压电式传感器资料
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压电式力传感器
石英晶体的压电效应演示
当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压 的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电 荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。
4
压电效应是可逆的 在介质极化的方向施加电场时，电介质会产生 形变，将电能转化成机械能，这种现象称
“逆压电效应”。 •压电元件可以将机械能——转化成电能 也可以将电能——转化成机械能。
Z
Z
Y Y
X X
(a ) (b)
石英晶体
(a)理想石英晶体的外形 (b)坐标系 8
Y -
Y +
X
+
+
(b)
X
(a)
硅氧离子的排列示意图
(a) 硅氧离子在Z平面上的投影 （b）等效为正六边形排列的投影
石英晶体具有压电效应，是由其内部结构决定的。 组成石英晶体的硅离子 Si4+和氧离子 O2- 在 Z平面投影， 如图 ( a ) 。为讨论方便，将这些硅、氧离子等效为图 ( b ) 中正六边形排列，图中“＋”代表 Si 4 + ，“－”代表 2O2-。 9
2．压电陶瓷压电效应产生的机理
压电陶瓷属于铁电体一类的物质，是人工制造的多晶压电材料， 它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。电畴是分子自发形成 的区域，它有一定的极化方向，从而存在一定的电场。在无外电 场作用时，各个电畴在晶体上杂乱分布，它们的极化效应被相互 抵消，因此原始的压电陶瓷内极化强度为零，见图（a）。
直流电场E 剩余极化强度
电场作用下的伸长 (a)极化处理前 (b)极化处理中
剩余伸长 (c)极化处理后
15
但是，当把电压表接到陶瓷片的两个电极上进行测量时，却无 法测出陶瓷片内部存在的极化强度。这是因为陶瓷片内的极化强 度总是以电偶极矩的形式表现出来，即在陶瓷的一端出现正束缚 电荷，另一端出现负束缚电荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片 的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷。这些自由电荷与陶 瓷片内的束缚电荷符号相反而数量相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷 片内极化强度对外界的作用。所以电压表不能测出陶瓷片内的极 化程度，如图。
压电式力学传感器总结
发展趋势：压电式力学传感器的 发展趋势是智能化、微型化、集 成化，未来市场前景广阔
06
压电式力学传感器的选用建议
明确需求与预算
确定传感器的测量范围和 精度要求
考虑传感器的安装环境和 使用条件
评估传感器的成本和维护 费用
考虑传感器的供货周期和 售后服务
考虑精度与稳定性要求
精度要求：根 据实际应用场 景选择合适的
04
压电式力学传感器的应用实例
在医疗诊断中的应用
血压计：测量血压，辅助诊 断高血压等疾病
心电图机：检测心脏活动， 诊断心律失常等疾病
呼吸机：监测呼吸频率和深 度，辅助诊断呼吸系统疾病
超声波诊断仪：检测人体内 部结构，辅助诊断肿瘤等疾
病
在环境监测中的应用
空气质量监测：检测空气中的PM2.5、PM10等污染物浓度 水质监测：检测水中的COD、BOD、重金属等污染物浓度 土壤监测：检测土壤中的重金属、农药残留等污染物浓度 噪声监测：检测环境中的噪声强度，评估噪声污染程度
快速响应
压电式力学传感器具有较高的响应速度，能够快速捕捉到微小的力学变化。
压电式力学传感器的响应时间通常在毫秒级别，可以满足大多数应用场景的需求。
压电式力学传感器的响应速度不受温度、湿度等环境因素的影响，稳定性好。
压电式力学传感器的响应速度可以通过调整传感器的尺寸和材料来优化，以满足不同应用场景的 需求。
动反馈等
智能家居设备： 用于触摸屏、压
力感应等
05
压电式力学传感器的挑战与展望
面临的挑战
精度问题：如何 提高传感器的测 量精度
稳定性问题：如 何保证传感器在 恶劣环境下的稳 定性
成本问题：如何 降低传感器的生 产成本
压电式压力传感器
实例6 ：煤气灶电子点火装置
20XX
ND!
此处添加正文，文字是您思想的提炼，为了演示发布的良好 ，请言简意赅地阐述您的观点。
压电式传感器的等效电路：压电传感器在受外力作用时，在两个 电极表面聚集电荷，电荷 量相等，极性相反，相当于一个以压 电材料 为电介质的电容器。其电容量为：C0=ε0 εA/d
电荷源
电压源
五、压电式传感器的应用
压电式力传感器 压电式压力传感器 压电式加速度传感器 。。。。。。
实例1：火炮堂内压力测试
发射药在堂内燃烧形成压力完成炮弹的发射。 堂内压力的大小，不仅决定着炮弹的飞行速度，而且 与火炮、弹丸的设计有着密切关系。
实例2：汽车安全气囊系统
事故性碰撞：点火信号、电点火管、气体发生剂、 气体、充气、弹性体
实例3：压电式血压传感器 实例4 ：指套式电子血压计
实例05.0：M 1水深P/测m a量仪
2
形
逆压电效应
4
动画演示
机械能
正压电效应
压电介质
电能
逆压电效应
三、压电材料
压电晶体 石英晶体外形图 压电晶体是一种单晶体。 例如： 石英晶体； 酒石酸钾钠等 常见压电材料
天然形成的石英晶体外形图
（2）压电陶瓷
压电陶瓷是一种人工制造的多晶体。 例如：钛酸钡、锆钛酸铅、铌酸锶等 压电陶瓷外形图
（3）有机压电材料
➢ 在实际使用中，如仅用单片压电元件工作 的话，要产生足够的表面电荷就要很大的作用力， 因此一般采用两片或两片以上压电元件组合在一 起使用。 ➢ 由于压电元件是有极性的，因此连接方法 有两种：并联连接和串联连接。
C 2 C ,q 2 q ,U U
串联：
C1C,qq,U2U 2
压电式传感器介绍
R(Ca Cc Ci )
相对幅频特性
U im ( ) K1 2 U im () 1 ( )
2
tan ( )
1
(90 70 )
6.4 等效电路与测量电路 6.4.2 测量电路（1）电压放大器（阻抗变换器）
讨论：
压电传感器不能测量静态物理量(ω=0时，Uim=0)； 当ωτ≥3时，Uim输入与信号频率无关，高频响应特性好； 提高低频响应的办法是增大时间常数，但不能靠输入电容。实际办法：是增大前 置输入回路电阻，所以电压放大器响应差，要求前置电路具有高输入阻抗； 电压放大器的缺点:从传感器电压灵敏度 Ku可见，连接电缆的分布电容 Cc影响传感 器灵敏度，使用时更换电缆就要求重新标定，测量系统对电缆长度变化很敏感。
6．5 压电传感器的应用
晶体
点火器
外形结构
6.2 压电材料 6.2.1 石英晶体
• 压电元件受力后,表面电荷与外力成正比关系:
Q dF
d为压电系数
• 在X轴方向施力时,产生电荷大小为: σ 1为X方向应力 • 在Y轴方向施力时,产生电荷大小为: σ 2为Y方向应力 • 压电系数 d11=d12 为常数
qx d111
q y d12 b 2 a
缺点是电路复杂，价格昂贵，使用电荷放大器， 电缆长度变化影响可忽略，并且允许使用长电缆 工作。
6．5 压电传感器的应用 压电式玻璃破碎报警器
6．5 压电传感器的应用 压电式压力传感器
6．5 压电传感器的应用 压电式加速度传感器
6．5 压电传感器的应用
压电元件产品
压电加速度计
振 动 式 液 位 开 关 超声波传感器
第6章 压电式传感器
应力与电荷密度
力与应力：用F表示力，用T表示应力，即 单位面积上的力：
F T A
电荷与电荷密度：用Q表示电荷，用 表示 电荷密度，即单位面积上的电荷：
Q A
压电效应可以用下面的方程描述：
σ = dT
• 该方程称为压电方程，它描述了压电传感器输 出（电荷密度）与输入（应力）之间的静态关 系 • d相当于灵敏度
A( )
d R 1 [ R(Ca Cc Ci )]
2
d R 1 ( )
2
可得实际增益与理想增益之比：
A( ) k ( ) * 2 A ( ) 1 ( )
k ( )
1 ( )
2
• 当 1 ，即输入信号频率较大， k ( ) 1 ， 此时，实际增益趋近于理想增益 • 因此，压电式传感器的高频特性较好，这是压电 式传感器的优点
S = dt E
•
d t 称为逆压电常数矩阵
二、压电方程和压电常数矩阵
压电效应可用压电方程来定量描述，如下：
σ = dT • d称为压电常数矩阵
• 不同的压电材料具有不同的压电常数矩阵 • 相同的压电材料，如果加工方式不同，也会有 不同的压电常数矩阵
应力：如图所示，一 共有6个方向 • T1 , T2 , T3 ：分别表 示沿x,y,z方向上的 应力（拉力为正， 压力为负） • T4 , T5 , T6：分别表 示绕x,y,z方向上的 切应力（右旋为正， 左旋为负）
T
三个端面的面积：
• A1 , A2 , A3 ：分别表 示与x,y,z垂直的端 面面积
T1 T 因此有： 2 1 d11 d12 d13 ... d16 T3 d d d ... d 2 21 22 23 26 T4 3 d31 d32 d33 ... d36 T 5 T6 写为向量-矩阵形式的压电方程为：
压电式传感器
测量时，将传感器基座与试件刚性固定在一起。当传感器感受到振动时，由
于弹簧的刚度相当大，而质量块的质量相对较小，可以认为质量块的惯性很小， 因此质量块感受到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 作用。这样，质量块就有一正比于加速度的交变力作用在压电片上。由于压电片 具有压电效应，因此在它的两个表面上就产生了交变电荷（电压），当振动频率 远低于传感器固有频率时，传感器的输出电荷（电压）与作用力成正比，即与试 件的加速度成正比。输出电量由传感器输出端引出，输入到前置放大器后就可以 用普通的测量器测出试件的加速度，如在放大器中加进适当的积分电路，就可以 测出试件的振动加速度或位移。
极严格的要求，否则会使横向灵敏度增加或使片子因应力集中而过早破碎。为提
高绝缘阻抗，传感器装配前要经过多次净化（包括超声波清洗），然后在超净工 作环境下进行装配，加盖之后用电子束封焊。
2）压电式加速度传感器 如图所示为压缩式压电加 速度传感器的结构原理图， 压电元件一般由两片压电片 组成。在压电片的两个表面 上镀银层，并在银层上焊接 输出引线，或在两个压电片 之间夹一片金属，引线就焊 接在金属片上，输出端的另 一根引线直接与传感器基座 相连。在压电片上放置一个 比重较大的质量块，然后用 一硬弹簧或螺栓、螺帽对质量块预加载荷。整个组件装在一个厚基座的金属壳 体中，为了隔离试件的任何应变传递到压电元件上去，避免产生假信号输出， 所以一般要加厚基座或选用刚度较大的材料来制造。
压电式传感器
压电式传感器是利用某些电介质材料(如石英晶体)具有压电效应现象制成的。
有些电介质材料在一定方向上受到外力(压力或拉力)作用而变形时，在其表面 上产生电荷从而可以实现对非电量的检测。压电式传感器具有体积小、重量轻、 频带宽等特点，适用于对各种动态力、机械冲击与振动的测量，广泛应用在力 学、声学、医学、宇航等方面。 压电式传感器是一种无源传感器，大多数是利用正向压电效应制成的。 外力去掉后，又回到不带电状态，这种将机械能转换成电能的现象，称为正 向压电效应，简称压电效应。当然这种电介质材料也具有逆压电效应，即在相 应表面上施加电压后，电介质材料会发生机械变形；去掉电压后，变形立即消 失，它将电能转换成机械能。逆压电效应也称电致伸缩效应。压电式传感器只 能利用正向压电效应制成。
压电式传感器
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。
压电材料受到力后表面产生电荷。
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。
2压电式传感器的基本原理2.1 压电效应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，如下图所示。
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。
2.2 压电材料压电式传感器可分为压电单晶、压电多晶和有机压电材料。
压电式传感器中用得最多的是属于压电多晶的各类压电陶瓷和压电单晶中的石英晶体。
其他压电单晶还有适用于高温辐射环境的铌酸锂以及钽酸锂、镓酸锂、锗酸铋等。
压电陶瓷有属于二元系的钛酸钡陶瓷、锆钛酸铅系列陶瓷、铌酸盐系列陶瓷和属于三元系的铌镁酸铅陶瓷。
压电陶瓷的优点是烧制方便、易成型、耐湿、耐高温。
缺点是具有热释电性，会对力学量测量造成干扰。
有机压电材料有聚二氟乙烯、聚氟乙烯、尼龙等十余种高分子材料。
有机压电材料可大量生产和制成较大的面积,它与空气的声阻匹配具有独特的优越性,是很有发展潜力的新型电声材料。
第5章 压电式传感器
• jω R jωR Ui = d F =dF 1 + jωR(C a + C ) 1 + jωR(C a + C c + C i ) • •
于是可得放大器输入电压的幅值Uim为 于是可得放大器输入电压的幅值Uim为 Uim
U im = dFmωR 1 + ω 2 R 2 (C a + C c + C i )
5.1压电效应与压电材料 5.1压电效应与压电材料
5.1.1压电效应 5.1.1压电效应
某些电介质物体，在沿一定方向对其施加压力和拉力而使之 某些电介质物体， 变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面上会产生电荷。 变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面上会产生电荷。 当将外力去掉后，它们又重新回到不带电的状态， 当将外力去掉后，它们又重新回到不带电的状态，当作用力方 向改变时，电荷的极性也随之改变。 向改变时，电荷的极性也随之改变。 这种现象就称为压电效应 压电效应。 这种现象就称为压电效应。 人们又把这种机械能转化为电能的现象，称为“ 人们又把这种机械能转化为电能的现象，称为“正压电效 应”。 在电介质的极化方向上施加电场，它会产生机械变形； 在电介质的极化方向上施加电场，它会产生机械变形；当去 掉外加电场后，电介质的变形随之消失。 掉外加电场后，电介质的变形随之消失。这种将电能转换为机 械能的现象，则称为“逆压电效应” 电致伸缩效应）。 械能的现象，则称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。
由于运算放大器的输入阻抗很高，其输入端几乎没有分流， 由于运算放大器的输入阻抗很高，其输入端几乎没有分流， 当工作频率足够高时时， <<ω 忽略（1+K）/Rf， 当工作频率足够高时时，1/Rf <<ωCf，忽略（1+K）/Rf， 反馈电容折合到放大器输入端的有效电容为
于是可得放大器输入电压的幅值Uim为 于是可得放大器输入电压的幅值Uim为 Uim
U im = dFmωR 1 + ω 2 R 2 (C a + C c + C i )
5.1压电效应与压电材料 5.1压电效应与压电材料
5.1.1压电效应 5.1.1压电效应
某些电介质物体，在沿一定方向对其施加压力和拉力而使之 某些电介质物体， 变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面上会产生电荷。 变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面上会产生电荷。 当将外力去掉后，它们又重新回到不带电的状态， 当将外力去掉后，它们又重新回到不带电的状态，当作用力方 向改变时，电荷的极性也随之改变。 向改变时，电荷的极性也随之改变。 这种现象就称为压电效应 压电效应。 这种现象就称为压电效应。 人们又把这种机械能转化为电能的现象，称为“ 人们又把这种机械能转化为电能的现象，称为“正压电效 应”。 在电介质的极化方向上施加电场，它会产生机械变形； 在电介质的极化方向上施加电场，它会产生机械变形；当去 掉外加电场后，电介质的变形随之消失。 掉外加电场后，电介质的变形随之消失。这种将电能转换为机 械能的现象，则称为“逆压电效应” 电致伸缩效应）。 械能的现象，则称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。
由于运算放大器的输入阻抗很高，其输入端几乎没有分流， 由于运算放大器的输入阻抗很高，其输入端几乎没有分流， 当工作频率足够高时时， <<ω 忽略（1+K）/Rf， 当工作频率足够高时时，1/Rf <<ωCf，忽略（1+K）/Rf， 反馈电容折合到放大器输入端的有效电容为
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机械量
压电元件
电量
图1 压电效应可逆性
在自然界中大多数晶体都具有压电效应，但压电效应十分 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。
4.7.2 常用压电材料
1.1
z 石英晶体化学式为 SiO2 ，是单晶体结构。图 2(a) 表示了 y 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 x 体棱线并垂直于光轴的 x称为电轴，与x和z轴同时垂直的轴y 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 a 电效应称为“纵向压电效应”， 而把沿机械轴 y方向的力作 b 用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”。 而沿光轴
z方向的力作用时不产生压电效应。
单片压电元件产生的电荷量甚微，为了提高压电传 感器的输出灵敏度， 在实际应用中常采用两片（或 两片以上）同型号的压电元件粘结在一起。
＋ ＋ － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ － － － － － (a )
图5 (a) 相同极性端粘结； (b) 不同极性端粘结
＋
＋
＋
＋
(b )
F ＋ －
F ＋ －
F
压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。原始的压电陶瓷呈中性，不具有 压电性质, 如图4（a）所示。
在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场方向 的排列，从而使材料得到极化。让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的 程度，即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时，当外电场去掉后， 电畴的极化方向基本变化，即剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特 性, 如图4（b）所示。
测量电路
• 压电元件的内阻很高，输出信号能量微弱，为提高测量精 度，必须设置前置放大器。前置放大器的作用是阻抗变换 和信号放大。根据等效电路，前置放大器有电压放大器和 电荷放大器两种。
z z b
z o
x
o y x
o
y
x a
c
y
(a )
(b )
(c)
图 2 石英晶体 (a) 晶体外形； (b) 切割方向； (c) 晶片
x ＋ － y ＋ o P1 － y ＋ －
x
Fx
x Fy y A ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ P1 － － P2 P3 C ＋ o ＋ － B － － － － Fy
A － － － － － － ＋ P1 o － － P3 ＋
路一定的电流，故适用于动态测量。
压电陶瓷的部分应用
利用压电陶瓷将外力转换成电能的特性，可以制造 出压电点火器、移动X光电源、炮弹引爆装置。 压电陶瓷对外力的敏感使它甚至可以感应到十几米 外飞虫拍打翅膀对空气的扰动，并将极其微弱的机 械振动转换成电信号。利用压电陶瓷的这一特性， 可应用于声纳系统、气象探测、遥测环境保护、家 用电器等方面。 在医学上，医生将压电陶瓷探头放在人体的检查 部位，通电后发出超声波，传到人体碰到人体的组 织后产生回波，然后把这回波接收下来，显示在荧 光屏上，医生便能了解人体内部状况。
P2 P3 －
＋ P2
B ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋
D
(a )
石英d11＝ 2.1×10-12 C/N
Fx
(b )
(c)
图3 (a) 不受力时； (b) x轴方向受力； (c) y轴方向受力
d11为压电系 数（C/N）
q x d11 Fx
q y d11
l Fy h
1.2
压电陶瓷（压电陶瓷的压电系数是石英晶体的几十倍到几百倍。）
4.7 压电式传感器
压电式传感器是基于某些材料的压电效应工作的。当沿 一定方向对某些材料（如石英晶体）施加外力使之变形时，
在一定表面上产生电荷，当外力消失后，电荷随之消失， 这一现象称为压电效应。具有压电效应的材料称为压电材 料。压电材料的压电效应是可逆的。在压电材料的极化方 向施加一电场，压电材料将产生机械变形，外加电场消失， 机械变形也随之消失，这一现象称为逆压电效应。
图4-95
a）结构图
压电元件的等效电路 b）等效电荷源 c）等效电压源
图4-96 电荷源等效电路 a）等效电路 b）简化等效电路
图4-97 电压源等效电路 a）等效电路 b）简化等效电路
图4-98 a）直流或静态被测量
压电传感器的频率响应曲线 b）低频被测量 c）高频被测量
由此可见，压电传感器不能测量直流或静态的物理量， 只能测量具有一定频率的物理量，这说明压电传感器的低频 响应较差，而高频响应相当好，适用于测量高频物理量。
电 场 方 向 (a)
图4 压电陶瓷的极化 (a) 未极化 (b) 电式传感器的基本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材料上时，传感器就有电荷（或 电压）输出。 由于外力作用而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，即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 电材料在交变力的作用下，电荷可以不断补充，以供给测量回
F ＋
－
(a ) －
F (b ) (c) ＋
＋ － (d ) (e)
图 6 压电元件变形方式 (a)厚度变形(TE) (b) 长度变形(LE) (c) 体积变形(VE) (d)面切变形(FS) (e) 剪切变形(TS)
4.7.3 压电传感器的等效电路和测量电路
压电元件受力作用时产生电荷，它相当于一个电荷发生器，可将压电 元件看作为一个电容器，见图4-95a，其电容量为： A A Ca 0 r h h
4.7.1 压电材料的特性
图4-93 石英晶体的晶轴及其切片 a）石英晶体的晶轴 b）石英晶体切片
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1所示。