压电式加速度传感器原理及应用电路
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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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
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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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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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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。
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。
8 传感器实验-加速度传感器
传感器实验压电式加速度传感器具有动态范围大、频率范围宽、坚固耐用、受外界干扰小以及压电材料受力自产生电荷信号不需要任何外界电源等特点，是被最为广泛使用的振动测量传感器。
虽然压电式加速度传感器的结构简单，商业化使用历史也很长，但因其性能指标与材料特性、设计和加工工艺密切相关，因此在市场上销售的同类传感器性能的实际参数以及其稳定性和一致性差别非常大。
与压阻和电容式相比，其最大的缺点是压电式加速度传感器不能测量零频率的信号。
加速度传感器知识准备1 以上知识点，可参阅<M M A 7660.P D F >讯方公司 传感器实验通过本实验了解加速度传感器的硬件电路和工作原理1．编写一个读取加速度传感器输出信号的程序2． 将X 、Y 、Z 三个轴的加速度值分别做简单的处理显示1． 硬件部分（1） 采集节点一个（2）J-Link 仿真器一个 （3） 显示终端一台 （4） 加速度传感器一个2． 软件部分Keil μVision4 开发环境，J-Link 驱动程序1． 加速度传感器工作原理电路中用到，加速度传感器电路、信号放大电路、单片机系统、状态显示系统构成。
其基本工作原理：经过信号放大电路，加速度传感器电路将感受到X 、Y 、Z 三个轴加速度以数字形式输出至单片机系统, 由状态显示系统进行显示。
加速度传感器工作框图如图5-1：图5-1 电路工作框图2.加速度传感器的硬件电路图电路中，加速度传感器电路如图5-2。
图5-2 加速度传感器原理图3.工作模式:mma7660主要有三种工作模式.(通过设置MODE寄存器)1).Standby(待机)模式此时只有I2C工作,接收主机来的指令. 该模式用来设置寄存器. 也就是说, 要想改变mma7660的任何一个寄存器的值,必须先进入Standby模式. 设置完成后再进入Active或Auto-Sleep模式.2).Active and Auto-Sleep (活动并且Auto-Sleep) 模式mma7660的工作状态分两种, 一种是高频度采样, 一种是低频度采样. 为什么这样分呢, 为了节省功耗,但是在活动时又保持足够的灵敏度. 所以说mma7660的Active模式其实又分两种模式,一种是纯粹的Active模式, 即进了Active模式后一直保持高的采样频率,不变. 还有一种是Active & Auto-Sleep模式, 就是说系统激活后先进入高频率采样,经过一定时间后,如果没检测到有活动,它就进入低频率采样 ,所以就叫做Auto-Sleep, Sleep并不是真的Sleep , 只是说降低采样频率.低频率采样模式又叫Auto-Wake摸式, 即自动唤醒模式.它不是睡眠模式, 它只是降低采样频率.3). Auto-Wake (自动唤醒) 模式Auto-Sleep后就进入低频率采样模式,这种模式就叫做Auto-Wake摸式, 即自动唤醒模式.它不是睡眠模式, 它只是降低采样频率.讯方公司传感器实验6 实验步骤实验基本步骤如下：1．启动Keil μVision4，新建一个项目工程Bank，添加常用组，并添加相应库函数；2．在user文件中建立main.c,SystemInit.c,PublicFuc.c文件；3．新建一个组sensor，在sensor中编写读取加速度传感器数值变化的代码；4．编译链接工程，并生成hex 文件，所有文件如下图6-1所示：图6-1 文件示意图5．将加速度传感器接到传感器接口1；图 6-2 加速度传感器6．将J-Link仿真器、ZigBee路由器接入传感器采集节点,仿真器USB 接口连入PC 机，插好电源，并打开开发实验箱上的电源开关，如图6-3：图6-3 硬件连接示意图7． 将ZigBee 协调器接入智能网关，插好电源，并打开电源启动智能网关系统，运行传感器实验显示程序；图6-4 传感器实验显示程序电源开关电源传感器接口1传感器接口2传感器接口3J-LINK 接口ZigBee_DEBUG复位 节点按键 拨码开关 ZigBee 按键 红外发射天线指示灯ZigBee 复位讯方公司 传感器实验图6-5 智能网关连接示意图8． 选择【Debug 】->【Start/Stop Debug Session 】,启动J-Link 进行仿真调试； 9． 选择【Debug 】->【run 】或者按快捷键“F5”,运行程序； 10． 验证：移动加速度传感器，观察显示屏上数值的变化；11． 验证完毕后，退出J-Link 仿真界面，关闭Keil μVision4软件；关闭硬件电源，整理桌面； 12． 实验完毕。
第6章压电式传感器原理及其应用
6.1 压电效应和压电材料 6.2 压电元件的常用结构 6.3 压电式传感器等效电路和测量电路 6.4 压电式传感器的应用
压电式传感器概述
压电式传感器的压电元件是利用压电材料制成的， 压电式传感器的压电元件是利用压电材料制成的， 它是一种电量型传感器。 它是一种电量型传感器。 工作原理:以某些电介质的压电效应为基础 以某些电介质的压电效应为基础， 工作原理 以某些电介质的压电效应为基础，在外力 作用下，电介质的表面就会产生电荷，有电压输出， 作用下，电介质的表面就会产生电荷，有电压输出， M 从而实现力—电信号转换 再通过检测电荷量（ 电信号转换， 从而实现力 电信号转换，再通过检测电荷量（或 输出电压）的大小，即可测出作用力的大小。 输出电压）的大小，即可测出作用力的大小。 压电元件是一种典型的力敏感元件， 压电元件是一种典型的力敏感元件，可用来测量最 终可变换为力的各种物理量，如测量压力、应力、 终可变换为力的各种物理量，如测量压力、应力、 加速度等。由于压电元件具有体积小、重量轻、 加速度等。由于压电元Байду номын сангаас具有体积小、重量轻、结 构简单、可靠性高、频带宽、 构简单、可靠性高、频带宽、灵敏度和信噪比高等 优点，压电式传感器也随之得到了飞速发展。 优点，压电式传感器也随之得到了飞速发展。 在声学、力学、 在声学、力学、医学和航空航天等领域都得到了广 泛应用。其缺点是无静态输出， 泛应用。其缺点是无静态输出，要求有很高的输出 阻抗，需用低电容的低噪声电缆等。 阻抗，需用低电容的低噪声电缆等。
铜芯线充当内电极铜网屏蔽层作外电极管状pvdf高分子压电材料为绝缘层最外层是橡胶保护层为承压弹性元件当管状高分子压电材料受压时其内外表面产生电荷可达到测量的目的图620高分子压电电缆2高分子压电电缆的典型应用高分子压电电缆测速系统由两根高分子压电电缆相隔一段距离平行埋设于柏油公路的路面下50mm处如图621所示
加速度传感器
•输出偏压： 8-12VDC
•恒定电流： 2-20mA， 典型值：4mA
•输出阻抗： ＜150Ω
•激励电压： 18-30VDC 典型值：24VDC
•温度范围： - 40～+120℃
•放电时间常数：≥0.2秒
•壳绝缘电阻： ＞ Ω
•安装力矩： 约20-30Kgf.cm(M5螺纹)
•几何尺寸： 六方17mm、高度24.5或31mm
电 荷 灵 敏 度 p C / g
率 范 围 ( ± 1 0 ％ ) H z
安 装 谐 振 点 k H z
横 向 灵 敏 度
%
值 线 性 ( ± 1 0 % ）
g
质 量 g m
使 用 温 度 范 围 ℃
安
装内
螺 部 用频
纹 m m
型 号
结 构电 荷 灵 敏 度 p C / g
途率 范 围 ( ± 1 0 ％ ) H
加速度传感器
完整版
综述
加速度传感器在工业生产、科研、航空航天 等领域中有着重要的应用。其中按照被测量 可以被分为角加速度传感器和 线加速度传感 器。根据敏感元件分有应变式 加速度传感器、 压阻式加速度传感器及压电式加速度传感器。 而随着科学技术的发展，智能化加速度传感 器也已经走进了我们的视野。
一 压电式加速度传感器
频率响应特性
►低频响应特性：下限频率一般为-10%左右频 响。主要由压电芯片和传感器的基座应变和 热释电效应等环境特性决定。应变加速度传 感器具有响应静态信号的特性。
►高频响应特性：上限频率一般为10%左右频 响。大约为安装谐振频率的1/3。如果要求上 限频率误差为+5%，大约为安装频率的1/5。 如果采用适当的校正系数，在更高的频率范 围也能够得到可靠的测试数据。
压电加速度传感器测量电路研究
图 ５ 压 电加速度传感器与 电荷放大器连接的等效 电路 当圮、 足和 风相 当大时 ， 同时考虑 到在实际电路 中采用
的运算放大器开环增 益 Ａ约为 １４ ０数量级 ， Ｏ １６ ￣ 此时 、 和 ｅ
Ｇ均可忽略不计 。由“ 虚短” 虚断” 和“ 的电路 理论 可得放大器
（） ａ 电荷等效电路 （） ｂ 电压等效电路
压
— —
输 出 引线
图 ３ 压 电加速度传感器 测试 系统等效电路
兀
若外加 的机械力为 Ｆ 。根据压电效应 ．它所产生 的电荷
Ｑ ｄ ＝ Ｍａ 其中 ｄ为压电常数 ， 为质量块 ， －Ｆ ｄ ， 在低频 时， 出 输
支 座
电荷和加速度 ａ 成正 比。当需 要压电元件输出 电荷时 ， 因为
图 １ 压电加速度传感器工作原理 １ 等效电路 ． ２
压电传 感器 既可以等效为电荷 源又可等效为电容器 ， 以其 所 等效电路可认 为是二者的并联 ， 称为压 电传 感器的电荷等效
电路 ， 图 ２ ａ所示 。图 中 ｃ 为压电加速度 传感器 等效 电 如 （） 。 容 ； 为压电加速度传感器绝缘 电阻 。一般在 １ １ ” ０～ ０ 欧姆
容 其 容 ｃ 曼 式 ， 压 元 极 面 器。 电 量 ，中 为 电 件 板 字＝ ５
积 ｍ ） ｓ为压 电材 料介电常数 （ ／ ；ｒ ； Ｆｍ）８ 为压 电材料 的相对 介电常数 ； 为真空介 电常数 （。８ ５ １ Ｆｍ）ｆ ＝ ． ｘ ０ ／ ； 为压 电元 ８
件厚度 （ 。 ｍ）
测 与 处理 。
ｓ ＩＮｒ ｃ Ｅ Ｅ＆Ｔ ｃ Ｅ ＨＮ。Ｌ Ｙ ＶＩ 。Ｎ 科技视界 Ｊ ３ 。Ｇ ｓ ６
压电式加速度传感器的工作原理
压电式加速度传感器的工作原理
压电式加速度传感器是一种利用压电效应测量加速度的传感器。
它由一个压电晶体和质量块组成。
工作原理如下：
1. 当加速度传感器受到加速度作用时，质量块会受到力的作用而发生位移。
2. 位移的变化引起压电晶体的压电效应，从而在晶体上产生电荷。
3. 电荷由传感器输出接口传送到外部电路进行信号处理。
4. 根据电荷的大小，可以计算得到加速度的数值。
压电式加速度传感器的工作原理主要基于压电效应，即一些材料在受到力或压力作用时会产生电荷。
这种工作原理具有快速响应、高精度和宽工作频率范围等优点，因此常被应用于振动测量、机械设备监测、运动控制等领域。
压电式传感器
3．压电元件
用压电材料制造的传感元件称作压电元件。
第一节
压电式传感器的工作原理
4．压电效应机理 现以石英晶体为例，简要说明压电效应的机理。 （1）石英晶体的结构 石英晶体是二氧化硅单晶，属于六角 晶系。右图是天然晶体的外形图，它为规 则的六角棱柱体。 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。
AQ Uo [Ca Cc Ci (1 A)Cf ]
当 A 足够大时，则（1 + A）Cf >>（Ca + Cc + Ci），这样
AQ Q Uo (1 A)Cf Cf
由此可见，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。
第一节
压电式传感器的工作原理
（2）纵向压电效应 从晶体上沿 x y z 轴线切下的一片平 行六面体的薄片称为晶体切片。 它的六个面分别垂直于光轴、电轴 和机械轴。通常把垂直于 x 轴的上下两
个面称为 x 面，把垂直于 y 轴的面称为
y 面。 如右图所示。当沿着 x 轴对晶片施 加力时，将在 x 面上产生电荷，这种现 象称为纵向压电效应。
压电式传感器：一种典型的自发电式传感器。它以某些电 介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质表面将产生 电荷，从而实现非电量电测的目的。压电传感元件是力敏感元 件。 应用：它可以测量那些最终可以变换为力的非电物理量， 但不能用于静态参数的测量。
第一节 压电式传感器的工作原理
一、压电效应
二、压电材料
第三节
压电式传感器的结构与应用
二、压电式加速度传感器
压电式加速度传感器及其应用
微型化与集成化发展趋势
微型化设计
随着微电子技术和微纳加工技术的不断进步，压电式加速 度传感器的体积不断缩小，实现了更高的集成度。
集成化技术
将传感器与信号调理电路、微处理器等集成于一体，形成 具有自检测、自校准、自诊断等功能的智能传感器模块。
MEMS技术
基于MEMS（微机电系统）技术的压电式加速度传感器具 有体积小、重量轻、功耗低等优点，广泛应用于消费电子 和汽车电子等领域。
04 压电式加速度传感器性能 指标评价方法
灵敏度与分辨率评价
灵敏度
压电式加速度传感器的灵敏度反映了其输出信号与被测加速度之间的比例关系。 高灵敏度意味着传感器能够检测到更微小的加速度变化，提高测量精度。
分辨率
分辨率是指传感器能够区分的最小加速度变化量。高分辨率的传感器能够提供更 详细的加速度信息，有助于更准确地分析和诊断振动问题。
多功能化与复合测量
可靠性与耐久性提升
开发具有多功能特性的压电式加速度传感 器，实现复合物理量的同时测量，如温度 、压力等，提高传感器的综合性能。
针对恶劣环境和特殊应用需求，加强压电 式加速度传感器的可靠性和耐久性研究， 确保长期稳定运行。
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06 总结与展望
压电式加速度传感器研究总结
01
压电效应与传感器设计
压电材料在受到外力作用时会产生电荷，利用这一特性可设计出高灵敏
度的加速度传感器。通过优化压电材料选择和结构设计，可提高传感器
的性能。
02
信号处理与数据分析
压电式加速度传感器输出的信号需要经过放大、滤波等处理，以提取有
用的加速度信息。借助现代信号处理技术，可实现高精度、高稳定性的
压电传感器的等效电路
压电传感器的等效电路压电传感器是一种常用的传感器，其原理是利用压电材料的压电效应将机械能转换为电能，实现对压力、力、加速度等物理量的测量。
压电传感器的等效电路一般由压电传感元件和相关电路组成。
压电传感元件一般采用压电陶瓷材料，主要由触发板、压电陶瓷片和底座组成。
触发板是用来接受外部压力或力的作用，将机械能转换为压电效应；压电陶瓷片是压电元件的核心部分，负责将机械能转换为电能；底座是固定压电陶瓷片和触发板的支撑结构。
压电传感器的等效电路可分为感应电路和放大电路两部分。
感应电路主要是将压电传感器输出的电荷信号转换为电压信号，常用的感应电路有放大电荷放大器和运算放大器。
放大电荷放大器一般由前置放大电路和后置放大电路组成，前置放大电路用于对由压电陶瓷片产生的微小电荷进行放大，后置放大电路用于对前置放大电路输出的电压信号进行进一步放大。
运算放大器一般采用差分放大电路，通过将压电陶瓷片产生的电压信号与参考电压进行差分放大，得到输出电压信号。
放大电路输出的电压信号一般较小，为了进一步增强信号强度和减小噪声，需要使用放大器进行放大。
常用的放大器有运算放大器和分立元件放大器。
运算放大器是一种常用的放大器，具有高增益、低失真和高输入阻抗等特点，可以将输入信号放大几十倍甚至更多。
分立元件放大器则是通过使用晶体管、场效应管等分立元件构成，具有较高的功率输出和较低的噪声水平。
压电传感器的等效电路还需要包括一些辅助电路，如滤波电路和稳压电路。
滤波电路用于滤除输入信号中的高频噪声，使得输出信号更加清晰和准确。
稳压电路用于稳定电压信号，避免由于电源波动等原因对传感器输出的影响。
总的来说，压电传感器的等效电路主要由压电传感元件、感应电路、放大电路和辅助电路组成。
其中感应电路将压电传感元件输出的电荷信号转换为电压信号，放大电路对输出信号进行进一步放大，辅助电路保证电路的稳定性和准确性。
这些电路的设计和优化将直接影响到压电传感器的测量精度和稳定性。