压电传感器
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压电传感器结构与工作原理
压电传感器结构与工作原理一、压电传感器的结构压电传感器是一种能够将压力或者应变转化为电信号的传感器。
它由压电材料、电极、支撑结构和外壳组成。
1. 压电材料：压电传感器的核心是压电材料，常用的压电材料有压电陶瓷和压电聚合物。
压电陶瓷具有良好的压电效应和稳定性，常用的压电陶瓷材料有PZT （铅锆钛矿）和PZN-PT（铅锆镍钛）等。
压电聚合物具有良好的柔性和可塑性，适合于柔性传感器的制作。
2. 电极：电极是用来采集压电材料上产生的电荷的。
普通情况下，压电材料的两面都会贴上电极，形成一个电场。
常用的电极材料有金属薄膜，如铝、铜和银等。
3. 支撑结构：支撑结构用来固定压电材料和电极，使其能够承受外界的压力或者应变。
支撑结构可以是金属片、陶瓷基板或者塑料基板等。
4. 外壳：外壳是用来保护压电传感器内部结构的。
外壳通常由金属或者塑料制成，具有良好的密封性和机械强度。
二、压电传感器的工作原理压电传感器的工作原理是基于压电效应。
当压电材料受到外界的压力或者应变时，其晶格结构会发生变化，导致内部产生电荷。
这种电荷可以通过电极采集并转化为电信号。
具体来说，压电传感器的工作过程如下：1. 压力或者应变作用：外界的压力或者应变作用于压电传感器的压电材料上，使其发生形变。
2. 电荷产生：由于压电效应，压电材料的晶格结构发生变化，导致内部产生正负电荷。
3. 电荷采集：电极将产生的电荷采集起来，并通过导线传输到外部电路。
4. 电信号转换：外部电路将采集到的电荷转换为电信号，可以是电压、电流或者电荷量等形式。
5. 信号处理：电信号经过放大、滤波和调理等处理后，可以用于测量和控制系统中的各种应用。
三、压电传感器的应用领域压电传感器由于其结构简单、响应速度快、灵敏度高等特点，被广泛应用于各个领域。
以下是一些常见的应用领域：1. 工业自动化：压电传感器可以用于测量和控制系统中的压力、应变、力等参数，用于工业自动化控制和监测。
2. 汽车工业：压电传感器可以用于汽车制动系统、气囊系统、轮胎压力监测等方面，提高汽车的安全性和舒适性。
压电式传感器原理及应用
（2）锆钛酸铅Pb（Zr·Ti）O3系压电陶瓷（PZT） 压电系数较高，各项机电参数随温度、时间等外界条件的
变化小，在锆钛酸铅的基方中添加一两种微量元素，可以 获得不同性能的PZT材料。 （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
产生电荷
02
d11——压 电系数
（C/N）
03
作用力是沿 着机械轴方
向
电荷仍在与 X轴垂直的
平面
a
a
Qx d12bFy d11bFy
04 此时，
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d12 d11
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切片上电荷的符号与受力方向的关系
图（a）是在X轴方向受压力， 图（b）是在X轴方向受拉力， 图（c）是在Y轴方向受压力， 图（d）是在Y轴方向受拉力。
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2.压电式传感器的信号调节电路
压电式传感器要求负载电阻RL必须有很大的数值，才能使测量误差小到一定数值以 内。
因此常先接入一个高输入阻抗的前置放大器，然后再接一般的放大电路及其它电路。
测量电路关键在高阻抗的前置放大器。
前置放大器两个作用:
○ 把压电式传感器的微弱信号放大； ○ 把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。
作，可作为高温下的力传感器。
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1
等效电路及信号变换电路
2
一．压电元件的等效电路 二．压电式传感器的信号调节
电路
1.压电元件的等效电路
Ca
s
h
r0s
h
U Q Ca
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变化小，在锆钛酸铅的基方中添加一两种微量元素，可以 获得不同性能的PZT材料。 （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
产生电荷
02
d11——压 电系数
（C/N）
03
作用力是沿 着机械轴方
向
电荷仍在与 X轴垂直的
平面
a
a
Qx d12bFy d11bFy
04 此时，
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d12 d11
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切片上电荷的符号与受力方向的关系
图（a）是在X轴方向受压力， 图（b）是在X轴方向受拉力， 图（c）是在Y轴方向受压力， 图（d）是在Y轴方向受拉力。
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2.压电式传感器的信号调节电路
压电式传感器要求负载电阻RL必须有很大的数值，才能使测量误差小到一定数值以 内。
因此常先接入一个高输入阻抗的前置放大器，然后再接一般的放大电路及其它电路。
测量电路关键在高阻抗的前置放大器。
前置放大器两个作用:
○ 把压电式传感器的微弱信号放大； ○ 把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。
作，可作为高温下的力传感器。
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1
等效电路及信号变换电路
2
一．压电元件的等效电路 二．压电式传感器的信号调节
电路
1.压电元件的等效电路
Ca
s
h
r0s
h
U Q Ca
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压电式传感器的原理及应用
压电式传感器的原理及应用压电式传感器是一种应用了压电效应的传感器，通过将压电材料置于受力区域，当被测物体发生变形或受力时，压电材料发生形变，从而产生电荷信号，利用该信号来测量被测量的变化情况。
一、压电效应的原理压电效应是一种物理现象，指在压力或拉伸下，某些晶体（通常是晶体的极性方向）会产生电位差。
这种效应被广泛应用于各种传感器中，特别是在加速度计、其它惯性传感器、压力传感器和液位传感器等方面。
二、压电式传感器的原理压电式传感器通常由压电晶体和测量电路组成。
当被测物体发生形变或受力时，压电材料中的极性方向的晶体产生压电效应，导致产生电荷的位移，并与电荷电容匹配的放大器或其他电路连接。
由于被测量的变化（压力，成形，位移等）与电荷位移之间存在特定关系，所以可以根据电荷电荷读数来确定被测物体发生变化的精确程度。
三、压电式传感器的应用由于压电效应具有高灵敏度、高频响应、耐腐蚀、抗干扰等优点，压电式传感器在各种领域得到广泛应用。
1.压力测量：压电式传感器常用于压力传感器的制造，用于测量汽车轮胎、气缸、油压和空气压力等。
2.振动测量：压电式传感器还可以用于测量机器和车辆的振动水平，以便定位有问题的部件。
3.流量测量：压电式传感器在流量测量中应用广泛，例如在医疗方面测量血流，工业方面可以应用于计算液体的流量。
4.力学测试：压电式传感器的高灵敏度和高频响应特性，在体育、自然科学和工程学中用于测量冲击、震动和变形等量。
5.地震观测：压电式传感器还可以用于地震观测，以便在监测过程中测量地震的振动率。
压电式传感器在上述应用领域中具有重要作用，并与其他类型的传感器如压阻式传感器、光电式传感器、磁性传感器等合作，实现了各种领域的数据测量工作，体现了良好的应用前景。
第3章 压电式传感器
图3-1 天然结构的石英晶体示意图
第3章 压电式传感器
从晶体上沿着轴线切下的一片压电元件称为压电晶片，当晶片在沿X 轴方向有作用力Fx作用时，会在与X轴方向垂直的表面产生电荷，其大小 为: q x d11Fx （电荷极性由力的方向决定）
当晶片在沿Y轴方向有作用力Fy作用时，会在与Y轴方向垂直的表面产 生电荷，其大小为: q y d11 a Fy （电荷极性由力的方向决定） b L 从以上两式可以看出，纵向压电效应与元件尺寸无关，而横向压电效 应与元件尺寸有关；且从式中的负号可以看出，两者产生电荷的极性相反。 综上所述，晶体切片上电荷的符号与受力方向的关系可用图3-2表示。
1—基座；2—压电片；3—质 量块；4—弹簧；5—壳体
第3章 压电式传感器
图3-12是一种振动加速度传感器的测量电路。电路中，利用传感 器将被测加速度转换成电压输出，经过运放741和阻容元件组成的二 阶低通滤波器将53Hz以上的振荡频率衰减，再经IC2（3521）和阻容元 件组成的高通滤波器滤去低于1Hz的振荡频率。IC3与IC4组成交流放大 积分器，可以将IC2的输出转换成速度输出。IC5与IC6又可以将速度积 分成位移输出。由于加速度、速度、位移幅度的不同，为了都能送至 同一片MC14433做A/D转换，电路中配备了未标阻值的三个串联分压器， 可以根据需要设计选择。图中IC7是反相器。
第3章 压电式传感器
图3-12 振动加速度传感器测量电路图
第3章 压电式传感器
3.4.3 电子气压计 用气压表监测大气压力，对于预报天气具有重要的意义。传统的气压 计是玻璃管式的气压表，在使用之前，需要调节刻度盘指针位置，经较 长时间才能测量出气压的变化，而且由于机械磨擦的影响，会带来很大 的测量误差。这里介绍的电子气压计，是用压电片作为压力传感器，用
压 电 式 传 感 器
• 串 联 时 ， 输 出 总 电 荷 ｑ′ 等 于 单 片 上 的 电 荷 ， 输 出 电 压 为 单 片 电 压 的 ２ 倍 ， 总 电 容 应 为单 片 的 １／２。 即
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６.２压电式传感 器的等效电路和测量 电路
• 由此可见，并连接法虽然输出电荷大，但由于本身电 容 亦 大 ， 故 时 间 常 数 大 ， 只 适 宜 测量 慢 变 化 信 号 ， 并 以 电荷作为输出的情况。串联接法输出电压高，本身电 容 小 ， 适 宜 于 以 电压 输 出 的 信 号 和 测 量 电 路 输 入 阻 抗 很 高的情况。
• 电 荷 放 大 器 是 一 个 有 反 馈 电 容 Ｃ ｆ 的 高 增 益 运算 放 大 器 。 当 放 大 器 开 环 增 益 Ａ 和 输 入 电 阻 Ｒ ｉ 、反 馈 电 阻 Ｒ ｆ （ 用 于 防 止 放 大 器 直 流 饱 和 ） 相 当 大时 ， 放 大 器 的 输 出 电 压 Ｕ ｏ 正 比 于 输 入 电 荷 ｑ ， 即当 Ａ 足 够 大 时 ， 则 有
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６.１压 电 式 传 感 器 的 工 作 原 理
• ６.１.２ 压电材料
• 自然界中的大多数晶体具有压电效应，但压电效应十 分 明 显 的 不 多 。 天 然 形 成 的 石 英 晶体 、 人 工 制 造 的 压 电 陶瓷、锆钛酸铅、钛酸钡等材料是压电效应性能优良 的压电材料。
• 具有压电效应的物质很多，可分为三大类：一是压电 晶 体 （ 单 晶 ） ， 它 包 括 压 电 石 英 晶体 和 其 他 单 晶 ； 二 是 压电陶瓷（多晶半导瓷）；三是新型压电材料，其中 有 压 电 半 导 体 和 有机 高 分 子 压 电 材 料 两 种 。
• 介 电 常 数 ——— 一 定 形 状 和 尺 寸 的 压 电 元 件 ， 固 有 电 容 与 介 电 常 数 有 关 ， 而 固 有 频 率 又影 响 着 压 电 传 感 器 的 下 限。
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６.２压电式传感 器的等效电路和测量 电路
• 由此可见，并连接法虽然输出电荷大，但由于本身电 容 亦 大 ， 故 时 间 常 数 大 ， 只 适 宜 测量 慢 变 化 信 号 ， 并 以 电荷作为输出的情况。串联接法输出电压高，本身电 容 小 ， 适 宜 于 以 电压 输 出 的 信 号 和 测 量 电 路 输 入 阻 抗 很 高的情况。
• 电 荷 放 大 器 是 一 个 有 反 馈 电 容 Ｃ ｆ 的 高 增 益 运算 放 大 器 。 当 放 大 器 开 环 增 益 Ａ 和 输 入 电 阻 Ｒ ｉ 、反 馈 电 阻 Ｒ ｆ （ 用 于 防 止 放 大 器 直 流 饱 和 ） 相 当 大时 ， 放 大 器 的 输 出 电 压 Ｕ ｏ 正 比 于 输 入 电 荷 ｑ ， 即当 Ａ 足 够 大 时 ， 则 有
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６.１压 电 式 传 感 器 的 工 作 原 理
• ６.１.２ 压电材料
• 自然界中的大多数晶体具有压电效应，但压电效应十 分 明 显 的 不 多 。 天 然 形 成 的 石 英 晶体 、 人 工 制 造 的 压 电 陶瓷、锆钛酸铅、钛酸钡等材料是压电效应性能优良 的压电材料。
• 具有压电效应的物质很多，可分为三大类：一是压电 晶 体 （ 单 晶 ） ， 它 包 括 压 电 石 英 晶体 和 其 他 单 晶 ； 二 是 压电陶瓷（多晶半导瓷）；三是新型压电材料，其中 有 压 电 半 导 体 和 有机 高 分 子 压 电 材 料 两 种 。
• 介 电 常 数 ——— 一 定 形 状 和 尺 寸 的 压 电 元 件 ， 固 有 电 容 与 介 电 常 数 有 关 ， 而 固 有 频 率 又影 响 着 压 电 传 感 器 的 下 限。
第7章---压电式传感器
直流电场E
剩余极化强度
电场作用下的伸长
(b)极化处理中
剩余伸长
(c)极化处理后
图6-6 压电陶瓷中的电畴变化示意图
2.压电效应分析 极化处理后的压电陶瓷材料，在其极化方向上施加外 力时将会产生压电效应，但其过程不同于石英晶体的 压电过程。
（1）在未受外力作用下，整个压电片如图6-7所示。
不呈现极性而呈现中性。
1、压电效应过程分析 石英晶体压电片如图6-1（c）所示，在其X轴或Y 轴上加外力F时，均在X轴的两个截面上产生符号 相反的电荷。而在Z轴方向上加外力时，不会产生 任何压电效应。
（1）石英晶体 Si4O22 的结构 如图所示，硅氧离子结构排列，图6-2中（a）
Y
Y
-
+
X+
-X
-
+
（a)硅氧离子在Z平面上的投影
第二节 压电效应的分析 一、石英晶体的压电效应的分析 石英晶体：SiO2又称石英晶体（单晶体）。天然结 构的石英晶体呈现一个正六面体的形状。如图6-1 （a）所示：
图6-1 石英晶体
其中： X轴----电轴，经过六面体棱线 Y轴----机械轴，垂直于六面体棱面 Z轴---光轴，垂直于晶体截面且与X、Y轴垂直
+
P2
P3
+
X
-
-
Fx
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
（c)Fx>0
图6-5 石英晶体的压电示意图
(5)在Y轴方向施加力Fy(横向压电效应)
1. 当受拉力时，Fy>0,则其效果与图6-4 Fx<0情况相同。 2.当受压力时，Fy<0,则其效果与图6-5 Fx>0情况相同。
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
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正压电效应示意图 （实线代表形变前的情况， 虚线代表形变后的情况）
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数学描述：qx k1 fx k1 pAx 其压电常数比石英高，机械性能不如石英好。 压电陶瓷无ZZ轴。 测压范围：100M Pa，频响范围：30k H z。
正压电效应将机械能转换为电能
二、压电元件的常用结构形式
束缚电荷吸附
外界自由电子， 且大小相等，极 性相反，不呈现 极性。
在极化方向上施加外力，陶瓷压缩变形，束缚电荷之间 距离变小，电畴偏转，极化强度变小，部分自由电荷释放而 放电。外力撤销后，陶瓷片恢复原状，极化强度增大，吸附 部分电荷而充电。正压电效应。
F －－－－－ － ＋＋＋＋＋
极化方向 －－－－－ ＋＋＋＋＋ ＋
(P1+P2+P3)X>0
（P1+P2+P3）X<0 （P1+P2+P3）Y=0 （P1+P2+P3）Z=0
在Y、Z方向上的分量为
（P1+P2+P3)Y=0 （P1+P2+P3)Z=0
• 纵向压电效应
f x pAx
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fx
fx
qx
qx
Ax代表x方向的受力面积， p代表作用在 Ax上的压力，
常用的压电材料：压电晶体、压电陶瓷。
1.压电晶体的压电特性
常用的压电晶体为石英晶体 （二氧化硅）。 石英晶体是单晶结构，为六 角形晶柱，两端呈六棱锥形状， 石英晶体为六棱形。它有三个 互相垂直的轴。其中x轴称为 电气轴，y 轴称为机械轴，z轴 称为 光学轴。
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z y x
a b 石英晶体外形
电压放大器
Ca
Ua
Cc
Ra
－A Ri Ci
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R Ra Ri Ra Ri
Ca －A
Ua
USC
R C Ui
USC
(a)
Ua
q Ca
(b) C=Cc+Ci
压电元件所受作用力：F Fm sin t 压电元件产生的电压值为： U a U m sin t
Um
q Ca
i
－A0
q
Ca U∑
Ra
USC
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输出电压：
U SC
Ca
Cc
A0q
1
A0 CF
当A0足够大时,传感器本身的电容和电缆长短将不影响电荷放大器的输出。因此 输出电压USC只决定于输入电荷q及反馈回路的参数CF和RF。由于1／RF<<ωCF,则
U SC
1
A0q
A0 CF
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求。与 上相适应，测试系统则应有较大的时间常数，亦即前置放大器要有相当高的
输入阻抗，否则传感器的信号电荷将通过输入电路泄漏，即产生测量误差。
石英晶体薄片
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受力后产生 极化现象
•石英晶体最大特点是--各向异性
• “纵向压电效应” 沿电轴x方向施加作用力产生的
压电效应称为纵向压电效应
• “横向压电效应” 沿机械轴y方向施加作用力产生
的压电效应称为横向压电效应；
• 沿光轴Z方向施加作用力则不产生压电效应。
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压电传感器的完整等效电路
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压电传感器与测量仪表联接时，还必须考虑电缆电容CC，放大器的输入
电阻Ri和输入电容Ci以及传感器的泄漏电阻Ra
Ca
Ca Ra Cc Ri Ci
q
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Ua
Ra Cc Ri Ci
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
d 33 Fm Ca
放大器输入端的电压Ui：
U i
d33F 1
jR
jRC Ca
Uim
d33FmR d33Fm 1 0 2 Ca Cc Ci
Ku
Uim Fm
d33
1
R
2
Ca
Cc
Ci 2
电荷放大器
CF
RF
2.测量等效电路
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压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传感器信号 先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗变换后，方 可输入到后续显示仪表中。
前置放大器的作用： 一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；二是放大传感 器输出的微弱信号。
压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷 信号，因此前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷 放大器。
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三、压电传感器的等效电路
当压电传感器的压电元件
电极
受到外力作用时，就会在受力 纵向或横向表面上出现电荷。 在一个极板上聚集正电荷，而 在另一个极板上聚集负电荷。
＋＋＋＋ q ――――
压电晶体
q Ca
因此压电传感器可以看成是一
(a)
(b)
个电荷发生器。同时，它也是
压电传感器的等效电路
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磁电式转速传感器的结构原理图，它由转子、定子、环形永久磁铁、 线圈等元件组成。
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第三节 压电传感器
一、压电传感器的工作原理
对某些电介质，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便产生符号相 反的电荷；当外力去掉后又重新恢复不带电状态，这种现
原理：
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F
+
q dcF
最简单的压电式传感器的结构及工作原理如图所示。在压 电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，构成两个 电极。当压电晶片受到压力F的作用时，分别在两个极板上积 聚数量相等而极性相反的电荷，形成电场。因此，压电传感器 可以看作是一个电荷发生器，也可以看成是一个电容器。
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在实际应用中，由于单片的输出电荷很小，因此，常常 将两片或两片以上的晶片粘结在一起（即并联和串联），组 成压电式传感器。由于压电材料是有极性的，因此连接方法 有两种。
a)
b)
压电元件的串联和并联
并联和串联：
+
+
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并联
串联
设单片压电元件的电容为 C ，电荷为 q ，电压为 U ，则当两片叠加后
象称为压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性
也随着改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，
这些电介质也会产生变形，这种现象称为逆压电效应。
机械能
正压电效应 逆压电效应
电能
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石英晶体的压电效应演示
当某些晶体沿着某一个方向受压或受拉发生机械变形（压缩或伸长） 时，在其相对的两个表面上会产生异性电荷。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”。
质量块
压簧
F=ma, F∝a 压电片 m
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 上，传感器内部不可能没有泄漏，外电路负载也不可能无穷大，只有外力以 较高频率不断地作用，传感器的电荷才能得以补充，因此，压电晶体不适合 于静态测量。
a b
pAy
Y 轴方向受力的压电常数
fy
k2 k1
a、b——分别为晶片的长度和厚度。
•石英晶体的压电效应具有各向异性—— 电荷 的符号由受拉力还是受压力作用所决定。
电荷 量的大小： qx与晶片几何尺寸无关，而 qy 则与晶片几何尺寸有关。
2.压电陶瓷的压电特性
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）。
+ +
+
+
P1 P3 - P2 +
-x -
(b) Fx<0
当晶体受到沿X方向的 压力（FX<0）作用时，晶 体沿X方向将产生收缩，正、 负离子相对位置随之发生
(c) Fx>0
当晶体受到沿X方向 的拉力（FX＞0）作用时， 此时电极矩的三个分量 为
变化，此时正、负电荷中 心不再重合，电偶极矩在X 方向的分量为
陶瓷片两端出 现束缚电荷
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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
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电极
－－－－－ ＋＋＋＋＋
极化方向
自由电荷 束缚电荷
－－－－－ 电极 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋
陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的 自由电荷示意图
并联时
q 2q,U U,C 2C
电荷灵敏度高
串联时 q q,U 2U ,C C / 2
电压灵敏度高
并联
q nq,U U,C nC
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串联
q q,U nU ,C C / n
+-
+-
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数学描述：qx k1 fx k1 pAx 其压电常数比石英高，机械性能不如石英好。 压电陶瓷无ZZ轴。 测压范围：100M Pa，频响范围：30k H z。
正压电效应将机械能转换为电能
二、压电元件的常用结构形式
束缚电荷吸附
外界自由电子， 且大小相等，极 性相反，不呈现 极性。
在极化方向上施加外力，陶瓷压缩变形，束缚电荷之间 距离变小，电畴偏转，极化强度变小，部分自由电荷释放而 放电。外力撤销后，陶瓷片恢复原状，极化强度增大，吸附 部分电荷而充电。正压电效应。
F －－－－－ － ＋＋＋＋＋
极化方向 －－－－－ ＋＋＋＋＋ ＋
(P1+P2+P3)X>0
（P1+P2+P3）X<0 （P1+P2+P3）Y=0 （P1+P2+P3）Z=0
在Y、Z方向上的分量为
（P1+P2+P3)Y=0 （P1+P2+P3)Z=0
• 纵向压电效应
f x pAx
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fx
fx
qx
qx
Ax代表x方向的受力面积， p代表作用在 Ax上的压力，
常用的压电材料：压电晶体、压电陶瓷。
1.压电晶体的压电特性
常用的压电晶体为石英晶体 （二氧化硅）。 石英晶体是单晶结构，为六 角形晶柱，两端呈六棱锥形状， 石英晶体为六棱形。它有三个 互相垂直的轴。其中x轴称为 电气轴，y 轴称为机械轴，z轴 称为 光学轴。
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z y x
a b 石英晶体外形
电压放大器
Ca
Ua
Cc
Ra
－A Ri Ci
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R Ra Ri Ra Ri
Ca －A
Ua
USC
R C Ui
USC
(a)
Ua
q Ca
(b) C=Cc+Ci
压电元件所受作用力：F Fm sin t 压电元件产生的电压值为： U a U m sin t
Um
q Ca
i
－A0
q
Ca U∑
Ra
USC
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输出电压：
U SC
Ca
Cc
A0q
1
A0 CF
当A0足够大时,传感器本身的电容和电缆长短将不影响电荷放大器的输出。因此 输出电压USC只决定于输入电荷q及反馈回路的参数CF和RF。由于1／RF<<ωCF,则
U SC
1
A0q
A0 CF
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求。与 上相适应，测试系统则应有较大的时间常数，亦即前置放大器要有相当高的
输入阻抗，否则传感器的信号电荷将通过输入电路泄漏，即产生测量误差。
石英晶体薄片
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受力后产生 极化现象
•石英晶体最大特点是--各向异性
• “纵向压电效应” 沿电轴x方向施加作用力产生的
压电效应称为纵向压电效应
• “横向压电效应” 沿机械轴y方向施加作用力产生
的压电效应称为横向压电效应；
• 沿光轴Z方向施加作用力则不产生压电效应。
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压电传感器的完整等效电路
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压电传感器与测量仪表联接时，还必须考虑电缆电容CC，放大器的输入
电阻Ri和输入电容Ci以及传感器的泄漏电阻Ra
Ca
Ca Ra Cc Ri Ci
q
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Ua
Ra Cc Ri Ci
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
d 33 Fm Ca
放大器输入端的电压Ui：
U i
d33F 1
jR
jRC Ca
Uim
d33FmR d33Fm 1 0 2 Ca Cc Ci
Ku
Uim Fm
d33
1
R
2
Ca
Cc
Ci 2
电荷放大器
CF
RF
2.测量等效电路
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压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传感器信号 先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗变换后，方 可输入到后续显示仪表中。
前置放大器的作用： 一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；二是放大传感 器输出的微弱信号。
压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷 信号，因此前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷 放大器。
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三、压电传感器的等效电路
当压电传感器的压电元件
电极
受到外力作用时，就会在受力 纵向或横向表面上出现电荷。 在一个极板上聚集正电荷，而 在另一个极板上聚集负电荷。
＋＋＋＋ q ――――
压电晶体
q Ca
因此压电传感器可以看成是一
(a)
(b)
个电荷发生器。同时，它也是
压电传感器的等效电路
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磁电式转速传感器的结构原理图，它由转子、定子、环形永久磁铁、 线圈等元件组成。
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第三节 压电传感器
一、压电传感器的工作原理
对某些电介质，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便产生符号相 反的电荷；当外力去掉后又重新恢复不带电状态，这种现
原理：
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F
+
q dcF
最简单的压电式传感器的结构及工作原理如图所示。在压 电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，构成两个 电极。当压电晶片受到压力F的作用时，分别在两个极板上积 聚数量相等而极性相反的电荷，形成电场。因此，压电传感器 可以看作是一个电荷发生器，也可以看成是一个电容器。
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在实际应用中，由于单片的输出电荷很小，因此，常常 将两片或两片以上的晶片粘结在一起（即并联和串联），组 成压电式传感器。由于压电材料是有极性的，因此连接方法 有两种。
a)
b)
压电元件的串联和并联
并联和串联：
+
+
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并联
串联
设单片压电元件的电容为 C ，电荷为 q ，电压为 U ，则当两片叠加后
象称为压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性
也随着改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，
这些电介质也会产生变形，这种现象称为逆压电效应。
机械能
正压电效应 逆压电效应
电能
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石英晶体的压电效应演示
当某些晶体沿着某一个方向受压或受拉发生机械变形（压缩或伸长） 时，在其相对的两个表面上会产生异性电荷。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”。
质量块
压簧
F=ma, F∝a 压电片 m
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 上，传感器内部不可能没有泄漏，外电路负载也不可能无穷大，只有外力以 较高频率不断地作用，传感器的电荷才能得以补充，因此，压电晶体不适合 于静态测量。
a b
pAy
Y 轴方向受力的压电常数
fy
k2 k1
a、b——分别为晶片的长度和厚度。
•石英晶体的压电效应具有各向异性—— 电荷 的符号由受拉力还是受压力作用所决定。
电荷 量的大小： qx与晶片几何尺寸无关，而 qy 则与晶片几何尺寸有关。
2.压电陶瓷的压电特性
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）。
+ +
+
+
P1 P3 - P2 +
-x -
(b) Fx<0
当晶体受到沿X方向的 压力（FX<0）作用时，晶 体沿X方向将产生收缩，正、 负离子相对位置随之发生
(c) Fx>0
当晶体受到沿X方向 的拉力（FX＞0）作用时， 此时电极矩的三个分量 为
变化，此时正、负电荷中 心不再重合，电偶极矩在X 方向的分量为
陶瓷片两端出 现束缚电荷
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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
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电极
－－－－－ ＋＋＋＋＋
极化方向
自由电荷 束缚电荷
－－－－－ 电极 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋
陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的 自由电荷示意图
并联时
q 2q,U U,C 2C
电荷灵敏度高
串联时 q q,U 2U ,C C / 2
电压灵敏度高
并联
q nq,U U,C nC
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串联
q q,U nU ,C C / n
+-
+-