压电薄膜传感器设计及电路图详解
基于柔性压电薄膜的可穿戴脉搏传感器设计
基于柔性压电薄膜的可穿戴脉搏传感器设计目录1. 内容综述 (2)1.1 研究背景及意义 (3)1.2 现有脉搏监测技术现状及不足 (4)1.3 本文研究目标及创新点 (5)2. 基于柔性压电薄膜的脉搏传感器工作原理 (6)2.1 压电材料的特性及应用 (7)2.2 传感器结构设计 (9)2.2.1 传感器组成部分 (10)2.2.2 柔性压电薄膜的特性与选择 (12)2.2.3 信号采集和处理电路设计 (13)2.3 脉搏信号获取及分析 (15)3. 材料及器件 (16)3.1 主流柔性压电薄膜材料研究 (17)3.2 器件加工工艺 (18)4. 实验设计与结果分析 (19)4.1 实验平台搭建 (21)4.2 传感器性能测试及分析 (22)4.3 压力感知特性研究 (24)4.3.1 传感器响应曲线 (25)4.3.2 传感器线性度分析 (27)4.4 脉搏信号采集与分析 (29)4.4.1 实验数据采集 (31)4.4.2 脉搏信号处理与提取 (31)4.4.3 信号分析与结果展示 (33)5. 讨论与结论 (34)5.1 研究成果总结和分析 (36)5.2 存在问题及未来展望 (37)1. 内容综述随着物联网与智能穿戴技术的不断进步，健康监测与远程医疗系统的发展需求日益显现。
在这个背景下，基于柔性压电薄膜的可穿戴脉搏传感器设计成为了研究热点。
该设计旨在实现实时、连续、非侵入式的生理信号监测，特别是针对心血管健康的监测。
该设计以人体脉搏信号的精准检测为目标，结合了柔性压电薄膜技术与现代传感技术，为用户提供一种舒适且可靠的新型穿戴监测方式。
柔性压电薄膜作为一种新兴材料，具有灵敏度高、响应速度快、可弯曲等特点，适用于可穿戴设备的制造。
基于柔性压电薄膜的可穿戴脉搏传感器不仅可用于医疗领域的心率失常预警、心血管疾病诊断，还可在运动健身领域用于运动效果评估和运动损伤预防等方面。
其设计理念的革新性在于将传统的医疗检测手段与现代可穿戴技术相结合，为用户提供个性化的健康监测服务。
第 8 章 压电式传感器PPT课件
（d）石英晶体沿z轴方向施加作用力时，晶体不会产生压电效 应。
（e）当作用力Fx、Fy的方向相反时，电荷的极性也随之改变。
31.10.2020
14
石英晶体的压电效应演示
第8章 压电传感器
• 式中，d11为x方向受力的压电系数。
• 横向压电效应:若在同一切片上，沿机械轴方向施加作用力F2 时，则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷，其大小为
a q1 d12 b F2
• 式中，d12为y方向受力的压电系数，其中d12=-d11。
31.10.2020
11
注：电偶极矩P=ql
第8章 压电传感器
第8章 压电传感器
q3 d33F3
式中， d33—— 压电陶瓷的压电系数； F—作用力。
优点：压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多，所以 采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。
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21
压电陶瓷材料：
第8章 压电传感器
钛酸钡（BaTiO3），它的压电系数约为石英的50倍，但居 里点温度只有115℃，使用温度不超过70℃，温度稳定性和 机械强度都不如石英。 锆钛酸铅（PZT）系列，居里点在300℃以上，性能稳定， 有较高的介电常数和压电系数。
• 压电陶瓷：是人工制造的多晶体压电材料，压电系数高。
• 人工极化：材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴，在 无外电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们各自的 极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零。因此 原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。
• 在强直流极化电场作用下，电畴的极化方向依外电场方 向充分排列。在撤消极化电场后，压电陶瓷内部仍存有 很强的剩余极化强度，这时的材料才具有压电特性。
压电薄膜传感器设计及电路图详解
压电薄膜传感器设计及电路图详解加速度计可以用在仪表中，测量加速度(速度对时间的变化率)和测量倾斜度(物体的纵轴和与地球表面相切的平面的垂线之间形成的倾角)。
倾斜度测量可以被看成直流或稳态测量。
在理论上，加速度可以是稳态的，但在实际应用当中，加速度通常是一个短期的暂时现象。
在非倾斜应用(短时加速)中，可以将压电检波器或压电薄膜传感器用作传感器。
任何类型的压电传感器都有一个与电容串联的交流电压源等效电路(加上其他会产生二阶效应的电抗元件，不在此进行分析)。
典型的容值为几百皮法到几纳法。
电压源的电容耦合就是为什么器件不能提供稳态的倾斜度测量的原因。
上面提到的等效电容，再加上输入或后继的放大或缓冲电路的分流电阻就构成了一个单极高通滤波器(HPF)。
在最好的情况下，如果分流电阻越大，高通滤波器中极点的时间常数越长。
这就意味着，在时间常数效应削弱测量前，可以对加速度进行测量的时间较长。
从实用性的角度出发(考虑到器件的可用性)，可以选用1G的阻值。
由于这个电阻值很大，所使用的放大器必须具有非常低的偏置或泄漏电流，最好能达到1pA的级别。
图1是一个实用电路的电路图。
压电薄膜传感器是器件X1。
在原型设计当中，使用了测量专用的LDTM-028K器件。
这个传感器的一端已经施加了一个很小的重力，在这端再增加大的重力，可以提高灵敏度。
传感器通过R1连到运放U1的非反向输入端，R1可防止过压对运放的输入造成损害。
如果传感器承受的加速度非常高(如重击)，就很可能发生这种情况。
R1也可以用来减小来自X1的信号幅值。
这个电路中的R1是1G。
R2是输入分流电阻，1pA的泄漏电流会流过R2，其数值也是1G，产生1mV的偏置电压(加到运放的实际偏置电压上)。
R2接2.5V的参考电压，设定运放的静态输出电压。
运放是ISL28158(或任何其他具有超低输入偏置/泄漏电流的器件)。
运算放大器使用+5V DC电源供电。
直流增益由R3和R4设定，在这个电路中是+2V/V。
传感器课件-压电式传感器与超声波传感器
（ 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 继续工作，可作为高温下的力传感器。
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18
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20
1. 压电元件的等效电路
压电传感器在受外力作用时，在两个电极 表面将要聚集电荷，且电荷量相等，极性相 反。这时它相当于一个以压电材料为电介质 的电容器，其电容量为
Ca
r0S
ε0为真空介电常数；ε为压电材料的相对介电常数； δ为压电元件的厚度；S为压电元件极板面积。
21
Ca
s
h
r0s
h
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U Q Ca
22
压电式传感器的等效电路
(a)等效为一个电荷源Q与一个电容Ca并联的电路 (b) 等效成一个电源U = Q/Ca 和一个电容Ca的串联电路
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23
两个压电片的联结方式
（a） “并联”，Q’=2Q，U’=U，C’=2C 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地方， （b） “串联” Q’=Q，U’=2U，C’=C/2 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，且测量电路输入阻抗很高的地方。
（1+K）Cf>>（Ca+Cc+Ci）
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35
电荷放大器能将压电传感器输出的电荷
转换为电压（Q/U转换器），但并无放大 电荷的作用，只是一种习惯叫法。
12第七章 压电式传感器7-2解析
q d 33 F d 33 ma
与加速度a成正比。因此，测得加速度传感
q=d11F=d11ma 器输出的电荷便可知加速度的大小。
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
图7-19 压电式测压传感器
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
管道上A、B两点放两只压电传感器，由从两个传
感器接收到的由O点传来的t0时刻发出的振动信号
所用时间差可计算出LA或LB。
地 L 面
LA
A O点
LB
B
两者时间差为
Δt= tA-tB=（LA - LB ）/v
又L=LA +LB ，所以
L t v LA 2 L t v LB 2
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。 其电容量为：
Ca q (a)
S r 0 S Ca
当两极板聚集异性电荷时，板间就呈现出
一定的电压，其大小为
q Ua Ca
因此，压电传感器还可以等效为电压源Ua 和一个电容器Ca的
Ca
串联电路，如图 (b)。
Ua (b)
（ ω=0 ）时，前置放大器的输出电压等于
零，因为电荷会通过放大器输入电阻和传 感器本身漏电阻漏掉，所以压电传感器不 能用于静态力的测量。
当 ω(Ca+Cc+Ci)R>>1 时，放大器输入 电压 Uim 如式（ 7-10 ）所示，式中 Cc 为连 接电缆电容，当电缆长度改变时，Cc也将 改变，因而 Uim 也随之变化。因此，压电
100~104pF。
压电薄膜传感器
传感器 优势(yōushì)
对人体微弱生理信号的有效采集和处理一直是医疗器械领域(lǐnɡ yù)的研
究热点。目前有多种用于人体微弱信号采集的传感器。
新型高分子压电材料聚偏氟 乙烯研制的压电传感器
结构简单、灵敏度高、频带宽 能准确测量微弱的人体信号
与人体接触安全舒适，能紧贴体壁
声阻抗与人体组织声阻抗十分接近等一
精品资料
系统 硬件 系统 (xìtǒng)
(yìnɡ jiàn)
信号的处理控制部分
利用8031单片机中的两个定时器/计数器T0和T1分别工作 于定时和计数方式，对心音心电波形整形后的脉冲进行 计数，然后通过软件计算脉搏心率每分钟跳动次数，并根据软
件分析心电心音数据相关的量。
精品资料
系统 硬件 系统 (xìtǒng)
精品资料
传感器 设计 压电薄膜传感器的设计主要考虑了传感器的灵敏度和信噪
(shèjì)
比，根据测量信号的频率和响应幅度。
在采集人体心音的信号时，由于心音的频响范围(fànwéi)较宽， 同时其输出的物理信号值也很微弱，采用硬质衬底和中空的
设计。
精品资料
传感器 设计(shèjì)
优点：提高传感器中薄膜在收到心音信号时的形变量，从而提高信 号强度。
精品资料
计数，读取寄存器值，计算最终结果。
精品资料
(zǒngjié)
ห้องสมุดไป่ตู้
总 结
利用高分子压电材料聚偏氟乙稀研制成压电薄膜传感 器应用于心音心电监测系统，能够准确不失真的采集 人体微弱(wēiruò)的心音脉搏信号。该薄膜传感器与心音 心电整机之间结构、性能匹配，通过实验，本心音心 电监测系统可以初步监测人体的心音心电信号，该系
传感器第4章压电式ppt课件(共79张PPT)
第4章 压电式传感器
分析可见： （1〕压电陶瓷具有压电效应，是由于陶瓷内部存在着电畴，经 极化处理后被迫取向排列，使内部存在剩余极化强度，在外作用 （力或电场〕下，能使极化强度变化，导致陶瓷出现压电效应。 （2〕陶瓷的极化电荷是束缚电荷，它们不能自由移动，陶瓷 中产生的放电或充电现象，是通过陶瓷内部极化强度的变化， 引起电极上的自由电荷的释放或补充的结果。
✓极化方向即外加电场方向，取为Z轴方向。
第4章 压电式传感器
1) 压电陶瓷的正压电效应 2) 如果在陶瓷片上施加一个与极化方向平行的压缩力，压电片 3) 产生压缩变形，使内部束缚电荷的间距变小，电畴发生偏转，
4) 极化强度变小，致使内部的束缚电荷变少，导致被吸附在外面
5) 电极上的自由电荷有一部分被释放，呈现放电状态。 6) 当外力消失后，陶瓷片恢复原状，使极化强度增大，内部束缚 7) 电荷增加，导致电极的吸附自由电荷增加，呈现充电状态。 8) 这种因受力而产生的机械效应转换成电效应，将机械能转换
变形与电场之间的关系为
产生压缩变形，使内部束缚电荷的间距变小，电畴发生偏转，
电极上的自由电荷有一部分被释放，呈现放电状态。
此时正负电荷重心不再重合。
（1〕极性也随之改变。
第4章
压电式传感器
✓当晶体受到沿y轴方向的压力作用时, P1增大, P3、P2 减小。 ✓在垂直x轴表面上出现电荷, 它的 极性为x轴正向为负电荷。 在y轴方 向上不出现电荷。
量电荷，但极性相反。
3〕在同一晶片上沿y轴方向作用力，其电荷仍在与x轴垂直的平面 上出现。
tb
第4章 压电式传感器 c a
由上述可知： 1)无论是正压电效应还是逆压电效应，其作用力〔或应变〕与电荷 〔或电场强度〕之间成线性关系； 2〕晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆 压电效应。
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。
《传感器技术及其应用》第03单元 压电传感器的应用—压电传感实验
电荷放大模块电路图：
比较器模块电路图：
（1）压电传感模块场景模拟界面认识 压电传感模块场景模拟界面主要包括5个部分，
模拟场景、压电特性曲线、放大信号和灵敏度调节 信号AD值、模拟车速检测的参数、比较器输出状态。
任务一 实验目的 任务二 是按原理 任务三 实验步骤
1. 振动实验模块的启动
（1）将NEWLab实验硬件平台通电并与电脑连接。
原理说明
1. 压电式传感器的工作原理 （1）压电效应 ：
表达这一关系的压电方程如式：
式中 F——作用的外力； Q——产生的表面电荷； d——压电系数，是描述压电效应的物理量。
原理说明
（2)等效电路 其电容量为：
式中 S——压电元件电极面的面积，单位为； δ——压电元件厚度，单位为； ε——压电材料的介电常数，单位为，它随材料不同而不 同，如锆钛酸铅的；
第3单元 压电传感器的应用--压 电传感器实验
任务一 实验目的 任务二 实验原理 任务三 实验步骤
单元任务预览
一、实验目的 了解压电传感器的检测原理 掌握压电传感器的检测电路及方法 了解压电传感模块的原理并掌握其测量方法
任务一 实验目的 任务二 实验原理 任务三 实验步骤
原理说明
压电式传感器是将被测量变化转换成材料受 机械力产生静电电荷或电压变化的传感器，是一 种典型的、有源的、双向机电能量转换型传感器 或自发电型传感器。压电元件是机电转换元件， 它可以测量最终能变换为力的非电物理量，例如 力、压力、加速度等。
点为1210℃。
c）压电陶瓷：
4. NEWLab压电传感模块认识
①LDT0-028K压电薄膜传感器； ②电荷放大模块电路； ③灵敏度调节电位器； ④信号放大比较器模块； ⑤灵敏度调节信号接口J10，测量灵敏度调节点位器可调端 输出电压，即比较器1正端（3脚）的输入电压； ⑥传感器信号接口J7，测量压电传感器的输出信号； ⑦电荷信号接口J4，测量电荷放大模块的输出信号； ⑧放大信号接口J6，测量信号放大电路输出信号，即比较器 1负端（2脚）的输入信号； ⑨比较输出接口J3，测试信号放大比较器模块的输出信号。 ⑩接地GND接口J2
第五章压电式传感器《传感器原理及应用》课件(共45张PPT)
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6章压电式传感器课件
6.1.1 压电效应
1.石英晶体的压电效应 石英晶体是最常用的压电晶
体 之 一 。 其 化 学 成 分 为 SiO2 ， 是 单晶体结构。它理想的几何形状 为正六面体晶柱，实际上两端为 晶锥形状。通过上下晶锥顶点的z 轴称为光轴，在此方向不产生压 电效应。
为了使压电陶瓷具有压电效 应，就必须在一定温度下对其进 行极化处理，即给压电陶瓷加外 电场，使电畴规则排列，从而具 备压电性能。
6.1.1 压电效应
外加电场的方向即是压电陶瓷的极化方向，通 常取沿z轴方向。左图为施加外电场时的情形。外加 电场去掉后，电畴极化方向基本保持原极化方向，如 右图所示。因此，压电陶瓷的极化强度不恢复为零， 而是存在着很强的剩余极化强度。
6.1.2 压电材料
(4)温度性能 要求压电材料具有较高的居里 点，以便获得较宽的工作温度范围，这是因为居 里点是压电材料开始失去压电效应的温度。
(5)长期稳定性 要求压电材料的压电特性不 随时间蜕变。
6.1.2 压电材料
1.压电晶体 由晶体学可知，无对称中心的晶体通常具有压
电效应，具有压电效应的单晶体统称为压电晶体。 石英晶体是最典型而常用的压电晶体，其特点是
P ql
式中，q为电荷量；l为正负电荷 间的距离。
6.1.1 压电效应
当石英晶体沿x轴方向被压缩时，沿y方向产生 拉伸变形，使正负离子的相对位置改变。P1、P2、P3 的矢量和不再为零，在x轴方向的分量小于零，因而 在x轴正方向的晶体表面上产生负电荷，在相对表面 上产生正电荷。
然而，电偶极矩的矢量和在 y轴和z轴的分量还是零，所以在 垂直于y轴和z轴的晶体表面上不 会出现电荷，d21＝d31＝0。
压电式传感器.完美版PPT
正压电效应
电能
机械能
逆压电效应
（一）石英晶体的压电效应
天然结构石英晶体的理想外形是一个正六面体，在晶体
学中它可用三根互相垂直的轴来表示，其中纵向轴Z－Z 称为光轴；经过正六面体棱线，并垂直于光轴的X－X 轴称为电轴；与X－X轴和Z－Z轴同时垂直的Y－Y轴
（垂直于正六面体的棱面）称为机械轴。
通常把沿电轴X－X方向
P3
-
－ －
+－
X
在X轴的正向出现负电荷，在Y、Z方向则不出现电荷。
可见，当晶体受到沿X(电轴)方向的力FX作用时，它在X
方向产生正压电效应，而Y、Z方向则不产生压电效应。
晶体在Y轴方向力FY作用下的情况与FX相似。当FY＞0 时，晶体的形变与图（b）相似；当FY＜0时，则与图 （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 则不产生压电效应。
电极
＋＋＋＋ q ――――
q Ca
时，则两极板呈现一定 压电晶体
的电压，其大小为
U
a
q Ca
(a)
(b)Biblioteka 压电传感器的等效电路因此，压电传感器可等 效 为 电 压 源 Ua 和 一 个 电 容 器 Ca 的 串 联 电 路 ， 如 图 (a) ； 也 可 等 效 为 一 个 电荷源q和一个电容器Ca 的并联电路，如图(b)。
Ca Ua Ua＝q/ Ca
q Ca q ＝UaCa
（a）电压等效电路 （b）电荷等效电路
压电传感器等效原理
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，否 则电路将以某时间常数按指数规律放电。这对于静态标 定以及低频准静态测量极为不利，必然带来误差。事实 上，传感器内部不可能没有泄漏，外电路负载也不可能 无穷大，只有外力以较高频率不断地作用，传感器的电 荷才能得以补充，因此，压电晶体不适合于静态测量。
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
压电式传感器的测量电路
二、
图 6 - 10 是一种压电式加速度传感器的结构图。 它主 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, 并用螺栓加以固定。
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
F=m·a
（6 - 14）
式中: Uo——放大器输出电压;
UCf——反馈电容两端电压。
由运算放大器基本特性, 可求出电荷放大器的输出电压
U0
Ca
Aq Cc Ci
通常A=104～106, 因此若满足（1+A）Cf 式（6 - 2）可表示为
q
Uo ≈ -
cf
<<Ca+Ｃc+Ci时,
由式（6 - 13）可见, 电荷放大器的输出电压Uo与电缆电 容Cc无关, 且与q成正比, 这是电荷放大器的最大特点。
若从晶体上沿 y 方向切下一块如图 6 - 2（c）所示晶片, 当在电轴方向施加作用力时, 在与电轴 x 垂直的平面上将产 生电荷, 其大小为
qx = d11 fx
(6 - 1)
式中: d11 ——x方向受力的压电系数;
fx——作用力。
若在同一切片上, 沿机械轴y方向施加作用力fy, 则仍在与 x轴垂直的平面上产生电荷qy, 其大小为
2. 电荷放大器
电荷放大器常作为压电传感器的输入电路, 由一个反馈电 容Cf和高增益运算放大器构成, 当略去Ra和Ri并联电阻后, 电 荷放大器可用图6 - 8 所示等效电路,
图中A为运算放大器增益。由于运算放大器输入阻抗极
高, 放大器输入端几乎没有分流, 其输出电压Uo
q
Uo≈ UCf =
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压电薄膜传感器设计及电路图详解
加速度计可以用在仪表中，测量加速度(速度对时间的变化率)和测量倾斜度(物体的纵轴和与地球表面相切的平面的垂线之间形成的倾角)。
倾斜度测量可以被看成直流或稳态测量。
在理论上，加速度可以是稳态的，但在实际应用当中，加速度通常是一个短期的暂时现象。
在非倾斜应用(短时加速)中，可以将压电检波器或压电薄膜传感器用作传感器。
任何类型的压电传感器都有一个与电容串联的交流电压源等效电路(加上其他会产生二阶效应的电抗元件，不在此进行分析)。
典型的容值为几百皮法到几纳法。
电压源的电容耦合就是为什么器件不能提供稳态的倾斜度测量的原因。
上面提到的等效电容，再加上输入或后继的放大或缓冲电路的分流电阻就构成了一个单极高通滤波器(HPF)。
在最好的情况下，如果分流电阻越大，高通滤波器中极点的时间常数越长。
这就意味着，在时间常数效应削弱测量前，可以对加速度进行测量的时间较长。
从实用性的角度出发(考虑到器件的可用性)，可以选用1G的阻值。
由于这个电阻值很大，所使用的放大器必须具有非常低的偏置或泄漏电流，最好能达到1pA的级别。
图1是一个实用电路的电路图。
压电薄膜传感器是器件X1。
在原型设计当中，使用了测量专用的LDTM-028K器件。
这个传感器的一端已经施加了一个很小的重力，在这端再增加大的重力，可以提高灵敏度。
传感器通过R1连到运放U1的非反向输入端，R1可防止过压对运放的输入造成损害。
如果传感器承受的加速度非常高(如重击)，就很可能发生这种情况。
R1也可以用来减小来自X1的信号幅值。
这个电路中的R1是1G。
R2是输入分流电阻，1pA的泄漏电流会流过R2，其数值也是1G，产生1mV的偏置电压(加到运放的实际偏置电压上)。
R2接2.5V的参考电压，设定运放的静态输出电压。
运放是ISL28158(或任何其他具有超低输入偏置/泄漏电流的器件)。
运算放大器使用+5V DC电源供电。
直流增益由R3和R4设定，在这个电路中是+2V/V。
1F的电容器(C3)构成了低通滤波器，减小了电路对更高频振动的响应。
这里最好用薄膜电容器，因为陶瓷电容器可能引入附加的讨厌的压电效应(即常说的颤噪效应)。
如果需要额外的低通滤波，在运放的输出端，即图中。