压电式加速度传感器及其应用备课讲稿
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生物电及机械力学相结合的转换原理，它具有良好的分辨率，感应范围大，可测量低频到高频信号，耐用性高，噪声小，价格便宜等优点，是一种可以用来测量机械加速度的常用检测装置，广泛应用于工业类的检测以及科学研究等领域。
压电式加速度传感器的基本原理是由随着加速度的变化而变化的压电致电势提供动作力，从而产生与加速度成比例的压电致电势。
当加速度发生变化时，压电弹性介质和振子会发生位移，使压电弹簧内外的压电致电压有所变化，真正的压电致电势随加速度的大小变化而变化。
压电式加速度传感器的工作原理无非是电压变化与加速度变化的耦合，它是根据加速度变化而引起的振子两端点的位移在压电介质内发生应变时而产生的压电致电势的变化，来检测加速度变化的。
其实，压电式加速度传感器的工作原理与霍尔传感器的工作原理类似，也是将机械能转换成电能进行检测或控制。
压电式加速度传感器的工作原理主要包括：结构机构、振子位移压电致电势放大与模拟、脉冲滤波、模数转换等。
结构机构是压电式加速度传感器的基础，决定了检测精度和模块尺寸，一般由压电电感装置、振臂、支撑架构成，通过压电介质的有效屏蔽来实现负载的物理上的分割、连接及装置的耐压特性。
振子位移对压电电路的致电势有巨大的影响，因此在电路设计时，必须使得电路对周围环境变化有较高的敏感度，因此采用放大与模拟，以获得良好的灵敏度。
压电式加速度传感器的模拟输出通常是脉冲变化的，需要做滤波处理来使输出信号更加稳定，方便跟踪。
最后，将模拟信号做模数转换，使压电式加速度传感器的输出信号在计算机中能够进行处理。
有时，为了提高分辨率，也会使用DAC（数字可控二极管）放大电路来实现高精度的信号输出。
总之，压电式加速度传感器就是将加速度变化耦合到电压变化，从而实现对加速度变化的检测和测量。
特殊的结构机构、振子位移压电致电势放大、脉冲滤波以及模数转换等技术都是使它实现此目的的关键技能。
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
传感器技术与应用第9章加速度传感器
F ma
图9-1 应变式加速度传感器结构示意图
9.1.2 应变式加速度传感器的测量原理
测量时，将传感器壳体与被测对象刚性连接，当被测物 体以加速度a运动时，质量块就受到一个与加速度方向相反 的惯性力作用，使悬臂梁变形。该变形被粘贴在悬臂梁上的 电阻应变片感受到，并随之产生应变，从而使应变片的阻值 发生变化。这个变化经过全桥差动测量电路转变成电桥不平 衡电压输出。并且这个不平衡电压Uo的大小与被测物体的运 动加速度a成正比。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
图9-2 压电式加速度传感器结构示意图
9.2.2压电式加速度传感器的测量原理
测量时，把压电加速度传感器与被测物体刚性连接，当加 速度传感器和被测物体一起受到冲击振动时，由于弹簧的刚 度很大，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，质量块感受与传感器基座相同的振动。这样， 质量块m就有一惯性力F作用到压电元件上。由于压电效应， 便在压电元件上产生电荷q，其电荷量大小为
第9章 加速度传感器及其应用案例
9.1 应变式加速度传感器 9.2 压电式加速度传感器 9.3 电容式加速度传感器 9.4 差动变压器式加速度传感器 9.5 加速度测量显示系统案例
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9.1 应变式加速度传感器
9.1.1 应变式加速度传感器的结构
压电式传感器及应用解读
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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，
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休息一下！！
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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。
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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。
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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。
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本章小结 某些电介质，当沿着一定方向对它施加压力时， 内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上产 生相反的电荷；当外力去掉后，电介质又重新恢 复为不带电状态；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，这种现象被称为压电效应。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）。 在自然界中大多数晶体具有压电效应, 但压电效 应十分微弱。应用于压电式传感器中的压电元件 材料一般有三类：石英晶体、经过极化处理的压 电陶瓷、高分子压电材料。
3.9压电式加速度传感器--电荷放大器
压电式加速度传感器--电荷放大器压电式加速度传感器由于压电片上承受的压力为F=ma ，则在压电片的工作表面上产生的电荷q a 与被测振动的加速度a 的关系为：即q a = S q a比例系数S q 就是压电式加速度传感器的电荷灵敏度，量纲是[PC / ms - 2 ]或[PC / g]。
由于晶体的压电效应，在振动测量中，电极面所产生的电荷为q a = d 11 F 1电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的前置放大器。
由传感器、电缆和电荷放大器组成的等效电路如图所示。
C F为反馈电容，K为放大倍数。
工作原理：忽略R a 和R i 的影响。
)(1u u C q i F F -=()FF i C q u u =-1或（a ）电荷放大器的输入电压是电容C 两端的电位差。
C q q u F a i -=（b ）由电压负反馈电路 u 1=－Ku i （c ）由(a)、(b)、(c)式可得：Fa i C K C q u )1(++=（d ） 所以： Fa C K C Kq u )1(1++-= 因为K >>1，因此，一般情况下，（1+K ）C F >>C ，则有 Fa C q u ≈1F a C q u 1结论：电荷放大器的输出电压与加速度传感器发出的电荷成正比， 与反馈电容C F 成反比，而且受电缆电容的影响很小。
K u 1 u s SC F R F 为使运算放大器工作稳定，一般在反馈电容上跨接一个电阻。
从而组成高通滤波器，选择不同的R F 值，可得不同低截止频率的高通滤波器。
特点：此测量线路(适配器)将电荷信号变换为电信号，输出为电压的变化。
电荷放大器的电路框图如图示特点：由高通、低通滤波器，微积分放大器组成电荷放大器(设备)。
几个主要功能： （1）电路上设置一组负反馈电容C F ，改变C F 值，可以获得不同的放大倍数。
（2）电路上设置有低通及高通滤波器，可以抑制高频噪声信号 及低频晃动信号。
压电式加速度计及力传感器电荷灵敏度相对校准法
压电式加速度计及力传感器电荷灵敏度相对校准法实验目的1、掌握压电式加速度计及力传感器电荷灵敏度的相对校准方法;2、熟悉压电式传感器与电荷放大器配套使用方法。
实验内容1、用加速度计校准器(Calibrator)校准加速度计电荷灵敏度;2、用同一装置校准力传感器电荷灵敏度。
实验装置及校准原理1、测试系统，见图1。
电荷放大器电压表 2626标准加速度计被校传感器电荷放大器电压表2635 校准器图1 用校准器进行加速度计相对校准示意图2、加速度计校准器。
B&K4291是一种便携式加速度计校准器，它内装固定频率79.6Hz(500rad/s)的正弦信号发生器和低功率放大器，可驱动有内外两个台面的微型振动台，2使台面产生加速度幅值为10?0.2m/s(可通过前面板右下方的旋钮微调)。
见图23、电荷放大器。
为具有很高输入阻抗的适调放大器，与压电式传感器配用，将电荷输出转换为电压输出。
B&K2635和2626电荷放大器前面板上方的一组(三个)灵敏度适调旋钮，可给出nn三位数的设置值(pC/unit);前面板中心的增益旋钮用于设置输出量程(mV/unit);qu电荷放大器增益为G,n/n(mV/pC) uq-2S设加速度计或力传感器的电荷灵敏度为，单位为pC/ms(加速度计)或pC/N(力q传感器)，则传感器与电荷放大器配套后的系统灵敏度为S,S,G,S,n/n qquqSnS在已知传感器的灵敏度情况下，通常使值与一致，此时系统灵敏度为 qqq S,nu此即所谓灵敏度适调。
电荷放大器前面板左下方和右下方分别为高通滤波器和低通滤波器设置旋钮，设置高通和低通的截止频率。
SS已知的标准传感器和待校准的加速度4、加速度计的相对校准法。
将一个电荷灵敏度qq计分别固定在B&K4291校准器内、外台面上，配套电荷放大器2626和2635，并接电压表，如图1。
nS假定2626的值与标准加速度计的一致，n=100mV/unit，微调4291的振幅，qqu使与2626相连的电压表读数为1V(0.707V)，则此时台面振动加速度峰值pkrms2=10.0m/s。
压电式传感器应用
压电式压力传感器原理及应用王佳 050410140摘要：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。
本文主要讨论压电式压力传感器原理及压电式压力传感器的光纤传输技术应用在内弹道试验研究中的使用。
关键词：压电式传感器压力内弹道试验压电式压力传感器（piezoelectric type pressure transducer）1.0 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。
1.1 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=kSp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。
下面是采用石英晶片的膜片式压电压力传感器图。
压电式传感器 ppt课件
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6.1 工作原理及压电材料
7) 石英晶体的上述特性与其内部分
y
子 结 构 有 关 。 图 6.1.3 是 一 个 单 元 组
体中构成石英晶体的硅离子和氧离子
在垂直于z轴的xy平面上的投影，等
x
效为一个正六边形排列。右图中紫色
代表硅离子Si4+，绿色代表氧离子O2-。
8) 当石英晶体未受外力作用时，正、负离子正好分 布在正六边形的顶角上，形成三个互成120°夹角的 电偶极矩P1、P2、P3。 如图6.1.3（a）所示。
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6.1 工作原理及压电材料
相6 对5
介4
电 常
3
数2 ε1
居里点 t/℃
0
100 200 300 400 500 600
石英在高温下相对介电常数的温度特性
居里点温度
573°C
其介电常数和压电常数 的温度稳定性相当好， 在常温范围内这两个参 数几乎不随温度变化。
自振频率高，动态响应好，机械强度高，绝缘性能好， 迟滞小，重复性好，线性范围宽
• 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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6.1 工作原理及压电材料
一、 压电效应
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压电式加速度传感器
及其应用
压电式加速度传感器及其应用
一、 压电式加速度传感器原理
压电式加速度传感器又称压电加速度计。
它也属于惯性式传感器。
它是利用某些物质如石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。
当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。
由于压电式传感器的输出电信号是微弱的电荷，而且传感器本身有很大内阻，故输出能量甚微，这给后接电路带来一定困难。
为此，通常把传感器信号先输到高输入阻抗的前置放大器。
经过阻抗变换以后，方可用于一般的放大、检测电路将信号输给指示 仪表或记录器。
二、压电式加速度传感器构成元件
常用的压电式加速度计的结构形式如图所示，是由预压弹簧，质量块，基座，压电元件和外壳组成。
图中为环形剪切型，结构简单，能做成极小型、高共振频率的加速度计，环形质量块粘到装在中心支柱上的环形压电元件上。
由于粘结剂会随温度增高而变软，因此最高工作温度受到限制。
预压弹簧压电元件外壳质量
块基座
三、压电式加速度传感器幅频特性
图1 压电式加速度计的幅频特性曲线
加速度
限频率取决于幅频曲线中的共振频率图（图1）。
一般小阻尼(z<=0.1)的加速度计，上限频率若取为共振频率的 1/3，便可保证幅值误差低于1dB（即12%）；若取为共振频率的1/5，则可保证幅值误差小于0.5dB（即6%），相移小于30。
但共振频率与加速度计的固定状况有关，加速度计出厂时给出的幅频曲线是在刚性连接的固定情况下得到的。
实际使用的固定方法往往难于达到刚性连接，因而共振频率和使用上限频率都会有所下降。
四、压电式加速度传感器的灵敏度
压电式加速度计的灵敏度压电加速度计属发电型传感器，可把它看成电压源或电荷源，故灵敏度有电压灵敏度和电荷灵敏度两种表示方法。
前者是加速度计输出电压（mV）与所承受加速度之比；后者是加速度计输出电荷与所承受加速度之比。
加速度单位为m/s2，但在振动测量中往往用标准重力加速度g作单位，1g= 9.80665m/s2。
对给定的压电材料而言，灵敏度随质量块的增大或压电元件的增多而增大。
一般来说，加速度计尺寸越大，其固有频率越低。
因此
选用加速度计时应当权衡灵敏度和结构尺寸、附加质量的影响和频率响应特性之间的利弊。
压电晶体加速度计的横向灵敏度表示它对横向振动的敏感程度，横向灵敏度常以主灵敏度（即加速度计的电压灵敏度或电荷灵敏度）的百分比表示。
一般在壳体上用小红点标出最小横向灵敏度方向，一个优良的加速度计的横向灵敏度应小于主灵敏度的3％。
因此，压电式加速度计在测试时具有明显的方向性。
五、压电式加速度传感器误差形成因素分析
压电加速度计的前置放大器压电元件受力后产生的电荷量极其微弱，这电荷使压电元件边界和接在边界上的导体充电到电压U=q/Ca（这里Ca是加速度计的内电容）。
要测定这样微弱的电荷（或电压）的关键是防止导线、测量电路和加速度计本身的电荷泄漏。
换句话讲，压电加速度计所用的前置放大器应具有极高的输入阻抗，把泄漏减少到测量准确度所要求的限度以内，压电式传感器的前置放大器有：电压放大器和电荷放大器。
所用电压放大器就是高输入阻抗的比例放大器。
其电路比较简单，但输出受连接电缆对地电容的影响，适用于一般振动测量。
电荷放大器以电容作负反馈，使用中基本不受电缆电容的影响。
在电荷放大器中，通常用高质量的元、器件，输入阻抗高，但价格也比较贵。
从压电式传感器的力学模型看，它具有“低通”特性，原可测量极低频的振动。
但实际上由于低频尤其小振幅振动时，加速度值小，传感器的灵敏度有限，因此输出的信号将很微弱，信噪比很低；另外电荷的泄漏，积分电路的漂
移（用于测振动速度和位移）、器件的噪声都是不可避免的，所以实际低频端也出现“截止频率”，约为0.1～1Hz左右。
六、压电式加速度传感器的实际应用
目前最新IBM Thinkpad手提电脑里就内置了加速度传感器，能够动态的监测出笔记本在使用中的振动，并根据这些振动数据，系统会智能的选择关闭硬盘还是让其继续运行，这样可以最大程度的保护由于振动，比如颠簸的工作环境，或者不小心摔了电脑做造成的硬盘损害，最大程度的保护里面的数据。
另外一个用处就是目前用的数码相机和摄像机里，也有加速度传感器，用来检测拍摄时候的手部的振动，并根据这些振动，自动调节相机的聚焦。
概括起来，加速度传感器可应用在控制，手柄振动和摇晃，仪器仪表，汽车制动启动检测，地震检测，报警系统，玩具，结构物、环境监视，工程测振、地质勘探、铁路、桥梁、大坝的振动测试与分析；鼠标，高层建筑结构动态特性和安全保卫振动侦察上。