，通过测得该力的大小从而换算出加速度的值。
压电式加速度传感器的结构原理如下图所示。
两片压电片组成了其压电元件，表面有镀银层，中间夹有一金属片，并焊有输出引线，另一输引线直接与基座相连。
压电片上放有一个比重较大的质量块，并用一硬弹簧或螺栓对其施加预载荷。
整个组件封装在一个金属壳体内部，基座一般较为厚重且刚度大。
测量时，传感器与被测物刚性固定在一起，当被测物振动时，传感器与基座也会产生相同的振动。
由于质量块的质量相对较小，而弹簧的刚度相对很大，所以可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的作用。
于是，质量块就有一正比于加速度的交变力作用在压电片上，使其两个表面产生交变电荷。
当振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器的输出电荷与作用力成正比，亦即与被测物的加速度成正比。
由于PE传感器的输出量为电荷，因此其后端必须与电荷放大器或电压放大器连接，才能将电荷信号转换为电压信号，此电压信号经过后级放大、滤波等调理电路即可送入示波器等设备。
由于PE传感器的输出阻抗较高，易受输出的电荷信号易受噪声干扰，因此必须使用特殊的低噪声电缆。
压电式力学传感器总结
发展趋势：压电式力学传感器的 发展趋势是智能化、微型化、集 成化，未来市场前景广阔
06
压电式力学传感器的选用建议
明确需求与预算
确定传感器的测量范围和 精度要求
考虑传感器的安装环境和 使用条件
评估传感器的成本和维护 费用
考虑传感器的供货周期和 售后服务
考虑精度与稳定性要求
精度要求：根 据实际应用场 景选择合适的
04
压电式力学传感器的应用实例
在医疗诊断中的应用
血压计：测量血压，辅助诊 断高血压等疾病
心电图机：检测心脏活动， 诊断心律失常等疾病
呼吸机：监测呼吸频率和深 度，辅助诊断呼吸系统疾病
超声波诊断仪：检测人体内 部结构，辅助诊断肿瘤等疾
病
在环境监测中的应用
空气质量监测：检测空气中的PM2.5、PM10等污染物浓度 水质监测：检测水中的COD、BOD、重金属等污染物浓度 土壤监测：检测土壤中的重金属、农药残留等污染物浓度 噪声监测：检测环境中的噪声强度，评估噪声污染程度
快速响应
压电式力学传感器具有较高的响应速度，能够快速捕捉到微小的力学变化。
压电式力学传感器的响应时间通常在毫秒级别，可以满足大多数应用场景的需求。
压电式力学传感器的响应速度不受温度、湿度等环境因素的影响，稳定性好。
压电式力学传感器的响应速度可以通过调整传感器的尺寸和材料来优化，以满足不同应用场景的 需求。
动反馈等
智能家居设备： 用于触摸屏、压
力感应等
05
压电式力学传感器的挑战与展望
面临的挑战
精度问题：如何 提高传感器的测 量精度
稳定性问题：如 何保证传感器在 恶劣环境下的稳 定性
成本问题：如何 降低传感器的生 产成本
压电式加速度传感器原理
压电式加速度传感器原理压电式加速度传感器原理阐述压电式加速度传感器是一种经常用于测量物体振动和冲击的技术，其基本原理是通过应变测量物体产生的电荷。
它可以测量加速度，包括静态和动态加速度，这是工程应用中经常遇到的一种问题。
本文将详细说明压电式加速度传感器的基本原理和工作模式。
一、压电效应的原理压电效应是指某些材料在受到机械压力或应变时，会产生电荷。
这种效应一直以来都是物理学家们研究的热点问题之一，因为它具有深远的工程应用价值。
常见的压电材料有晶体琥珀、氧化锌等。
二、压电式加速度传感器的结构压电式加速度传感器的结构是由一组压电材料进行固定，可以受到物体加速度的作用，从而引起压电材料的应变。
此时，压电材料产生的电荷由固定在底部的电极收集。
压电杆和电极之间的电荷量比较微弱，需要通过电路放大器进行放大，以便对出现的物理信号做出适当的反应。
三、压电式加速度传感器的工作原理在静态情况下，压电式加速度传感器对外力没有反应。
但是当物体进行动态运动时，加速度传感器就会感知到其受到的加速度作用，从而相应地产生电荷。
该电荷信号随即通过电路放大器进行放大，并输出至一台计算机或其他设备上，以实现可视化或机械控制等应用。
四、基本型号和参数的介绍压电式加速度传感器目前的市场较为广泛，包括一批基本型号和各种具体的参数。
其中，基本型号有PCB-352C15、PCB-352B22和PCB-352B33等，其具体参数如下：1.测量范围：±3g至±200g；2.传感器灵敏度：从1.5mV/g到10mV/g不等；3.工作电压：1至10 VDC；4.频率响应：从0到15000 Hz不等；5.噪声水平（10Hz-100kHz）：从1到2000 ug RMS不等。
总之，压电式加速度传感器是一种测量物体加速度的实用工具，可以广泛应用于控制系统、机器运动学分析、应变监测和波成系数分析等领域。
希望本文能够帮助到有关从业人员更好地理解其原理及应用。
8 传感器实验-加速度传感器
传感器实验压电式加速度传感器具有动态范围大、频率范围宽、坚固耐用、受外界干扰小以及压电材料受力自产生电荷信号不需要任何外界电源等特点，是被最为广泛使用的振动测量传感器。
虽然压电式加速度传感器的结构简单，商业化使用历史也很长，但因其性能指标与材料特性、设计和加工工艺密切相关，因此在市场上销售的同类传感器性能的实际参数以及其稳定性和一致性差别非常大。
与压阻和电容式相比，其最大的缺点是压电式加速度传感器不能测量零频率的信号。
加速度传感器知识准备1 以上知识点，可参阅<M M A 7660.P D F >讯方公司 传感器实验通过本实验了解加速度传感器的硬件电路和工作原理1．编写一个读取加速度传感器输出信号的程序2． 将X 、Y 、Z 三个轴的加速度值分别做简单的处理显示1． 硬件部分（1） 采集节点一个（2）J-Link 仿真器一个 （3） 显示终端一台 （4） 加速度传感器一个2． 软件部分Keil μVision4 开发环境，J-Link 驱动程序1． 加速度传感器工作原理电路中用到，加速度传感器电路、信号放大电路、单片机系统、状态显示系统构成。
其基本工作原理：经过信号放大电路，加速度传感器电路将感受到X 、Y 、Z 三个轴加速度以数字形式输出至单片机系统, 由状态显示系统进行显示。
加速度传感器工作框图如图5-1：图5-1 电路工作框图2.加速度传感器的硬件电路图电路中，加速度传感器电路如图5-2。
图5-2 加速度传感器原理图3.工作模式:mma7660主要有三种工作模式.(通过设置MODE寄存器)1).Standby(待机)模式此时只有I2C工作,接收主机来的指令. 该模式用来设置寄存器. 也就是说, 要想改变mma7660的任何一个寄存器的值,必须先进入Standby模式. 设置完成后再进入Active或Auto-Sleep模式.2).Active and Auto-Sleep (活动并且Auto-Sleep) 模式mma7660的工作状态分两种, 一种是高频度采样, 一种是低频度采样. 为什么这样分呢, 为了节省功耗,但是在活动时又保持足够的灵敏度. 所以说mma7660的Active模式其实又分两种模式,一种是纯粹的Active模式, 即进了Active模式后一直保持高的采样频率,不变. 还有一种是Active & Auto-Sleep模式, 就是说系统激活后先进入高频率采样,经过一定时间后,如果没检测到有活动,它就进入低频率采样 ,所以就叫做Auto-Sleep, Sleep并不是真的Sleep , 只是说降低采样频率.低频率采样模式又叫Auto-Wake摸式, 即自动唤醒模式.它不是睡眠模式, 它只是降低采样频率.3). Auto-Wake (自动唤醒) 模式Auto-Sleep后就进入低频率采样模式,这种模式就叫做Auto-Wake摸式, 即自动唤醒模式.它不是睡眠模式, 它只是降低采样频率.讯方公司传感器实验6 实验步骤实验基本步骤如下：1．启动Keil μVision4，新建一个项目工程Bank，添加常用组，并添加相应库函数；2．在user文件中建立main.c,SystemInit.c,PublicFuc.c文件；3．新建一个组sensor，在sensor中编写读取加速度传感器数值变化的代码；4．编译链接工程，并生成hex 文件，所有文件如下图6-1所示：图6-1 文件示意图5．将加速度传感器接到传感器接口1；图 6-2 加速度传感器6．将J-Link仿真器、ZigBee路由器接入传感器采集节点,仿真器USB 接口连入PC 机，插好电源，并打开开发实验箱上的电源开关，如图6-3：图6-3 硬件连接示意图7． 将ZigBee 协调器接入智能网关，插好电源，并打开电源启动智能网关系统，运行传感器实验显示程序；图6-4 传感器实验显示程序电源开关电源传感器接口1传感器接口2传感器接口3J-LINK 接口ZigBee_DEBUG复位 节点按键 拨码开关 ZigBee 按键 红外发射天线指示灯ZigBee 复位讯方公司 传感器实验图6-5 智能网关连接示意图8． 选择【Debug 】->【Start/Stop Debug Session 】,启动J-Link 进行仿真调试； 9． 选择【Debug 】->【run 】或者按快捷键“F5”,运行程序； 10． 验证：移动加速度传感器，观察显示屏上数值的变化；11． 验证完毕后，退出J-Link 仿真界面，关闭Keil μVision4软件；关闭硬件电源，整理桌面； 12． 实验完毕。
加速度传感器
•输出偏压： 8-12VDC
•恒定电流： 2-20mA， 典型值：4mA
•输出阻抗： ＜150Ω
•激励电压： 18-30VDC 典型值：24VDC
•温度范围： - 40～+120℃
•放电时间常数：≥0.2秒
•壳绝缘电阻： ＞ Ω
•安装力矩： 约20-30Kgf.cm(M5螺纹)
•几何尺寸： 六方17mm、高度24.5或31mm
电 荷 灵 敏 度 p C / g
率 范 围 ( ± 1 0 ％ ) H z
安 装 谐 振 点 k H z
横 向 灵 敏 度
%
值 线 性 ( ± 1 0 % ）
g
质 量 g m
使 用 温 度 范 围 ℃
安
装内
螺 部 用频
纹 m m
型 号
结 构电 荷 灵 敏 度 p C / g
途率 范 围 ( ± 1 0 ％ ) H
加速度传感器
完整版
综述
加速度传感器在工业生产、科研、航空航天 等领域中有着重要的应用。其中按照被测量 可以被分为角加速度传感器和 线加速度传感 器。根据敏感元件分有应变式 加速度传感器、 压阻式加速度传感器及压电式加速度传感器。 而随着科学技术的发展，智能化加速度传感 器也已经走进了我们的视野。
一 压电式加速度传感器
频率响应特性
►低频响应特性：下限频率一般为-10%左右频 响。主要由压电芯片和传感器的基座应变和 热释电效应等环境特性决定。应变加速度传 感器具有响应静态信号的特性。
►高频响应特性：上限频率一般为10%左右频 响。大约为安装谐振频率的1/3。如果要求上 限频率误差为+5%，大约为安装频率的1/5。 如果采用适当的校正系数，在更高的频率范 围也能够得到可靠的测试数据。
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。
压电式传感器
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。
压电材料受到力后表面产生电荷。
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。
压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量。
它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。
缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。
2压电式传感器的基本原理2.1 压电效应压电效应可分为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时,内部就产生电极化现象,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。
压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型 5种基本形式，如下图所示。
压电晶体是各向异性的，并非所有晶体都能在这 5种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，但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。
2.2 压电材料压电式传感器可分为压电单晶、压电多晶和有机压电材料。
压电式传感器中用得最多的是属于压电多晶的各类压电陶瓷和压电单晶中的石英晶体。
其他压电单晶还有适用于高温辐射环境的铌酸锂以及钽酸锂、镓酸锂、锗酸铋等。
压电陶瓷有属于二元系的钛酸钡陶瓷、锆钛酸铅系列陶瓷、铌酸盐系列陶瓷和属于三元系的铌镁酸铅陶瓷。
压电陶瓷的优点是烧制方便、易成型、耐湿、耐高温。
缺点是具有热释电性，会对力学量测量造成干扰。
有机压电材料有聚二氟乙烯、聚氟乙烯、尼龙等十余种高分子材料。
有机压电材料可大量生产和制成较大的面积,它与空气的声阻匹配具有独特的优越性,是很有发展潜力的新型电声材料。
压力传感器特征对比
压力传感器特征对比
传感器是指能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。
压力传感器种类繁多，测量精度也相差很大。
以下作简单的对比：
(1)应变电阻式传感器安装于传感器中的电阻片被接于测量电桥中，当电阻片受到外
力作用产生变形时，其阻值便发生变化，因此测量电桥便有相应的不平衡信号输
出。
应变片式传感器体积大,灵敏度低。
(2)电容式传感器在传感器中装有一个有固定电极和可动电极构成的电容器，此电容
器被接在一个谐振回路中，当传感器承受压力时，由于两个电极间的距离发生变
化，使电容量发生变化，因此谐振电路的谐振频率便发生相应的变化，从而实现
了将压力转换为电量的目的。
电容式传感器体积大、结构复杂、加工工艺要求高。
(3)压电式传感器压电式加速度传感器是利用压电晶体或人工极化陶瓷、铁电材料为
敏感元件，将振动信号转换成电信号的换能装置，它的输出电荷与振动加速度成
正比。
压电式传感器的高频响应相当好，这是其突出的特点。
但不能测量静态物
理量，对于缓慢变化的动态量，其灵敏度下降。
（5）扩散硅压阻式传感器由外壳、硅膜片和引线组成。
其核心部分是一块圆形硅膜片，在膜片上采用半导体微机械加工工艺扩散上四个阻值相等的电阻，用导线将其构成平衡的惠斯顿电桥。
膜片的两侧有两个压力腔，一个是与被测系统相连接的高压腔，另一个是低压腔。
当外加压力信号与高、低压腔相连、硅膜片两边存在压力差时，膜片产生变形，四个电阻在应力作用下，电桥失去平衡引起输出电压变化，该信号的变化和所加差压成正比。
压电式加速度传感器及其应用
微型化与集成化发展趋势
微型化设计
随着微电子技术和微纳加工技术的不断进步，压电式加速 度传感器的体积不断缩小，实现了更高的集成度。
集成化技术
将传感器与信号调理电路、微处理器等集成于一体，形成 具有自检测、自校准、自诊断等功能的智能传感器模块。
MEMS技术
基于MEMS（微机电系统）技术的压电式加速度传感器具 有体积小、重量轻、功耗低等优点，广泛应用于消费电子 和汽车电子等领域。
04 压电式加速度传感器性能 指标评价方法
灵敏度与分辨率评价
灵敏度
压电式加速度传感器的灵敏度反映了其输出信号与被测加速度之间的比例关系。 高灵敏度意味着传感器能够检测到更微小的加速度变化，提高测量精度。
分辨率
分辨率是指传感器能够区分的最小加速度变化量。高分辨率的传感器能够提供更 详细的加速度信息，有助于更准确地分析和诊断振动问题。
多功能化与复合测量
可靠性与耐久性提升
开发具有多功能特性的压电式加速度传感 器，实现复合物理量的同时测量，如温度 、压力等，提高传感器的综合性能。
针对恶劣环境和特殊应用需求，加强压电 式加速度传感器的可靠性和耐久性研究， 确保长期稳定运行。
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06 总结与展望
压电式加速度传感器研究总结
01
压电效应与传感器设计
压电材料在受到外力作用时会产生电荷，利用这一特性可设计出高灵敏
度的加速度传感器。通过优化压电材料选择和结构设计，可提高传感器
的性能。
02
信号处理与数据分析
压电式加速度传感器输出的信号需要经过放大、滤波等处理，以提取有
用的加速度信息。借助现代信号处理技术，可实现高精度、高稳定性的
压电式传感器
当 (1 A)CF
C
时，即A》1： Uo
Q CF
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结论:
1. 放大器的输出Uo正比于信号Q，线性转换；
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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
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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。
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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、
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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。
加速度传感器的作用和分类
一般加速度传感器就是利用了其内部的由于加速度造成的晶体变形这个特性。
由于这个变形会产生电压，只要计算出产生电压和所施加的加速度之间的关系，就可以将加速度转化成电压输出。
当然，还有很多其它方法来制作加速度传感器，比如压阻技术，电容效应，热气泡效应，光效应，但是其最基本的原理都是由于加速度产生某个介质产生变形，通过测量其变形量并用相关电路转化成电压输出。
每种技术都有各自的机会和问题。
加速度传感器的分类1、压电式压电式加速度传感器又称压电加速度计。
它也属于惯性式传感器。
压电式加速度传感器的原理是利用压电陶瓷或石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。
当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。
2、压阻式基于世界领先的MEMS硅微加工技术，压阻式加速度传感器具有体积小、低功耗等特点，易于集成在各种模拟和数字电路中，广泛应用于汽车碰撞实验、测试仪器、设备振动监测等领域。
3、电容式电容式加速度传感器是基于电容原理的极距变化型的电容传感器。
电容式加速度传感器/电容式加速度计是对比较通用的加速度传感器。
在某些领域无可替代，如安全气囊，手机移动设备等。
电容式加速度传感器/电容式加速度计采用了微机电系统（MEMS）工艺，在大量生产时变得经济，从而保证了较低的成本。
4、伺服式伺服式加速度传感器是一种闭环测试系统，具有动态性能好、动态范围大和线性度好等特点。
其工作原理，传感器的振动系统由"m-k”系统组成，与一般加速度计相同，但质量m上还接着一个电磁线圈，当基座上有加速度输入时，质量块偏离平衡位置，该位移大小由位移传感器检测出来，经伺服放大器放大后转换为电流输出，该电流流过电磁线圈，在永久磁铁的磁场中产生电磁恢复力，力图使质量块保持在仪表壳体中原来的平衡位置上，所以伺服加速度传感器在闭环状态下工作。
由于有反馈作用，增强了抗干扰的能力，提高测量精度，扩大了测量范围，伺服加速度测量技术广泛地应用于惯性导航和惯性制导系统中，在高精度的振动测量和标定中也有应用。
压电传感器
d 33 因为ωR>>1，故上式可以近似为 K u Ca Cc Ci
可见，Ku与回路电容成反比，增加回路电容必然使Ku下 降。为此常将Ri很大的前置放大器接入回路。其输入内 阻越大，测量回路时间常数越大，则传感器低频响应也 越好。当改变连接传感器与前置放大器的电缆长度时 Cc 将改变，必须重新校正灵敏度值。
四、压电式传感器的应用 （一）压电式加速度传感器 （二）压电式压力传感器 （三）压电式流量计 （四）集成压电式传感器 （五）压电式传感器在自来水管道测 漏中的应用
（一） 压电式加速度传感器
其结构一般有纵向效应型、横向效 3 2 应型和剪切效应型三种。纵向效应 是最常见的,如图。压电陶瓷4和质 1 量块2为环型，通过螺母3对质量块 4 运 预先加载，使之压紧在压电陶瓷上。动 5 方 测量时将传感器基座 5 与被测对象 向 牢牢地紧固在一起。输出信号由电 纵向效应型加速度 传感器的截面图 极1引出。 当传感器感受振动时，因为质量块相对被测体质量 较小，因此质量块感受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，此力F＝ma。同时惯性 力作用在压电陶瓷片上产生电荷为 q＝d33F＝d33ma
RF
当1/ RF = ω CF时 U q /(C 2 ) SC F
可见这是截止频率点的输出电压，增益下降3dB时对应 的下限截止频率为 1 fL 2RF C F
1 USC与q间的相位误差 90 arctan RF CF
可见压电式传感器配用电荷放大器时,其低频幅值误差和 截止频率只决定于反馈电路的参数RF和CF,其中CF的大 小可以由所需要的电压输出幅度决定。所以当给定工作 频带下限截止频率fL时,反馈电阻RF值也可确定。如当 CF=1000pF,fL=0.16Hz时,则要求RF＞109Ω。
5-4 压电式传感器的应用
当膜片 5 受到压力 P 作用后，则在压电晶片上产生电荷。在一个压电片
上所产生的电荷 q 为
q=d11F=d11SP
式中 F——作用于压电片上的力；
(5-42)
d11——压电系数； P ——压强，P=F/S；
S ——膜片的有效面积。
测压传感器的输入量为压力 P，如果传感器只由一个压电晶片组成，则 根据灵敏度的定义有：
第五章习题
5.7 .分析压电式加速度计的频率响应特性。若测量电路的总电容 C= 1 000 pF，总电阻 R= 500 MΩ,传感器机械系统固有频率 f0=30 kHz，相对阻尼 系数ξ=0.5，求幅值误差小于 2 %时，其使用的频率范围 。
5.8.用石英晶体加速度计测量机器的振动,已知加速度计的灵敏度为 5 pC/g （g为重力加速度，g＝9.8 m/s2），电荷放大器灵敏度为 50 mV/pC，当机 器达到最大加速度时，相应输出幅值电压为2V。试计算机器的振动加速 度。
1
0
1
0
2 2
2
0
2
（5-35） （5-36）
§5-4 压电式传感器的应用
相频特性
arctan
2
0
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。
压电式传感器的特点及应用
压电式传感器的特点及应用压电式传感器是一种常见的传感器类型，它的主要特点是能够将压力、力、加速度、应力等物理量转化为电信号。
它利用一种或多种压电材料的特殊性质，通过压电效应来实现信号的转换。
这种传感器结构简单、易于制造，且具有较高的灵敏度和稳定性，因此被广泛应用于各个领域。
压电式传感器的主要特点有以下几个方面：1. 高灵敏度：压电材料具有较高的压电系数，能够将微小的压力或应变转化为电信号，具有很高的灵敏度。
2. 宽频响特性：压电材料的频率响应范围广，可以实现高频、宽频的信号传输，适用于不同频段的应用。
3. 快速响应速度：压电传感器具有快速的响应速度，能够在短时间内将物理量的变化转化为电信号，并能实现实时监测和反馈。
4. 宽工作温度范围：压电材料具有较高的工作温度范围，能够在高温或低温环境下正常工作，适用于各种工况条件。
5. 高稳定性：压电材料具有较高的稳定性，不易受环境影响，具有长期稳定的工作性能。
压电式传感器在各个领域有广泛的应用，包括但不限于以下几个方面：1. 工业领域：在工业领域中，压电式传感器可以用于测量各种物理量，如压力传感器用于测量液压系统中的压力，力传感器用于测量机械装置的力和扭矩，加速度传感器用于监测设备的振动和运动状态等。
2. 医疗领域：在医疗领域中，压电式传感器被广泛应用于医疗设备和仪器中。
例如，心脏起搏器中的压力传感器用于测量心脏的收缩和舒张压力，听诊器中的压电传感器用于接收和转化心音和呼吸音等。
3. 汽车领域：在汽车领域中，压电式传感器被应用于多个方面，如发动机管理系统中的压力传感器用于测量燃油压力，刹车系统中的压力传感器用于测量刹车液的压力，加速度传感器用于检测车辆的加速度和倾斜度等。
4. 航空航天领域：在航空航天领域中，压电式传感器广泛应用于飞行器的测控系统中。
例如，飞机中的压力传感器用于测量气压和油压，加速度传感器用于监测飞机的振动和运动状态，应力传感器用于测量结构的应变和应力等。
压电式加速度传感器的工作原理
压电式加速度传感器的工作原理压电式加速度传感器是一种基于压电效应原理的常用传感器，它可以将物体的加速度（即力的作用下物体的运动变化）转换为电信号，用以进行自动测量、控制和研究。
本文旨在介绍压电式加速度传感器的原理，以及其在工程领域的实际应用。
压电式加速度传感器的基本原理是凭借压电效应，结合加速度传感器的特性，将物体所受的加速度转换为电信号。
压电效应源于压电材料的结构弹性，即当使用力对其施加时，压电材料会由其原始形状变形，并产生压电势和压电电位。
当被施加的力与单位面积上的物体表面法线方向一致时，压电势的增加会导致压电电位的增加，而当被施加的力与单位面积上的物体表面法线方向相反时，压电势的增加会导致压电电位的减少（即负压电效应）。
因此，压电设备可以检测物体在x，y，z方向的加速度，并以此变换为电信号，供技术人员进行后续处理和分析。
压电式加速度传感器可以广泛应用于航空航天领域、汽车领域、机械制造领域、橡胶和塑料领域等多个工程领域。
在航空航天领域，由于压电式传感器具有久坚耐用的特点，能够耐受高温高压的环境，因此可以大量应用于火箭、航天器结构性能检测以及空间实验控制中。
在汽车领域，压电式加速度传感器可以用于汽车内部和外部的实时控制，辅以先进的信息技术，可以实现对车辆前后悬挂系统、制动系统和刹车系统的先进控制，并可有效提高汽车性能和可靠性。
此外，压电式加速度传感器还可以应用于橡胶和塑料等材料的研制，能够检测其在应变状态下的性能，有效避免技术失误和质量问题。
压电式加速度传感器技术在工程领域具有广泛的应用前景，是发展自动检测技术和机械设备的重要工具。
传感器的性能、可靠性和精度普遍有待提高，未来可以研究带有适应功能的复合式压电式结构，以提升传感器的灵敏度，并发展出具有更高可靠性的压电式加速度传感器。
综上所述，压电式加速度传感器是一种基于压电效应原理的重要传感器，可以将物体所受的加速度转换为电信号，广泛应用于航空航天领域、汽车领域、机械制造领域、橡胶和塑料领域等多个工程领域，是发展自动检测技术和机械设备的重要工具，未来将有望发展出具有更高可靠性的压电式加速度传感器。
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工程振动量值的物理参数常用位移、速度和加速度来表示。
由于一般情况下频率范围内振动位移幅值量很小，且位移、速度和加速度之间都可互相转换，所以在实际使用中振动量的大小一般用加速度的值来度量。
要想得到加速度的值需要用到测量的仪器是加速度传感器，使用过加速度传感器的人们知道，一般加速度传感器都是用恒流源供电，传感器输出的信号通常也就是电压信号，除了部分传感器有过处理，输出信号有常规的标准电流电压信号。
加速度传感器正弦波输出的形式早已是最常见的。
对某一振动信号的测量，实际上是对组成该振动信号的正弦频率分量的测量。
对加速度传感器主要性能指标的考核也是根据传感器在其规定的频率范围内测量幅值精度的高低来评定。
压电式加速度传感器因为具有测量频率范围宽、量程大、体积小、重量轻、对被测件的影响小以及安装使用方便，所以成为最常用的振动测量传感器。
最常见的压电式加速度传感器是利用弹簧质量系统原理。
敏感芯体质量受振动加速度作用后产生一个与加速度成正比的力，压电材料受此力作用后沿其表面形成与这一力成正比的电荷信号。
压电式加速度传感器具有动态范围大、频率范围宽、坚固耐用、受外界干扰小以及压电材料受力自产生电荷信号不需要任何外界电源等特点，是被最为广泛使用的振动测量传感器。
IEPE型压电加速度计即通常所称的ICP型压电加速度传感器。
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型加速度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。
加速度传感器的性能逐渐变得便捷使用，而且将会越来越受工程振动测量的最佳帮手。
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