传感器原理与电路设计第13讲压电
压电传感器的工作原理优秀课件
灵 敏 度：0.1～1000mV/pC 频率范围：0.3～100KHz
噪声(最大增益)：折合至输入端小于5µV 准 确 度：1% 最大输出：±10V/10mA 电 源：220V/50Hz 控制方式： 计算机或手动
焊接式 电荷放大器
24.10.2020
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超小型电荷放大器模块
主要指标:
灵 敏 度：1、10、100mV/pC(任选一档) 频率范围：0.3～100KHz(上、下限可选) 噪声(最大灵敏度)：输出端小于1mV 归 一 化：外接电阻调整 线性误差：1% 最大输出：±5V或±10V 电 源：±6V～±15V
24.10.2020
4
二、压电材料的分类及特性
压电传感器中的压电元件材料一般有 三类： 一类是压电晶体（如上述的石英晶 体）； 另一类是 经过极化处理的 压电陶 瓷；第三类是高分子压电材料。
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（一）石英晶体
天然形成的石英晶体外形
24.10.2020
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天然形成的石英晶体外形（续）
24.10.2020
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压电陶瓷外形
24.10.2020
11
无铅压电陶瓷及其换能器外形
（上海硅酸盐研究所研制）
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高分子压电薄膜及拉制
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13
（三）高分子压电材料
典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯 （PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚 氯乙烯（PVC）等。它是一种柔软的压电材料， 可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。它不易 破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较 大面积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围 较宽，测量动态范围可达80dB。
压电式传感器工作原理
压电式传感器工作原理压电式传感器是一种利用压电效应来实现信号检测和转换的传感器，它在工业、医疗、航空航天等领域有着广泛的应用。
那么，它的工作原理是怎样的呢？接下来，我们将对压电式传感器的工作原理进行详细介绍。
首先，我们需要了解压电效应的基本原理。
压电效应是指在某些晶体材料中，当受到外力作用时，会产生电荷的分离现象。
这是由于晶体内部的正负电荷会发生相对位移，从而产生电荷分离。
利用这一效应，可以将机械能转化为电能，实现信号的检测和传输。
在压电式传感器中，通常会使用压电陶瓷作为传感元件。
当外力作用于压电陶瓷时，会使其产生形变，从而引起内部正负电荷的相对位移，最终产生电荷分离。
这些电荷可以通过电极引出，并转化为电信号输出。
因此，压电式传感器可以将机械能转化为电信号，并实现信号的检测和测量。
除了压电陶瓷，压电式传感器中还包括了信号处理电路和外壳等组成部分。
信号处理电路可以对传感器输出的电信号进行放大、滤波和处理，从而得到更加稳定和准确的信号输出。
外壳则可以保护传感元件不受外界环境的影响，同时也可以起到固定和支撑的作用。
总的来说，压电式传感器的工作原理可以简单概括为，外力作用于压电元件，引起形变，产生电荷分离，最终转化为电信号输出。
通过信号处理电路的处理，可以得到稳定、准确的电信号，实现对外界力、压力、加速度等物理量的检测和测量。
在实际应用中，压电式传感器具有灵敏度高、响应速度快、抗干扰能力强等优点，因此被广泛应用于工业自动化控制、医疗诊断、环境监测、航空航天等领域。
它为我们提供了一种高效、可靠的物理量检测手段，对于推动科技进步和社会发展具有重要意义。
综上所述，压电式传感器利用压电效应实现了机械能到电能的转换，其工作原理简单而又高效。
通过对外力的检测和测量，可以实现对各种物理量的监测和控制，为各个领域的应用提供了重要支持。
希望本文对压电式传感器的工作原理有所帮助，谢谢阅读！。
压电传感器 ppt课件
Ca Ua Ua＝q/ Ca
q Ca q ＝UaCa
（a）电压等效电路 （b）电荷等效电路
压电传感器等效原理
传感器内部信号电荷无“漏损”，外电路负载无穷大时，
压电传感器受力后产生的电压或电荷才能长期保存，否
则电路将以某时间常数按指数规律放电。这对于静态标
定以及低频准静态测量极为不利，必然带来误差。事实
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，例如张力、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。
Ca传感器的固有电容 Ci 前置放大器输入电容 Cc 连线电容 Ra传感器的漏电阻 Ri前置放大器输入电阻
可见，压电传感器的绝缘电阻Ra与前置放大器的输入电 阻Ri相并联。为保证传感器和测试系统有一定的低频或 准静态响应，要求压电传感器绝缘电阻应保待在1013Ω以
上，才能使内部电荷泄漏减少到满足一般测试精度的要
1、电压放大器
Ca
Ca
－A
－A
Ua
Cc
Ra
Ri Ci
Ua
USCLeabharlann R C UiUSC
(a)
ppt课件
(b)
9
图（b）中，等效电阻R为 R Ra Ri
Ra Ri
等效电容为 C=Cc+Ci
传感器原理与应用压电传感器ppt课件
介质的电容器，两电极板间的电容Ca为
Ca
r0 A
式中
A——压电元件电极面积；
——压电元件厚度； r——压电材料的相对介电常数； 0——真空介电常数。
压电元件的等效电路
第一节 压电传感器的概述
压电式传感器的特点：
是一种自发电式传感器。它以某些电介质的压 电效应为基础，在外力作用下，在电介质表面产 生电荷，从而实现电量电测的目的。
压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最终 能变换为力的那些非电物理量，例如动态力、动 态压力、振动加速度等，但不能用于静态参数的 测量。
压电效应
压力时的情况相同
无论是沿x轴方向施加力，还是沿y轴方向施加力，电荷只产生在x面上。 光轴（z轴）方向受力时，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。
对压电元件施加交变力，产生交变电荷
交变外力作用在压电元件上，可以产生交变的电
荷Q，在上下镀银的表面上产生交变电压。
产生的交变电荷的变化频率与交变力的频率相同， 等效于交变电荷源。
由于压电传感器的输出电压与压电片的极间电容Ca以及传输线的对地分布电 容Cc有关，如果接入普通的电压放大电路，将受到很多外界因素的影响。
现在多采用“电荷放大器”来将压电传感器输出的电荷转换为电压，属 于Q/U转换器，但并无放大电荷的作用，只是一种习惯叫法。
第三节 压电传感器的测量转换电路
压电元件的极间电容
无铅压电陶瓷
锆钛酸钡钙的压电系数达到600pC/N，压电性 能已超过了世界上已使用半个世纪、但对人体和环境 有害的核心压电材料锆钛酸铅陶瓷（250pC/N）。无 铅压电陶瓷取代铅基压电陶瓷已成为必然的趋势。
压电传感器的工作原理
压电传感器的工作原理压电式传感器由压电传感元件和测量转换电路组成。
压电传感元件是一种力敏感元件，凡是能够变换为力的物理量，如应力、压力、振动、加速度等，均可进行测量，由于压电效应的可逆性，压电元件又常用作超声波的放射与接收装置。
压电式传感器是一种典型的自发电型传感器，以电介质的压电效应为基础，外力作用下在电介质表面产生电荷，从而实现非电量测量。
某些电介质在沿肯定方向上受到力的作用而变形时，内部会产生极化，同时在其表面有电荷产生，当外力去掉后，表面电荷消逝，这种现象称为压电正向效应。
反之，在电介质的极化方向施加交变电场，它会产生气械变形。
当去掉外加电场，电介质变形随之消逝。
这种现象称为压电逆向效应（电致伸缩效应）。
1、压电效应机理分析具有压电效应的物质许多，如自然的石英晶体、人造的压电陶瓷等，现以石英晶体为例，说明压电效应机理。
如图1所示为石英晶体切片，石英的晶体结构为六方晶体系，化学式为SiO2。
坐标轴定义如下：X轴：两平行柱面内夹角等分线，垂直此轴压电效应最强。
称为电轴。
Y轴：垂直于平行柱面，在电场作用下变形最大，称为机械轴。
z轴：无压电效应，中心轴，也称光轴。
图1 石英晶体切片图硅离子有4个正电荷，氧离子有2个负电荷，一个硅离子和两个氧离子交替排列。
2、结构特性（1）沿Y轴方向作用拉力与沿X轴方向作用压力，晶胞结构变形相同，因而产生的电荷极性相同，同样道理，沿X轴方向作用拉力与沿Y轴方向作用压力而产生的电荷极性相同。
（2）在晶体的线性弹性范围内，当沿X轴方向作用压力FX时，在与X轴垂直的平面上产生的电荷量为Q＝d11FX（3）假如沿Y轴方向作用压力Fy时，电荷仍消失在与X轴相垂直的平面上，其电荷量为Q＝d12 l/δ Fy ＝－d11 l/δ Fyl 为石英晶片的长度；δ为晶片的厚度，d12为沿Y轴方向施力的压电常数，由于石英晶体的轴对称，所以d12＝-d11。
负号表示所产生的电荷极性相反。
压电式传感器 原理
压电式传感器原理
压电式传感器是一种常见的传感器类型，它利用压电效应来检测和转换压力、应变、加速度和力的变化。
压电效应指的是当一些特定的晶体或陶瓷材料受到压力或应变时，会产生电荷的聚集或分离，从而形成电压信号。
这种材料被称为压电材料。
常见的压电材料包括石英、压电陶瓷和聚偏二氟乙烯等。
压电式传感器的工作原理是将压电材料作为传感器的感应元件，当外界施加压力或应变时，材料会发生弹性变形，从而产生电荷的分布变化。
这个变化可以通过电极连接在压电材料上的方式来测量。
为了测量这一电荷信号，压电式传感器通常由压电材料、电极和信号调理电路组成。
当外部压力或应变作用于传感器时，压电材料产生电荷，在电极中产生电压。
信号调理电路会将这个电压信号放大、过滤和转换成可读取的信号，比如电流或电压。
压电式传感器具有许多优势，如高精度、快速响应、宽频率范围和良好的耐用性。
这些特点使得压电式传感器广泛应用于工业控制、机械测量、医疗设备和汽车工程等领域。
值得注意的是，压电式传感器的输出信号与外部压力或应变之间存在一定的非线性关系，因此在实际应用中需要进行校准和补偿。
另外，在选择和使用压电式传感器时，还需考虑适当的电极设计、尺寸选取以及工作环境对传感器性能的影响。
压电式传感器技术原理
压电式传感器技术原理压电传感器是一种可以将机械振动或压力转化成电信号的传感器。
压电原理是指一些特殊的晶体或陶瓷材料，在受到力的作用下会产生电荷或电势差的现象。
这些材料受到力的作用时，晶格结构会发生微小的变形或振动，从而激发内部的电气极化。
压电传感器的工作原理可以归纳为以下几个步骤：1.压电材料选择：通常采用晶体或陶瓷材料作为压电材料，如石英、硼酸锂等。
这些材料具有良好的压电效应和机械性能。
2.构造传感器：将压电材料制成适当形状的器件，常见的形式有片状、圆柱状和球状等。
传感器通常由两个电极和一个压电材料构成。
3.加载压电材料：当外部施加压力或振动时，压电材料发生机械变形。
这个变形可以是线性的压缩、拉伸、扭曲或振动。
4.电荷生成：机械变形引起压电材料内部正负电荷分离，产生一个电势差。
这个电势差可以通过外部电路导出。
5.电信号转换：将产生的电势差转换成电信号。
一种常见的方法是通过内部电荷放大器，将微弱的电势差放大成可读取的电信号。
压电传感器在实际应用中具有广泛的用途，例如：1.声音传感器：将声波振动转换成电信号，常用于麦克风、扬声器等声音设备。
2.压力传感器：将压力变化转换成电信号，被广泛应用于工业监测、汽车安全系统、医疗仪器等领域。
3.加速度传感器：测量物体的加速度和振动，广泛应用于汽车安全、航空航天等领域。
4.温度传感器：利用压电材料的热敏特性，将温度变化转换成电信号，用于温度测量和控制。
在未来，随着科技的发展，压电传感器将进一步得到改进和应用。
例如，研究人员正在开发更小、更灵敏的压电材料，以及更高效的电信号转换技术。
这将使压电传感器在更广泛的领域中发挥作用，如生物医学、能源管理、智能家居等。
总之，压电式传感器是一种基于压电效应的传感器，能够将机械振动和压力转换成电信号。
其工作原理简单而有效，适用于多种应用领域。
未来，预计压电传感器将继续发展，并在各种领域中发挥重要作用。
压电传感器的工作原理.
2018/9/17
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天然形成的石英晶体外形（续）
2018/9/17
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石英晶体切片及封装
石英晶体薄片
双面镀银并封装
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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。
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2、压电陶瓷
压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比 石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成本却较 低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都 采用压电陶瓷 。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅 系列压电陶瓷（PZT）及非铅系压电陶瓷 （如 BaTiO3等）。
式中，A为开环放大系数。所以有
U0 U0 U0 (Ci Cc C a ) Q [(1 A) C f ] Q (1 A) Cf A A A
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故放大器的输出电压为
AQ U0 Ci Cc Ca (1 A)C f
当A>>1，而(1+A)Cf>>时，放大器输出电压可以表示 为
Q U0 Cf
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四通道电荷放大器外形
.
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上图所示的四通道电荷放大器指标 灵 敏 度：0.1～1000mV/pC 频率范围：0.3～100KHz 噪声(最大增益)：折合至输入端小于 5µV 准 确 度：1% 最大输出：±10V/10mA 电 源：220V/50Hz 控制方式： 计算机或手动
出变换为低阻抗输出；二是把传感器的微弱信号进 行放大。
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（1）电压放大器 压电传感器接电压放大器的等效电路如下图 a 所示。 图 b 是简化后的等效电路，其中， ui 为放大器输入电压；
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GMES 2008
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第13讲
压电效应
目录
工作原理
测量电路
典型应用
压电效应
压电材料
压电效应：是对某些电介质沿一定方向施以外力使其变形 时，其内部将产生极化现象而使其表面出现电荷集聚的现 象。在外力去除后又重新恢复到不带电状态，是机械能转 变为电能。 正压电效应：可制成压电式传感器，典型的有源传感器 逆压电效应：可制成电激励的制动器(执行器) 特点： 结构简单、体积小、重量轻； 工作频带宽；灵敏度高；信噪比高； 工作可靠；测量范围广等。 用途： 主要用于与力相关的动态参数测试，如动态力、机械冲击、 振动等，它可以把加速度、压力、位移、温度等许多非电 量转换为电量。
(a) 厚度变形 (b) 长度变形 (c) 体积变形
＋
(d) 厚度剪切变形
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第6章 压电式传感器
12.01.2015
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第13讲
压电式力传感器
目录
工作原理
利用纵向压电效应的厚度变形，采用机械串联、电气并联 的两片压电片。 压电式单向测力传感器结构如下：
f
上盖 绝缘套
测量电路 典型应用
第6章 压电式传感器 12.01.2015
GMES 2008
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第13讲
压电材料
目录
工作原理
自然界中大多数晶体具有压电效应，石英晶体(单晶体)、 压电陶瓷(多晶体)、压电高分子材料等压电效应较强。 以石英晶体为例 Z轴：纵向轴，通过锥顶，无压电效应 X轴：电轴，通过棱线，纵向压电效应 Y轴：机械轴，横向压电效应
典型应用
等效电路
测量电路 元件连接 元件变形
GMES 2008
第6章 压电式传感器
12.01.2015
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第13讲
测量电路
目录
工作原理
－K
1.电荷放大器
Rf Cf
Rf Cf －K
测量电路
Q Ca Ra Cc Ri Ci Ui U0 Q C Ui U0
典型应用
(a ) 电荷等效电路 (b ) 简化的电荷等效电路
等效电路
测量电路 元件连接 元件变形
C f (1 K )C f
Ca
C K K
Ra U Q U i C C C C a c i f U o K U i
Cc
K Q U0 U Uo Ca Cc Ci (1 K )C f
Ri Ci Ui
y
++++++++
-----------
-----------
++++++++
测量电路
(a)X轴向受压力
(b)X轴向受拉力
(c)Y轴向受压力
(d)Y轴向受拉力
典型应用
qx d11 f x
a a q y d12 f y d11 f y b b
压电效应
压电材料
在X/Y方向受力后，在yz平面上产生电荷qx/qy，极性相反
(b ) 简化的电荷等效电路
C K K
测量电路
C Cc Ci
Ra
Cc
Ri
Ci
Ui
U0
U
R
Ui
U0
典型应用
受正弦 力，则
Z＝
( c ) 电压等效电路
(d ) 简化的电压等效电路
Q d f d Fm sin wt
U
Q d Fm sin wt U m sin wt Ca Ca
z z b o z
测量电路
典型应用
压电效应
压电材料
o x y x
o
y
x a
c
y
(a)晶体外形
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(b)轴定义
(c)切割晶片
第6章 压电式传感器
12.01.2015
3
第13讲
压电材料
目录
x
fx
-----------
fx
++++++++
工作原理
o
fy
+Leabharlann ++++++
fy
-----------
第6章 压电式传感器 12.01.2015
GMES 2008
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第13讲
测量电路
目录
工作原理
2.电压放大器
Uim d Fm wR 1 w2 R2 (Ca Cc Ci )2
2 2
U im U im
测量电路 1 w R (Ca Cc Ci ) U im 典型应用
测量电路时间常数 一般频率比大于3，高频响应特性好
12.01.2015
2
arctan
w w1
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第6章 压电式传感器
10
第13讲
压电元件的连接
目录
工作原理
通常两件粘贴在一起，提高输出灵敏度，力为串联，每片 受力相同。
粘结剂 ＋
＋ ＋ ＋ － － － ＋ ＋ ＋ － － －
测量电路
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11
第13讲
压电元件的变形
目录
工作原理
压电式传感器的敏感元件——压电元件在受力时将发生变 形，按其受力及变形方式的不同，一般可分为厚度变形、 长度变形、体积变形和厚度剪切变形等几种形式。
f
测量电路
f
－ ＋
典型应用
f
－ ＋
f f
－
f
f
＋
等效电路
测量电路 元件连接 元件变形
－
f f f
实际使用时，等效电路 更为复杂
－K
Rf Cf
Rf Cf －K
测量电路
Q
Ca
Ra
Cc
Ri
Ci
Ui
U0
Q
C
Ui
U0
典型应用
(a ) 电荷等效电路 (b ) 简化的电荷等效电路
等效电路
测量电路 元件连接 元件变形
U
Ca
C K K
Ra
Cc
Ri
Ci
Ui
U0
U
R
Ui
U0
( c ) 电压等效电路
(d ) 简化的电压等效电路
dFm Ca Cc Ci
电压幅值比和相角 与频率比关系曲线
R(Ca Cc Ci ) U im 1 ' U im 1 2 R 2 (Ca Cc Ci ) 1 ( 1 ) 2
1
1 1 R(Ca Cc Ci )
等效电路
测量电路 元件连接 元件变形
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第6章 压电式传感器
12.01.2015
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第13讲
测量电路
目录
工作原理
由于压电式传感器本身内阻很高，输出能量较小，因此其 测量电路部分通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器。
测量电路
前置放大器作用：把传感器高输入阻抗变换成低输出阻抗； 对传感器微弱信号进行放大。 压电式传感器可以输出电压信号或电荷信号，因此，前置 放大器也有电荷放大器和电压放大器两种。
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第6章 压电式传感器
12.01.2015
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第13讲
等效电路
目录
工作原理
测量电路
根据压电元件的工作原理，压电传感器等效为一个电容器， 正负电荷聚集的两个表面相当于电容器的两个极板，极板 件间的物质相当于一种介质，其电容量为Ca 当压电元件受外力作用时，其两表面产生等量的正负电荷， 电量为Q，此时压电元件的开路电压为U
压电式力传 感器
压电式加速 度传感器
石英晶片
电极
基座
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第6章 压电式传感器
12.01.2015
13
第13讲
压电式加速度传感器
目录
工作原理
弹簧
整个组件放置在一个厚基座的金属壳体中
壳体 质量块 压电片
测量电路 典型应用
输出端
压电式力传 感器
压电式加速 度传感器
基座
螺栓
如果要测量试件的振动速度或位移，可考虑在放大器后加 入适当地积分电路。
－
＋ ＋ ＋ － － － － － － ＋ ＋ ＋
＋
典型应用
粘结剂
等效电路
测量电路 元件连接 元件变形
－ (a) 同极性粘结 (b) 不同极性粘结
并联：输出电荷大，本身电容大，时间常数大，适合慢变 信号且以电荷作输出场合； 串联：输出电压大，本身电容小，适合电压作输出且测量 电路输入阻抗高场合。
第6章 压电式传感器 12.01.2015
等效电路
测量电路 元件连接 元件变形
1 1 R Z RC jwCa jwCa 1 jwRC
Z RC U U i m Z
jwR jwR d F m 1 jwRC a C 1 jwR(C a Cc Ci ) d Fm wR Uim arctan wR Ca Cc Ci 2 2 2 1 w R (Ca Cc Ci ) 2 d F U i m
第6章 压电式传感器 12.01.2015
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第13讲
压电效应
目录
工作原理
测量电路
典型应用
压电效应