第七章 压电式传感器
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压电式传感器工作原理
压电式传感器工作原理压电式传感器是一种将压电效应应用于传感器中的设备，它可以将压力、力、加速度、温度等物理量转换为电信号。
压电效应是指某些晶体在受到外力作用时会产生电荷，这种效应被应用在压电式传感器中，使其能够实现物理量到电信号的转换。
本文将介绍压电式传感器的工作原理及其应用。
1. 压电效应压电效应是指某些晶体在受到外力作用时会产生电荷的现象。
这种效应最早是由法国物理学家居里夫妇在1880年发现的，他们发现某些晶体在受到机械应力时会产生电荷，这种现象被称为正压电效应。
此外，这些晶体在受到电场作用时也会发生形变，这种现象被称为逆压电效应。
这两种效应被应用在压电式传感器中，使其能够实现物理量到电信号的转换。
2. 压电式传感器的结构压电式传感器通常由压电陶瓷、电极、外壳和连接线组成。
压电陶瓷是压电式传感器的核心部件，它是由压电晶体制成的，具有压电效应。
电极用于接收压电陶瓷产生的电荷，并将其转换为电信号。
外壳用于保护压电陶瓷和电极，连接线用于将电信号传输到外部设备。
3. 压电式传感器的工作原理当压电式传感器受到压力、力、加速度或温度等物理量的作用时，压电陶瓷会产生电荷。
这些电荷会被电极接收，并转换为电信号。
这个电信号可以是电压、电流或电荷量，其大小与作用在传感器上的物理量成正比。
通过测量电信号的大小，就可以确定作用在传感器上的物理量的大小。
4. 压电式传感器的应用压电式传感器具有灵敏度高、频率响应快、稳定性好等优点，因此被广泛应用于工业自动化、汽车电子、医疗设备、航空航天等领域。
例如，在工业自动化中，压电式传感器可以用于测量压力、力等物理量，用于控制和监测生产过程。
在汽车电子中，压电式传感器可以用于测量发动机的振动和噪声，用于改善车辆的驾驶舒适性。
在医疗设备中，压电式传感器可以用于测量血压、心率等生理参数，用于诊断和治疗疾病。
在航空航天中，压电式传感器可以用于测量飞机的结构应力和振动，用于确保飞行安全。
压电式传感器_图文
④温度和湿度稳定性要好：具有较高的居里点、以期望得 到宽的工作温度范围；
⑤时间稳定性：压电特性不随时间蜕变。
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6.5 测量电路
6.4.1电压放大器
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。 其中
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6.3 压电材料
选用合适的压电材料是设计高性能传感器的关键。一般应 考虑以下几个方面：
①转换性能：具有较高的耦合系数或具有较大的压电常数 ；
②机械性能：压电元件作为受力元件，希望它的机械强度 高、机械刚度大。以期获得宽的线性范围和高的固有振动 频率；
③电性能：希望具有高的电阻率和大的介电常数，以期望 减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性；
相对轴向灵敏度的百分比表
示。
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6.2 影响压电式传感器主要因数
定义（用轴向灵敏度的百分比表示）： 最大横向灵敏度
Km=(Ky/Kz)100% =tg×100%;
一般横向灵敏度
Kt=(Kt/Kz)100% =tg×cos×100%;
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6.2 影响压电式传感器主要因数
产生横向灵敏度的必要条件 （1）伴随轴向作用力的同时，存在横向力； （2）压电元件本身具有横向压电效应。 消除横向灵敏度的技术途径 （1）从设计、工艺和使用诸方面确保力与电轴的
一致； （2）尽量Βιβλιοθήκη 取剪切型的力-电转换方式。一只较好
的压电传感器，最大横向灵敏度不大于5%。
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第七章__压电式传感器
+ + X 当晶体受到沿X方向的压力（FX<0）作用时， － 正、负离子相对位置随之发生变化，如图 － P1 P3 + X + （b）所示。此时正、负电荷中心不再重合， － + P2 电偶极矩在X方向的分量为(P1+P2+P3)X>0
－
-
+ +
在Y、Z方向上的电偶极矩分量为0
(b) FX<0
7.1.1 压电效应
7.1.2 压电常数和表面电荷的计算
从式（7.1）中可以看出切片上产生的电荷多少与 切片的尺寸无关，即qx与Fx成正比。电荷qx的符号由晶 体受压还是受拉而决定，如图 (a)、(b)。 从(7.2)可看出y轴方向受力后，切片上产生的电 荷与切片的尺寸有关，qy与Fy成正比，电荷qy的符号由 晶体受压还是受拉而决定，如图 (c)、(d)。
（a）电压等效电路 （b）电荷等效电路
压电传感器等效原理
7.3 压电式传感器的等效电路
压电传感器在实际使用时总要与测量仪器或测量 电路相连接，因此还须考虑连接电缆的等效电容Cc， 放大器的输入电Ri，输入电容Ci以及压电传感器的泄 漏电阻Ra，这样压电传感器在测量系统中的实际等效 电路如图所示。
7.3 压电式传感器的等效电路
石英晶体
压电效应
石英晶体切片受力图
按特定方向切片
图7.3
(a)
(b)
(c)
(d)
7.3
压电式传感器的等效电路
1、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。 可把压电传感器看成一个静电发生器，如图(a)。也可把 电极 它视为两极板上聚集异性电荷，中间为绝缘体的电容器， 如图(b)。 其电容量为ε ε S εS r 0
压电式传感器
3 3 3 。
表 征 压 电 材 料 压电 性 能的 参数 还有 如下 几种 形式 ：
( 1 ) 压电 电压 常数 g：
=
式 中 ， 为 压 电 材料 的 介电 常数 。
( 2 ) 压电 应变 常数 ℎ ：
ℎ=∙
式 中 ， 为 压 电 材料 的 弹性 模量 。
( 3 ) 机电 耦合 系数 ：
广泛的应用。这种高分子聚合物拉伸成薄膜，可以屈曲和大面积成型，所以可以制成形状复杂的传感器和大面积阵
列传感器。如在机器人的传感器方面，用PVDF可以研制成人工皮肤，它不仅具有触觉感知功能，还具有热敏感能力。
用高分子压电材料PVDF还可以制成高性能、低成本的动态微压传感器。传感器采用压电薄膜作为换能材料，动态压
表 示 。 例 如 ， 1 表示 法 向矢 量为 方向 的两 个面 产生 的电 荷； 2 3 表示 方向 应力 在 方 向产 生压 电效 应的 压电 系数 ；
4 表 示 方 向 的 剪 切力 1 ， 等等 。
将 式 ( 6 -2)写成 矩 阵的 形式 ，有
（ 6 - 3）
后 被 部 分 保 留 了下 来 。当 压电 陶瓷 受外 力作 用时 ，电 畴的 界限 发生 移动 ，致 使其 呈现 压电 效应 。
图6-5
压电陶瓷的极化
6.1 压电式传感器的工作原理
与石英晶体相比，压电陶瓷具有压电常数大、制造工艺成熟、能方便地制成不同形状、成本低等特点，但
居里点比石英晶体低，压电常数的稳定性也没有石英晶体好。石英晶体的突出优点是性能非常稳定，机械强度高，
（ 6 - 4）
2 . 压电 陶瓷
压 电 陶 瓷 是 人 工制 造 的多 晶压 电材 料。 常用 的压 电材 料有 钛酸 钡( 3 )、 锆钛 酸铅 (PZT)等。 制作 时，
表 征 压 电 材 料 压电 性 能的 参数 还有 如下 几种 形式 ：
( 1 ) 压电 电压 常数 g：
=
式 中 ， 为 压 电 材料 的 介电 常数 。
( 2 ) 压电 应变 常数 ℎ ：
ℎ=∙
式 中 ， 为 压 电 材料 的 弹性 模量 。
( 3 ) 机电 耦合 系数 ：
广泛的应用。这种高分子聚合物拉伸成薄膜，可以屈曲和大面积成型，所以可以制成形状复杂的传感器和大面积阵
列传感器。如在机器人的传感器方面，用PVDF可以研制成人工皮肤，它不仅具有触觉感知功能，还具有热敏感能力。
用高分子压电材料PVDF还可以制成高性能、低成本的动态微压传感器。传感器采用压电薄膜作为换能材料，动态压
表 示 。 例 如 ， 1 表示 法 向矢 量为 方向 的两 个面 产生 的电 荷； 2 3 表示 方向 应力 在 方 向产 生压 电效 应的 压电 系数 ；
4 表 示 方 向 的 剪 切力 1 ， 等等 。
将 式 ( 6 -2)写成 矩 阵的 形式 ，有
（ 6 - 3）
后 被 部 分 保 留 了下 来 。当 压电 陶瓷 受外 力作 用时 ，电 畴的 界限 发生 移动 ，致 使其 呈现 压电 效应 。
图6-5
压电陶瓷的极化
6.1 压电式传感器的工作原理
与石英晶体相比，压电陶瓷具有压电常数大、制造工艺成熟、能方便地制成不同形状、成本低等特点，但
居里点比石英晶体低，压电常数的稳定性也没有石英晶体好。石英晶体的突出优点是性能非常稳定，机械强度高，
（ 6 - 4）
2 . 压电 陶瓷
压 电 陶 瓷 是 人 工制 造 的多 晶压 电材 料。 常用 的压 电材 料有 钛酸 钡( 3 )、 锆钛 酸铅 (PZT)等。 制作 时，
压电式传感器学生PPT
石英晶体
的压电效应
演示
当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频 率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电荷将由于 表面漏电而很快泄漏、消失。
2. 石英晶体产生压电效应的微观机理
石英晶体具有压电效应，是由其内部分子结构决定的。下图是一个单元 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， 等效为一个正六边形排列。 图中“＋”代表硅离子Si4+， “－”代表氧 离子O2-。
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四、压电传感器的应用
（1）、压电式测力传感器（P150） （2）、压电式加速度传感器（P151） （3）、压电式金属加工切削力测量 （4）、压电式玻璃破碎报警器
备注：三、主要用于金属加工切削力测量。 四、主要用于玻璃破碎报警器
（2）、压电式加速度传感器（P151）
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。
（3）有机高分子压电材料
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。它可根据需要制成薄 膜或电缆套管等形状，并且可大量生产和制成 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。
其他压电材料 同时具有半导体特性和压电特性的晶体 如： 硫化锌、氧化锌、硫化钙等。利用这 种材料可以制成集敏感元件和电子线路于 一体的新型压电传感器，很有发展前途。
备注：压电陶瓷利用其材料在机械应力作用下，引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化，导致材 料两端表面出现符号相反的束缚电荷即压电效应而制作。 压电陶瓷的弱点：性能没有石英晶体稳定。但随着材料科学的发展，压电陶瓷的性能正在逐步提高。
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。
12第七章 压电式传感器7-2解析
（6-14）
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。
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。
第七章压电式传感器-文档资料
F －－－－－ － ＋＋＋＋＋
极化方向 －－－－－ ＋＋＋＋＋＋
压电效应示意图 （实线代表形变前的情况，虚线
代表形变后的情况）
7.1.1 压电效应
由此可见，钛酸钡陶瓷所以具有压电效应，是由 于陶瓷内部存在自发极化。这些自发极化经过极化工 序处理而被迫取向排列后，陶瓷内即存在剩余极化强 度。如果外界的作用（如压力或电场的作用）能使此 极化强度发生变化，陶瓷就出现压电效应。此外，还 可以看出，陶瓷内的极化电荷是束缚电荷，而不是自 由电荷，这些束缚电荷不能自由移动。所以在陶瓷中 产生的放电或充电现象，是通过陶瓷内部极化强度的 变化，引起电极面上自由电荷的释放或补充的结果。
在无外电场作用时，各个电畴在晶体上杂乱分布，它
们的极化效应被相互抵消，因此原始的压电陶瓷内极
化强度为零，见图（a）。
直流电场E
剩余极化强度
电场作用下的伸长
剩余伸长
7.1.1 压电效应
在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚电
荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上吸附了一
层来自外界的自由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内的束缚
7.1 压电式传感器的工作原理
压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的 压电效应，是典型的双向有源传感器。当材料受力作 用而变形时, 其表面会有电荷产生，从而实现非电量 测量。
压电式传感器具有体积小、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。
7.1.1 压电效应
晶体在Z轴方向力FZ的作用下，因为晶体沿X方向 和沿Y方向所产生的正应变完全相同，所以，正、负 电荷中心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。这就表 明，沿Z(即光轴)方向的力FZ作用下，晶体不产生压 电效应。
极化方向 －－－－－ ＋＋＋＋＋＋
压电效应示意图 （实线代表形变前的情况，虚线
代表形变后的情况）
7.1.1 压电效应
由此可见，钛酸钡陶瓷所以具有压电效应，是由 于陶瓷内部存在自发极化。这些自发极化经过极化工 序处理而被迫取向排列后，陶瓷内即存在剩余极化强 度。如果外界的作用（如压力或电场的作用）能使此 极化强度发生变化，陶瓷就出现压电效应。此外，还 可以看出，陶瓷内的极化电荷是束缚电荷，而不是自 由电荷，这些束缚电荷不能自由移动。所以在陶瓷中 产生的放电或充电现象，是通过陶瓷内部极化强度的 变化，引起电极面上自由电荷的释放或补充的结果。
在无外电场作用时，各个电畴在晶体上杂乱分布，它
们的极化效应被相互抵消，因此原始的压电陶瓷内极
化强度为零，见图（a）。
直流电场E
剩余极化强度
电场作用下的伸长
剩余伸长
7.1.1 压电效应
在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚电
荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上吸附了一
层来自外界的自由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内的束缚
7.1 压电式传感器的工作原理
压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的 压电效应，是典型的双向有源传感器。当材料受力作 用而变形时, 其表面会有电荷产生，从而实现非电量 测量。
压电式传感器具有体积小、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。
7.1.1 压电效应
晶体在Z轴方向力FZ的作用下，因为晶体沿X方向 和沿Y方向所产生的正应变完全相同，所以，正、负 电荷中心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。这就表 明，沿Z(即光轴)方向的力FZ作用下，晶体不产生压 电效应。
压电式传感器传感器技术及应用课件
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。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
它们能够提供连续、准确的生理数据， 帮助医生及时了解患者的病情和做出 准确的诊断。
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
第7章 压电式传感器
第7章压电式传感器一、单项选择题1、对石英晶体，下列说法正确的是（）。
A. 沿光轴方向施加作用力，不会产生压电效应，也没有电荷产生。
B. 沿光轴方向施加作用力，不会产生压电效应，但会有电荷产生。
C. 沿光轴方向施加作用力，会产生压电效应，但没有电荷产生。
D. 沿光轴方向施加作用力，会产生压电效应，也会有电荷产生。
2、石英晶体和压电陶瓷的压电效应对比正确的是（）A. 压电陶瓷比石英晶体的压电效应明显，稳定性也比石英晶体好B. 压电陶瓷比石英晶体的压电效应明显，稳定性不如石英晶体好C. 石英晶体比压电陶瓷的压电效应明显，稳定性也比压电陶瓷好D. 石英晶体比压电陶瓷的压电效应明显，稳定性不如压电陶瓷好3、两个压电元件相并联与单片时相比说法正确的是（）A. 并联时输出电压不变，输出电容是单片时的一半B. 并联时输出电压不变，电荷量增加了2倍C. 并联时电荷量增加了2倍，输出电容为单片时2倍D. 并联时电荷量增加了一倍，输出电容为单片时的2倍4、两个压电元件相串联与单片时相比说法正确的是（）A. 串联时输出电压不变，电荷量与单片时相同B. 串联时输出电压增大一倍，电荷量与单片时相同C. 串联时电荷量增大一倍，电容量不变D. 串联时电荷量增大一倍，电容量为单片时的一半5、用于厚度测量的压电陶瓷器件利用了（）原理。
A.磁阻效应B. 压阻效应C. 正压电效应D.逆压电效应6、压电陶瓷传感器与压电石英晶体传感器的比较是（）。
A．前者比后者灵敏度高 B．后者比前者灵敏度高C．前者比后者性能稳定性好 D．前者机械强度比后者的好7、压电石英晶体表面上产生的电荷密度与（）。
A．晶体厚度成反比 B．晶体面积成正比C．作用在晶片上的压力成正比 D．剩余极化强调成正比8、压电式传感器目前多用于测量（）。
A．静态的力或压力 B．动态的力或压力C．位移 D．温度9、压电式加速度传感器是适合测量下列哪种信号（）。
A. 适于测量任意B. 适于测量直流C. 适于测量缓变D. 适于测量动态10、石英晶体在沿机械轴y方向的力作用下会（）。
压电式传感器原理
压电式传感器原理
一、什么是压电式传感器
压电式传感器是一种由电容式传感器演变而来的电磁式传感器，它利用晶体管在物理变化时所产生的电容效应，来对外界环境作出反应。
压电式传感器可以改变电容大小、变换电压幅度、改变电流流向、改变极性、改变电容量等，可以检测出外界压力、温度、拉力、拨动力等的变化。
二、压电式传感器的工作原理
压电式传感器的工作原理是，当一个外力施加在晶体片上时，由于晶体与晶体之间电子的运动受到外力的影响，在晶体的正线上的电容变化，把外力的变化转化成电容变化。
由于电容变化会改变电路中的电流，因此可以检测到外力的变化。
三、压电式传感器的特点
1、结构紧凑：压电式传感器具有小尺寸、低成本和机械结构紧凑的特点，使它成为其他传感器技术所不可取代的传感器。
2、高灵敏度：由于电容改变量可达几微安的级别，使得压电式传感器具有极高的灵敏度，可以自动感知微小外界变化。
3、快速响应：压电式传感器的信号响应速度很快，具有良好的动态特性，并且能够保持较高的精度和准确度。
4、广泛的应用：压电式传感器可广泛应用于航空航天、汽车、电子仪表、运动控制、重力检测和高精度测量等领域。
- 1 -。
第7章 压电式传感器习题
q并 145 U并 = = = 1.16V C并 125
3、已知某压电式传感器测量最低信号频率f=1Hz,现要求 、已知某压电式传感器测量最低信号频率 现要求 信号频率时其灵敏度下降不超过5%， 在1Hz信号频率时其灵敏度下降不超过 ，若采用电压 信号频率时其灵敏度下降不超过 前置放大器输入回路总电容C 前置放大器输入回路总电容 i=50pF。求该前置放大器 。 输入总电阻R 是多少？ 输入总电阻 i是多少？ 根据电压前置放大器实际输入与理想输入电压幅 值比公式及题意得： 值比公式及题意得：
q并 = 2q x = 2d11 Fx = 2d11πr p x
2
= 2 × 2.31×10 = 145 ×10
−12
−12
× π ×1 × 0.1×10
2
2
C = 145 pC
并联总电容为单电容的2倍 并联总电容为单电容的 倍
C并 = 2C = 2
ε 0ε r S
t
8.85 ×10 −12 × 4.5 × π ×12 = 2× = 125 pF 0.02 电极间电压
C=
ε 0ε r S
= 3.98 ×10
−11
F
q 6.93 ×10 U= = = 174V −11 C 3.98 × 10
2、某压电式压力传感器为两片石英晶片并联，每片厚度 某压电式压力传感器为两片石英晶片并联， 圆片半径r=1cm,ε=4.5, x切型纵向石英晶体压 t=0.2mm，圆片半径 切型纵向石英晶体压 电系数d 电系数 11=2.31×10-12C/N 。当0.1MPa压力垂直作用于 压力垂直作用于 px平面时，求传感器输出电荷 及电极间电压 a的值。 平面时，求传感器输出电荷q及电极间电压 的值。 及电极间电压U 当两片石英晶片并联，输出电荷q并为单片的2倍 当两片石英晶片并联，输出电荷 为单片的 倍
3、已知某压电式传感器测量最低信号频率f=1Hz,现要求 、已知某压电式传感器测量最低信号频率 现要求 信号频率时其灵敏度下降不超过5%， 在1Hz信号频率时其灵敏度下降不超过 ，若采用电压 信号频率时其灵敏度下降不超过 前置放大器输入回路总电容C 前置放大器输入回路总电容 i=50pF。求该前置放大器 。 输入总电阻R 是多少？ 输入总电阻 i是多少？ 根据电压前置放大器实际输入与理想输入电压幅 值比公式及题意得： 值比公式及题意得：
q并 = 2q x = 2d11 Fx = 2d11πr p x
2
= 2 × 2.31×10 = 145 ×10
−12
−12
× π ×1 × 0.1×10
2
2
C = 145 pC
并联总电容为单电容的2倍 并联总电容为单电容的 倍
C并 = 2C = 2
ε 0ε r S
t
8.85 ×10 −12 × 4.5 × π ×12 = 2× = 125 pF 0.02 电极间电压
C=
ε 0ε r S
= 3.98 ×10
−11
F
q 6.93 ×10 U= = = 174V −11 C 3.98 × 10
2、某压电式压力传感器为两片石英晶片并联，每片厚度 某压电式压力传感器为两片石英晶片并联， 圆片半径r=1cm,ε=4.5, x切型纵向石英晶体压 t=0.2mm，圆片半径 切型纵向石英晶体压 电系数d 电系数 11=2.31×10-12C/N 。当0.1MPa压力垂直作用于 压力垂直作用于 px平面时，求传感器输出电荷 及电极间电压 a的值。 平面时，求传感器输出电荷q及电极间电压 的值。 及电极间电压U 当两片石英晶片并联，输出电荷q并为单片的2倍 当两片石英晶片并联，输出电荷 为单片的 倍
压电式传感器资料
压电式传感器资料
目录
CONTENTS
• 压电式传感器概述 • 压电效应及材料特性 • 传感器结构与工作原理 • 性能评价与测试方法 • 选型、安装与使用注意事项 • 典型应用案例分析
01 压电式传感器概述
CHAPTER
定义与工作原理
定义
压电式传感器是一种利用压电效应将机械能转换为电能的装置。其核心部件是压 电材料，当受到外力作用时，压电材料内部会产生极化现象，从而在材料表面产 生电荷，实现机械能到电能的转换。
01
03
机械品质因数
反映压电材料在振动过程中的能量损 耗，影响传感器的频率响应和稳定性。
选用依据
根据具体应用场景和需求，综合考虑 压电材料的性能参数、成本、加工难 度等因素进行选择。
05
04
居里温度
压电材料失去压电性的温度点，选用 时需考虑传感器的工作温度范围。
03 传感器结构与工作原理
CHAPTER
航空航天
在航空航天领域，压电式传感器可用于测量飞行 器的加速度、振动、压力等参数，确保飞行器的 安全和稳定。
军事领域
压电式传感器在军事领域也有广泛应用，如用于 测量枪炮射击时的后坐力、导弹发射时的冲击力 等。
谢谢
THANKS
压电力传感器
压电压力传感器
利用压电元件在压力作用下产生电荷 的原理来测量压力。广泛应用于气压、 液压等压力测量领域。
通过测量受力物体对压电元件的作用 力来测量力的大小。常用于工业控制、 机器人等领域中的力反馈控制。
04 性能评价与测试方法
CHAPTER
性能评价指标体系建立
重复性
线性度
描述传感器输出信号与被测量之 间线性关系的程度，用线性误差 表示。
目录
CONTENTS
• 压电式传感器概述 • 压电效应及材料特性 • 传感器结构与工作原理 • 性能评价与测试方法 • 选型、安装与使用注意事项 • 典型应用案例分析
01 压电式传感器概述
CHAPTER
定义与工作原理
定义
压电式传感器是一种利用压电效应将机械能转换为电能的装置。其核心部件是压 电材料，当受到外力作用时，压电材料内部会产生极化现象，从而在材料表面产 生电荷，实现机械能到电能的转换。
01
03
机械品质因数
反映压电材料在振动过程中的能量损 耗，影响传感器的频率响应和稳定性。
选用依据
根据具体应用场景和需求，综合考虑 压电材料的性能参数、成本、加工难 度等因素进行选择。
05
04
居里温度
压电材料失去压电性的温度点，选用 时需考虑传感器的工作温度范围。
03 传感器结构与工作原理
CHAPTER
航空航天
在航空航天领域，压电式传感器可用于测量飞行 器的加速度、振动、压力等参数，确保飞行器的 安全和稳定。
军事领域
压电式传感器在军事领域也有广泛应用，如用于 测量枪炮射击时的后坐力、导弹发射时的冲击力 等。
谢谢
THANKS
压电力传感器
压电压力传感器
利用压电元件在压力作用下产生电荷 的原理来测量压力。广泛应用于气压、 液压等压力测量领域。
通过测量受力物体对压电元件的作用 力来测量力的大小。常用于工业控制、 机器人等领域中的力反馈控制。
04 性能评价与测试方法
CHAPTER
性能评价指标体系建立
重复性
线性度
描述传感器输出信号与被测量之 间线性关系的程度，用线性误差 表示。
第7章 压电式传感器
第7章压电式传感器（2学时）本章主要内容7.1 压电式传感器的基本原理7.2 压电式传感器的测量转换电路7.3 压电式传感器的应用教学要求及重点、难点一. 教学要求1. 了解压电式传感器基本原理，2. 熟悉压电式传感器的测量转换电路3. 了解压电式传感器的应用二. 重点、难点压电式传感器的测量转换电路概述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。
7.1 压电式传感器的基本原理一. 压电效应与压电材料1. 压电效应某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用产生变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面产生电荷。
当外力去掉后，又重新回到不带电状态，这种现象称为压电效应。
压电效应分为正向压电效应和逆向压电效应。
某些电介质，当沿着一定方向对其施加外力而使它变形时，内部就产生极化现象，相应地会在它的两个表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态，这种现象称压电效应。
当外力方向改变时，电荷的极性也随之改变，这种将机械能转换为电能的现象，称为正压电效应。
相反，当在电介质极化方向施加电场，这些电介质也会产生一定的机械变形或机械应力，这种现象称为逆向压电效应，也称为电致伸缩效应。
图6.1所示压电元件受力变形后的几种基本形式。
2. 压电材料：具有压电效应的材料称为压电材料，压电材料能实现机-电能量的相互转换，具有一定的可逆性，如图4.71 所示。
压电式传感器介绍课件
压电陶瓷：具有高灵敏度、 高稳定性和长寿命的特点
A
压电复合材料：结合多种材料 的优点，提高传感器的性能
C
B
压电薄膜：具有轻量化、柔 性化Fra bibliotek可弯曲的特点D
压电纳米材料：具有高灵敏度、 低功耗和快速响应的特点
集成化、微型化
01
集成化：将多个传 感器集成到一个芯 片上，实现多功能、
高精度的测量
02
微型化：减小传感 器的体积和重量， 提高便携性和可穿
压电材料：具有压电效应的材料，如石英、锆 钛酸铅等 传感器结构：由压电材料和电极组成，当受到 压力时，压电材料产生电荷，通过电极输出
信号处理：将输出的电荷信号进行放大、滤 波等处理，得到所需的测量信号
2
压电式传感器分 类
压电陶瓷传感器
工作原理：利用压电效应，将机械 能转化为电能
特点：体积小、重量轻、灵敏度高、 响应速度快
微型化：压电式传感器将向微型化方向发展，体积更小， 重量更轻，便于携带和安装。
集成化：压电式传感器将实现多种功能集成，如压力、温 度、加速度等，提高测量精度和效率。
谢谢
和补偿
应用领域：汽车 安全气囊、地震
2 监测、航空航天
等领域
3
优点：高灵敏度、 宽频率响应、低 功耗、体积小
流量测量
压电式传感 器可用于测 量液体和气
体的流量
通过检测压 力变化来测
量流量
适用于各种 管道和设备， 如泵、阀门、
管道等
具有高精度、 高可靠性和 长寿命的特
点
4
压电式传感器发 展趋势
新型压电材料
应用领域：广泛应用于压力、加速 度、流量、位移等物理量的测量
压电式传感器
26
第7章 压电式传感器 1. 电压放大器（阻抗变换器）
pp.110
图7-10（a）、(b）是电压放大器电路原理图及其等效电路。
图 7-10 电压放大器电路原理及其等效电路图 （a） 放大器电路; （b） 等效电路
27
第7章 压电式传感器
q Ua = Ca q x = d11 Fx
pp.110
F
石石石石
上上
绝绝绝
电电
基基
37
图7-11 压力式单向测力传感器结构图
第7章 压电式传感器 7.3.2 压电式加速度传感器 图7-12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，并由螺栓加以固定。
25
第7章 压电式传感器
pp.109
7.2.2 压电式传感器的测量电路inginging4 and 5 压电传感器本 身 的内阻抗很高，而输出能量较小，因此它 的测量电路 通 常需要接入一个高输入阻抗前 置放 大器。 其 作用 为： 一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；二是放大传感 器输出的 微 弱 信 号。压电传感器的输出可以是电压信 号，也 可 以是电荷信号， 因此前置放大器也有两种形式：电压放大器和 电荷放大器。
第7章 压电式传感器
第7章 压电式传感器
7.1 压电效应及压电材料 7.2 压电式传感器测量电路 7.3 压电式传感器的应用
1
第7章 压电式传感器
概述
压电加速度计
压电陶瓷超声换能器
压电警号
压电陶瓷位移器
压电秤重浮游计 2
第7章 压电式传感器
交通监测
3
第7章 压电式传感器
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7.2 压电材料
转换性能：具有较大的压电常数 机械性能：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 电性能：高的电阻率，大介电常数，以 期减弱外部分布电容的影响，获得好的 低频特性 温度和湿度稳定性要好，具有较高的居 里点，以期获得较高的工作温度范围 时间稳定性：压电特性不随时间蜕变
厚度变形（TE方式，纵向压电效应）
qxx = d11σ xx或Qxx = d11Fxx
长度变形（LE方式，横向压电效应）
Sxx qxx = d12σ yy或Qxx = d12Fyy Syy Sxx −压电元件垂直于 轴的表面积； x Syy −压电元件垂直于 轴的表面积。 y
7.1.2 压电常数和表面电荷的计算
7.4.1 电压放大器（阻抗变换器）
压电式传感器一般都采用专门的前置放 大器
很高的输入阻抗，很低的输出阻抗
7.4.2 电荷放大器
电荷放大器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。 电荷放大器实际上是一个具有深度电容 负反馈的高增益放大器
压电式传感器实物图片
压电式加速度传感器结构
7.1.1 压电效应
沿y轴方向施加作用力
y轴：垂直于正六面体棱面，称为机械轴 沿机械轴方向的力作用下产生电荷的压电效 应称为“横向压电效应”。 电荷仍出现在YOZ平面上，但极性方向相反， 电荷的大小为
a a Qy = d12 Fy = −d11 Fy b b 式 中： a, b－ 晶体切片的长度和厚 度； d12－y轴方向受力时的压电系 ，d12 = −d11 数
压电式脉搏传感器
HK-2000C集成化数字脉搏传感器是在 HK-2000B的基础上增加了程控放大电 路、基线调整电路、A/D转换电路、串 行通信电路，方便用户集成及二次开发 使用。压电式原理采集信号，数字信号 输出，直接通过USB或串口输出脉搏波 波形数据。在电脑上运行我们附送的演 示程序可以直观的在电脑屏幕上显示脉 搏波形并可以对波形的幅值、频率、基 线等进行调整。该产品可应用于脉率检 测、无创心血管功能检测、妊高征检测、 中医脉象诊断等。
压电式传感器的特点
灵敏度高 结构简单 工作可靠 信噪比高
7.1 压电式传感器的工作原理
压电式传感器利用介质的压电效应为基 础，在外力作用下，在电介质的表面产 生电荷，从而实现非电量测量的目的 压电效应
某些电介质，当沿着一定方向受到拉力或压 力作用而发生变形时，内部产生极化现象， 其表面上会产生电荷；若将外力去掉时，它 们又重新回到不带电的状态，这种现象称为 压电效应 也称为正压电效应，可将机械能转换为电能
7.1.1 压电效应
石英晶体的压电效应
7.1.2 压电常数和表面电荷的计算
压电元件在受到力的作用时， 就在相应的表面上产生表面电 荷。 q = dijσ
( σ −单位面积上的作用力，单位为 N / cm2 );
( dij −压 常 ， 位为C / N) 电 数 单
任意受力表面电荷密度方程组 qxx = d11σxx + d12σ yy + d13σzz + d14τ yz + d15τ zx + d16τ xy qyy = d21σxx + d22σ yy + d23σzz + d24τ yz + d25τ zx + d26τ xy qzz = d31σxx + d32σ yy + d33σzz + d34τ yz + d35τ zx + d36τ xy
石英晶体
d11 d12 0 d14 0 0 0 0 0 0 d d 25 26 0 0 0 0 04 d = −2d 11 26
7.1.2 压电常数和表面电荷的计算
对能量转换有意义的石英晶体变形方式
7.1.2 压电常数和表面电荷的计算
面剪切变形（FS方式） qxx = d14τ yz (对于x切晶片）
qyy = d25τ zx (对于y切晶片） 厚度剪切变形（TS方式） qyy = d26τ xy （对于y切晶片） 弯曲变形（BS方式）
弯曲变形不是基本的变形方式，而是拉、 压应力和剪切应力共同作用的结果。应根据 具体的晶体的切割及弯曲情况选择合适的压 电常数进行计算
压电式传感器的前置放大器有电压型和电荷型 两种形式
7.4.1 电压放大器（阻抗变换器）
传感器与电压放大器连接的等效电路
等效电阻 等效电容
C = Ca + Cc + Ci
Ra Ri R= Ra + Ri
式中 Ra − 传感 ： 器绝 缘电 ； 阻 Ri −前置 放大 器输 电阻 入 ； 器内 部电 ； 容 Ca − 传感 电容 ； Cc −电缆 Ci − 前 置放 器输 大 入电 。 容
7.4.1 电压放大器（阻抗变换器）
7.4.1 电压放大器（阻抗变换器）
当作用在压电元件上的力是静态力时，则前置 放大器的输入电压等于零。这也就从原理上决 定了压电式传感器不能测量静态物理量。 当作用力的变化频率与测量回路的时间常数的 乘积远大于1时，前置放大器的输入电压随频 率的变化不大。压电式传感器的高频响应好。 扩大压电式传感器低频响应范围的切实可行的 办法是提高测量回路的电阻。测量回路的电阻 主要取决于前置放大器的输入电阻。
7.1 压电式传感器的工作原理
逆压电效应
与正压电效应相反，当在电介质的极化方向上施加 电场，这些电介质也会产生变形，这种现象称为逆 压电效应。 逆压电效应可将电能转换为机械能
具有压电效应的物体称为压电材料或压电元件。 常见的压电材料有石英、钛酸钡、锆钛酸铅等 利用逆压电效应可以制成电激励的制动器（执 行器）；基于正压电效应可制成机械能的敏感 器（检测器），即压电式传感器。
一种研究喷油嘴油束发展过程的新方法
1喷油泵实验台;2喷油泵;3喷油嘴;4压电式压力传感器;5电荷放大器;6针 阀升程传感器;7针阀升程测量仪;8A/D采集卡;9微型计算机
将喷油嘴安装到如图所示的油束动量测量装置内, 用石英压电晶体压力传感器测量油束打在传感器受压 面上的冲击力。
q −电 的 面 度 单 为C / cm2 ; 荷 表 密 ， 位
(
)
7.1.2 压电常数和表面电荷的计算
压电材料的压电特性可以用压电常数矩 阵表示 d11 d12 d13 d14 d15 d16
d 21 d22 d23 d24 d25 d26 d31 d32 d33 d34 d35 d36
＋ － ＋ －
7.4 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必须很大，因此 通常的压电式传感器后信号调节电路的接法是：
压电式传感器输出——高输入阻抗的前置放大器— —放大电路或其他电路
压电式传感器的测量电路的关键在于高阻抗的 前置放大器
把压电式传感器的微弱信号放大 高阻抗到低阻抗输出变换
7.1.1 压电效应
沿机械轴方向的力作用在晶体上时产生的电 荷与晶体切片的尺寸有关 沿y轴的压力所引起的电荷极性与沿x轴的压 力所引起的电荷极性相反
沿z轴方向施加作用力
z轴：通过锥顶端的轴线，是纵向轴，称为 光轴 沿光轴方向受力不会产生压电效应。
7.1.1 压电效应
晶体切片上电荷符号与受力方向的关系
信号检测与变换
第七章 压电式传感器
第七章 压电式传感器
主要内容： 压电式传感器的工作原理 压电式传感器的等效电路 压电式传感器的信号调节电路
第七章 压电式传感器
什么是压电式传感器？
压电式传感器是一种有源传感器，它是以某 些物质的压电效应为基础实现能量转换。它 可以用于力、加速度、速度、振动以及流量 等参数的测量。
压电式涡街流量计
涡街流量计可计量饱和蒸 汽、过热蒸汽、工业用水、 排水、高低温液体、液化 气、天然气、城市煤气、 压缩空气等各种介质，广 泛适用于冶金化工、轻工、 食品及污水处理等行业。
压电式涡街流量计原理
涡街流量计是应用卡门涡街原理和现代电子技 术设计而制造的一种流量计，旋涡的发生频率 与流体的速度成正比，在一定条件下，符合下 式：f =StV/d（式中f：旋涡发生频率 v：流速 d：三角柱宽度） 流体旋涡对三角柱产生交替变化的压力，由压 电信号传感器检测成电信号经前置放大器进行 放大，变成标准电信号输出。涡街流量计可以 对广泛的气体（包括蒸汽）和液体进行容积计 量，配接流量积算仪和温度、压力传感器可进 行质量运算及各种参数显示。
石英晶体是各向异性材料，不同晶向具有各 异的物理特性。
7.1.1 压电效应
沿x轴方向施加作用力
x轴：平行于正六面体的棱线，称为电轴 沿该方向受力产生的压电效应称为“纵向 压电效应”。 当沿电轴方向施加作用力Fx时，则在与电 轴垂直的YOZ平面上产生电荷Qx，它的大小 为 Qx = d11 ⋅ Fx d11为压电系数； 电荷Qx的符号视Fx是受拉或受压而决定。 切片上产生的电荷的多少与切片的几何尺寸 无关
7.1 压电式传感器的工作原理
压电式传感器的工作原理就是利用某些 电介质的正压电效应，将被测量的变化 转换为力的变化，当力作用在压电材料 上时，传感器就有电荷（或电压）的输 出。 压电式传感器的工作过程
被测量——力——电荷
被测量的认识过程
电荷（或电压）——力——被测量
7.1.1 压电效应
石英晶体
压电式扭矩传感器
压电式脉搏传感器
该产品采用高度集成化工艺将 力敏元件(PVDF压电膜)、灵敏 度温度补偿元件、感温元件、 信号调理电路电路集成在传感 器内。 压电式原理采集信号， 模拟信号输出，输出同步于脉 搏波动的脉冲信号，脉搏波动 一次输出一正脉冲。该产品可 用于脉率检测，如运动、健身 器材设备中的心率测试。
7.3 压电式传感器的等效电路
压电式传感器有两种等效电路