压电式传感器类型与应用
压电式压力传感器原理特点及应用
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压电式压力传感器原理特点及应用压电效应是压电材料受到外力时会产生电荷的现象。
压电材料具有这种特性的原因是在材料内部存在着一种称为压电效应的耦合效应,即机械能与电能之间的相互转换。
当外力作用在压电材料上时,会导致材料内部的正负离子产生位移,形成电偶极矩,从而产生电荷。
该电荷可以通过导线或电极传递到外部电路中,产生电压信号。
根据压电效应的特性,压电材料通常是通过连接传感器的终端来感受外部力或压力的变化。
1.高灵敏度:压电材料的压电系数比较大,对外界力或压力的变化非常敏感,能够很好地转换为电信号输出。
2.宽测量范围:压电式压力传感器的测量范围通常为几千帕到几百兆帕,能够满足不同应用场景的需求。
3.稳定性好:压电材料的压电效应相对稳定,且传感器无需额外的温度、湿度校正,不易受外界条件的干扰。
4.快速响应:由于压电材料具有较低的惯性和刚性,能够在短时间内响应外部力或压力变化。
1.工业自动化控制:压电式压力传感器可以用于工业自动化控制系统中,用于监测压力值,如液体或气体管道的压力、机械设备的载荷等。
2.汽车工程:压电式压力传感器广泛应用于汽车工程领域,如发动机进气管压力、轮胎压力、刹车系统压力等的检测。
3.生物医学领域:压电式压力传感器可用于测量人体血压、血氧饱和度、心脏健康状态等,用于临床监测和医疗设备。
4.航天航空领域:压电式压力传感器应用于航天器的气压监测、飞机的液压系统监测等,对于保证飞行安全起到重要作用。
5.环境监测:压电式压力传感器用于测量大气压力、水深、土壤压力等环境参数的监测,可用于气象、水利、地质等领域。
总之,压电式压力传感器以其高灵敏度、快速响应、稳定性好等特点,在多个领域中得到广泛的应用,为实时监测和控制提供了重要的技术支持。
压电式传感器原理及应用
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变化小,在锆钛酸铅的基方中添加一两种微量元素,可以 获得不同性能的PZT材料。 (3)铌镁酸铅Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3压电陶瓷(PMN)
具有较高的压电系数,在压力大至700kg/cm2仍能继续 工
产生电荷
02
d11——压 电系数
(C/N)
03
作用力是沿 着机械轴方
向
电荷仍在与 X轴垂直的
平面
a
a
Qx d12bFy d11bFy
04 此时,
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d12 d11
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切片上电荷的符号与受力方向的关系
图(a)是在X轴方向受压力, 图(b)是在X轴方向受拉力, 图(c)是在Y轴方向受压力, 图(d)是在Y轴方向受拉力。
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2.压电式传感器的信号调节电路
压电式传感器要求负载电阻RL必须有很大的数值,才能使测量误差小到一定数值以 内。
因此常先接入一个高输入阻抗的前置放大器,然后再接一般的放大电路及其它电路。
测量电路关键在高阻抗的前置放大器。
前置放大器两个作用:
○ 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。
作,可作为高温下的力传感器。
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1
等效电路及信号变换电路
2
一.压电元件的等效电路 二.压电式传感器的信号调节
电路
1.压电元件的等效电路
Ca
s
h
r0s
h
U Q Ca
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传感器原理及应用-第6章 - 压电式传感器剖析

二、压电效应的基本原理
常见的压电材料可分为两类: 压电单晶体和多晶体压电陶瓷。
压电单晶体: 石英(包括天然石英和人造石 英)、水溶性压电晶体(包括酒石酸钾 钠、酒石酸乙烯二铵、酒石酸二钾、 硫酸锤等)。
多晶体压电陶瓷: 钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系 压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷和铌 镁酸铅压电陶瓷等。
天然石英
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
q12
d12
a b
Fy
x
b
z
d11
a b
FyxΒιβλιοθήκη yd11 = -d12 ,石英晶体轴对称条件。
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
Fx- -
++
- P1 +
P3 - + x
-
P2
+
- - ++
§6.1 压电效应
二、压电效应的基本原理 2、石英晶体压电效应的微观机理
在x轴的正向出现正电荷,在y、 z方向不出现电荷。
Fx<0 y
Fx- -
+ + Fx
- P1 +
P3 + -
x
-
P2
+
--
++
§6.1 压电效应
二、压电效应的基本原理 2、石英晶体压电效应的微观机理
§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。
压电式传感器的原理及应用
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压电式传感器的原理及应用压电式传感器是一种应用了压电效应的传感器,通过将压电材料置于受力区域,当被测物体发生变形或受力时,压电材料发生形变,从而产生电荷信号,利用该信号来测量被测量的变化情况。
一、压电效应的原理压电效应是一种物理现象,指在压力或拉伸下,某些晶体(通常是晶体的极性方向)会产生电位差。
这种效应被广泛应用于各种传感器中,特别是在加速度计、其它惯性传感器、压力传感器和液位传感器等方面。
二、压电式传感器的原理压电式传感器通常由压电晶体和测量电路组成。
当被测物体发生形变或受力时,压电材料中的极性方向的晶体产生压电效应,导致产生电荷的位移,并与电荷电容匹配的放大器或其他电路连接。
由于被测量的变化(压力,成形,位移等)与电荷位移之间存在特定关系,所以可以根据电荷电荷读数来确定被测物体发生变化的精确程度。
三、压电式传感器的应用由于压电效应具有高灵敏度、高频响应、耐腐蚀、抗干扰等优点,压电式传感器在各种领域得到广泛应用。
1.压力测量:压电式传感器常用于压力传感器的制造,用于测量汽车轮胎、气缸、油压和空气压力等。
2.振动测量:压电式传感器还可以用于测量机器和车辆的振动水平,以便定位有问题的部件。
3.流量测量:压电式传感器在流量测量中应用广泛,例如在医疗方面测量血流,工业方面可以应用于计算液体的流量。
4.力学测试:压电式传感器的高灵敏度和高频响应特性,在体育、自然科学和工程学中用于测量冲击、震动和变形等量。
5.地震观测:压电式传感器还可以用于地震观测,以便在监测过程中测量地震的振动率。
压电式传感器在上述应用领域中具有重要作用,并与其他类型的传感器如压阻式传感器、光电式传感器、磁性传感器等合作,实现了各种领域的数据测量工作,体现了良好的应用前景。
压电式压力传感器原理及应用
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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。
压电式力传感器的应用场景
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压电式力传感器的应用场景压电式力传感器是一种常用于测量力的传感器,具有灵敏度高、响应速度快、体积小、重量轻等特点。
由于其优越的性能和广泛的应用领域,压电式力传感器在工业、医疗、航空航天等领域有着广泛的应用。
1. 工业自动化在工业自动化领域,压电式力传感器可以用于测量机械设备的力学特性,例如测量机械臂的扭矩、压力、力量等参数。
通过实时监测这些参数,可以对机械设备进行精确控制,提高生产效率和产品质量。
2. 汽车行业压电式力传感器在汽车行业的应用非常广泛。
例如,在汽车制动系统中,可以使用压电式力传感器来测量制动踏板的力度,从而实现对刹车系统的精确控制。
另外,压电式力传感器还可以用于测量引擎输出的扭矩和功率,以及车辆的加速度和行驶速度等参数。
3. 医疗设备在医疗设备中,压电式力传感器被广泛应用于各种测量和监测系统中。
例如,在手术中,可以使用压电式力传感器来测量手术器械的握力,以确保手术的精确性和安全性。
此外,压电式力传感器还可以用于测量患者的呼吸、心跳等生理参数,以监测患者的健康状况。
4. 航空航天在航空航天领域,需要对飞机、火箭等飞行器的各种力学参数进行准确测量。
压电式力传感器可以用于测量飞行器的气动力、推力、重力等参数,从而为飞行器的设计和控制提供重要的数据支持。
此外,压电式力传感器还可以用于测量航天器的姿态变化和振动特性等。
5. 智能手机和电子设备压电式力传感器在智能手机和其他电子设备中也有着广泛的应用。
例如,智能手机的触摸屏和按键部分常常使用压电式力传感器来实现用户的触摸输入。
此外,压电式力传感器还可以用于测量电池的充电状态、设备的重量和压力等参数。
压电式力传感器具有广泛的应用场景,在工业、医疗、航空航天和电子设备等领域发挥着重要的作用。
随着科技的不断进步和创新,压电式力传感器的应用将会越来越广泛,为各个领域的发展和进步提供更加可靠和精确的力学测量。
3.2压电式压力传感器解析
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§7.6 压电传感器的应用
地 震 的 巨 大 威 力
33
§7.6 压电传感器的应用
南海Ms7.2地震波形记录图
34
§7.6 压电传感器的应用 3) 压电式振动加速度传感器结构及外形
横向振动测振器
纵向振动测振器
35
4火炮堂内压力测试
发射药在堂内燃烧形成压力完成炮弹的发射。 堂内压力的大小,不仅决定着炮弹的飞行速 度,而且与火炮、弹丸的设计有着密切关系。
12
二、压电材料 1、种类:
石英晶体:如石英等; 压电陶瓷:如钛酸钡、锆钛酸铅等; 压电半导体:如硫化锌、碲化镉等; 高分子压电材料:聚二氟乙烯等。 2、对压电材料特性要求: ①转换性能:要求具有较大压电常数; ②机械性能: 机械强度高、刚度大,以期获得宽的线性
范围和高的固有振动频率; ③电性能:具有高电阻率和大介电常数,以减弱外部分布 电容的影响并获得良好的低频特性; ④环境适应性强: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; 13 ⑤时间稳定性:要求压电性能不随时间变化。
从作用力看,元件是串接的,因而每片受到的作用力相同,产生的变 形和电荷数量大小都与单片时相同。
图a)从电路上看,这是并联接法, 类似两个电容的并联。所以, 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。 图b)从电路上看是串联的,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。
3. 交通监测
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。
压电式传感器的应用和原理
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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。
压电式传感器及其应用
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压电式加速度传感器及其应用一、压电式加速度传感器原理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。
它是利用某些物质如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。
加速度传感器是一种惯性传感器,它能感受加速度并转换成可用输出信号,被广泛用于航空航天、武器系统、汽车、消费电子等。
实际电路图如下:二、压电式加速度传感器构成元件预压弹簧压电元件外壳质量块基座常用的压电式加速度计的结构形式如图所示,是由预压弹簧,质量块,基座,压电元件和外壳组成。
图中为环形剪切型,结构简单,能做成极小型、高共振频率的加速度计,环形质量块粘到装在中心支柱上的环形压电元件上。
由于粘结剂会随温度增高而变软,因此最高工作温度受到限制。
三、压电式加速度传感器的实际应用加速度传感器应用范围广泛,一般来讲它有六种检测感应功能:倾斜度检测、运动检测、定位检测、震动检测、振动检测和自由落下检测。
(一)倾斜度检测加速度传感器水平放置时,在重力作用下经激励有一定幅度的输出,当与重力方向有倾角时,传感器信号输出幅度会有所变化,对两种状态下信号输出进行比较计算可推算出倾斜角的大小,应用双轴、三轴加速度传感器就可测出任意倾斜角的大小和方向。
利用加速度传感器测量倾斜度的这种检测感应功能,加速度传感器可应用于倾斜仪、倾斜度侦测电子罗盘、图像旋转、文本滚动浏览/用户界面、LCD投影和物理治疗法等方面。
飞思卡尔半导体公司推出的MMA7260Q三轴加速度传感器是用于倾角测量的典型应用之一,它以重力为输入矢量来决定物体在空间的姿态。
把加速度传感器固定于物体的水平面上,当物体姿态改变时,加速度传感器的敏感轴随之转动一定角度,由于重力的作用,传感器敏感轴上的加速度会发生改变,因此可通过测量加速度的变化来反映物体姿态的变化。
(二) 运动检测在进行运动检测时,需要考虑几个因素:如何计算它的位移,g 值的范围选择及使用量测轴。
压电式传感器的发展和应用
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压电式传感器的发展和应用摘要: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,发展与应用正文:1.压电式传感器的工作原理1.1压电效应压电式传感器是利用电解质的压电效应工作的。
某些晶体,在一定方向受到外力作用是,内部将产生极化现象,相应的在晶体的两个表面产生符号相反的电荷;当外力作用除去时,又恢复到不带电状态。
当外力方向改变时,电荷的极性也随之改变,这种现象称为压电效应。
1.2压电材料压电材料分三类压电晶体,如石英等;压电陶瓷,如钛酸钡、锆钛酸铅等;压电半导体,如硫化锌、碲化镉等。
1.3压电式传感器等效电路右图是压电压电式传感器的等效电路。
当压电传感器中的压电晶体承受被测机械应力的作用时,在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。
其电容量为2.压电式传感器的发展2.1压电式传感器的发展压电传感器技术的发展历程可分为三个阶段。
第一个阶段是60~70年代,传感器以电荷输出为主,测量系统包括压电传感器和以电荷放大器为主的信号适调装置;到了80~90年代中期,出现了IEPE(In Electronics Piezoelectricity)传感器,也被称为低阻抗电压输出传感器,它主要解决了压电信号以高阻抗传输带来的一系列问题;第三阶段是90年代中期至今,即插即用智能TEDS 混合模式接口传感器2.2国内发展现状在我国压电传感器的研究与应用明显落后于世界先进水平,自70年代以来,压电传感器的应用主要是为了满足航天技术发展的需要。
改革开放之后,随着引进国外先进技术和管理经验,国民经济进入快阶段,现代测量技术的发展与应用成为必然。
压电式传感器传感器技术及应用课件
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在航空航天中的应用案例
压电式传感器在航空航天领域中可以 用于测量飞行器的压力、振动等参数, 保障飞行器的安全性和稳定性。
VS
例如,在飞机发动机中,压电式传感 器可以监测涡轮的工作状态,控制发 动机的运转,提高飞机的安全性能。
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航空航天
01
在航空航天领域,压电式传感器 主要用于监测飞机的气动性能、 发动机工作状态以及航天器的空 间环境等。
02
它们能够提供高精度、高可靠性 的数据,帮助保证飞机的安全和 航天器的正常工作。
03 压电式传感器的设计与制 造
02 压电式传感器的应用领域
工业自动化
压电式传感器在工业自动化领域中广泛应用于测量和控制,如压力、位移、振动和 加速度等物理量的测量。
它们能够提供高精度、高可靠性的数据,帮助实现自动化生产线的精确控制和优化。
压电式传感器还可以用于工业安全系统中,例如检测机器的异常振动或压力变化, 以预防潜在的故障或事故。
制作工艺
采用陶瓷工艺、薄膜工艺等制作技术 ,将压电材料制成具有特定结构和性 能的元件。
压电式传感器的封装与测试
封装材料
选择合适的封装材料,如环氧树脂、陶瓷等,以保护压电元件免受环境的影响。
测试方法
对封装后的传感器进行性能测试,包括灵敏度、频率响应、温度稳定性等方面 的测试。
04 压电式传感器的校准与标 定
压电式传感器传感器技术及应用课 件
目录
• 压电式传感器技术概述 • 压电式传感器的应用领域 • 压电式传感器的设计与制造 • 压电式传感器的校准与标定 • 压电式传感器的发展趋势与展望 • 实际应用案例分析
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。
压电式传感器应用
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压电式压力传感器原理及应用王佳 050410140摘要: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。
本文主要讨论压电式压力传感器原理及压电式压力传感器的光纤传输技术应用在内弹道试验研究中的使用。
关键词:压电式传感器压力内弹道试验压电式压力传感器(piezoelectric type pressure transducer)1.0 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。
1.1 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=kSp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。
下面是采用石英晶片的膜片式压电压力传感器图。
压电式传感器原理及应用
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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。
压电式传感器的应用
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2. 6100系列压电加速度计
压电加速度计是以压电晶体做敏感件。体积 小、重量轻、输出信号大,固有频率高,可用于 测量振动、冲击等信号。其外形见下图主要性能 指标见表6-4。
3. HZ-9508型测振表 HZ-9508型测振表是用于旋转机械进行振动测量、
简易故障诊断的一种便携式数字显示测振表,用YD型压 电式加速度传感器作为表头。它除了可测量一般机械振 动产生的加速度、速度、位 移等参数外,还具有测量 齿轮、轴承故障产生的高频 加速度值的功能,并具有低 电压监测功能。其外形结构 如右图所示。
主要参数如下:
1)测量范围: 位移: 1~1999μm(峰—峰值);速度: 0.1~ 199.9mm/S(有效值); 加速度: 0.1~199.9m/S2(峰值);高频加速度: 0.1~199.9 m/S2(峰值); 精度:测量值的±5%(允许±2误差); 2)频率范围: 位移:10Hz~1000Hz;速度:10Hz~1000Hz;加 速度:10Hz~1000Hz;高频加速度:1KHz~ 15KHz;
传感器与检测技术
压电式传感器的应用
压电式传感器可用于力、压力、速度、加速度、 振动等许多非电量的测量,可做成力传感器、压力传 感器、振动传感器等等。 1.1 5100系列压电式力传感器
航天702所所研制生产的5100系列力传感器,是 一种利用石英晶体的纵向压电效应,将“力”转换成 “电荷”并通过二次仪表转换成电压的压电式力传感 器。它具有气密性好、硬度高、刚度大、动态响应快 等优点。目前,5110、5112、5114和5115力传感器已 组成各种锤头(钢、铝、尼龙、橡胶)型测力锤,可 以测量动态力、准静态力和冲击力。
3)显示:三位半液晶显示 4)保持功能:当按住保持键时,显示振动值停止 变动
5-4 压电式传感器的应用
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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
压电式压力传感器原理及应用
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压电式压力传感器原理及应用哎呀,压电式压力传感器原理及应用这个话题可真是让人头疼啊!不过别担心,我可是费尽心思地准备了这篇文章,保证让你看完之后对压电式压力传感器有个基本的了解。
话说这种传感器到底是怎么工作的呢?它又有哪些应用呢?那就让我们一起来揭开它的神秘面纱吧!我们来聊聊压电式压力传感器的原理。
压电式压力传感器是一种利用压电效应来测量压力的传感器。
啥是压电效应呢?简单来说,就是当物体受到外力作用时,会产生一种叫做压电电荷的现象。
这种现象就像是一种小小的能量,可以被用来传递信息。
而压电式压力传感器就是利用这个原理来工作的。
具体来说,压电式压力传感器内部有一个特殊的结构,叫做压电元件。
这个压电元件是由两块压电材料组成的,一块是P型压电材料,另一块是N型压电材料。
当这两块材料在一起时,它们之间就会形成一个电压差。
而这个电压差的大小,正比于施加在压电元件上的压力大小。
所以,当我们需要测量压力时,只需要将压力施加在压电元件上,就可以得到一个相应的电压差,从而计算出压力的大小。
好了,现在我们已经知道了压电式压力传感器的原理,那么它有哪些应用呢?其实,压电式压力传感器的应用非常广泛,比如我们常见的血压计、电梯门的压力传感器等等,都是利用压电式压力传感器来实现的。
而且,随着科技的发展,压电式压力传感器的应用还在不断地拓展,比如在航空航天、机器人技术等领域都有广泛的应用。
那么,压电式压力传感器的优点和缺点分别是什么呢?优点当然是很多啦!它的灵敏度非常高,可以在很低的压力下就能检测到;它的响应速度非常快,可以在毫秒级别内完成测量;它的体积小、重量轻,便于安装和使用。
任何东西都有它的缺点,压电式压力传感器的主要缺点就是寿命相对较短,需要定期更换。
总的来说,压电式压力传感器是一种非常实用的传感器,它可以帮助我们解决很多实际问题。
而且,随着科技的发展,相信它的应用还会越来越广泛。
所以,如果你对这个领域感兴趣的话,不妨多了解一下,说不定哪天你就能发明出一款新的压电式压力传感器呢!。
压电式传感器的特点及应用
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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。
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4.压电元件的结构形式
压电元件有5种基本变形形式: 厚度变形(TE方式)、 长度变形(LE方式)、 体积变形(VE方式)、 厚度剪切变形、 面剪切变形。
石英晶体没有体积变形压电效应。
压电片在压电式传感器中,必须有一定的预应力, 以保证在作用力变化时,压电片始终受到压力,同时 也保证输出电压与作用力成线性关系。这是考虑压电 片加工过程的结果。
但作压电器件应用时,这会给压电传感器造成热干扰, 降低稳定性。所以,对高稳定性的传感器,压电陶瓷的应 用受到限制。
常用的压电陶瓷 传感器技术中应用的压电陶瓷,按其组成基本元素多少
(1)二元系压电陶瓷 主要包括钛酸钡BaTiO3,钛酸铅 PbTiO3,锆钛酸铅系列PbTiO3-PbZrO3(PZT)和铌酸盐系 列KNbO3-PbNb2O3。其中以钛酸钡,尤其以锆钛酸铅系
压电式传感器类型 和应用
压电式传感器类型和应用
8.1 压电效应 8.2 测量电路 8.3 压电式传感器的应用
8.1 压电效应
1.压电效应
居里兄弟皮尔(P.Curie)与杰克(J.Curie)发 现压电效应(piezoelectric effect)。
某些电介质在机械应力作用下,产生形变,极 化状态发生变化,致使表面带电,表面电荷密度 与应力成正比,称为正压电效应。
石英晶体中x轴常称为电轴,y轴称为机械 轴,z轴称为光轴。
石英晶体沿z轴方向施加外力,不产生压电 效应。
石英晶体的主要性能特点是:
(1) 压电常数小,时间和温度稳定性极好;
(2) 机械强度和品质因素高,且刚度大,固有频率高, 动态特性好;
(3) 居里点573℃,无热释电性,且绝缘性、重复性均 好。
5.压电传感器的等效电路
可以将压电式传感器看作一个静电电容器。
因此,从性质上讲,压电器件实质上又是一个有源电 容器,通常其绝缘电阻 Ra10。10
Ca
S
h
r0S
h
式中,S-电容器极板面积;
h-压电元件厚度;
- 压电材料的介电常数;
-真0 空的介电常数; -压r 电材料的相对介电常数,随材料
不同而变;
d13 d23 d33
d14 d24 d34
d15 d25 d35
d16 d26 d36
2 3 4 5
6
X0°切型石英晶体的压电常数矩阵,具体为:
石英晶体只有 d 1 和1 两d 1 4个独立常数。
对于左旋石英:d112.311012C/N
d140.671012C/N
石英:d 1 1和 d都1 4 是正值,数值不变。
单路动态信号测量
两路动态信号测量
(1)电压放大器
电压放大器的简化电路图
等效电阻R C=Cc+Ci
(二)逆压电效应
h dhkEk
(k=1,2,3;h=1,2,3,4,5,6)
式中, h -沿h方向的应变;
-E 沿k k方向施加的电场。
实验结论:
①有正压电效应的压电晶体,必有相应的逆压 电效应。晶体中,哪个方向上有正压电效应, 则此方向上必有逆压电效应。
②逆压电效应得压电常数与正压电效应的压电 常数数值是相等的,而且一一对应。一般情况 下,逆压电效应中压电常数矩阵是正压电常数 矩阵d的转置矩阵。
②压电陶瓷:钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压电 陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷。
压电陶瓷的特点是: 压电常数大,灵敏度高;制造工艺成熟,可通过合理配
方和掺杂等人工控制来达到所要求的性能; 成形工艺性也好,成本低廉,利于广泛应用。压电陶瓷
除有压电性外,还具有热释电性。因此它可制作热电传感 器件而用于红外探测器中。
(2)三元系压电陶瓷 目前应用的PMN,它由铌镁酸铅 Pb(Mg1/3Nb2/3)O3钛酸铅PbTiO3-锆钛酸铅PbZrO3三 成分配比而成。另外还有专门制造耐高温、高压和电击穿 性能的铌锰酸铅系、镁碲酸铅等。 (3)综合性能更为优越的四元系压电陶瓷也已经研制成功。
③压电薄膜:氧化锌、硫化镉、硫化锌、铌酸 锂等;
-C 压a 电元件的内部电容。
由此,可以把压电式传感器等效为一个电荷源和一个 电容的电荷等效电路。
必须指出,上述等效电路及其输出,只有在压电器件 本身理想绝缘、无泄漏、输出端开路(即Ra =RL=∞)条 件下才成立。
压电式传感器测试系统的等效电路
8.2 测量电路
1.测量电路
测量电路:电压放大器、电荷放大器 (1)电压放大器 考虑电缆长度的影响; (2)电荷放大器 不用考虑电缆的影响。
压电常数的物理意义是:
在“短路条件”下,单位应力所产生的电荷密度。 “短路条件”是指压电元件的表面电荷一开始发生就被 引开,因而在晶体变形上不存在“二次效应”的理想条 件。压电常数有时也称压电应变常数。
3.压电材料分类
常用的压电材料有: 压电晶体、压电陶瓷、压电薄膜和压电半导体。
①压电晶体:石英晶体、水溶性压电晶体、铌 酸锂晶体;
石英晶体切片上电荷极性与受力方向的关系
2.压电常数 压电材料的性能常用压电常数来表征,
Q dF 式中,Q为压电元件受力产生的表面电荷,F 为作用在压电元件上的力,d为压电常数。
(一)正压电效应
压电常数是表征压电性能强弱的参数,不同材料具 有不同的压电性能,同一材料在不同的受力方向,电 荷产生的情况也不同。对于一定施力方向和一定的产 生电荷表面而言,压电常数d是一个常数。
Pi j dij j
P i ,j j方向受力时在i方向上电荷积累的表面密度 (即沿i方向的极化强度); ,j 沿方向j施加外力时,单位面积上感受的应 力;
d i,j 压电常数,(j方向受力,在i方向产生电荷 时的压电常数)。
1
P1 d11
P2
d21
P3 d31
d12 d22 d32
反之,施加外电场,介质内产生机械形变,应 变与电场强度成正比,称为逆压电效应,或称作 “电致伸缩效应”。
石英晶体
Z轴:光轴、中性轴; X轴:电轴; Y轴:机械轴
为什么产生压电效应?
石英晶体模型:
由于离子之间造成错位,电荷的平衡关系受到破坏,产生 极化现象,使表面产生电荷。
压电陶瓷的极化处理