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常用的传感器，用于测量物体的加速度。
它的工作原理基于压电效应，即某些晶体在受到压力时会产生电荷。
首先，压电式加速度传感器由一个压电晶体和电极组成。
当传感器受到加速度作用时，晶体会受到压力变形。
这种变形使得晶体内部的正负电荷分离，产生了一个电荷差。
电极会将这个电荷差收集起来，转化为电压信号。
接下来，电压信号会被放大和处理，然后传输到计算机或其他设备进行分析。
通过测量电压信号的大小，我们可以获得物体的加速度信息。
需要注意的是，压电式加速度传感器只能测量垂直于晶体压力方向的加速度。
如果需要测量多个方向的加速度，可以使用多个传感器，或者使用一些设计上更复杂的方式。
总结起来，压电式加速度传感器的工作原理是通过压电效应将加速度转化为电荷差，并将电荷差转化为电压信号，用于测量物体的加速度。
传感器课程设计--压电式加速度传感器的设计
课程设计说明书题目：压电式加速度传感器的设计学院（系）：电气工程学院课程设计（论文）任务书院（系）：电气工程学院基层教学单位：自动化仪表系说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。
目录示例目录第1章摘要 (1)第2章引言 (2)第3章电路仿真及准备作 (3)第4章压电式加速度传感器的参数设计及计算 (12)4.1 结构设计 (12)4.2 电容设计与计算 (12)4.3 其他参数的计算 (12)第5章误差分析 (13)第6章结论 (14)心得体会 (14)参考文献 (15)第一章摘要传感器是一门集合多种科学技术的科学，它利用各种原理如光电效应、压电效应,等等的原理，来根据被测物体的变化来反映待测量的变化的科学。
传感器是在现今科学领域中实现信息化的基础技术之一。
现代测量、控制与自动化技术的飞速发展，特别是电子信息科学的发展，极大地促进了现代传感器技术的发展。
传感器的使用也越来普遍，在当今社会里起到了很大的作用，与此同时传感器的技术要求也在不断提高，对传感器的设计，性能，功能提出了更高的要求，显而易见传感器在以后的社会发展中将会起到越来越重要的作用。
压电式传感器是基于压电效应的传感器。
压电效应是一种能实现机械能与电能相互转换的效应，当有力作用于压电元件上时，压电元件会产生电荷，传感器中利用电荷放大电路，将电荷的变化表现到电压的变化，从而来确定待测物体的运动状态。
经过一定转换电路来实现我们所需要的测量的输出。
压电式传感器的优点是频带宽、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。
第二章引言压电式传感器是基于压电效应的传感器，就要求必须将电荷的变化通过电路来表现出来，这就要求将电荷的变化转换成电路中电流的变化或者电压的变化，此时必须用到电荷放大电路来实现。
电荷放大电路是压电传感器的核心电路，它将电荷的变化转换电压的变化，从而实现了测量的意义，可以根据电压的变化来判断被测物体的变化或者运动状态。
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
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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。
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利用压电效应测量加速度的传感器。
它由一个压电晶体和质量块组成。
工作原理如下：
1. 当加速度传感器受到加速度作用时，质量块会受到力的作用而发生位移。
2. 位移的变化引起压电晶体的压电效应，从而在晶体上产生电荷。
3. 电荷由传感器输出接口传送到外部电路进行信号处理。
4. 根据电荷的大小，可以计算得到加速度的数值。
压电式加速度传感器的工作原理主要基于压电效应，即一些材料在受到力或压力作用时会产生电荷。
这种工作原理具有快速响应、高精度和宽工作频率范围等优点，因此常被应用于振动测量、机械设备监测、运动控制等领域。
实验三十七 压电加速度式传感器
实验三十七压电加速度式传感器
一、实验目的
了解压电加速度计的结构、原理和应用。
二、实验原理
压电式传感器是一种典型的有源传感器（发电型传感器）。
压电传感元件是力敏感元件，在压力、应力、加速度等外力作用下，在电介质表面产生电荷，从而实现非电量的电测。
三、实验所需部件
压电式传感器、电荷放大器（电压放大器）、低频振荡器、激振器、电压/频率表、示波器。
图（20）
四、实验步骤
1．观察了解压电式加速度传感器的结构：由PZT 双压电陶瓷晶片、惯性质量块、压簧、引出电极组装于塑料外壳中。
2．按图（20）接线，低频振荡器输出接“激振II ”端，开启电源，调节振动频率与振幅，用示波器观察低通滤波器输出波形。
3．当悬臂梁处于谐振状态时振幅最大，此时示波器所观察到的波形V P -P 也最大，由此可以得出结论：压电加速度传感器是一种对外力作用变化敏感的传感器。
五、注意事项
做此实验时，悬臂梁振动频率不能过低（1~3H Z），否则电荷放大器将无输出。
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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
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。
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。
、压电式加速度传感器构成元件
三、压电式加速度传感器幅频特性
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
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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/s 2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。