传感器与检测技术第8章压电式传感器及应用
第8章超声波传感器原理及应用
次声波
声波
超声波
微波
音乐 语言
0.25 10探6 测 20106
101 102 103 104 105 106
107 Hz
当超声波由一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介质中 传播速度不同，在介质界面上会产生反射、折射和波型转换等现象。
8.1.1 波形及其转换
1.超声波波形 由于声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同，超
2）散射衰减
超声波在介质中传播时，固体介质中颗粒界面或流体介质中悬 浮粒子使声波产生散射，一部分声能不再沿原来传播方向运动，而 形成散射。散射衰减与散射粒子的形状、尺寸、数量、介质的性质 和散射粒子的性质有关。
3）吸收衰减
由于介质粘滞性，使超声波在介质中传播时造成质点间的内摩 擦，从而使一部分声能转换为热能，通过热传导进行热交换，导致 声能的损耗。
390k
- R2
A1
LM660
C3 39k 100pF R3
390k
- R4
A2
LM660
100k R5
100k R6
- VD1
A3
LM660
1.6k
VD2
R7
0.01 F
100K
CR58
1M
R9
-
A4
LM660
Uo
5V
R10
10k
RP R12
10k 10k
电路由成运算放大器LMC660构成，接收超声波传感器由 MA40A5R构成。
E1
G1
c横
2(1 )
2 c纵波
c表面 0.9
G
0.9c横
E — 杨氏模量
— 泊松比；
传感器原理及工程应用习题参考答案
《传感器原理及工程应用》习题答案第1章 传感与检测技术的理论基础（P26）1—1：测量的定义？答：测量是以确定被测量的值或获取测量结果为目的的一系列操作。
所以, 测量也就是将被测量与同种性质的标准量进行比较， 确定被测量对标准量的倍数。
1—2：什么是测量值的绝对误差、相对误差、引用误差？1－3 用测量范围为－50～150kPa 的压力传感器测量140kPa 的压力时，传感器测得示值为142kPa ，求该示值的绝对误差、实际相对误差、标称相对误差和引用误差。
解：已知： 真值L ＝140kPa 测量值x ＝142kPa 测量上限＝150kPa 测量下限＝－50kPa∴ 绝对误差 Δ＝x-L=142-140=2(kPa)实际相对误差 ％＝＝43.11402≈∆L δ标称相对误差 ％＝＝41.11422≈∆x δ引用误差％－－＝测量上限－测量下限＝1)50(1502≈∆γ1－10对某节流元件（孔板）开孔直径d 20的尺寸进行了15次测量，测量数据如下（单答：绝对误差是测量结果与真值之差, 即: 绝对误差=测量值—真值相对误差是绝对误差与被测量真值之比,常用绝对误差与测量值之比,以百分数表示 , 即: 相对误差=绝对误差/测量值 ×100%引用误差是绝对误差与量程之比,以百分数表示, 即: 引用误差=绝对误差/量程 ×100%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试用格拉布斯准则判断上述数据是否含有粗大误差，并写出其测量结果。
解：则 2072.410.03270.0788()0.104d G mm v σ=⨯=<=-，所以7d 为粗大误差数据，应当剔除。
然后重新计算平均值和标准偏差。
当n ＝14时，若取置信概率P ＝0.95，查表可得格拉布斯系数G ＝2.37。
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22
重复性
图1-4所示为校正曲线的重复特性。
正行程的最大重复性偏差为△Rmax1, 反行程的最大重复 性偏差为△Rmax2，重复性误差取这两个最大偏差中之较 大者为△Rmax，再以满量程输出的百分数表示，即
rR
Rmax yFS
100%
（1-15）
式中 △Rmax----输出最大不重复误差。
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现代人们的日常生活中，也愈来愈离不开检测技术。例 如现代化起居室中的温度、湿度、亮度、空气新鲜度、防火、 防盗和防尘等的测试控制，以及由有视觉、听觉、嗅觉、触 觉和味觉等感觉器官，并有思维能力机器人来参与各种家庭 事务管理和劳动等，都需要各种检测技术。
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34
自动检测系统的基本组成
自动检测系统是自动测量、自动资料、自动保护、自动 诊断、自动信号处理等诸系统的总称，基本组成如图1-7。
图1-10 微差法测量稳压电源输出电压的微小变化
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44
误差处理 主要内容
• 一、误差与精确处理 • 二、测量数据的统计处理 • 三、间接测量中误差的传递 • 四、有效数字及其计算法则
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45
误差与精确处理
主要内容
(1)绝对误差与相对误差 (2)系统误差、偶然误差和疏失误差 (3)基本误差和附加误差 (4)常见的系统误差及降低其对测量结果影响的方法
（1-17）
由于种种原因，会引起灵敏度变化，产生灵敏度误差。灵 敏度误差用相对误差来表示
k10% 0 sk
（1-18）
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分辨率
分辨率是指传感器能检测到的最小的输入增量。 分辨率可用绝对值表示，也可以用满量程的百分比表 示。
传感器与检测技术习题解答
传感器与检测技术（胡向东，第2版）习题解答王涛第1章概述什么是传感器？答：传感器是能够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和装置，通常由敏感元件和转换元件组成。
传感器的共性是什么？答：传感器的共性就是利用物理定律或物质的物理、化学或生物特性，将非电量（如位移、速度、加速度、力等）输入转换成电量（电压、电流、频率、电荷、电容、电阻等）输出。
传感器一般由哪几部分组成？答：传感器的基本组成分为敏感元件和转换元件两部分，分别完成检测和转换两个基本功能。
另外还需要信号调理与转换电路，辅助电源。
传感器是如何分类的？答：传感器可按输入量、输出量、工作原理、基本效应、能量变换关系以及所蕴含的技术特征等分类，其中按输入量和工作原理的分类方式应用较为普遍。
①按传感器的输入量（即被测参数）进行分类按输入量分类的传感器以被测物理量命名，如位移传感器、速度传感器、温度传感器、湿度传感器、压力传感器等。
②按传感器的工作原理进行分类根据传感器的工作原理（物理定律、物理效应、半导体理论、化学原理等），可以分为电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、压电式传感器、磁敏式传感器、热电式传感器、光电式传感器等。
③按传感器的基本效应进行分类根据传感器敏感元件所蕴含的基本效应，可以将传感器分为物理传感器、化学传感器和生物传感器。
改善传感器性能的技术途径有哪些？答：①差动技术；②平均技术；③补偿与修正技术；④屏蔽、隔离与干扰抑制；⑤稳定性处理。
第2章传感器的基本特性什么是传感器的静态特性？描述传感器静态特性的主要指标有哪些？答：传感器的静态特性是它在稳态信号作用下的输入、输出关系。
静态特性所描述的传感器的输入-输出关系中不含时间变量。
衡量传感器静态特性的主要指标是线性度、灵敏度、分辨率、迟滞、重复性和漂移。
利用压力传感器所得测试数据如下表所示，计算非线性误差、迟滞和重复性误差。
设压力解：①求非线性误差，首先要求实际特性曲线与拟合直线之间的最大误差，拟合直线在输入量变化不大的条件下，可以用切线或割线拟合、过零旋转拟合、端点平移拟合等来近似地代表实际曲线的一段（多数情况下是用最小二乘法来求出拟合直线）。
传感器与检测技术课程标准
《传感器与检测技术》课程原则课程编码：01060404 课程类别：专业理论课程课时：68 ` 学分：6合用专业：电气自动化技术开课学期：第三学期开课单位：信息工程学院撰写人：电气自动化教研室一、课程定位和设计思绪（一）课程定位《传感器与检测技术》是电子类各专业一门重要旳职业技术必修课，学生通过本大纲所规定旳所有教学内容旳学习，可以获得误差理论、传感器、自动检测工程应用方面旳基本知识。
（二）设计思绪1、按岗位所需能力设定培养目旳2、按课程培养目旳安排理论教学二、课程目旳（一）课程总目旳作为是电子类各专业一门重要旳职业技术必修书本，课程《传感器与检测技术》旳任务是简介传感器与检测技术综合应用，培养学生旳综合技术应用能力，使学生掌握检测系统旳设计和分析措施，可以根据工程需要选用合适旳传感器，使学生走上工作岗位后能更好地提高研发、系统构成等方面旳能力。
（二）详细目旳根据对教材内容、教学大纲及学生自身认知水平旳分析，教学目旳从知识目旳、能力目旳和素质目旳三个方面来分析。
1、知识目旳①掌握传感器旳基本概念、特性等；②理解传感器旳分类；③掌握传感器与检测技术旳目旳和意义。
2、能力目旳①掌握检测系统旳设计和分析措施，可以根据工程需要选用合适旳传感器；②理解各类别传感器旳工作原理，掌握其性能特点，理解其应用；③良好旳编程思绪和风格。
3、素质目旳①具有综合技术应用能力；②培养严谨踏实旳作风，训练自己旳逻辑思维；③锻炼自己分析问题、处理问题旳能力。
三、课程内容、规定及课时安排（一）课程内容及规定（二）课程课时安排四、实行提议（一）选用教材宋雪臣.《传感器与检测技术》. 人民邮电出版社（二）教学措施贯彻“以学生为中心”旳教学理念，采用课堂教学、多媒体教学、案例导入、任务驱动、讲练结合和分组讨论旳教学措施（三）教学评价1．教学是足于加强学生实际操作能力旳培养，采用项目教学，以工作任务引领提高学生学习爱好，激发学生旳成就动机。
传感器技术 传感器与检测技术 PPT课件
本课程的性质及适应对象
本课程为电子信息工程专业选修课程。
本科教学计划安排
章次
内容
1 绪论
2 电阻式传感器原理与应用
3 变阻抗式传感器原理与应用
4 光电式传感器原理与应用
基础知识
定义、分类 发展趋势 选用原则 一般特性
检测电路 现代检测系统
传感器原理 检测技术
参考网站
[1]传感器课程 [2]仪表技术与传感器 [3]传感器世界 [4]中国传感器 [5]传感器技术 [6]21IC中国电子网 [7]传感技术学报网
[8]传感器资讯网
参考文献
1．王化祥,张淑英.传感器原理及应用（第3版）[M].天津:天津 大学出版社, 2007
2．杨万海.多传感器数据融合及其应用[M].西安:西安电子科技 大学出版社,2004
思考题与习题
第7章 流量检测
7.1 流量的基本概念 7.2 差压式流量计 7.3 电磁流量计 7.4 涡轮流量计 7.5 涡街流量计 7.6 超声流量计 7.7 质量流量计
思考题与习题
第8章 成分检测
8.1 概述 8.2 热导式气体分析仪 8.3 磁性氧量分析仪 8.4 氧化锆氧量分析仪 8.5 红外气体分析仪 8.6感器概述 1.3 测量误差与数据处理 1.4 传感器的一般特性 1.5 传感器的标定和校准
思考题与习题
第2章电阻式传感器原理与应用
2.1 应变式传感器 2.2 电阻式传感器
思考题与习题
第3章 变阻抗式传感器原理与应用
传感器与检测技术复习参考
《传感器与现代检测技术》复习参考前言知识点第一章概论1、检测的定义2、传感器的定义、组成、分类传感器(狭义):能感应被测量的变化并将其转换为其他物理量变化的器件.传感器(广义):是信号检出器件和信号处理部分的总称.传感器的分类：按测量的性质划分:位移传感器,压力传感器,温度传感器等.按工作的原理划分:电阻应变式,电感式,电容式,压电式,磁电式传感器等.按测量的转换特征划分:结构型传感器和物性型传感器.按能量传递的方式划分:能量控制型传感器和能量转换型传感器.3、检测系统的静、动态性能指标静态特性可用下列多项式代数方程表示：y=a0+a1x+a2x2+a3x3+…+a n x n式中：y—输出量；x—输入量；a0—零点输出；a1—理论灵敏度；a2、a3、… 、an—非线性项系数。
1）线性度：指输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程度,又叫非线性误差.2）灵敏度：指传感器的输出量增量与引起输出量增量的输入量的比值.3）迟滞：指传感器在正向行程和反向行程期间,输出-输入曲线不重合的现象.4）重复性：指传感器在输入量按同一方向做全量程多次测试时,所得特性曲线不一致性的程度.5）分辨率：指传感器在规定测量范围内所能检测输入量的最小变化量.6）稳定性：指传感器在室温条件下,经过相当长的时间间隔,传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异.7）漂移：指传感器在外界的干扰下,输出量发生与输入量无关的变化,包括零点漂移和灵敏度漂移等.4、传感器的动态特性1）瞬态响应法2）频率响应法第二章常用传感器1、电阻式传感器（1）基本原理：将被测物理量的变化转换成电阻值的变化，再经相应的测量电路显示或记录被测量值的变化。
（2）电阻应变片结构（3）应变效应电阻应变片满足线性关系：，S即为应变片灵敏系数，或用K表示，K=1+2μ。
半导体应变片满足： （4）测量电路A ．直流电桥 （电桥形式（单臂、双臂、全桥）、输出电压表达式、电压灵敏度、应变片的位置安放）见课后习题P242 3.5 B ．交流电桥（5）温度误差原因及补偿方法2、 电容式传感器（1） 结构、原理 （2） 类型：变极距型：非线性误差大，适用于微小位移量测量变极板面积型：面积变化型电容传感器的优点是输出与输入成线性关系，但与极板变化型相比，灵敏度较低，适用于较大角位移及直线位移的测量。
《传感技术与应用》课程标准
《传感技术与应用》课程标准一、课程基本信息二、课程的性质、目的和任务1.课程性质本课程是电子信息工程技术（物联网）专业的职业能力核心课程之一，具有自身的体系和很强的实践性。
它是相关专业学生分析、运行、安装和维护实际检测系统的基础,是职业岗位知识、能力、素质培养的重要支撑技术课程。
2.目的和任务本课程主要面向电子设备管理，仪器维护岗位，本课程的任务是通过课堂理论学习和实际操作训练，使学生掌握一线高级技术人员所必需的传感器与检测技术的应用知识，并能结合计算机控制技术中的传感器与控制技术的应用，掌握检测的理论依据和检测设备的结构、工作原理、使用与维护方法的知识和技能。
使学生能够在电子领域设计和应用传感器。
同时具备有较强的工作岗位适应能力、分析和解决实际问题的能力以及创新意识和良好的职业道德。
三、课程教学的基本要求四、课程的教学重点和难点、学时分配教学重点：检测技术基本知识，各种常见传感器一般结构及基本工作原理等内容教学难点：各种常见传感器的功能及应用电路的分析和设计方法课程学时分配一览表五、相关课程的衔接本课程是一门的综合性课程，需要有一定的电子基础知识和专业知识。
其前导课程主要是《电子技术》、《电子技术应用与实践》《电子信息工程技术导论》，后续课程主要有《单片机技术与应用》、《电子设计与制图》，本课程具有承上启下的作用。
六、实验教学七、其它学生成绩包括平时成绩和期末考试成绩，其中，平时成绩占30%，期末考核占70%。
成绩考核方法分为过程考核和理论考核两种。
平时成绩为过程考核，包括出勤表现5%、课堂提问5%、实践操作10%、实践报告10%，实训成绩由主讲教师和实训教师根据学生在实训过程中的表现进行现场评价，力求科学全面地评价学生的综合素质。
主要考核学生的实践动手能力、团队协作精神、服从意识等。
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石英晶体振荡器（晶振）
晶振
石英晶体在振荡电 路中工作时，压电效应 与逆压电效应交替作用， 从而产生稳定的振荡输 出频率。
17
压电陶瓷外形
18
高分子压电薄膜及拉制
19
高分子压电材料制作的压电薄膜和电
缆
20
可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚 板
21
压电式脚踏报警器
22
8.2压电式传感器测量 电路 8.2.1 压电式传感器的等效电路
4
压电效应可逆性
5
2.压电效应原理
具有压电效应的物质很多，如石英晶体、压电陶瓷、高分 子压电材料等 石英晶体是一种应用广泛的压电晶体。它是二氧化硅单晶 体，属于六角晶系。它为规则的六角棱柱体。石英晶体有 3个晶轴：x轴、y轴和z轴。 z轴又称光轴，它与晶体的纵轴线方向一致：x轴又称电 轴，它通过六面体相对的两个棱线并垂直于光轴：y轴又 称为机械轴，它垂直于两个相对的晶柱棱面。
12
2.常用压电材料
石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良 的压电材料。 应用于压电式传感器中的压电元件材料一般有3 类：压电晶体、经过极化处理的压电陶瓷、高分 子压电材料。
13
石英晶体
天然形成的石英晶体外形
14
天然形成的石英晶体外形（续）
15
石英晶体切片及封装
石英晶体薄片
双面镀银并封装
将压电晶片产生电荷的两个晶面封装上金属电极 后，就构成了压电元件。当压电元件受力时，就 会在两个电极上产生电荷，因此，压电元件相当 于一个电荷源；两个电极之间是绝缘的压电介质， 因此它又相当于一个以压电材料为介质的电容器， 其电容值为 Ca = εRε0A/δ
23
压电元件的等效电路
压电元件等效为一个与电容相并联的电荷源，也 可以等效为一个与电容相串联的电压源，
31
压电元件的串联和并联 接法
32
压电晶片并联可以增大输出电荷，提高灵敏度。 具体使用时，两片晶片上必须有一定的预紧力， 以保证压电元件在工作时始终受到压力，同时可 以消除两压电晶片之间因接触不良而引起的非线 性误差，保证输出与输入作用力之间的线性关系。 但是这个预紧力不能太大，否则将影响其灵敏度。
1—正电荷等效中心 2—负电荷等效中心
9
分析说明
（1）在无外力作用时 （2）当晶体沿电轴（x轴）方向受到压力时，晶 格产生变形 （3）同样，当晶体的机械轴（y轴）方向受到压 力时，也会产生晶格变形 （4）当晶体的光轴（z轴）方向受到受力时，由 于晶格的变形不会引起正负电荷中心的分离，所 以不会产生压电效应。
10
结论
沿机械轴方向的力作用在晶体上时，产生的电荷 与晶体切面的几何尺寸有关，式中的负号说明沿 机械轴的压力引起的电荷极性与沿电轴的压力引 起的电荷极性恰好相反。
11
8.1.2 压电材料 1．压电材料的主要特性参数
（1）压电常数 （2）弹性常数 （3）介电常数 （4）机械耦合系数 （5）绝缘电阻 （6）居里点
2
主要章节
8.1压电效应及压电材料 8.2压电式传感器测量电路 8.3压电式传感器的应用
3
8.1压电效应及压电材料
8.1.1 压电效应
1．压电效应的概念 某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，其 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，其又重新恢复到不带电状态， 这种现象称压电效应。相反，当在电介质极化方向施加电 场，这些电介质也会产生变形，这种现象称为“逆压电效 应”（电致伸缩效应）。
6
石英晶体及切片
7
石英晶体的压电效应与其内部结构有关，产生极 化现象的机理可说明。 石英晶体的化学式为SiO2，它的每个晶胞中有3 个硅离子和6个氧离子，一个硅离子和两个氧离 子交替排列（氧离子是成队出现的）。 沿光轴看去，可以等效地认为正六边形排列结构。
8
石英晶体的压电效应机 理
24
压电元件实际的等效电 路图
压电式传感器不能用于静态测量。压电元件只有 在交变力的作用下，电荷才能源源不断地产生， 可以供给测量回路以一定的电流，故只适用于动 态测量。
25
8.2.2 压电式传感器测 量电路
压电式传感器的内阻很高，要求与高输入阻抗的 前置放大电路配合，与一般的放大、检波、显示、 记录电路连接，防止电荷的迅速泄漏而使测量误 差减少。 压电式传感器的前置放大器的作用有两个：一是 把传感器的高阻抗输出变为低阻抗输出；二是把 传感器的微弱信号进行放大。
电荷放大器原理图
28
结论
电荷放大器的输出电压仅与输入电荷和反馈电容 有关，电缆电容等其他因素的影响可以忽略不计。
29
2.电压放大器（阻抗变 换器）
串联输出型压电元件可以等效为电压源，但由于 压电效应引起的电容量很小，因而其电压源等效 内阻很大，在接成电压输出型测量电路时，要求 前置放大器不仅有足够的放大倍数，而且应具有 很高的输入阻抗
第8章压电式传感器及应用
2017/7/2
1
引言
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。
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输出信号
根据压电式传感器的工作原理及等效电路，它的 输出可以是电荷信号，也可以是电压信号，因此 与之配套的前置放大器也有电荷放大器和电压放 大器两种形式。 由于电压前置放大器的输出电压与电缆电容有关， 故目前多采用电荷放大器。
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1.电荷放大器
并联输出型压电元件可以等效为电荷源。电荷放 大器实际上是一个具有反馈电容Cf的高增益运算 放大器电路
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8.3压电式传感器的应用 8.3.1 压电传感器的基本结构
在压电式传感器中，为了提高灵敏度，往往采用多片压电 晶片粘结在一起。其中最常用的是两片结构。由于压电元 件上的电荷是有极性的，因此接法有串联和并联两种 串联接法输出电压高，本身电容小，适用于以电压为输出 量及测量电路输入阻抗很高的场合；并联接法输出电荷大， 本身电容大，因此时间常数也大，适用于测量缓变信号， 并以电荷量作为输出的场合。