第七章 压电式传感器
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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
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
7.4.1 电压放大器（阻抗变换器）
若作用在压电元件上的力F为 F = Fm sin ωt 压电系数为d，则在F的作用下，产生的电荷
Q = dF
电流i为
dQ i= = ωdFm cosωt dt 输入电压为
& & Ui = I
& & I = jωd ⋅ F
R & jωR = dF 1+ jωRC 1+ jωRC
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。
石英晶体
d11 d12 0 d14 0 0 0 0 0 0 d d 25 26 0 0 0 0 0 0
d12 = −d11 d25 = −d14 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
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。
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。
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
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）
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。
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
7.2 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
7.3 压电式传感器的等效电路
压电Baidu Nhomakorabea传感器有两种等效电路
电荷等效电路 电压等效电路
7.3 压电式传感器的等效电路
压电式传感器放大器输入端等效电路
电压等效电路 电荷等效电路
7.3 压电式传感器的等效电路
压电片的连接方式
并联
电压不变 电荷量为2倍 2 电容2倍
＋ － － ＋
串联
电压2倍 电荷量不变 电容一半
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。
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
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
7.4.1 电压放大器（阻抗变换器）
前置放大器的输入电压幅值为 dFmωR
Uim =
2
1+ (ωR) (Ca + Cc + Ci )
2
输入电压与作用力之间的相位差为
ϕ = − tan−1 ω(Ca + Cc + Ci )R
2
π
理想情况下，前置放大器的输入电压幅值为
dFm Uam = Ca + Cc + Ci
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
利用压电材料(压电晶体、压电陶瓷) 的压电效应，(即压电材料所产生的 感应电荷量与其所受力或加速度的 大小成比例)把振动的瞬时加速度转 变为感应电荷的元件。(图2)传感器 由压电材料和感受外力(加速度)的质 量块组成。使用时把传感器固定在 振体上。 压电式加速度传感器体小、质轻， 测频范围宽，对被测振体的振动特 性影响小，故得到广泛应用。
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。
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
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。
7.1.1 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
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
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 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
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
7.4.1 电压放大器（阻抗变换器）
若作用在压电元件上的力F为 F = Fm sin ωt 压电系数为d，则在F的作用下，产生的电荷
Q = dF
电流i为
dQ i= = ωdFm cosωt dt 输入电压为
& & Ui = I
& & I = jωd ⋅ F
R & jωR = dF 1+ jωRC 1+ jωRC
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。
石英晶体
d11 d12 0 d14 0 0 0 0 0 0 d d 25 26 0 0 0 0 0 0
d12 = −d11 d25 = −d14 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
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。
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。
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
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）
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。
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
7.2 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
7.3 压电式传感器的等效电路
压电Baidu Nhomakorabea传感器有两种等效电路
电荷等效电路 电压等效电路
7.3 压电式传感器的等效电路
压电式传感器放大器输入端等效电路
电压等效电路 电荷等效电路
7.3 压电式传感器的等效电路
压电片的连接方式
并联
电压不变 电荷量为2倍 2 电容2倍
＋ － － ＋
串联
电压2倍 电荷量不变 电容一半
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。
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
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
7.4.1 电压放大器（阻抗变换器）
前置放大器的输入电压幅值为 dFmωR
Uim =
2
1+ (ωR) (Ca + Cc + Ci )
2
输入电压与作用力之间的相位差为
ϕ = − tan−1 ω(Ca + Cc + Ci )R
2
π
理想情况下，前置放大器的输入电压幅值为
dFm Uam = Ca + Cc + Ci
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
利用压电材料(压电晶体、压电陶瓷) 的压电效应，(即压电材料所产生的 感应电荷量与其所受力或加速度的 大小成比例)把振动的瞬时加速度转 变为感应电荷的元件。(图2)传感器 由压电材料和感受外力(加速度)的质 量块组成。使用时把传感器固定在 振体上。 压电式加速度传感器体小、质轻， 测频范围宽，对被测振体的振动特 性影响小，故得到广泛应用。
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。
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
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。
7.1.1 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
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
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