第三章 压电式传感器_改
第3章压电式传感器
§3.1 压电效应及材料
§3.1.1 压电效应
§3.1.2 压电材料
§3.1.2.1 压电晶体
§3.1.2.2 压电陶瓷
§3.1.2.3 新型压电材料
§3.1.3 压电振子
§3.2 压电传感器等效电路和测量电路
§3.2.1 等效电路
§3.2.2 测量电路
§3.2.2.1 电压放大器
§3.2.2.2 电荷放大器
§3.2.2.3 谐振电路
§3.3 压电式传感器及其应用
§3.3.1 压电式加速度传感器
§3.3.1.1 结构类型
§3.3.1.2压电加速度传感器动态特性§3.3.2 压电式力传感器
§3.3.3压电角速度陀螺
§3.4 声波传感技术
§3.4.1 SAW 传感器
§3.4.1.l SAW传感器特点
§3.4.1.2 SAW传感器的结构与工作原理
§3.4.1.3 SAW振荡器
§3.4.2超声检测
§3.4.2.1超声检测的物理基础
§3.4.2.2 超声波探头
§3.4.2.3 超声波检测技术的应用
思考题
第3章压电式传感器
压电式传感器是一种能量转换型传感器。它既可以将机械能转换为电能，又可以将电能转化为机械能。压电式传感器是以具有压电效应的压电器件为核心组成的传感器。
§3.1压电效应及材料
§3.1.1 压电效应
压电效应（piezoelectric effect）是指某些介质在施加外力造成本体变形而产生带电状态或施加电场而产生变形的双向物理现象，是正压电效应和逆压电效应的总称，一般习惯上压电效应指正压电效应。当某些电介质沿一定方向受外力作用而变形时，在其一定的两个表面上产生异号电荷，当外力去除后，又恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应（positive piezodielectric effect）。其中电荷大小与外力大小成正比，极性取决于变形是压缩还是伸长，比例系数为压电常数，它与形变方向有关，在材料的确定方向上为常量。它属于将机械能转化为电能的一种效应。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。当在电介质的极化方向施加电场，某些电介质在一定方向上将产生机械变形或机械应力，当外电场撤去后，变形或应力也随之消失，这种物理现象称为逆压电效应（reverse piezodielectric effect），又称电致伸缩效应，其应变的大小与电场强度的大小成正比，方向随电场方向变化而变化。它属于将电能转化为机械能的一种效应。用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。1880-1881年，雅克（Jacques）和皮埃尔·居里（Piere Curie）发现了这两种效应。图3-1为压电效应示意图。
（a）正压电效应；（b）压电效应的可逆性
图3-1压电效应
由物理学知，一些离子型晶体的电介质（如石英、酒石酸钾钠、钛酸钡等）不仅在电场力作用下，而且在机械力作用下，都会产生极化现象。为了对压电材料的压电效应进行描述，表明材料的电学量（D、E）力学量（T、S）行为之间的量的关系，建立了压电方程。正压电效应中，外力与因极化作用而在材料表面存储的电荷量成正比。即：
σ=（3. 1）
D dT
=或dT
式3.1中D、σ—电位移矢量、电荷密度，单位面积的电荷量，C/m2；
T—应力，单位面积作用的应力，N/m2；
d—正压电系数，C/N。
逆压电效应中，外电场作用下的材料应变与电场强度成正比。即：
'S d E = （3. 2）
式3.2中 S —应变，应变ε，微应变με； E —外加电场强度，V/m ；
'd —逆压电系数，C/N 。
当对于多维压电效应，'d 为d 的转置矩阵，见（3.5）、（3.6）。
压电材料是绝缘材料。把压电材料置于两金属极板之间，构成一种带介质的平行板电容器，金属极板收集正压电效应产生的电荷。由物理学知，平行板电容器中
0r D E εε=
（3. 3）
式中 r ε —压电材料的相对介电常数； 0ε—真空介电常数=8.85pF/m 。
那么可以计算出平行板电容器模型中正压电效应产生的电压
r d
V E h T h εε=?=
? （3. 4）
式3.4中h —平行板电容器极板间距。 人们常用 0/()r g d εε=表示压电电压系数。
例如，压电材料钛酸铅 d=44pC/N ，r ε=600。取T=1000N ，h=1cm ，则V =828V 。当在该平行板电容器模型加1kV 电压时，S=4.4με。
具有压电性的电介质（称压电材料），能实现机－电能量的相互转换。压电材料是各项异性的，即不同方向的压电系数不同，常用矩阵向量d 表示，6×3维。进而有电位移矩阵向量D ，1×3维；应力矩阵向量T ，1×6维；应变矩阵向量S ，1×6维；电场强度矩阵向量E ，1×3维。用向量形式对压电材料和压电效应，在空间上进行统一描述。实际上对于具体压电材料压电系数中的元素多数为零或对称，人们可以在压电效应最大的主方向上，“一维”地进行压电传感器设计。
在三维直角坐标系内的力一电作用状况如图3-2 所示。图中：T 1、T 2、T 3分别为沿x 、y 、z 向的正应力分量（压应力为负）；T 4、T 5、T 6分别为绕x 、y 、z 轴的切应力分量（顺时钟方向为负）；σ1、σ2、σ3分别为在x 、y 、z 面上的电荷密度（或电位移D ）。式3.5为正压电方程的向量矩阵表示，式3.6为逆压电方程的向量矩阵表示。压电方程是全压电效应的数学描述。它反映了压电介质的力学行为与电学行为之间相互作用（即机－电转换）的规律。
图3-2压电材料中方向坐标含义
??????
????
?????????
??????
?????=??????????65432136
35
34
33
32
31
262524232221161514131211321T T T T T T d d d d d d d d d d d d d d d d d d D D D （3. 5）
??
?
??
??????????????
?
?????
?????=????????????????????321
3626
16
352515342414332313
32
2212312111
654321E E E d d d d d d d d d d d d d d d d d d S S S S S S （3. 6）
压电方程组也表明存在极化方向（电位差方向）与外力方向不平行的情况。正压电效应
中，如果所生成的电位差方向与压力或拉力方向一致，即为纵向压电效应（longitudinal piezoelectric effect ）。正压电效应中，如所生成的电位差方向与压力或拉力方向垂直时，即为横向压电效应（transverse piezoelectric effect ）。在正压电效应中，如果在一定的方向上施加的是切应力，而在某方向上会生成电位差，则称为切向压电效应（tangential piezoelectric effect ）。逆压电效应也有类似情况。
§3.1.2 压电材料
迄今已出现的压电材料可分为三大类：一是压电晶体（单晶），它包括压电石英晶体和其他压电单晶；二是压电陶瓷；三是新型压电材料，其中有压电半导体和有机高分子压电材料两种。
在传感器技术中，目前国内外普遍应用的是压电单晶中的石英晶体和压电多晶中的钛酸钡与钛酸铅系列压电陶瓷。择要介绍如下： §3.1.2.1
压电晶体
由晶体学可知，无对称中心的晶体，通常具有压电性。具有压电性的单晶体统称为压电晶体。石英晶体（图3-3）是最典型而常用的压电晶体。
1． 石英晶体（SiO 2）
图3-3石英晶体坐标系
图3-4密斯诺石英晶体模型
石英晶体俗称水晶，有天然和人工之分。目前传感器中使用的均是以居里点为573℃，晶体的结构为六角晶系的α－石英。其外形如图3-3所示，呈六角棱柱体。密斯诺(Mcissner.A)所提出的石英晶体模型，如图3-4所示，硅离子和氧离子配置在六棱柱的晶格上，图中较大的圆表示硅离子，较小的圆相当于氧离子。硅离子按螺旋线的方向排列，螺旋线的旋转方向取决于所采用的是光学右旋石英，还是左旋石英。图中所示为左旋石英晶体（它与右旋石英晶体的结构成镜象对称，压电效应极性相反）。硅离子2比硅离子1的位置较深，而硅离子3又比硅离子2的位置较深。在讨论晶体机电特性时，采用xyz右手直角坐标较方便，并统一规定：x轴称之为电轴，它穿过六棱柱的棱线，在垂直于此轴的面上压电效应最强；y轴垂直m面，称之为机轴，在电场的作用下，沿该轴方向的机械变形最明显；z轴称之为光轴，也叫中性轴，光线沿该轴通过石英晶体时，无折射，沿z轴方向上没有压电效应。
压电石英的主要性能特点是：（1）压电常数小，其时间和温度稳定性极好，常温下几乎不变，在20～200℃范围内其温度变化率仅为－0.016％/℃；（2）机械强度和品质因素高，许用应力高达（6.8～9.8）×107Pa，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。天然石英的上述性能尤佳。因此，它们常用于精度和稳定性要求高的场合和制作标准传感器。
为了直观地了解其压电效应，将一个单元中构成石英晶体的硅离子和氧离子，在垂直于Z轴的XY平面上投影，等效为图3-5（a）中的正六边形排列。图中“（+）”代表Si4+，“（-）”代表O2-。
(a) (b) （c）
图3-5石英晶体压电效应机理示意图
当石英晶体未受外力时，正、负离子（即Si 4+和O 2-
）正好分布在正六边形的顶角上，形成三个大小相等、互成120°夹角的电偶极矩P 1、P 2和P 3，如图3-5（a ）所示。P=q l ，q 为电荷量，l 为正、负电荷之间的距离。电偶极矩方向为负电荷指向正电荷。此时，正、负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即P 1+P 2+P 3=0。这时晶体表面不产生电荷，整体上说它呈电中性。
当石英晶体受到沿X 方向的压力F X 作用时，将产生压缩变形，正、负离子的相对位置随之变动，正、负电荷中心不再重合，如图3-5（b ）所示。电偶极矩在X 方向的分量为（P 1+P 2+P 3）X >0，在X 轴的正方向的晶体表面上出现正电荷。而在Y 轴和Z 轴方向的分量均为零，即（P 1+P 2+P 3）Y =0, （P 1+P 2+P 3）Z =0，在垂直于Y 轴和Z 轴的晶体表面上不出现电荷。这种沿X 轴施加压力F X ，而在垂直于X 轴晶面上产生电荷的现象，称为“纵向压电效应”。
当石英晶体受到沿Y 轴方向的压力F Y 作用时，晶体如图3-5（c ）所示变形。电偶极矩在X 轴方向上的分量（P 1+P 2+P 3）X <0，在X 轴的正方向的晶体表面上出现负电荷。同样，在垂直于Y 轴和Z 轴的晶面上不出现电荷。这种沿Y 轴施加压力F Y ,而在垂直于X 轴晶面上产生电荷的现象，称为“横向压电效应”。
当晶体受到沿Z 轴方向的力(无论是压力或拉力)作用时，因为晶体在X 方向和Y 轴方向的变形相同，正、负电荷中心始终保持重合，电偶极矩在X ，Y 方向的分量等于零。所以，沿光轴方向施加力，石英晶体不会产生压电效应。
需要指出的是，上述讨论均假设晶体沿X 轴和Y 轴方向受到了压力，当晶体沿X 轴和Y 轴方向受到拉力作用时，同样有压电效应，只是电荷的极性将随之改变。 石英晶体的独立压电系数只有d 11和d 14，其压电常数矩阵为
?????
?????---=00
200000
001114
141111d d d d d d ij
（3. 7）
式中 d 11 = 2.31×10-12C/N ；
d 14 = 0.73×10-12C/N 。
其中，
d 12= - d 11为横向压电系数，d 25= - d 14为面剪切压电系数，d 26= -2 d 14为厚度剪切压电系数。 2．其他压电单晶
在压电单晶中除天然和人工石英晶体外，钾盐类压电和铁电单晶如铅酸锂（LiNbO 3）、钽酸锂（LiTaO 3）、锗酸锂（LiGeO 3）、镓酸锂（LiGaO 3）和锗酸秘（Bi 12GeO 20）等材料，近年来已在传感器技术中日益得到广泛应用，其中以铅酸锂为典型代表。
铅酸锂是一种无色或浅黄色透明铁电晶体。从结构看，它是一种多畴单晶。它必须通过极化处理后才能成为单畴单晶，从而呈现出类似单晶体的特点，即机械性能各向异性。它的时间稳定性好，居里点高达1200℃，在高温、强辐射条件下，仍具有良好的压电性，且机械性能，如机电耦合系数、介电常数、频率常数等均保持不变。此外，它还具有良好的光电、声光效应，因此在光电、微声和激光等器件方面都有重要应用。不足之处是质地脆、抗机械和热冲击性差。
§3.1.2.2 压电陶瓷
1942年，第一个压电陶瓷材料――钛酸钡先后在美国、前苏联和日本制成。1947年，钛酸钡拾音器――第一个压电陶瓷器件诞生了。50年代初，又一种性能大大优于钛酸钡的压电陶瓷材料――锆钛酸铅研制成功。从此，压电陶瓷的发展进入了新的阶段。60年代到70年代，压电陶瓷不断改进，日趋完美。如用多种元素改进的锆钛酸铅二元系压电陶瓷，以锆钛酸铅为基础的三元系、四元系压电陶瓷也都应运而生。这些材料性能优异，制造简单，
成本低廉，应用广泛。
左
中
右
图3-6压电陶瓷的极化
压电陶瓷是一种经极化处理后的人工多晶压电材料。所谓“多晶”，它是由无数细微的单晶组成；每个单晶形成单个电畴，无数单晶电畴的无规则排列，致使原始的压电陶瓷呈现各向同性而不具有压电性（如图3-6所示）。要使之具有压电性，必须作极化处理，即在一定温度下对其施加强直流电场，迫使“电畴”趋向外电场方向作规则排列〔如图3-6（中）〕；极化电场去除后，趋向电畴基本保持不变，形成很强的剩余极化，从而呈现出压电性〔如图3-6（右）〕。
压电陶瓷的压电常数大，灵敏度高。压电陶瓷除有压电性外，还具有热释电性，这会给压电传感器造成热干扰，降低稳定性。所以，对要求高稳定性的传感器场合，压电陶瓷的应用受到限制。
传感器技术中应用的压电陶瓷，按其组成元素可分为：
（1）二元系压电陶瓷 以钛酸钡，尤其以锆钛酸铅系列压电陶瓷应用最广。
（2）三元系压电陶瓷 目前应用的有PMN ，它由铌镁酸铅Pb （Mg 1／3Nb 2/3）O 3、钛酸铅PbTiO 3、锆钛酸铅PbZrO 3三种成分配比而成。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列、镁碲酸铅、锑铌酸铅等。
图3-7压电陶瓷坐标系
压电陶瓷的压电常数矩阵为
????
?
?????-=00
000000000033
32
31
15
15d d d d d d ij
（3. 8）
压电陶瓷的压电效应比石英晶体的强数十倍。对石英晶体，长宽切变压电效应最差，故很少取用；对压电陶瓷，厚度切变压电效应最好，应尽量取用；对三维空间力场的测量，压电陶瓷的体积压缩压电效应显示了独特的优越性。但是，石英晶体温度与时间的稳定性以及材料之间的一致性远优于压电陶瓷。
压电材料的主要特性参数有：
（1）压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数，它直接关系到压电输出灵敏度。
（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）机电耦合系数它定义为：在压电效应中，转换输出的能量（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）电阻压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏，从而改善压电传感器的低频特性。
（6）居里点即压电材料开始丧失压电性的温度。
常用压电晶体和陶瓷材料的主要性能列于表3-1。
表3-1常用压电晶体和陶瓷材料的主要性能
§3.1.2.3 新型压电材料
1．压电半导体
1968年以来出现了多种压电半导体如硫化锌（ZnS）、碲化镉（CdTe）、氧化锌（ZnO）、硫化镉（CdS）、碲化锌（ZnTe）和砷化嫁（GaAs）等。这些材料的显著特点是：既具有压电特性，又具有半导体特性。因此既可用其压电性研制传感器，又可用其半导体特性制作电子器件；也可以两者结合，集元件与线路于一体，研制成新型集成压电传感器测试系统。
2．有机高分子压电材料
其一，是某些合成高分子聚合物，经延展拉伸和电极化后具有压电性高分子压电薄膜，如聚氟乙烯（PVF）、聚偏氟乙烯（PVF2）、聚氯乙烯（PVC）、聚r甲基－L谷氨酸脂（PMG）和尼龙11等。这些材料的独特优点是质轻柔软，抗拉强度较高、蠕变小、耐冲击，体电阻达1012Ω·m，击穿强度为150～200kV／mm，声阻抗近于水和生物体含水组织，热释电性和热稳定性好，且便于批生产和大面积使用，可制成大面积阵列传感器乃至人工皮肤。
其二，是高分子化合物中掺杂压电陶瓷PZT或BaTiO3粉末制成的高分子压电薄膜。这
种复合压电材料同样既保持了高分子压电薄膜的柔软性，又具有较高的压电性和机电耦合系数。
§3.1.3 压电振子
逆压电效应可以使压电体振动，可以构成超声波换能器、微量天平、惯性传感器以及声表面波传感器等等。逆压电效应可以产生微位移，也在光电传感器中作为精密微调环节。
要使压电体中的某种振动模式能被外电场激发，首先要有适当的机电耦合途径把电场能转换成与该种振动模式相对应的弹性能。当在压电体的某一方向上加电场时，可从与该方向相对应的非零压电系数来判断何种振动方式有可能被激发。例如， 对于经过极化处理的压电陶瓷，一共有三个非零的压电系数：d 31=d 32=d 33，d 15=d 24。因此若沿极化轴Z 方向加电场，则通过d 33的耦合在Z 方向上激发纵向振动，并通过d 31和d 32在垂直于极化方向的X 轴和Y 轴上激发起相应的横向振动。而在垂直于极化方向的X 轴或Y 轴上加电场，则通过d 15和d 24激发起绕Y 轴或X 轴的剪切振动。压电常数的18个分量能激发的振动可分成四大类，如图3-8所示，它们是：
（1）垂直于电场方向的伸缩振动，用LE(Lensth expansion)表示；
（2）平行于电场方向的伸缩振动，用TE(Thickness expansion) 表示； （3）垂直于电场平面内的剪切振动，用FS(Face shear) 表示；
（4）平行于电场平面内的剪切振动，用TS(Thickness shear)表示。
图3-8四种压电振动模式
按照粒子振动时的速度方向与弹性波的传播方向，这些由压电效应激发的振动可分纵波与横波两大类。前者粒子振动的速度方向与弹性波的传播方向平行，而后者则互相垂直。按照外加电场与弹性被传播方向间的关系，压电振动又可分为纵向效应与横向效应两大类。当弹性波的传播方向平行于电场方向时为纵向效应，而二者互相垂直时为横向效应。压电体中能被外电场激发的振动模式还和压电体的形状尺寸有着密切的关系。压电体的形状应该有利于所需振动模式的机电能量转换。
§3.2 压电传感器等效电路和测量电路
§3.2.1
等效电路
压电振子在其谐振频率附近的阻抗—频率特性可近似地用一个等效电路来描述。图3-9
是常用的一种等效电路及其阻抗特性的示意图，其个C 0表示振子在高频下的等效电容。出L 1、C 1和R 1构成的串联谐振电路，用电场能和磁场能之间的相互转换，模拟了压电振子中通过正、逆压电效应所作的电能与弹性能之间的相互转换，其中L 1为动态电感，C 1称为动态电容，R 1称为机械阻尼电阻。等效电路中C 0、C 1、L 1、R 1的数值可通过测量振子的阻抗频率特
性求得，也可通过计算，直接与压电材料的物理常数和振子的几何尺寸联系起来。图3-9（b ）中，f s 为串联谐振频率。f p 为并联谐振频率。
（a ）等效电路
（b ）导纳-频率特性
图3-9压电振子的等效电路与阻抗特性
在低频应用时，L 1=0，R 1=0，从功能上讲，压电器件实际上是一个电荷发生器。
图3-10压电器件的理想等效电路
（a ）电压源 （b ）电荷源
设压电材料的相对介电常数为εr ，极化面积为A ，两极面间距离（压电片厚度）为t ，如图3-10所示。这样又可将压电器件视为具有电容C a 的电容器，且有
0/n r c A t εε=
（3. 9）
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Ra ≥1010
Ω。
当需要压电器件输出电压时，可把它等效成一个与电容串联的电压源，如图3-10（a ）所示。在开路状态，其输出端电压和电压灵敏度分别为
/n n U Q C =
（3. 10）
//u n n K U F Q C F ==
（3. 11）
式3.11中 F ——作用在压电器件上的外力。
当需要压电器件输出电荷时，则可把它等效成一个与电容相并联的电荷源，如图3-10（b ）所示。同样，在开路状态，输出端电荷为
a a Q C U =
（3. 12）
式中U a 即极板电荷形成的电压。这时的输出电荷灵敏度为
//q a a K Q F C U F ==
（3. 13）
显然K u 与K q 之间有如下关系
/u q a K K U Q =
（3. 14）
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a L R R ==∞）条件下才成立。在构成传感器时，总要利用电缆将压电器件接人测量线路或仪器。这样，就引人了电缆的分布电容C c ，测量放大器的输入电阻R i 和电容C i 等形成的负载阻抗影响；加之考虑压电器件并非理想元件，它内部存在泄漏电阻Ra ，则由压电器件构成传感器的实际等效电路如图3-11所示。
（a ）电压源
（b ）电荷源
图3-11压电传感器等效电路和测量电路
§3.2.2 测量电路
压电器件既然是一个有源电容器，就必然存在与电容传感器相同的应用弱点——高内阻、小功率问题，必须进行前置放大，前置阻抗变换。压电传感器的测量电路有两种形式：电压放大器和电荷放大器。 §3.2.2.1
电压放大器
电压放大器又称阻抗变换器。它的主要作用是把压电器件的高输出阻抗变换为传感器的低输出阻抗，并保持输出电压与输入电压成正比。
l ．压电输出特性（即放大器输入特性）
将图3-12（a ）mm’左部等效化简成为图3-12（b ）所示。由图可得回路输出
.
.
1a a U C j R U I Z j RC
ωω==
+ （3. 15）
式中 '
/(1
)Z R j R C ω=+
/()a i a i
R R R R R =+——测量回路等效电阻； 'a a i c
C C C C C C =+=++——测量回路等效电容； ω——压电转换角频率。
（a ）
（b ）
图3-12电压放大器简化电路
假设压电器件取压电常数为d 33的压电陶瓷，并在其极化方向上受有角频率为ω的交变力F ＝F m sinωt ，则压电器件的输出
.
.
.
3333sin a
m a
a
a
d d Q U
F F t C C C ω=
=
=
（3. 16）
代入式（3.15）可得压电回路输出特性和电压灵敏度分别为
.
.
1331j R U d F
j RC
ωω=+ （3. 17）
.
33
.
()1t
u U j R K j d j RC
F
ωωω=
=+ （3. 18）
其幅值和相位分别为
.
t um m
U K F =
=
（3. 19）
arctan()2
R C π
?ω=
- （3. 20）
2．动态特性
这里着重讨论动态条件下压电回路实际输出电压灵敏度相对理想情况下的偏离程度，即幅频特性。所谓理想情况是指回路等效电阻R =∞（即a i R R ==∞），电荷无泄漏。这样由式（3.19）可得理想情况的电压灵敏度
*
3333
um a c i
d d K C
C C C =
=
++ （3. 21）
可见，它只与回路等效电容C 有关，而与被测量的变化频率无关。因此，由式（3.19）
与式（3.21）比较得相对电压灵敏度
*
um um
K k K ==
=
=
（3. 22）
上式中
ω1——测量回路角频率；
11/R C τω==——即测量回路时间常数。
图3-13压电器件与测量电路相联的动态特性曲线
由式（3.22）和式（3.20）作出的特性曲线示于图3-13。由图不难分析：
（1）高频特性 当ωτ>>1，即测量回路时间常数一定，而被测量频率愈高（实际只要ωτ≥3，则回路的输出电压灵敏度就愈接近理想情况。这表明，压电器件的高频响应特性好。 （2）低频特性 当ωτ<<1，即τ—定，而被测量的频率愈低时，电压灵敏度愈偏离理想情况，同时相位角的误差也愈大。 由于采用电压放大器的压电传感器，其输出电压灵敏度受电缆分布电容C c 的影响〔式3.21〕，因此电缆的增长或变动，将使已标定的灵敏度改变。
图3-14阻抗变换电路
§3.2.2.2 电荷放大器
1．工作原理和输出特性
电荷放大器的原理如图3-15（b ）所示。它的特点是，能把压电器件高内阻的电荷源变换为传感器低内阻的电压源，以实现阻抗匹配，并使其输出电压与输入电荷成正比，而且，传感器的灵敏度不受电缆变化的影响。
图中电荷放大级又称电荷变换级。输入电容C 是输入并联电容的总合，C f 负反馈电容。放大器的输出
(1)o f AQ U A C C
-=
++ （3. 23）
通常放大器开环增益A ＝104
～106
，因此（1＋A ）C f >>C （一般取 AC f ＞10C 即可），则有
/o f U Q C =-
（3. 24）
上式表明，电荷放大器输出电压与输入电荷及反馈电容有关。只要C f 恒定，就可实现回路输出电压与输人电荷成正比，相位差180 。
1/u f K C =-
（3. 25）
输出灵敏度只与反馈电容有关，而与电缆电容无关。根据式（3.25），电荷放大器的灵敏度调节可采用切换C f 的办法，通常C f ＝100～10000pF 。在C f 的两端并联R f ＝1010
～1014
Ω，可以提高直流负反馈，以减小零漂，提高工作稳定性。
电荷放大器的具体线路见图3-15。图中包括电荷放大部分和电压放大部分。在低频测量时，第一级放大器，即电荷放大器，的闪烁噪声（1/f 噪声）就突出出来。电荷放大器的输入噪声V ni 与经同相放大计算后的输出噪声V no 可按下式计算
ni f no
V C C V ???
? ??+=1 （3. 26）
电荷放大器输出端信噪比R SN 为
f
f
f
SN C
C Q C
C C Q
R +=
+=
1
（3. 27）
由(3.27)可知，提高信噪比的有效措施是减小反馈电容C f 。但是电荷放大器的低频下限受
R f ·C f 乘积的影响，过大的R f 工艺上难于实现。对电荷放大器设计时，要充分重视构成电荷放大器的运算放大器。它们应有低的偏置输入电压、低的偏流以及低的失调漂移等性能。工艺上，因为即使很小的漏电电流进入电荷放大器也会产生误差，所以，输入部分要用聚四氟乙烯支架等绝缘子进行特殊绝缘。
图中R f 阻值很大，不宜实现。可用图3-16电路实现。运算放大器A 等电路提供了直流负反馈。
图3-16电荷放大器的具体线路举例
图3-17解决大电阻直流负反馈工艺难点的一种方法
2．高、低频限
电荷放大器的高频上限主要取决于压电器件的C a 和电缆的C c 与R c ：
1
2()
H c a c f R C C π=
+ （3. 28）
由于C a 、C c 、R c 通常都很小，因此高频上限f H 可高达180kHz 。
电荷放大器的低频下限，由于A 相当大，通常（1＋A ）C f >>C ，R f /（1＋A ）< 12L f f f R C π= （3. 29） 它与电缆电容无关。由于运算放大器的时间常数R f C f 可做得很大，因此电荷放大器的低 频下限f L 可低达10-1～10-4Hz （准静态）。 §3.2.2.3 谐振电路 1．工作原理 压电谐振器的工作是以压电效应为基础的，利用压电效应可将电极的输入电压转换成振子中的机械应力(反压电效应)，反之在机械应力的作用下，振子发生变形在电极上产生输出电荷(正压电效应)。压电变换器的可逆性使我们把它视为二端网络（见图3-17），从这两端既可输入电激励信号产生机械振动，又可取出与振幅成正比的电信号。在其输入端加频率为ｆ交变电压Ｕ，把电极回路中电流Ｉ看为特征量，那么谐振器可以用与频率有关的复阻抗Z=U/I 表示。接近谐振频率时，｜Z|值最小，通过谐振器的电流最大。 对具体的压电谐振器来说，由于压电效应，只有在某些机械振动固有频率上才可以被电激励。偏离谐振频率时，激励电极回路中的电流变小，它基本上由极间电容所确定。当激励电压的频率接近于压电谐振器的某一谐振频率ｆs 时，机械振动的振幅加大，并且在该频率 上达到最大值。电极上的电荷也按比例地增加，电荷Q 的极性随输入信号的频率而改变．因此流过压电元件的是正比于机械振动动幅值的交变电流。 β ? ? ? ? ? ? -= = 00 1'K K U U K i o （3. 30） 图3-18压电自激振荡器 （a ）压电自激振荡器结构； （b ）等效电路； 为了产生不间断的等幅振荡闭环系统必须满足如下两个条件： (1)相位条件： 当开环系统的传输系数为实数时，也就是放大器和谐振器的总相移等于或整数倍于2π时，闭环回路中发生自激振荡。在这种情况下，放大器在自振频率下实现正反馈。 (2)幅值条件：振动频率满足关系10>? ? βK 。 2． 电路举例 图3-18为电容三点式压电体振荡电路，由场效应晶体管和结型晶体管构成，电容C 可在10～500pF 范围内调整。图3-19所示电路由TTL 反相器构成。图3-20所示电路将压电体的驱动与检测电极分开，电极有公共接地点，便于屏蔽。该电路适用于声表面波压电传感器。 图3-19电容三点式压电体振荡电路 图3-20由TTL逻辑电路构成的振荡电路 图3-21驱动与检测电极分开的压电振动传感电路 被检测量的变化所引起的压电元件谐振频率偏移比原频率要小得多。这时需要检测出频率偏移量，而不是总频率。图3-21中利用二极管的非线性原理的频差检测电路。低通滤波器将f1、f2、f1+f2频率成分以及倍频成分滤除，只允许|f1-f2 | 差频成分通过。 图3-22频率差检测出电路 §3.3 压电式传感器及其应用 广义地讲，凡是利用压电材料各种物理效应构成的种类繁多的传感器，都可称为压电式传感器。迄今它们在工业、军事和民用各个方面均已付诸应用。 §3.3.1 压电式加速度传感器 §3.3.1.1结构类型 目前压电加速度传感器的结构型式主要有压缩型、剪切型和复合型三种。这里介绍前两种。 1．压缩型 图3-22所示为常用的压缩型压电加速度传感器结构；压电元件选用d11和d33形式。 图3-23压缩型压电加速度传感器 （a）正装中心压缩式；（b）隔离基座压缩式； （c）倒装中心压缩式；（d）隔离预载简筒压缩式 1—壳体；2—预紧螺母；3—质量块；4—压电元件；5—基座；6—引线接头；7—预紧筒 图3-22（a）正装中心压缩式的结构特点是，质量块和弹性元件通过中心螺栓固紧在基座上形成独立的体系，以与易受非振动环境干扰的壳体分开，具有灵敏度高、性能稳定，频响好，工作可靠等优点。但基座的机械和热应变仍有影响。为此，设计出改进型如图3-22（b）所示的隔离基座压缩式，和图3-22（c）的倒装中心压缩式。图3-22（d）是一种双筒双屏蔽新颖结构，它除外壳起屏蔽作用外，内预紧套筒也起内屏蔽作用。由于预紧筒横向刚度大，大大提高了传感器的综合刚度和横向抗干扰能力，改善了特性。这种结构还在基座上设有应力槽，可起到隔离基座机械和热应变干扰的作用，不失为一种采取综合抗干扰措施的好设计，但工艺较复杂。 2．剪切型 表3-2 压缩型与剪切型压电加速度传感器性能比较 由表3-2所列压电元件的基本变形方式可知，剪切压电效应以压电陶瓷为佳，理论上不受横向应变等干扰和无热释电输出（见表3-2）。因此剪切型压电传感器多采用极化压电陶瓷作为压电转换元件。图3-23示出了几种典型的剪切型压电加速度传感器结构。图3-23（a）为中空圆柱形结构。其中柱状压电陶瓷可取两种极化方案，如图3-23（b）：一是取轴向极 化，d24为剪切压电效应，电荷从内外表面引出；一是取经向极化，d15为剪切压电效应，电荷从上下端面引出。剪切型结构简单、轻小，灵敏度高。存在的问题是压电元件作用面（结合面）需通过粘结（d24方案需用导电胶粘结），装配困难，且不耐高温和大载荷。 图3-24剪切型压电式加速度传感器结构 （a）中空柱形；（b）两种极化；（c）扁环形；（d）三角形；（e）H型 1—壳体；2—质量块；3—压电元件；4—基座；5—引线接头；6—预紧筒图3-23（c）为扁环形结构。它除上述中空圆柱形结构的优点外，还可当作垫圈一样在有限的空间使用。 图3-23（d）为三角剪切式新颖结构。三块压电片和扇形质量块呈等三角空间分布，由预紧筒固紧在三角中心柱上，取消了胶结，改善了线性和温度特性，但材料的匹配和制作工艺要求高。 图3-23（e）为H形结构。左右压电组件通过横螺栓固紧在中心立柱上。它综合了上述各种剪切式结构的优点，具有更好的静态特性，更高的信噪比和宽的高低频特性，装配也方便。 横向灵敏度是衡量横向干扰效应的指标。一只理想的单轴压电传感器，应该仅敏感其轴向的作用力，而对横向作用力不敏感。如对于压缩式压电传感器，就要求压电元件的敏感轴（电极向）与传感器轴线（受力向）完全一致。但实际的压电传感器由于压电切片、极化方向的偏差，压电片各作用面的粗糙度或各作用面的不平行，以及装配、安装不精确等种种原因，都会造成如图3-23所示的压电传感器电轴E向与力轴z向不重合。产生横向灵敏度的必要条件：一是伴随轴向作用力的同时，存在横向力；二是压电元件本身具有横向压电效应。因此，消除横向灵敏度的技术途径也相应有二：一是从设计、工艺和使用诸方面确保力与电轴的一致；二是尽量采用剪切型力－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％。 §3.3.1.2压电加速度传感器动态特性 图3-25压电加速度传感器的力学模型 我们以图3-23（b ）加速度传感器为例，并把它简化成如图3-24所示的“m －k －c ”力学 模型。其中：k 为压电器件的弹性系数，被测加速度.. a x =为输人。设质量块m 的绝对位移为x a ，质量块对壳体的相对位移y ＝x a －x 为传感器的输出。由此列出质量块的动力学方程 .. . . ()()0a a a m x c x x k x x +-+-= （3. 31） 或整理成 .. . .. m y c y ky m a m x ++=-=- （3. 32） 这是一典型的二阶系统方程，其对位移响应的传递函数、幅频和相频特性，可参阅概论篇“传感器典型环节的动态响应”内容描述。幅频特性为 ()x y A x ω= = （3. 33） 在此式中，ω= ；/c ξ=而K 则为静态灵敏度，等于静态输出与输人之比； 由静态时方程ky ＝－ma 得 2 1 n y m K a k ω= = = （3. 34） 代入式（3.33）可得系统对加速度响应的幅频特性 2 2 1 ()() a n n y A A a ωωω= = = （3. 35） 式中 ()1/n A ω=为表征二阶系统固有特性的幅频特性。 由于质量块相对振动体的位移y 即是压电器件（设压电常数为d 33）受惯性力F 作用后产生的变形，在其线性弹性范围内有F ＝ky 。由此产生的压电效应 3333Q d F d ky ==? （3. 36） 将上式代入式（3.35） HEFEI UNIVERSITY 自动检测技术报告 题目压电式传感器的应用与发展 系别 ***级自动化 班级 **班 姓名 ********************** 指导老师***** 完成时间 2011-11-28 前言：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。近年来，由于电子技术的飞速发展，随着与之配套的二次仪表以及低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现，使压电传感器的使用更为方便。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。本文重点介绍压电式传感器的工作原理，在航空发动机中的应用及发展趋势。 关键字：传感器压电效应测振 正文：压电式传感器的发展及应用压电式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。压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量。它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。 压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。正压电效应是指：当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变 时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量 与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电 效应制成的。逆压电效应是指对晶体施加交变电场引起 晶体机械变形的现象，又称电致伸缩效应。用逆压电效 应制造的变送器可用于电声和超声工程。压电敏感元件 的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、 厚度切变型、平面切变型5种基本形式（见图）。压电 晶体是各向异性的，并非所有晶体都能在这5种状态下产生压电效应。例如石英晶体就没有体积变形压电效应，但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。 压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。 压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也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。 压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电传感器的应用就非常广泛。 题目：压电式压力传感器的设计 姓名：刘福班级：3 学号：1003030321 专业：测控技术与仪器 目录 引言 第一章传感器基本原理 第二章传感器的基本要求 第三章传感器的结构设计 第四章传感器的参数计算 第五章测量电路信号处理电路 总结 参考文献 一、引言 此次压电式力传感器主要阐述了压电式力传感器的具体设计过程。 设计过程主要包括设计格式、设计要求及设计过程中有关压电式力传感器的设计，还有在整个设计过程中的有关计算、与传感器相连的测试电路。 本压电式传感器采用压缩型单项里传感器结构，利用纵向压电效应进行工作，在设计中压电材料采用石英晶体。由于安装中需施加预紧力，以保证该传感器的线性度良好，故留出一定的过载量，本设计中重点考虑了各部分的面积、刚度等参数，未讨论预紧力的选用范围，可能还存在一些其他因素，如安装误差等可以影响设计传感器的性能，属于正常范围内，使用中可忽略。 压电式传感器的设计，主要是让同学们了解传感器的设计过程，知道如何计算一些参数，如何设计尺寸，如何选择材料，把自己学到的知识熟练灵活的运用起来，活学活用，加深对传感器这门课程的认知。 第一章传感器基本原理 1、基本原理：压电效应 压电式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。常见有以下几种压电效应模型（见图1） 图1 压电效应可分正压电效应和逆压电效应。正压电效应是指：当晶体受到某固定方向外力的作用,内部就产生电极化,同时在某两个表面上产生符号相 反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。逆压电效应是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象，又称电致伸缩效应。用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、面切变型5种形式。 第三章思考题 一、选择题 1.电涡流式传感器是利用（ A ）材料的电涡流效应工作的。 A.金属导体 B.半导体 C.非金属 D. PVF 2 2.为消除压电传感器电缆分布电容变化对输出灵敏度的影响，可采用（ 3. ）。 A.电压放大器 B. 电荷放大器 C.前置放大器 3.磁电式振动速度传感器的数学模型是一个（）。 A. 一阶环节 B.二阶环节 C.比例环节 4. 磁电式振动速度传感器的测振频率应（）其固有频率。 A.远高于 B.远低于 b C.等于 5. 压电式加速度计，其压电片并联时可提高（）。 A.电压灵敏度 B.电荷灵敏度 C.电压和电荷灵敏度 6.下列传感器中（）是基于压阻效应的。 A.金属应变片 B.半导体应变片 C.压敏电阻 7.压电式振动传感器输出电压信号与输入振动的（）成正比。 A.位移 B.速度 C.加速度 8.石英晶体沿机械轴受到正应力时，则会在垂直于（）的表面上产生电荷量。 A.机械轴 B.电轴 C.光轴 9.石英晶体的压电系数比压电陶瓷的（）。 A.大得多 B.相接近 C.小得多 10.光敏晶体管的工作原理是基于（）效应。 A.外光电 B.内光电 C.光生电动势 11.一般来说，物性型的传感器，其工作频率范围（）。 A.较宽 B.较窄 C.不确定 12.金属丝应变片在测量构件的应变时，电阻的相对变化主要由（）来决定的。 A.贴片位置的温度变化 B. 电阻丝几何尺寸的变化 C.电阻丝材料的电阻率变化 13.电容式传感器中，灵敏度最高的是（）。 A.面积变化型 B.介质变化型 C.极距变化型 14.高频反射式涡流传感器是基于（）和（）的效应来实现信号的感受和变化的。 A.涡电流 B.纵向 C.横向 D.集肤 15.压电材料按一定方向放置在交变电场中，其几何尺寸将随之发生变化，这称为（）效应。 A.压电 B.压阻 C.压磁 D.逆压电 二、填空题 1.可用于实现非接触式测量的传感器有＿＿＿和＿＿＿等。 2.电阻应变片的灵敏度表达式为 / 12 / dR R S E dl l υλ ==++，对于金属应变片来说： S=＿＿＿，而对于半导体应变片来说S=＿＿＿。 3.具有＿＿＿的材料称为压电材料，常用的压电材料有＿＿＿和＿＿＿。 4.当测量较小应变值时应选用＿＿＿效应工作的应变片，而测量大应变值时应选用＿＿＿效应工作的应变片。 5.电容器的电容量0A C εε δ =，极距变化型的电容传感器其灵敏度表达式为：＿ ＿＿。 6. 极距变化型的电容传感器存在着非线性度，为了改善非线性度及提高传感器的灵敏度，通常采用＿＿＿的形式。 7.差动变压器式传感器的两个次级线圈在连接时应＿＿＿。 8.光电元件中常用的有＿＿＿、＿＿＿和＿＿＿。 9.不同的光电元件对于不同波长的光源，其灵敏度是＿＿＿。 10.发电式传感器（也称能量转换型传感器）有＿＿＿、＿＿＿等，而电参量式的传感器（也称能量控制型传感器）主要是＿＿＿、＿＿＿和＿＿＿等。 11.压电传感器在使用＿＿＿放大器时，其输出电压几乎不受电缆长度变化的影 压电式传感器的应用 一：概述 传感器是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受与检出功能, 并使之按照一定规律转换与之对应有用输出信号的元器件或装置，是新技术革命和信息社会的重要技术基础，是现代科技的开路先锋，美国早在80年代就声称世界已进入传感器时代，日本则把传感器技术列为十大技术之创立。 压电式传感器是典型的有源传感器。当压电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，军事等方面都得到了非常广泛的应用。本文就压电传感器的工作原理和应用做相关介绍。 二：基本原理 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。压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量。它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。 三：应用原理 压电式传感器的应用原理就是利用压电材料的压电效应这个特性，即当有力作用在压电元件上时，传感器就有电荷输出。由于外力作用在压电材料上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，故需要测量回路具有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，因此压电式传感器不能用于静态测量。 压电元件作为压电式传感器的核心，在受外力作用时，其受力和变形方式大 摘要 (1) 一、引言 (1) 二、压电式传感器原理 (1) 2.1压电传感器所应用的原理 (1) 2.2压电效应的产生 (2) 2.3石英晶体的压电效应 (3) 三、压电传感器在汽车上的应用 (4) 3.1压电式爆震传感器 (4) 3.1.1共振型压电式爆震传感器 (4) 3.1.2非共振型压电式传感器 (5) 3.2碰撞传感器 (6) 3.3压电式加减速传感器 (6) 四、压电式传感器的发展趋势 (7) 参考文献 (7) 压电式传感器及应用 摘要 近年来，由于电子技术的飞速发展，随着与之配套的二次仪表以及低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现，使得压电传感器在工程力学、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。本文将以压电式传感器的应用与发展为核心，首先对压电效应的原理进行介绍，紧接着是在行业、具体工程方面尤其是在汽车领域的应用以及应用的方法，最后介绍了压电式式传感器未来的发展趋势。 关键字：压电式传感器；压电效应；应用；发展 一、引言 传感器是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受与检出功能, 并使之按照一定规律转换与之对应有用输出信号的元器件或装置，是新技术革命和信息社会的重要技术基础，是现代科技的开路先锋，美国早在80年代就声称世界已进入传感器时代，日本则把传感器技术列为十大技术之创立。 压电式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。压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量。它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。 二、压电式传感器原理 2.1压电传感器所应用的原理 压电式传感器所采用的是压电效应，即，当沿着一定方向对某些物质加力而使其变形时， 第一章概述 1、传感器是指能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由直接响应被测量的敏感元件，产生可用信号输出的转换元件及相应的信号调理电路组成。 1、下列不属于按工作原理进行分类的传感器是（B ）。 A 、应变式传感器 B 、化学式传感器 C 、压电式传感器 D 、热电式传感器 第二章传感器的基本特征 1、要实现不失真测量，检测系统的幅频特性为常数，相频特性成线性关系。 2、某传感器为一阶系统，当受阶跃信号作用时，在t=0时，输出为10mv ；t →∞时，输出为100mv ；在t=5s 时，输出为50mv 。则该传感器的时间常数为7.11s 。 3、某温度传感器为时间常数τ =3s 的一阶系统。当传感器受突变温度 作用后，试求传感器指示出温度的3 1所需的时间-3ln 32。 第三章电阻式传感器 2、单位应变引起的电阻值的相对变化量称为电阻丝的灵敏系数。 3、应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器。其由在弹性元件上的粘贴电阻应变敏感元件构成，弹性元件用来________ ; __________元件用来_____________。 4、减小或消除非线性误差的方法有提高桥臂比和采用差动电桥。第二章如果将100?的应变片贴在弹性元件上，若试件截面S=0.5×104-㎡,弹性模量E=2×1011N/㎡,若由5×104N的拉力引起的应变片电阻变化为1?，试求应变片的灵敏系数。 第三章环境温度的改变会给电阻应变片的测量带来误差，即温度误差。而电桥补偿法是最有效的补偿方法。其原理如下图所示。试从被测试件不承受和承受两个方面来分析其温度误差的补偿原理。 R 1 R 3 R 2 R 4 U o R 1 R 2 (a)(b) R 1 －工作应变片 R 2 －补偿应变片 F F ~ U a b 第二章 测量误差与数据处理 1、测量数据中包含哪三种误差？它们各自的含义是什么？ 系统误差：对同一被测量进行多次重复测量时（等精度测量），绝对值和符号保持不变，或 在条件改变时，按一定规律变化的误差称为系统误差。 随机误差：对同一被测量进行多次重复测量时（等精度测量），绝对值和符号不可预知的随 机变化，但就误差的总体而言，具有一定的统计规律性的误差称为随机误差。 粗大误差：明显偏离测量结果的误差称为粗大误差，又称疏忽误差。这类误差是由于测量者 疏忽大意或环境条件的突然变化产生的。对于粗大误差，首先应设法判断是否存在，然后将其剔除。 2、对某轴直径d 的尺寸进行了15次测量，测得数据如下（单位mm ）：120.42, 120.43, 120.40, 120.42, 120.43, 120.39, 120.30, 120.40,120.43, 120.41, 120.43, 120.42, 120.39,120.39,120.40。试用格罗布斯准则判断上述数据是否含有粗大误差，并写出测量结果。 解：1）求算术平均值 2）求单次测量值的标准差估计值 3）按格罗布斯准则判别是否存在粗大误差（查书P61 表3－2） 经检查，存在 ， 故剔除120.30mm 。 4）重新求解上述各值，得： ； m m x x i i 404.12015 15 1 == ∑=- ∧ σmm 033.01 )(12 ＝--= ∑=∧ n x x n i i σmm g n g K G 080.0033.041.2)05.0,15(),(00≈?===∧ ∧ σσα)15,...,2,1(=>i K v G i mm x 41.120=- mm 016.0＝∧ σmm g n g K G 038.0016.037.2)05.0,14(),(00≈?===∧ ∧σσα 第二章习题 第三章 电阻应变式传感器 1.什么是应变效应？什么是压阻效应？利用应变效应和压阻效应解释金属电阻应变片和半导体应变片的工作原理。 2.试述应变片温度误差的概念、产生原因和补偿方法。 3.什么是直流电桥？若按不同的桥臂工作方式，可分为哪几种？各自的输出电压如何计算？ 4.拟在等截面的悬臂梁上粘贴四个完全相同的电阻应变片，并组成差动全桥电路，试问： （1）四个应变片应怎样粘贴在悬臂梁上？ （2）画出相应的电桥电路图。 5.下图为一直流应变电桥，图中E=4V ，Ω====1204321R R R R ，试求： ① R 1为金属应变片，其余为外接电阻，当R 1的增量为Ω=?2.11R 时，电桥输出电压U 0=？ ② R 1 、R 2都是应变片，且批号相同，感应应变的极性和大小都相同，其余为外接电阻，电桥输出电压U 0=？ ③ 题②中，如果R 2与R 1感受应变的极性相反，且Ω=?=?2.121R R ，电桥输出电压U 0=？ 6.等强度梁测力系统，R 1为电阻应变片，应变片灵敏系数K=2.05，未受应变时， Ω=1201R 。当试件受力F 时，应变片承受平均应变m m /800με=，试求： ①应变片电阻变化量1R ?和电阻相对变化量11/R R ?。 ②将电阻应变片R 1置于单臂测量电桥，电桥 电源电源为直流3V ，求电桥输出电压及电桥非线性误差。 ③若要减小非线性误差，应采取何种措施？分析其电桥输出电压及非线性误差大小。 7．如果试件材质为合金钢，线膨胀系数C g ??=-/10116β，电阻应变片敏感栅材质为康铜，其电阻温度系数C ??=-/10156α，线膨胀系数C g ??=-/109.146β，灵敏度K=2.05。当传感器的环境温度从10℃变化到50℃时，所引起的附加电阻相对变化量（R R /?）t 为多少？折合成附加应变t ε为多少？ 8．一个量程为10KN 的应变式测力传感器，其弹性元件为薄壁圆筒轴向受力，外径为20mm ，内径为18mm ，在其表面粘贴八个应变片，四个沿轴向粘贴，四个沿周向粘贴，应变片的电阻值均为Ω120，灵敏度为2，泊松比为0.3，材料弹性模量Pa E 11101.2?=。要求： ①绘出弹性元件贴片位置及全桥电路； ②计算传感器在满量程时，各应变片的电阻； ③当桥路的供电电压为10V ，计算电桥负载开路时的输出电压。 9. 将一个阻值为Ω120的康铜丝应变片粘贴在10#优质碳素钢杆表面，轴向受力，该试件的直径为10mm ，碳素钢的弹性模量Pa E 910200?=，由应变片组成一个单臂应变电桥，设应变片允许通过的最大电流为30mA ，求当碳素钢杆受到100N 的力时电桥最大可能的输出开路电压。 第六章压电式传感器 一、学习本课程所需的预备知识。 物理、电工基础、电子测量技术、电子线路。 二、教学提要（重难点）、课程内容、教学要求、实验指导。 1、压电传感器 压电传感器是利用某些晶体的压电效应工作的，超声波是利用逆压电效应工作的，所以压电效应是本章重点内容。同时，压电传感器使用电压、电荷放大器，故也是重点内容。 教学从晶体的压电效应入手，结合身边（电子打火机）的应用实例讲解。并且通过实验来加深理论知识，同时也掌握了压电传感器的应用。 超声波是压电效应的反向使用，要掌握超声波特性，这对于超声波传感器的使用是非常重要的。 教学建议： 由于晶体的压电效应不易理解，可以用电子打火机的原理使学生掌握晶体的压电效应。在介绍测量电路时，要使学生清楚压电传感器的实际等效电路，并且使学生知道为什么压电传感器不能用于静态测量。最后通过实验掌握传感器的应用。 2、霍尔传感器 霍尔传感器是利用半导体材料的霍尔效应实现对磁场和电流测量的，目前使用的基本是霍尔集成电路，所以霍尔效应和霍尔集成电路是本章的重点内容。教材从霍尔效应开始，介绍了霍尔效应，霍尔元件的主要参数以及霍尔集成电路。最后介绍了霍尔传感器的应用。 教学建议： 在教学中要详细介绍霍尔集成电路的相关知识，同时，要采用实验的手段，使学生对霍尔传感器的原理及应用有一个详细的掌握。实验可采用测量位移的方法，这个实验在传感器实验台上完成。 三、典型例题 1、什么叫压电效应？压电材料分为哪几种？ 答：某些晶体，当沿着一定方向受到外力作用时，内部会产生极化现象，同时在某两个表面上产生大小相等符号相反的电荷；当外力去掉后，又恢复到不带电状态；当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。这种现象叫压电效应。 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）。 2、压电效应 压电传感器的应用 摘要：传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。传感器的种类非常广泛，其中压电传感器是基于材料的压电效应而制成的器件，其有较长的发展历史。压电材料的种类由最初的压电晶体发展到压电陶瓷、进而发展到压电聚合物及其复合材料。随着物理学、材料科学与各个学科的交叉发展，压电材料被用以研制成了多种用途的传感器，被广泛应用于工程技术各领域，在测量技术中被用来测量力和加速度。 Abstract:Sensor is the main ways and means to obtain information in the field of natural and production . In modern industrial production, especially automated production process, useing a variety of sensors to monitor and control the production process of various parameters,which enable the device to work in a normal state or the best condition, and to achieve the best quality products. Types of sensors is very broad, of which the piezoelectric sensor is based on the piezoelectric effect devices made of material which has a long history of development. Types of piezoelectric material from the initial development of the piezoelectric ceramic piezoelectric crystal, and thus the development of piezoelectric polymers and their composites. With the development of cross-physics, materials science and various disciplines, piezoelectric materials are used for research into a variety of uses sensors are widely used in various 第3章压电式传感器 §3.1 压电效应及材料 §3.1.1 压电效应 §3.1.2 压电材料 §3.1.2.1 压电晶体 §3.1.2.2 压电陶瓷 §3.1.2.3 新型压电材料 §3.1.3 压电振子 §3.2 压电传感器等效电路和测量电路 §3.2.1 等效电路 §3.2.2 测量电路 §3.2.2.1 电压放大器 §3.2.2.2 电荷放大器 §3.2.2.3 谐振电路 §3.3 压电式传感器及其应用 §3.3.1 压电式加速度传感器 §3.3.1.1 结构类型 §3.3.1.2压电加速度传感器动态特性§3.3.2 压电式力传感器 §3.3.3压电角速度陀螺 §3.4 声波传感技术 §3.4.1 SAW 传感器 §3.4.1.l SAW传感器特点 §3.4.1.2 SAW传感器的结构与工作原理 §3.4.1.3 SAW振荡器 §3.4.2超声检测 §3.4.2.1超声检测的物理基础 §3.4.2.2 超声波探头 §3.4.2.3 超声波检测技术的应用 思考题 第3章压电式传感器 压电式传感器是一种能量转换型传感器。它既可以将机械能转换为电能，又可以将电能转化为机械能。压电式传感器是以具有压电效应的压电器件为核心组成的传感器。 §3.1压电效应及材料 §3.1.1 压电效应 压电效应（piezoelectric effect）是指某些介质在施加外力造成本体变形而产生带电状态或施加电场而产生变形的双向物理现象，是正压电效应和逆压电效应的总称，一般习惯上压电效应指正压电效应。当某些电介质沿一定方向受外力作用而变形时，在其一定的两个表面上产生异号电荷，当外力去除后，又恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应（positive piezodielectric effect）。其中电荷大小与外力大小成正比，极性取决于变形是压缩还是伸长，比例系数为压电常数，它与形变方向有关，在材料的确定方向上为常量。它属于将机械能转化为电能的一种效应。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。当在电介质的极化方向施加电场，某些电介质在一定方向上将产生机械变形或机械应力，当外电场撤去后，变形或应力也随之消失，这种物理现象称为逆压电效应（reverse piezodielectric effect），又称电致伸缩效应，其应变的大小与电场强度的大小成正比，方向随电场方向变化而变化。它属于将电能转化为机械能的一种效应。用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。1880-1881年，雅克（Jacques）和皮埃尔·居里（Piere Curie）发现了这两种效应。图3-1为压电效应示意图。 （a）正压电效应；（b）压电效应的可逆性 图3-1压电效应 由物理学知，一些离子型晶体的电介质（如石英、酒石酸钾钠、钛酸钡等）不仅在电场力作用下，而且在机械力作用下，都会产生极化现象。为了对压电材料的压电效应进行描述，表明材料的电学量（D、E）力学量（T、S）行为之间的量的关系，建立了压电方程。正压电效应中，外力与因极化作用而在材料表面存储的电荷量成正比。即： σ=（3. 1） D dT =或dT 式3.1中D、σ—电位移矢量、电荷密度，单位面积的电荷量，C/m2； T—应力，单位面积作用的应力，N/m2； d—正压电系数，C/N。 逆压电效应中，外电场作用下的材料应变与电场强度成正比。即： 第6章压电式传感器习题 第6章压电式传感器 1、为什么压电式传感器不能用于静态测量，只能用于动态测量中？而且是频率越高越好？ 2、什么是压电效应？试比较石英晶体和压电陶瓷的压电效应 3、设计压电式传感器检测电路的基本考虑点是什么，为什么? 4、有一压电晶体，其面积为20mm2，厚度为10mm，当受到压力P=10MPa作用时，求产生的电荷量及输出电压： (1)零度X切的纵向石英晶体； (2)利用纵向效应的BaTiO3。 解：由题意知，压电晶体受力为 F=PS=10×106×20×10-6=200(N) （1）0°X切割石英晶体，εr=4.5，d11=2.31×10-12C/N 等效电容 36120101010205.41085.8---?????==d S C r aεε=7.97×10-14 (F) 受力F产生电荷 Q=d11F=2.31×10-12×200=462×10-2(C)=462pC 输出电压()V C Q U a a3141210796.51097.710462?=??==-- （2）利用纵向效应的BaTiO3，εr=1900，d33=191×10-12C/N 等效电容361201010102019001085.8---?????==d S C r aεε =33.6×10-12(F)=33.6(pF) 受力F产生电荷 Q=d33F=191×10-12×200=38200×10-12(C)=3.82×10-8C 输出电压()V C Q U a a312810137.1106.331082.3?=??==--5、某压电晶体的电容为1000pF，k q=2.5C/cm，电缆电容C C =3000pF，示波器的输入阻抗为1MΩ和并联电容为50pF，求： (1)压电晶体的电压灵敏度足K u； (2)测量系统的高频响应； (3)如系统允许的测量幅值误差为5％，可测最低频率是多少? (4)如频率为10Hz，允许误差为5％，用并联连接方式，电容值是多大? 解：（1） cm V pF cm C C K K a q u/105.21000/5.2/9?=== （2）高频（ω→∞）时，其响应i c a q i c a m am u C C C k C C C d F U K++=++== 33()cm/V.F cm /C.8121017610 503000100052?=?++=- （3）系统的谐振频率 压电式压力传感器原理、特点及应用 压电式压力传感器的原理 压电式压力传感器的原理主要是压电效应，它是利用电气元件和其他机械把待测的压力转换成为电量，再进行相关测量工作的测量精密仪器，比如很多压力变送器和压力传感器。压电传感器不可以应用在静态的测量当中，原因是受到外力作用后的电荷，当回路有无限大 的输入抗阻的时候，才可以得以保存下来。但是实际上并不是这样的。因此压电传感器只可以应用在动态的测量当中。它主要的压电材料是：磷酸二氢胺、酒石酸钾钠和石英。而石英呢，其实是一种天然的晶体，而压电效应就是在此晶体的基础上发现的。在规定的范围里， 压电性质是不会消失，而是一直存在的。但是如果温度在这个规定的范围之外，压电性质就会彻底地消失不见。当应力发生变化的时候，电场的变化很小很小，其他的一些压电晶体就会替代石英。酒石酸钾钠，它是具有很大的压电系数和压电灵敏度的，但是，它只可以使用在室内的湿度 和温度都比较低的地方。磷酸二氢胺是一种人造晶体，它可以在很高的湿度和很高的温度的环境中使用，所以，它的应用是非常广泛的。随着技术的发展，压电效应也已经在多晶体上得到应用了。例如：压电陶瓷，铌镁酸压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷和钛酸钡压电陶瓷等等都包括在内。 压电式压力传感器的特点 以压电效应为工作原理的传感器，是机电转换式和自发电式传感器。它的敏感元件是压电的材料制作而成的，而当压电材料受到外力作用的时候，它的表面会形成电荷，电荷会通过电荷放大器、测量电路的放大以及变换阻抗以后，就会被转换成为与所受到的外力成正比关系的电量输出。 它是用来测量力以及可以转换成为力的非电物理量，例如：加速度和压力。它有很多优点：重量较轻、工作可靠、结构很简单、信噪比很高、灵敏度很高以及信频宽等等。但是它也存在着某些缺点：有部分电压材料忌潮湿，因此需要采取一系列的防潮措施，而输出电流的响应又比较差， 那就要使用电荷放大器或者高输入阻抗电路来弥补这个缺点，让仪器更好地工作。 压电式压力传感器的应用 压电式压力传感器的应用领域很广泛：电声学、生物医学和工程力学等等。它能够测量发动机里面的燃烧压力，也能够应用在军事方面。它可以测量在膛中的枪炮子弹在击发的那一刻，膛压的改变量以及炮口所受到的冲击波压力。它能够测量很小的压力，也能够测量大 的压力。由于它的使用寿命很长、重量较轻、体积较小、结构较简单，因此它所涉及的领域远远不止这些。在对建筑物、桥、汽车和飞机等的冲击和震动的测量，也是非常广泛的。特别是在宇航和航空的领域 《传感器原理与应用》习题集与部分参考答案 教材:传感器技术(第 3版贾伯年主编,及其他参考书 第 6章压电式传感器 6-1 何谓压电效应?何谓纵向压电效应和横向压电效应? 答:一些离子型晶体的电介质不仅在电场力作用下,而且在机械力作用下,都会产生极化现象。且其电位移 D(在 MKS 单位制中即电荷密度σ 与外应力张量 T 成正比: D = dT 式中 d —压电常数矩阵。当外力消失,电介质又恢复不带电原状;当外力变向,电荷极性随之而变。这种现象称为正压电效应,或简称压电效应。 若对上述电介质施加电场作用时,同样会引起电介质内部正负电荷中心的相对位移而导致电介质产生变形,且其应变 S 与外电场强度 E 成正比: S=dt E 式中 d t ——逆压电常数矩阵。这种现象称为逆压电效应,或称电致伸缩。 6-2 压电材料的主要特性参数有哪些?试比较三类压电材料的应用特点。 答:主要特性:压电常数、弹性常数、介电常数、机电耦合系数、电阻、居里点。 压电单晶:时间稳定性好,居里点高,在高温、强辐射条件下,仍具有良好的压电性,且机械性能,如机电耦合系数、介电常数、频率常数等均保持不变。此外, 还在光电、微声和激光等器件方面都有重要应用。不足之处是质地脆、抗机械和热冲击性差。 压电陶瓷:压电常数大,灵敏度高,制造工艺成熟,成形工艺性好,成本低廉,利于广泛应用,还具有热释电性。 新型压电材料:既具有压电特性又具有半导体特性。因此既可用其压电性研制传感器,又可用其半导体特性制作电子器件;也可以两者合一,集元件与线路于一体, 研制成新型集成压电传感器测试系统。 6-3 试述石英晶片切型(??+45/50yxlt 的含意。 6-4 为了提高压电式传感器的灵敏度, 设计中常采用双晶片或多晶片组合, 试说明其组合的方式和适用场合。 答:(1并联:C ′=2C , q ′ =2q,U′ =U,因为输出电容大,输出电荷大,所以时间常数,适合于测量缓变信号,且以电荷作为输出的场合。 (2串联:q′ =q,U′ =U,C′ =C/2, 特点:输出电压大,本身电容小,适合于以电压作为输出信号,且测量电路输出阻抗很高的场合。 6-5 欲设计图 6-20所示三向压电加速度传感器, 用来测量 x 、 y 、 z 三正交方向的加速度, 拟选用三组双晶片组合 BaTiO 3压电陶瓷作压电组件。试问:应选用何种切型的晶片?又如何合理组合?并用图示意。 6-6 原理上, 压电式传感器不能用于静态测量, 但实用中, 压电式传感器可能用来测量准静态量, 为什么? 答:压电式测力传感器是利用压电元件直接实现力 -电转换的传感器,在拉力、压力和力矩测量场合, 通常较多采用双片或多片石英晶片作压电元件。由于它刚度大,动态特性好;测量范围广,可测范围大;线性及稳定性高;可测单、多向力。当采用大时间常数的电荷放大器时,就可测准静态力。 设计任务书 一、题目：压电式力传感器的设计 二、设计要求： 1.小型低频的单向力传感器 2.最大测力为400千克 3.压电材料采用石英晶体 三、设计成果要求： 1.设计说明书一份 2.设计参数合理，设计步骤完整。结果标准，论述充分，思路清楚，有条理， 给出相应的参考文献。 设计摘要 此次压电式力传感器设计说明书是按照长春理工大学材料科学与工程学院2010年教学计划的要求设计编写的，其中主要阐述了压电式力传感器的具体设计过程。 设计过程主要包括设计格式、设计要求及设计过程中有关压电式力传感器的设计，还有在整个设计过程中的有关计算、与传感器相连的测试电路。 本压电式传感器采用压缩型单项里传感器结构，利用纵向压电效应进行工作，在设计中压电材料采用石英晶体。由于安装中需施加预紧力，以保证该传感器的线性度良好，故留出一定的过载量，本设计中重点考虑了各部分的面积、刚度等参数，未讨论预紧力的选用范围，可能还存在一些其他因素，如安装误差等可以影响设计传感器的性能，属于正常范围内，使用中可忽略。 目录 引言 (1) 第一章传感器的结构设计 (2) 第二章传感器的参数计算 (3) 第三章测量电路 (6) 总结 (7) 参考文献 (8) 引言 压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业，在工业中有着不可少的作用。压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电传感器的应用就非常广泛。 传感器原理与应用作为一门课程，我们在认真学好理论课程的同时，还要与实际结合起来，只有这样才能对压电式传感器的使用有更好的理解。 通过对传感器的设计来加深对理论课程的理解，这是学院要求我们进行课程设计的目的。做到理论联系实际，从而学会正确分析传感器使用过程中出现的问题，不断总结经验，进而用来来指导实践，这样我们才能将学好的知识得到很好的应用。也为我们日后再该领域的进一步研究打下坚实的基础。 第三章 常用传感器 （一）填空题 1、 属于能量控制型的传感器有 等，属于能量转换型的传感器有 等（每个至少举例两个）。 2、 金属电阻应变片与半导体应变片的物理基础的区别在于：前者利用 引起的电阻变化，后者利用 变化引起的电阻变化。 3、 为了提高变极距电容式传感器的灵敏度、线性度及减小外部条件变化对测量精度的影响，实际应用时常常采用 工作方式。 4、 压电式传感器的测量电路（即前置放大器）有两种形式： 放大器和 放大器，后接 放大器时，可不受连接电缆长度的限制。 5、 涡流式传感器的变换原理是利用了金属导体在交流磁场中的 效应。 6、 磁电式速度计的灵敏度单位是 。 7、 压电式传感器是利用某些物质的 而工作的。 （二）选择题 1、 电阻应变片的输入为 。 （1）力 （2） 应变 （3）速度 （4）加速度 2、 结构型传感器是依靠 的变化实现信号变换的。 （1）本身物理性质 （2）体积大小 （3）结构参数 （4）电阻值 3、 不能用涡流式传感器进行测量的是 。 （1）位移 （2）材质鉴别 （3）探伤 （4）非金属材料 4、 变极距面积型电容传感器的输出与输入，成 关系。 （1）非线性 （2）线性 （3）反比 （4）平方 5、 半导体式应变片在外力作用下引起其电阻变化的因素主要是 。 （1）长度 （2）截面积 （3）电阻率 （4）高通 6、 压电式传感器输出电缆长度的变化，将会引起传感器的 产生变化。 （1）固有频率 （2）阻尼比 （3）灵敏度 （4）压电常数 7、 在测量位移的传感器中，符合非接触测量，而且不受油污等介质影响的是 传感器。 （1）电容式 （2）压电式 （3）电阻式 （4）电涡流式 8、 自感型可变磁阻式传感器，当气隙δ变化时，其灵敏度S 与δ之间的关系是：S ＝ 。 （1）δ1 k （2）δk （3）2-δk （4）2--δk 9、 光电倍增管是利用 效应制成的器件。 （1）内光电 （2）外光电 （3）光生伏特 （4）阻挡层 （三）判断对错题（用√或×表示） 1、 滑线变阻器式传感器不适于微小位移量测量。（ ） 2、 涡流式传感器属于能量控制型传感器（ ） 3、 压电加速度计的灵敏度越高，其工作频率越宽。（ ） 4、 磁电式速度拾振器的上限工作频率取决于其固有频率。（ ） 硕士研究生课程 《智能传感器技术》（考查） 自选课题 题目：压电式传感器的国内外现状与发展趋势学院：自动化工程学院 年级专业： 姓名： 任课教师： 2011年5月20 日 压电式传感器的国内外现状及发展趋势The Current Situation and Tendency of Piezoelectric Sensor at Home and Aboard 摘要 压电式传感器是一种典型的自发电式传感器。它具有灵敏度高、使用频带宽、信噪比高、结构简量轻、工作可靠等优点。压电式传感器正不断地向智能化发展。 文章首先介绍了压电传感器的理论基础即压电效应，压电材料，压电方程以及压电传感器的等效电路。接着又介绍了两种压电式传感器。一是PDVF压电式传感即由一种新型压电材料PDVF薄膜制作的传感器，分别阐述了PDVF薄膜的优点，压电特性，用其制作的正余弦压电式传感器以及PDVF压电式传感器测量振动梁的物理量的工作原理。二是IEPE压电加速传感器，包括加速传感器的优点，工作原理以及其在振动压路机振动测试中的应用。 关键词：压电式传感；IEPE加速计；加速度传感器；PDVF压电模 Abstract The piezoelectric sensor is a kind of typically spontaneous electricity sensor. It has the advantages of high sensitivity, wide frequency band, high signal-to-noise ratio, simple in structure, and reliable lightweight etc. And the piezoelectric sensors are constantly to intelligent development. This paper introduces the basic theory of piezoelectric sensors which are piezoelectric effect, piezoelectric materials, piezoelectric equation and piezoelectric sensor equivalent circuit. Then it introduces two kinds of piezoelectric sensors. One is PDVF piezoelectric sensor which is made by a new type of piezoelectric materials. It respectively explains the advantages of PDVF film, piezoelectric properties, cosine and sine PDVF piezoelectric sensor and the use of measuring vibrates beam. Another is IEPE piezoelectric sensor, including acceleration sensor accelerated the advantages, working principle and the application of vibration compacting roller test. Keywords：piezoelectric sensor, IEPE acceleration, acceleration sensor, PDVF film压电式传感器的发展与应用
压电式压力传感器(带信号放大解调滤波电路)
第三章习题
压电传感器课程设计
压电式传感器
传感器(1)
传感器作业答案..
传感器课后习题
第六章压电式传感器
压电传感器的应用
第三章 压电式传感器_改
第6章 压电式传感器习题
压电式压力传感器原理
传感器原理与应用习题_第6章压电式传感器重点
压电式力传感器的设计
第三章常用感器
压电式传感器的国内外现状及发展趋势