压电传感器的实际等效电路
压电式传感器的测量电路
铌镁酸铅是 20 世纪 60 年代发展起来的压电陶瓷。 它由
铌镁酸铅(Pb（Mg13 ·Nb
2 3
）O3)、
锆酸铅(PbZrO3)和钛酸铅
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 - 3（a）所示。
因为P=qL, q为电荷量, L为正负电荷之间距离。 此时正 负电荷重心重合, 电偶极矩的矢量和等于零, 即P1+P2+P3 = 0, 所以晶体表面不产生电荷, 即呈中性。
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。
当晶体受到沿y轴方向的压力作用时, 晶体的变形如图6 3（c）所示, 与图6 - 3（b）情况相似, P1增大, P2、P3 减小。 在x轴上出现电荷, 它的极性为x轴正向为负电荷。 在y轴方向 上不出现电荷。
如果沿z轴方向施加作用力, 因为晶体在x方向和y方向所 产生的形变完全相同, 所以正负电荷重心保持重合, 电偶极矩 矢量和等于零。这表明沿z轴方向施加作用力, 晶体不会产生 压电效应。
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3章 压电式传感器
图3-1 天然结构的石英晶体示意图
第3章 压电式传感器
从晶体上沿着轴线切下的一片压电元件称为压电晶片，当晶片在沿X 轴方向有作用力Fx作用时，会在与X轴方向垂直的表面产生电荷，其大小 为: q x d11Fx （电荷极性由力的方向决定）
当晶片在沿Y轴方向有作用力Fy作用时，会在与Y轴方向垂直的表面产 生电荷，其大小为: q y d11 a Fy （电荷极性由力的方向决定） b L 从以上两式可以看出，纵向压电效应与元件尺寸无关，而横向压电效 应与元件尺寸有关；且从式中的负号可以看出，两者产生电荷的极性相反。 综上所述，晶体切片上电荷的符号与受力方向的关系可用图3-2表示。
1—基座；2—压电片；3—质 量块；4—弹簧；5—壳体
第3章 压电式传感器
图3-12是一种振动加速度传感器的测量电路。电路中，利用传感 器将被测加速度转换成电压输出，经过运放741和阻容元件组成的二 阶低通滤波器将53Hz以上的振荡频率衰减，再经IC2（3521）和阻容元 件组成的高通滤波器滤去低于1Hz的振荡频率。IC3与IC4组成交流放大 积分器，可以将IC2的输出转换成速度输出。IC5与IC6又可以将速度积 分成位移输出。由于加速度、速度、位移幅度的不同，为了都能送至 同一片MC14433做A/D转换，电路中配备了未标阻值的三个串联分压器， 可以根据需要设计选择。图中IC7是反相器。
第3章 压电式传感器
图3-12 振动加速度传感器测量电路图
第3章 压电式传感器
3.4.3 电子气压计 用气压表监测大气压力，对于预报天气具有重要的意义。传统的气压 计是玻璃管式的气压表，在使用之前，需要调节刻度盘指针位置，经较 长时间才能测量出气压的变化，而且由于机械磨擦的影响，会带来很大 的测量误差。这里介绍的电子气压计，是用压电片作为压力传感器，用
压电传感器等效电路
C Cc Ci
(3-7)
压电传感器的开路电压U q ，若压电元件沿电轴方向施加
Ce
交力 F Fm sin t ，则产生的电荷和电压均按正弦规律变
化，其电压为 U q dF dFm sin t Ce Ce Ce
(3-8)
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第二节 压电传感器等效电路和测 量电路
电压的幅值
若从石英晶体上沿 y方向切下一块如图3-1(c)所示的晶体片， 当在电轴x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 d11Fx
（3-1）
式中：d11——x轴方向受力的压电系数，单位C/N；
Fx ——作用力，单位N。
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第一节 压电效应和压电材料
若在同一切片上，沿机械轴y方向加作用力Fy，则仍在与x轴
力的测量，而且相当理想。
上一页 下一页 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ回
第二节 压电传感器等效电路和测 量电路
图3-11(a)给出了一个电压放大器的具体电路。它具有很高
的输入阻抗（>>1000MΩ）和很低的输出阻抗
（<100Ω），因此使用该阻抗变换器可将高内阻的压电传
感器与一般放大器匹配。BG1与MOS场效应管，作阻抗变换， R3>>100Ω；BG2管对输入端形成负反馈，以进一步提高 输入阻抗。 R4既是BG1的源极接地电阻，也是BG2的负载 电阻， R4上的交变电压通过C2反馈到场效应管BG1的输入 端，使A点电位提高，保证较高的交流输入阻抗。R4由BG1 构成的输入级，其输入阻抗为
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第二节 压电传感器等效电路和测 量电路
三、压电传感器的测量电路
为了保证压电传感器的测量误差小到一定程度，则要求负载 电阻RL要大到一定数值，才能使晶体片上的漏电流相应变小， 因此在压电传感器输出端要接入一个输入阻抗很高的前置放 大器，然后再接入一般的放大器。其目的：一是放大传感器 输出的微弱信号，二是将它的高阻抗输出变换成低阻抗输出。
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。
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
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。
实验 压电式传感器实验
实验压电式传感器实验实验项目编码：实验项目时数：2实验项目类型：综合性（）设计性（）验证性（√）一、实验目的本实验的主要目的是了压电式传感器的结构特点；熟悉压电传感器的工作原理；掌握压电传感器进行振动和加速度测量的方法。
二、实验内容及基本原理（一）实验内容1．压电传感器进行振动和加速度测量的方法（二）实验原理压电式传感器是一和典型的发电型传感器，其传感元件是压电材料，它以压电材料的压电效应为转换机理实现力到电量的转换。
压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动进行测量，在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用。
1．压电效应：具有压电效应的材料称为压电材料，常见的压电材料有两类压电单晶体，如石英、酒石酸钾钠等；人工多晶体压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等。
压电材料受到外力作用时，在发生变形的同时内部产生极化现象，它表面会产生符号相反的电荷。
当外力去掉时，又重新回复到原不带电状态，当作用力的方向改变后电荷的极性也随之改变，如图1 (a) 、(b) 、(c)所示。
这种现象称为压电效应。
(a) (b) (c)图1 压电效应2．压电晶片及其等效电路多晶体压电陶瓷的灵敏度比压电单晶体要高很多，压电传感器的压电元件是在两个工作面上蒸镀有金属膜的压电晶片，金属膜构成两个电极，如图2(a)所示。
当压电晶片受到力的作用时，便有电荷聚集在两极上，一面为正电荷，一面为等量的负电荷。
这种情况和电容器十分相似，所不同的是晶片表面上的电荷会随着时间的推移逐渐漏掉，因为压电晶片材料的绝缘电阻(也称漏电阻)虽然很大，但毕竟不是无穷大，从信号变换角度来看，压电元件相当于一个电荷发生器。
从结构上看，它又是一个电容器。
因此通常将压电元件等效为一个电荷源与电容相并联的电路如2(b)所示。
其中ea=Q/Ca 。
式中，ea为压电晶片受力后所呈现的电压，也称为极板上的开路电压；Q为压电晶片表面上的电荷；Ca为压电晶片的电容。
实际的压电传感器中，往往用两片或两片以上的压电晶片进行并联或串联。
6.3等效电路
6.2压电传感器的等效电路和测量电路6.2.1压电晶片的连接方式制作压电传感器时，可采用两片或两片以上具有相同性能的压电晶片粘贴在一起使用，由于压电晶片有电荷极性，因此压电晶片的连接方式有并联和串联两种，如图6.2.1所示。
（a ）并联 （b ）串联图6.2.1两块压电晶片的连接方式并联连接的压电传感器输出电容及极板上的电荷分别为单块晶体片的两倍，而输出电压与单片上的电压相等，即2,2,C C q q U U '''===串联时，输出电荷等于单片上的电荷，输出电压为单片电压的2倍，总电容为单片的1/2，即 /2,,2C C q q U U '''===由此可见，并联接法虽然输出电荷大，但由于电容也增大，时间常数大，故只适宜测量慢变化信号，并以电荷作为输出。
串联接法输出电压高，本身电容小，适宜以电压作为输出信号，且要求测量电路的输入阻抗很高。
因为压电晶片的接触面不可能绝对平坦，在制作和使用传感器时，要使压电晶片有一定的预应力，以保证全面均匀接触，但预应力不能太大，否则将影响压电传感器的灵敏度6.2.2压电传感器的等效电路当压电晶片受力时，在晶片的两个表面上分别聚集等量的正、负电荷，因此，晶片的两表面相当于一个电容的两个极板，两极板间的物质等效于一种介质，于是，压电晶片相当于一只平行板介质电容器，如图6.2.2所示，其电容量为0r a S S C εεεδδ== 其中S 为极板面积，r ε为压电材料的相对介电常数，0ε为真空介电常数，δ为压电元件的厚度。
图6.2.2 压电晶片的等效电路压电传感器可以等效为一个电压源/a U Q C =和一只电容a C 的串联，如图6.2.3（a ）所示，由图可知，只有在外电路负载L R 无穷大，且内部无漏电时，受力产生的电压U 才能长期保持不变，如果负载不是无穷大，则电路就要以时间常数L a R C 按指数规律放电。
因此，必须在压电传感器上加交变力，电荷才能不断得到补充，供给测量电路一定的电流，故压电传感器只适宜作动态测量。
压电式传感器
02 压电效应与压电材料
3. 石英晶体的压电机理和压电常数
石英晶体化学式为SiO2, 是单晶体结构。图示为天然结构的石英晶体外形。它 是一个正六面体。 石英晶体各个方向的特性是不同的。其中纵向轴 z 称为光轴, 经 过六面体棱线并垂直于光轴的 x 轴称为电轴, 与 x 和 z 轴同时垂直的 y 轴称为机械 轴。通常把沿电轴x 方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”,
04 压电式传感器的测量电路
04 压电式传感器的测量电路
04 压电式传感器的测量电路
05 压电式传感器的应用
1. 压电式测力传感器
下图为压电式单向测力传感 器的结构图, 它主要由石英晶片、 绝缘套、电极、上盖及基座等组 成。
传感器上盖为传力元件, 它 的外缘壁厚为0.10.5mm, 当外 力作用时, 它将产生弹性变形, 将 力传递到石英晶片上。石英晶片 采用xy切型, 利用其纵向压电效 应, 通过d11实现力—电转换。 石英晶片的尺寸为φ 8×1 mm。 该传感器的测力范围为0 50 N, 最小分辨力为0.01, 固有频率为 50 60 kHz, 整个传感器重10g。
正压电效应
电能
机械能
逆压电效应
02 压电效应与压电材料
压电材料主要特性参数有: 1. 压电常数：压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数，它d=Q/F 直接
关系到压电输出的灵敏度。 2. 弹性常数：压电材料的弹性常数、 刚度决定着压电器件的固有频率和
动态特性。 3. 介电常数：对于一定形状、 尺寸的压电元件, 其固有电容与介电常数有
05 压电式传感器的应用
2. 压电式加速度传感器
图为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
《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。
压电式传感器的等效电路
压电式传感器的等效电路
压电式传感器的等效电路可以简化为一个压电元件与负载电阻Rl连接在一起的电路。
压电元件可以通过变压器模型来表示，即将压电元件视为理想变压器的一侧，另一侧为负载电阻Rl。
根据理想变压器的等效电路原理，可以得到等效电路如下：
___
| |
| Vs |---- [压电元件] ----(Rl)
|____|
其中，Vs为输入电压，压电元件为变压器的一侧，(Rl)为负载电阻。
当施加输入电压Vs时，压电元件会产生相应的压电效应，从而产生电荷量q，并在负载电阻上产生电压Vout。
输入与输出电压之间的关系可以表示为：
Vout = (Rl / Re) * Vs
其中，Re为压电元件的等效电阻，Vs为输入电压，Vout为输
出电压。
根据以上等效电路，可以使用电路分析方法计算压电式传感器的输出特性。
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。
压电传感器
Z 轴为光轴（中性轴），它是晶体的对称轴，光线沿Z轴通过 晶体不产生双折射现象，因而它的贡献是作为基准轴。 X 轴为电轴（垂直于光轴），该轴压电效应最显著，它通过正 六棱柱相对的两个棱线且垂直于光轴Z，显然X轴共有三个。 Y 轴为机械轴（力轴），显然也有三个，它垂直于两个相对的 表面，在此轴上加力产生的变形最大。
在压电式传感器中，常用两片或多片组合在一 起使用。由于压电材料是有极性的，因此接法也有两 种，如图所示。图a为并联接法，其输出电容C ＇为 单片的n倍，即C＇=nC，输出电压U ＇ =U，极板上 的电荷量Q＇为单片电荷量的n倍，即Q＇=nQ。 图中b为串联接法，这时有Q＇＝Q，U＇= nU， C＇=C/n。
极化面
F
逆压电效应
Q
机械能｛ 压电介质 正压电效应 电能 ｝
F
压电效应及可逆性
☺具有压电效应的电介物质称为压电材料。具有压电 效应的物质很多，如天然形成的石英晶体，人工制造 的压电陶瓷、钛酸钡、锆钛酸铅等。
☺常见的压电材料可分为两类，即压电单晶体和多晶 体压电陶瓷。
一、石英晶体的压电效应
石英晶体有天然和人造石英单晶 两种。 石英晶体属六方晶系，是一个正 六面体，有右旋和左旋石英晶体之 分，在晶体学中用三根互相 垂直的 轴 Z、X、Y 表示它的坐标。
压电材料的主要性能指标
压电常数——衡量压电效应强弱的参数，直接关系到
压电输出的灵敏度
弹性常数——决定着压电器件的固有频率和动态特性
介电常数——影响压电器件的固有电容与频率下限
绝缘电阻——影响电荷泄漏和低频特性
居里点——压电材料开始丧失压电特性的温度
§5-2
压电式传感器的等效电路
压电传感器等效电路
第二节 压电传感器等效电路和测 量电路
并联连接式压电传感器的输出电容C’和极板上的电荷q‘分别
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第一节 压电效应和压电材料
三、石英晶体的压电特性
石英晶体是单晶体结构，其形状为六角形晶柱，两端呈六棱 锥形状，如图3-1所示。石英晶体各个方向的特性是不同的。 在三维直角坐标系中，z轴被称为晶体的光轴。经过六棱柱 棱线，垂直于光轴z的x轴称为电轴，把沿电轴x施加作用力 后的电压效应称为纵向压电效应。垂直于光轴z和电轴x的y 轴称为机械轴。把沿机械轴y方向的力作用下产生电荷的压 电效应称为横向压电效应。沿光轴z方向施加作用力则不产 生压电效应。
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第一节 压电效应和压电材料
二、压电材料简介
压电材料可以分为两大类：压电晶体和压电陶瓷。前者为晶 体，后者为极化处理的多晶体。它们都具有较好特性：压电 常数高，机械性能优良（强度高，固有振荡频率稳定），时 间稳定性和温度稳定性好等，是较理想的压电材料。
1．压电晶体 常见压电晶体有天然和人造石英晶体。石英晶体，其化学成
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。
制作压电传感器时，可采用两片或两片以上具有相同性能的 压电晶片粘贴在一起使用。由于压电晶片有电荷极性，因此 接法有并联和串联两种，如图3-6所示。
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第一节 压电效应和压电材料
如果在压电陶瓷片上加一个与极化方向平行的外力，陶瓷片 产生压缩变形，片内的束缚电荷之间表面的自由电荷，有一 部分被释放而呈现放电现象。
压电式加速度传感器(最新整理)
压电式加速度传感器摘要：本文介绍了压电式加速度传感器的结构和工作原理，推导了传感器的数学模型，并分析了测量电路，压电传感器的产生零漂现象的各种原因，并针对这些原因提出相应的解决措施。
关键词：压电式；加速度传感器；零漂1 引言现代工业和自动化生产过程中，非电物理量的测量和控制技术会涉及大量的动态测试问题。
所谓动态测试是指量的瞬时值以及它随时间而变化的值的确定，即被测量为变量的连续测量过程。
它以动态信号为特征，研究了测试系统的动态特性问题，而动态测试中振动和冲击的精确测量尤其重要。
振动与冲击测量的核心是传感器，常用压电加速度传感器来获取冲击和振动信号。
压电式传感器是基于某些介质材料的压电效应，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，质量轻，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、体育、制造业、军事、航空航天等领域都得到了非常广泛的应用。
加速度传感器作为测量物体运动状态的一种重要的传感器，加速度传感器主要分为压阻式、电容式、应变式、压电式、振弦式、挠性摆式、液浮摆式等类型。
压电式加速度传感器是以压电材料为转换元件，将加速度输入转化成与之成正比的电荷或电压输出的装置，具有结构简单、重量轻、体积小、耐高温、固有频率高、输出线性好、测量的动态范围大、安装简单的特点。
2工作原理压电式加速度传感器又称为压电加速度计，它也属于惯性式传感器。
它是典型的有源传感器。
利用某些物质如石英晶体、人造压电陶瓷的压电效应，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。
压电敏感元件是力敏元件，在外力作用下，压电敏感元件的表面上产生电荷，从而实现非电量电测量的目的。
压电加速度传感器的原理框图如图1所示，原理如图2所示。
图1 加速度传感器的组成框图支座图2 压电加速度传感器原理图实际测量时，将图中的支座与待测物刚性地固定在一起。
当待测物运动时，支座与待测物以同一加速度运动，压电元件受到质量块与加速度相反方向的惯性力的作用，在晶体的两个表面上产生交变电荷(电压)。
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12 22 32
d d d
13 23 33
13 23 33
d d d
14 24 34
d d d
15 25 35
1 2 d 16 3 d 26 4 d 36 5 6
d 11 D＝d 21 d 31
分微弱。随着对材料的深入研究，发现石英晶体、钛酸钡、 锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。 压电材料可以分为两大类：压电晶体和压电陶瓷。
6.1.2 压电效应的数学模型 根据压电效应原理，当一个平行于X轴的力Fx作用在压电 转换元件的平面上时，压电元件表面的电荷密度q1为：
q1 ＝ d11 F1
由式可知，在压电晶体弹性变形的范围之内，电荷密度与 作用力之间的关系是线性的。 如果同时对压电转换元件的X、Y、Z三个轴的方向上作用
6.1 压电效应
6.2 压电材料
6.3压电式传感器测量电路 6.4压电式传感器的应用
6.1 压电效应
6.1.1 基本概念 某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部 就产生极化现象，同时在它的两个表面上便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。
当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。有时人们把这种
关系到压电输出的灵敏度。 （2） 弹性常数 压电材料的弹性常数、 刚度决定着压电
器件的固有频率和动态特性。 （3） 介电常数 对于一定形状、 尺寸的压电元件, 其固
有电容与介电常数有关; 而固有电容又影响着压电传感器的频率 下限。
（4） 机械耦合系数
在压电效应中, 其值等于转换输出能量
（如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根; 它是衡量 压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。 （5）居里点 压电材料开始丧失压电性能的温度点
拉（压）力，对YZ、XY、XZ平面上作用切向应力，则各平面
的电荷密度可用数学模型表示如下：
q1 ＝ d11 σ1 ＋ d12 σ2 ＋ d13 σ3＋ d14σ4＋ d15 σ5＋ d16σ6 q2＝ d21 σ1 ＋ d22 σ2 ＋ d23 σ3＋ d24σ4＋ d25 σ5＋ d26σ6 q3 ＝ d31 σ1 ＋ d32 σ2 ＋ d33 σ3＋ d34σ4＋ d35 σ5＋ d36σ6 式中：q1、q2、q3——分别为平 面Sx、Sy、Sz上的电荷密度； σ 1、σ 2、σ 3——分别为作用在
d11≠0，d21＝d31＝0。
当石英晶体受到应力σ 2作用时，仍然是只有在X方向上产生
压电效应，Y、Z方向上无压电效应，所以压电常数为 d12 ＝－d11≠0， d22＝d32＝0。 当受到应力σ 3作用时，晶体无压电效应，所以压电常数为 d13＝d23＝d33＝0。
x ＋ － y ＋ o P1 － y ＋ －
生压电效应，故称为光轴。
有关晶片的切性及其符号是这样规定的：在直角坐标中，如
切片的原始位置是厚度平行与X轴，长度平行与Y轴，宽度平行
与Z轴，以此位置旋转出来的切型为X切族；如切片的厚度、长 度和宽度分别平行与Y、X、Z轴，以此位置旋转出来的切型为Y 切族。并规定逆时针旋转为正切型，顺时针旋转为负切型。切割 方法很多，X、Y切最常用。
然结构的石英晶体外形，它是一个正六面体。石英晶体各个方向
的特性是不同的。
x轴是平行于相邻柱面内夹角的等分线，垂直与此轴垂直六边形对边的轴线为y轴，在电场作用下，沿该轴方向的
机械变形最明显故称为机械轴；
与 x 和 y 轴同时垂直的轴称为 z 轴，沿 z 轴方向的力作用时不产
Sx、Sy、Sz平面上的应力；σ
σ 5、σ 6——切向应力；
4
、
压电转换元件坐标系表示法
dij——表示j方向受力而在i方
向上产生电荷时的压电系数。
将上式写为矩阵形式，则有：
q 1 d 11 q2 ＝d 21 q3 d 31
d d d
12 22 32
作为敏感元件对压电材料的要求是：具有大的压电系数d； 机械强度高，刚度大，以便获得高的固有频率；高电阻率和大 介电常数；高的居里点；温度、湿度和时间稳定性好。 压电材料可分为三大类：压电晶体（单晶）、压电陶瓷 （多晶半导瓷）和新型压电材料（包括压电半导体和高分子压
电材料）。
6.2.2 石英晶体
石英晶体化学式为 SiO2，是单晶体结构。下图（a）表示了天
第六章 压电式传感器
压电式传感器是一种有源的双向机电传感器。它的工作原 理是基于压电材料的压电效应。石英晶体的压电效应早在1680 年即已发现，1948年制作出第一个石英传感器。
当某些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。
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 几何变形，这种现象称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。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，如图所示。
机械量
压电元件
压电效应可逆性
电量
在自然界中大多数晶体都具有压电效应，但压电效应十
d d d
d d d
d d d
14 24 34
d d d
15 25 35
d d d
16
26 36
D称为压电系数矩阵
但由于压电晶体的各向异性，并不是所有的压电晶 体都能在这几种变形状态下产生压电效应。
6.2 压电材料
6.2.1 压电材料的主要特性参数: （1） 压电常数 是衡量材料压电效应强弱的参数, 它直接
z z b o o y x o y z
x
x a
c
y
(a )
(b )
(c)
石英晶体
(a) 晶体外形； (b) 切割方向； (c) 晶片
下面以石英晶体为例讨论表面电荷计算问题。由前面分析的石英 晶体内部结构可知： 当石英晶体受到应力σ 1作用时，只在X方向上产生压电效应，
而在Y、Z方向上无压电效应，所以石英晶体的压电常数为：