磁电式压电式传感器
压电式传感器的工作原理
压电式传感器的工作原理压电式传感器是一种常用的传感器，它通过压电效应来实现对压力、力、加速度等物理量的测量。
压电效应是指某些晶体在受到机械应力时会产生电荷，这种效应被应用在压电式传感器中，使其能够将机械量转换为电信号，从而实现对物理量的测量。
压电式传感器的工作原理可以简单地分为两个步骤，压电效应和电信号输出。
首先，当压电晶体受到外部机械应力时，晶体内部的正负电荷分布会发生改变，从而产生一个电势差。
这个电势差可以被连接在晶体上的电极捕获，并输出为电信号。
这样，通过测量电信号的大小，就可以确定外部机械应力的大小，从而实现对物理量的测量。
在实际应用中，压电式传感器通常由压电晶体、电极、外壳和连接线组成。
当外部机械应力作用在压电晶体上时，电极捕获到的电荷会通过连接线传输到外部的测量设备中，从而实现对物理量的测量。
压电式传感器的工作原理简单而又有效，使其在工业控制、医疗设备、汽车电子等领域得到了广泛的应用。
值得注意的是，压电式传感器的工作原理虽然简单，但在实际应用中还是需要考虑一些因素。
例如，压电晶体的材料、结构和制作工艺都会影响传感器的灵敏度和精度。
此外，外部环境的温度、湿度等因素也会对传感器的性能产生影响。
因此，在选择和使用压电式传感器时，需要综合考虑这些因素，以确保传感器能够准确可靠地工作。
总的来说，压电式传感器通过压电效应将机械量转换为电信号，实现对物理量的测量。
它的工作原理简单而又有效，使其在各个领域得到了广泛的应用。
然而，在实际应用中仍需要考虑材料、结构、环境等因素对传感器性能的影响。
通过对这些因素的综合考虑，可以更好地选择和使用压电式传感器，从而实现对物理量的准确测量。
传感器的分类
传感器的分类
常见的非电基本被测量和派生被测量见表1－1。
热电式传感器所基于的物理原理主要包括热电效应、热阻效应、热 辐射、磁导率随温度变化的特性等，因此按照工作原理，可将热电式传 感器分为热敏电阻、热电偶、PN结型测温传感器、辐射高温计等。下 面主要介绍热敏电阻。
传感器的分类
热敏电阻是最常见的温度检测元件之一，其测量精度高、种类 多、发展较成熟，它由一种半导体材料制成，特点是电阻随温度变化 而显著变化，能直接将温度的变化转换为电量的变化。
热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度变化的特性制成的一种 热敏元件。热敏电阻的导电性能主要由内部的载流子（电子和空穴） 密度和迁移率所决定，当温度升高时，外层电子在热激发下大量成为 载流子，载流子的密度大大增加，活动能力加强，从而导致其阻值的 急剧下降。
传感器的分类
按照电阻的阻值随温度变化的情形，可将热敏电阻分为三类：阻 值随温度的上升而减小的负温度系数（negative temperature coefficient，NTC）热敏电阻，它的主要材料是过渡金属氧化物半导 体陶瓷；阻值随温度的上升而增加的正温度系数（positive temperature coefficient，PTC）热敏电阻，其主要材料是掺杂的半 导体陶瓷；临界温度系数热敏电阻（critical temperature resistor， CTR），它的阻值在特定的温度范围内随温度升高而降低3~4个数量 级，主要材料是二氧化钒，并添加了一些金属氧化物，可组成理想的 控制开关。在温度测量中，主要采用的是NTC和PTC热敏电阻，尤其 是NTC热敏电阻。
测量转速的传感器原理及框图
赵永杰 12090040125 第五次作业
1 有哪些传感器可以测量转速, 并挑选其中2种简述测量原理 ,绘出框图.
2 压电式传感器为什么要在电路中应用电荷放大器,简述原理
一、能测量转速的传感器：光电式传感器、电容式传感器、磁电式传感器等。
光电式传感器框图：
原理：当物体转动时，光能透过物体以一定频率照射到光电式传感器上，传感器将光的能量转化为微弱的电流，经过数据分析得到物体的实际转速。
磁电式传感器框图：
原理：在永久磁铁产生的直流磁场内放置一个可动线圈，当线圈在磁场内稳定转动时，产生一确定的电压，根据公式E=WBLVsinθ能计算出物体的实际转速。
二、由于压电式传感器的输出电信号是很微弱的电荷，而且传感器自身有很大阻，
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，方可以用一般的放大、检波电路将信号输给指示仪或记录器。
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。
磁电式传感器的工作原理
磁电式传感器的工作原理
磁电式传感器是一种常用的用于测量和检测磁场的传感器。
其工作原理基于磁性材料在外加磁场作用下产生的磁电势。
磁电式传感器通常由两个主要部分组成：磁敏感元件和信号处理电路。
磁敏感元件是通常由铁磁材料制成的，比如镍、铁、钴等。
这些材料在外加磁场的作用下会发生剩余磁化现象，即使在磁场消失后，仍能保持一定的磁性。
当外加磁场作用在磁敏感元件上时，磁性材料内部的磁矩会发生改变。
这种磁矩的改变会导致磁敏感元件两端产生电势差，即磁电势。
这个电势差与外加磁场的强度成正比，可以通过测量电势差来间接测量磁场的强度。
信号处理电路用于放大和处理由磁敏感元件产生的微弱电势差。
通常，这些电路会对输入的电势差进行放大和滤波，以提高测量的准确性和稳定性。
然后，信号处理电路将处理后的电信号转换为数字信号或模拟信号，供其他设备使用或进行进一步的数据处理。
总而言之，磁电式传感器通过利用磁敏感元件在外加磁场作用下产生的磁电势，实现对磁场强度的测量和检测。
其工作原理简单可靠，广泛应用于各种领域，比如工业控制、汽车电子、电力系统等。
力传感器基本原理
力传感器基本原理
力传感器基本原理是利用一些特定材料的电阻、压电、电容等性质的变化来检测外力的大小。
以下是其中一些常见的原理：
1. 电阻式力传感器：基于材料的电阻随变形或应力改变而发生变化的特性。
通常使用恒压或恒流方式供电，在材料上施加外力后，测量电流或电压的变化来计算力的大小。
2. 压电式力传感器：利用压电材料的特性，即在施加外力时会生成电荷的现象。
当外力施加在压电材料上时，材料会产生电荷，通过测量产生的电荷量来确定外力的大小。
3. 电容式力传感器：利用电容的变化来检测外力的大小。
当外力施加在电容式力传感器上时，感应电容的尺寸或介质特性发生变化，从而改变电容值。
通过测量电容值的变化来确定外力的大小。
4. 光电式力传感器：基于光电效应的原理，将外力转化为光信号的改变来进行力的测量。
当外力影响到光电传感器时，照射在光敏元件上的光强度会发生变化，通过测量光电信号的变化来计算力的大小。
5. 磁电式力传感器：利用磁电效应的原理，将外力转化为磁场的变化来进行力的测量。
当外力施加在磁电器件上时，磁场的分布会发生变化，通过测量磁场的变化来计算力的大小。
这些力传感器基本原理的选择取决于不同应用的需求和要求。
传感器的分类_传感器的原理与分类_传感器的定义和分类
传感器的分类_传感器的原理与分类_传感器的定义和分类传感器的分类方法很多．主要有如下几种：（1）按被测量分类，可分为力学量、光学量、磁学量、几何学量、运动学量、流速与流量、液面、热学量、化学量、生物量传感器等。
这种分类有利于选择传感器、应用传感器（2）按照工作原理分类，可分为电阻式、电容式、电感式，光电式，光栅式、热电式、压电式、红外、光纤、超声波、激光传感器等。
这种分类有利于研究、设计传感器，有利于对传感器的工作原理进行阐述。
（3）按敏感材料不同分为半导体传感器、陶瓷传感器、石英传感器、光导纤推传感器、金属传感器、有机材料传感器、高分子材料传感器等。
这种分类法可分出很多种类。
（4）按照传感器输出量的性质分为摸拟传感器、数字传感器。
其中数字传感器便干与计算机联用，且坑干扰性较强，例如脉冲盘式角度数字传感器、光栅传感器等。
传感器数字化是今后的发展趋势。
（5）按应用场合不同分为工业用，农用、军用、医用、科研用、环保用和家电用传感器等。
若按具体便用场合，还可分为汽车用、船舰用、飞机用、宇宙飞船用、防灾用传感器等。
（6）根据使用目的的不同，又可分为计测用、监视用，位查用、诊断用，控制用和分析用传感器等。
主要特点传感器的特点包括：微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化，它不仅促进了传统产业的改造和更新换代，而且还可能建立新型工业，从而成为21世纪新的经济增长点。
微型化是建立在微电子机械系统（MEMS）技术基础上的，已成功应用在硅器件上做成硅压力传感器。
主要功能常将传感器的功能与人类5大感觉器官相比拟：光敏传感器——视觉声敏传感器——听觉气敏传感器——嗅觉化学传感器——味觉压敏、温敏、传感器（图1）流体传感器——触觉敏感元件的分类：物理类，基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。
化学类，基于化学反应的原理。
生物类，基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。
通常据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类（还有人曾将敏感元件分46类）。
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。
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d14
2d11
0 0 0 0 0
0
d11 2.311012 C N d14 0.731012 C N
右旋石英晶体取负号； 左旋石英晶体取正号。
2.压电陶瓷的压电方程及压电常数矩阵
实验表明，钛酸钡压电陶瓷的压电
方程及压电常数矩阵为：(沿Z 轴极化) 在Z 轴方向上存在d31、d32、d33(x、y、z
p6
d11 d12 d13 d14 d15 d16 d11 d12 0 d14 0 0
dij d21
d 22
d 23
d 24
d 25
d
26
0
0
0
0
d 25
d 26
d31 d32 d33 d34 d35 d36 0 0 0 0 0 0
d11 d11 0 d14 0
0
0
0
0
0
(σ1)
x (1)F1
X0°切型石英晶体切片的力 —— 电分布
j 1、2、3、4、5、6 (沿x、y、z)、(绕x、y、z)
P j : j 方 向 的 应 力 分 量 （Pa）
由此可见，
ij
dij
: :
j 方 向 的 应 力 分 量 在i 面 上 产 生 电 荷 的 面 密 度（C/m2） j 方 向 的 应 力 分 量 在i 面 上 产 生 电 荷 时 的 压 电常 数 （C/N）
2.表面电荷计算
由σi j =di j Pj ，两边同乘以产生电荷表面的面积S，得 Qi j = Sσi j =Sdi j Pj，
当i = j 时， Qi = di i Fj (作用力垂直于产生电荷的表面时) ，如对于石英
晶体 F （F = S P）平行于 x 轴为Fx 时， Qx = d11 Fx ；如对于钛酸钡， F
晶体表面出现剩余电
电荷而产生的。由于
压电常数矩阵中只有 d11、d12、d14、d25、 y d26不为零，并且d14、 d25、d26需要切向应力 作用往往不便利用，
所以通常只利用d11、
d12 =- d11两个相关的 应力方向和这两个压
x
P1 P2 P3 不受力
x
x Fx
y
P1
x
Fy
Fy
y
P1
di j 是矩阵 [di j]上的元 素。
压电方程的矩阵表示 压电常数矩阵
p1
1 d11
2
d
21
3 d31
d12 d 22 d 32
d13 d 23 d 33
d14 d 24 d 34
d15 d 25 d 35
d16 d 26 d 36
p2 p3 p4 p5
平行于 Z轴为FZ 时, QZ = d33 FZ 。若i ≠ j ，如石英晶体若i =1， j =2 , F 平
行于 y 轴为Fy 时,在与 x 轴垂直的表面上产生的电荷, [Qx ]y = d12 Sx Py，
Qx
y
d12
Sx Sy
S y Py
d12
Sx Sy
Fy
Qx
1→ x ； 2→ y 与 x 轴垂直的表面的面积
别为绕 x、y、z轴的切向应力， σ1～σ3分别是 x、y、z 表面由于
压电效应而产生的电荷面密度。 其压电方程为：
ij dij Pj
i 1、2、3 x、y、z
z(3) (σ3 ) F3
F6
σi j = d i j Fj
i =1、2、3 j =1、2、3、4、5、6
F5
(σ2)
(2)
y
F4
F2
d33 1901012 C N d31 d32 0.41d33 781012 C N
d15 d24 2501012 C N
三、压电效应的物理机制与表面电荷计算
1.物理机制
⑴石英晶体：
如图示，晶体内部正负离子的偶极矩在外力的作用下由于晶体的形变而
被破坏，导致使晶体的电中性被破坏，从而使其在一些特定的方向上的
P2 P3
P2 P3
Fx
图 5-2 石英晶体压电模型
x
x
x
电常数。
y
y
y
y
(a )
(b )
(c )
(d )
图 5-3 晶片上电荷极性与受力方向的关系
⑵压电陶瓷： 压电陶瓷的压电效应机理与石英晶体大不相同，未经极化处理的压 电陶瓷材料是不会产生压电效应的。压电陶瓷经极化处理后，剩余极 化强度会使与极化方向垂直的两端出现束缚电荷（一端为正，另一端 为负），由于这些束缚电荷的作用在陶瓷的两个表面吸附一层来自外 界的自由电荷，并使整个压电陶瓷片呈电中性。当对其施加一个与极 化方向平行或垂直的外压力，压电陶瓷片将会产生形变，片内束缚电 荷层的间距变小，一端的束缚电荷对另一端异号的束缚电荷影像增强， 而使表面的自由电荷过剩出现放电现象。当所受到的外力是拉力时， 将会出现充电现象。
自由电荷
电极
束缚电荷
自由电荷
图5-5束缚电荷和自由电荷排列示意图
⑶ 两种压电材料的特点 石英晶体：居里点温度高（高达573℃），稳定性好，无热释电现 象。但压电常数小，成本高。 压电陶瓷：压电常数大，成本低。但居里点温度低，稳定性不如 石英晶体，有热释电现象，会给传感器带来热干扰。利用热释电现象 特性可以制作热电传感器，如红外探测。
3.常用压电材料 ⑴ 压电晶体（单晶体）：石英；铌酸锂等。
三个方向的压电效应)，当x、y、z 三个 方向的应力相等均为F 时(如在液体中)：
压电方程的矩阵形式
1 0 0 0 0 d15
2
0
0
0 d24 0
3 d31 d32 d33 0 0
p1
0 0 0
p2
Hale Waihona Puke p3 p4p5p6
3 d31 d32 d33 F 2d31 d33 F d3F d 3称为体积压 d3 2d31 d33 2 0.4d33 d33 0.2d33 缩压电常数。
二、压电材料的压电常数
以下讨论忽略外界附加电场、力场的作用和温度、磁场的影响。
1.石英晶体的压电方程及压电常数矩阵
石英晶体是一种各向异性的（压电材料）介质，按X0°切型的正六
面体，在三维直角坐标系内的力 —— 电作用状态如图所示：
F1～F3分别为沿 x、y、z 轴的正
应力（或应力分量）， F4～F6分
d11 d12 d13 d14 d15 d16 0 0 0 0 d15 0
dij d21
d 22
d 23
d 24
d 25
d 26
0
0
0 d24 0 0
d31 d32 d33 d34 d35 d36 d31 d32 d33 0 0 0
0 0 0 0 d24 0
0
0
0 d24 0 0
d31 d31 d33 0 0 0