压电式传感器的性能测试.
压电式传感器-测量技术基础
网络化
随着物联网技术的发展，压电式传感器 正与网络技术深度融合，实现远程监控 、数据传输等功能，提高传感器的工作 效率和可维护性。
VS
物联网应用
压电式传感器作为物联网系统中的感知层 器件，能够实时感知物理世界的各种信息 ，为物联网在智能制造、智慧城市等领域 的应用提供有力支持。
THANKS
感谢观看
应。压电式传感器利用材料的压电效应，将压力信号转换为电信号。
02 03
压电元件
压电元件是压电式传感器的核心部分，通常由压电陶瓷或高分子聚合物 等材料制成。当压电元件受到压力作用时，其内部电荷分布会发生变化， 从而产生电压输出。
测量电路
压电式传感器需要与测量电路配合使用，以将输出的电压信号转换为可 读的数据。测量电路通常包括放大器和滤波器等组件，以优化传感器的 性能和稳定性。
信号数字化处理
信号数字化处理
为了便于计算机处理和传输，压 电式传感器的模拟信号需要经过 数字化处理转换为数字信号。
采样率
采样率是数字化处理中的关键参 数，采样率过低可能导致信号失 真，过高则可能引入额外的噪声。
量化等级
量化等级决定了数字信号的精度， 应根据测量要求选择合适的量化 等级。
05
压电式传感器的误差与校准
压电式传感器-测量技术基础
• 压电式传感器概述 • 压电式传感器的类型与结构 • 压电式传感器的测量电路 • 压电式传感器的信号处理技术
• 压电式传感器的误差与校准 • 压电式传感器的发展趋势与展望
01
压电式传感器概述
压电式传感器的工作原理
01
压电效应
某些材料在受到外力作用时，会在内部产生电场，这种现象称为压电效
压电式传感器的应用领域
应变式、压阻式、压电式传感器特性比较
应变式、压阻式、压电式传感器特性比较1．应变式传感器应变式传感器是把力的变化转换成电阻值的变化来进行测量的，应变片是由金属导体或半导体制成的电阻体，其阻值随力所产生的应变而变化。
应变效应是导体受机械变形时，其电阻值发生变化的现象。
2．压阻式传感器压阻式传感器的灵敏度比金属丝式应变片的灵敏度高，其精度好，而且响应频率好，工作可靠。
缺点是受温度影响较大，应进行温度补偿压阻效应是物质受外力作用发生变形时，其电阻率发生变化的现象。
3．压电式传感器压电式传感器的原理是基于某些晶体材料的压电效应，目前广泛使用的压电材料有石英和钛酸钡等，当这些晶体受压力作用发生机械变形时，在其相对的两个侧面上产生异性电荷，这种现象称为“压电效应”。
压电式压力传感器不能用作静态测量，一般用于测量脉动压力，不能测量静压力；压电传感器产生的信号很弱而输出阻抗很高，必须根据压电传感器的输出要求，将微弱的信号经过电压放大或电荷放大（一般是电荷放大），同时把高输出阻抗变换成低输出阻抗，此信号才能被示波器或其他二次仪表接受。
压电式传感器与压阻式传感器的区别及其优缺点前边的那个受电场的干扰，后边那个受温度的干扰，看你用在那个场合。
前者的原理是压电效应，后者原理是受力后的应变。
前者的缺点是电荷泄露，优点是结构简单，灵敏度和信噪比高。
后者的缺点是信噪比不高，而且结构比前者复杂，优点是便宜，耐用，频率响应好。
压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基片上经扩散电阻而制成的器件。
其基片可直接作为测量传感元件，扩散电阻在基片内接成电桥形式。
当基片受到外力作用而产生形变时，各电阻值将发生变化，电桥就会产生相应的不平衡输出。
用作压阻式传感器的基片（或称膜片）材料主要为硅片和锗片，硅片为敏感材料而制成的硅压阻传感器越来越受到人们的重视，尤其是以测量压力和速度的固态压阻式传感器应用最为普遍。
压电式传感器：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。
【实验报告】压电式传感器测振动实验报告
压电式传感器测振动实验报告篇一：压电式传感器实验报告一、实验目的：了解压电传感器的测量振动的原理和方法。
二、基本原理：压电式传感器由惯性质量块和受压的压电片等组成。
（观察实验用压电加速度计结构）工作时传感器感受与试件相同频率的振动，质量块便有正比于加速度的交变力作用在晶片上，由于压电效应，压电晶片上产生正比于运动加速度的表面电荷。
三、需用器件与单元：振动台、压电传感器、检波、移相、低通滤波器模板、压电式传感器实验模板。
双踪示波器。
四、实验步骤：1、压电传感器装在振动台面上。
2、将低频振荡器信号接入到台面三源板振动源的激励源插孔。
3、将压电传感器输出两端插入到压电传感器实验模板两输入端，与传感器外壳相连的接线端接地，另一端接R1。
将压电传感器实验模板电路输出端Vo1，接R6。
将压电传感器实验模板电路输出端V02，接入低通滤波器输入端Vi，低通滤波器输出V0与示波器相连。
3、合上主控箱电源开关，调节低频振荡器的频率和幅度旋钮使振动台振动，观察示波器波形。
4、改变低频振荡器的频率，观察输出波形变化。
光纤式传感器测量振动实验一、实训目的：了解光纤传感器动态位移性能。
二、实训仪器：光纤位移传感器、光纤位移传感器实验模块、振动源、低频振荡器、通信接口（含上位机软件）。
三、相关原理：利用光纤位移传感器的位移特性和其较高的频率响应，用合适的测量电路即可测量振动。
四、实训内容与操作步骤1、光纤位移传感器安装如图所示，光纤探头对准振动平台的反射面，并避开振动平台中间孔。
2、根据“光纤传感器位移特性试验”的结果，找出线性段的中点，通过调节安装支架高度将光纤探头与振动台台面的距离调整在线性段中点（大致目测）。
3、参考“光纤传感器位移特性试验”的实验连线，Vo1与低通滤波器中的Vi 相接，低通输出Vo接到示波器。
4、将低频振荡器的幅度输出旋转到零，低频信号输入到振动模块中的低频输入。
5、将频率档选在6~10Hz左右，逐步增大输出幅度，注意不能使振动台面碰到传感器。
传感器实验
实验一 （1）金属箔式应变片——单臂电桥性能实验一、实验目的：了解金属箔式应变片的应变效应，单臂电桥工作原理和性能。
二、基本原理：电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为：εK R R =∆/式中R R /∆为电阻丝电阻的相对变化，K 为应变灵敏系数，l l /∆=ε为电阻丝长度相对变化，金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，通过它转换被测部位的受力状态变化，电桥的作用是完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。
单臂电桥输出电压U O14/εEK =。
三、需用器件与单元：应变式传感器实验模块、应变式传感器、砝码、数显表、±15V 电源、±4V 电源、万用表（自备）。
四、实验步骤：1、根据图1-1应变式传感器已装于应变传感器模块上。
传感器中各应变片已接入模块的左上方的R 1、R2、R3、R 4。
加热丝也接于模块上，可用万用表进行测量判别，R 1= R 2= R 3= R 4=350Ω，加热丝阻值为50Ω左右。
2、接入模块电源±15V （从主控箱引入），检查无误后，合上主控箱电源开关，将实验模块调节增益电位器Rw 3顺时针调节大致到中间位置，再进行差动放大器调零，方法为将差放的正、负输入端与地短接，输出端与主控箱面板上的数显表电压输入端Vi 相连，调节实验模块上调零电位器Rw 4，使数显表显示为零（数显表的切换开关打到2V 档）。
关闭主控箱电源。
图1-1 应变式传感器安装示意图3、将应变式传感器的其中一个应变片R 1（即模块左上方的R 1）接入电桥作为一个桥臂与R 5、R 6、R 7接成直流电桥（R 5、R 6、R 7模块内已连接好），接好电桥调零电位器Rw 1，接上桥路电源±4V （从主控箱引入）如图1-2所示。
检查接线无误后，合上主控箱电源开关。
调节Rw 1，使数显表显示为零。
压电式传感器实验报告
压电式传感器实验报告压电式传感器实验报告引言压电式传感器是一种常见的传感器类型，利用压电效应来测量物理量。
本实验旨在通过实际操作和数据分析，探索压电式传感器的工作原理和应用。
实验目的1. 了解压电效应的基本原理；2. 掌握压电式传感器的工作原理；3. 学习使用实验仪器和测量设备；4. 分析压电式传感器在不同应用场景下的特点和限制。
实验器材与方法1. 实验器材：压电式传感器、信号放大器、示波器、电源等；2. 实验方法：将压电式传感器与信号放大器和示波器连接，通过施加外力或改变环境条件，观察传感器输出信号的变化。
实验过程与结果1. 实验一：压力测量将压电式传感器连接到信号放大器和示波器，施加不同的压力到传感器上，并记录示波器上的输出信号。
结果显示，当施加压力时，传感器输出的电压信号随之增加，表明压电式传感器能够准确测量外部压力。
2. 实验二：温度测量将压电式传感器暴露在不同温度环境下，记录示波器上的输出信号。
结果显示，传感器输出的电压信号随温度的升高而增加，说明压电式传感器对温度变化敏感，并可用于温度测量。
3. 实验三：振动测量将压电式传感器固定在振动源上，记录示波器上的输出信号。
结果显示，传感器输出的电压信号随振动频率和振幅的变化而变化，表明压电式传感器能够测量振动的特征。
讨论与分析1. 压电效应是压电式传感器工作的基础，其原理是施加压力或改变温度会使压电材料产生电荷分离和极化，进而产生电压信号。
2. 压电式传感器的优点包括高灵敏度、快速响应和广泛的应用领域。
然而，它也存在一些限制，如温度和湿度对传感器性能的影响，以及易受机械冲击和振动的干扰。
3. 在实际应用中，压电式传感器可用于压力、温度、振动等物理量的测量，如工业自动化、医疗设备、环境监测等领域。
结论通过本实验，我们深入了解了压电式传感器的工作原理和应用。
压电式传感器具有广泛的应用前景，但在实际使用中需要考虑其特点和限制。
通过进一步的研究和改进，可以提高压电式传感器的性能和可靠性，推动其在各个领域的应用。
压电式传感器实验报告
压电式传感器实验报告传感器实验报告某某大学?综合性、设计性实验报告实验项目名称所属课程名称传感器工程实践实验日期班级学号姓名成绩1电气与信息工程学院实验室2345篇二：东南大学传感器实验报告传感器第一次实验试验一金属箔式应变片——单臂电桥性能实验一．实验目的了解金属箔式应变片的应变效应及单臂电桥工作原理和性能。
二．基本原理电阻丝在外力作用下发生机械形变时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应。
金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，通过它反映被测部位受力状态的变化。
电桥的作用是完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。
单臂电桥输出电压Uo1?EK?/4，其中K为应变灵敏系数，L/L为电阻丝长度相对变化。
三．实验器材主机箱、应变传感器实验模板、托盘、砝码、万用表、导线等。
四．实验步骤1. 根据接线示意图安装接线。
2. 放大器输出调零。
3. 电桥调零。
4. 应变片单臂电桥实验。
测得数据如下：实验曲线如下所示：分析：由图可以看出，输出电压与加载的重量成线性关系，由于一开始调零不好，致使曲线没有经过原点，往上偏离了一段距离。
5. 根据表中数据计算系统的灵敏度S??U/?W（?U为输出电压变化量，?W为重量变化量）和非线性误差m/yFS?100%，式中?m为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差；yFS为满量程输出平均值，此处为140g。
?U=30mv，?W=140g，0 所以S?30/140.2m1v43gm=1.9768g，yFS=140g，40100% 所以??1.9768/16. 利用虚拟仪器进行测量。
1.五．思考题单臂电桥工作时，作为桥臂电阻的应变片应选用：（1）正（受拉）应变片；（2）负（受压）应变片；（3）正、负应变片均可以。
答：应变片受拉，所以选（1）正应变片。
实验二金属箔片应变片——板桥性能实验一、实验目的比较半桥与单臂电桥的不同性能、了解其特点二．基本原理不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，电桥暑促灵敏度提高，非线性得到改善。
实验 压电式传感器实验
实验压电式传感器实验实验项目编码：实验项目时数：2实验项目类型：综合性（）设计性（）验证性（√）一、实验目的本实验的主要目的是了压电式传感器的结构特点；熟悉压电传感器的工作原理；掌握压电传感器进行振动和加速度测量的方法。
二、实验内容及基本原理（一）实验内容1．压电传感器进行振动和加速度测量的方法（二）实验原理压电式传感器是一和典型的发电型传感器，其传感元件是压电材料，它以压电材料的压电效应为转换机理实现力到电量的转换。
压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动进行测量，在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用。
1．压电效应：具有压电效应的材料称为压电材料，常见的压电材料有两类压电单晶体，如石英、酒石酸钾钠等；人工多晶体压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等。
压电材料受到外力作用时，在发生变形的同时内部产生极化现象，它表面会产生符号相反的电荷。
当外力去掉时，又重新回复到原不带电状态，当作用力的方向改变后电荷的极性也随之改变，如图1 (a) 、(b) 、(c)所示。
这种现象称为压电效应。
(a) (b) (c)图1 压电效应2．压电晶片及其等效电路多晶体压电陶瓷的灵敏度比压电单晶体要高很多，压电传感器的压电元件是在两个工作面上蒸镀有金属膜的压电晶片，金属膜构成两个电极，如图2(a)所示。
当压电晶片受到力的作用时，便有电荷聚集在两极上，一面为正电荷，一面为等量的负电荷。
这种情况和电容器十分相似，所不同的是晶片表面上的电荷会随着时间的推移逐渐漏掉，因为压电晶片材料的绝缘电阻(也称漏电阻)虽然很大，但毕竟不是无穷大，从信号变换角度来看，压电元件相当于一个电荷发生器。
从结构上看，它又是一个电容器。
因此通常将压电元件等效为一个电荷源与电容相并联的电路如2(b)所示。
其中ea=Q/Ca 。
式中，ea为压电晶片受力后所呈现的电压，也称为极板上的开路电压；Q为压电晶片表面上的电荷；Ca为压电晶片的电容。
实际的压电传感器中，往往用两片或两片以上的压电晶片进行并联或串联。
压电式传感器测振动实验
压电式传感器测量振动实验一、实验目的：1、了解压电式传感器结构及其特点；2、了解压电式传感器测量电路的组成方式和测量振动的方法。
二、基本原理：压电式传感器是一和典型的发电型传感器，其传感元件是压电材料，它以压电材料的压电效应为转换机理实现力到电量的转换。
压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动进行测量，在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用。
1、压电效应：一些离子型晶体的电介质（如石英、酒石酸钾钠、钛酸钡等）不仅在电场力作用下，而且在机械力作用下，都会产生极化现象。
即：在这些电介质的一定方向上施加机械力而产生变形时，就会引起它内部正负电荷中心相对转移而产生电的极化，从而导致其两个相对表面（极化面）上出现符号相反的束缚电荷，且其电位移D（在MKS 单位制中即电荷密度σ）与外应力张量T 成正比。
当外力消失，又恢复不带电原状；当外力变向，电荷极性随之而变。
这种现象称为正压电效应，或简称压电效应。
具有压电效应的材料称为压电材料，常见的压电材料有两类压电单晶体，如石英、酒石酸钾钠等；人工多晶体压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等。
压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。
其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温就是所谓的“居里点”）。
由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。
而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。
磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。
现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。
2、压电式加速度传感器图4-1 是本实验仪上所有的压电式加速度传感器的结构图。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
ua dFm sin t U m sin t（18—1） Ca
i1 1 1 0
i
A 图 图18.1 电压放大器工作原理图
B 图
2.电荷放大器 电荷放大器通常作为压电传感器的输出电路，它由一个反馈电容和高增益 运算放大器组成。当忽略和并联电阻的影响后，其等效电路如图18.2所示。 图中A为运算放大器增益，由于运算放大器输入阻抗极高，故放大器输入 端几乎没有分流，其输出电压U0为：
U im
以忽略频率的影响了。ω 0为测量电路时间常数之倒数，即ω 0=1/R （Ca+Cc+Ci），这表明压电传感器有很好的高频响应，但是当作用力为静态力 （ω =0）时，则前置放大器的输入电压为零，因为电荷会通过放大器输入电 阻和传感器本身漏电阻漏掉， 所以压电式传感器不能用于 Ca Ca U + 静态力（变形）的测量，只 A 能用于动态测量中。由于Uim C R Rc Cc R R C U 与Cc（电缆分布电容）有关，U U U 故传感器与前置放大器之间 R 的连接电缆不能随意更换， 否则会引起测量不准确。
式中：Um为压电传感器输出电压幅值，Um=dFm/ Ca；d是压电系数； 由此可得放大器输入端电压Ui，其复数形式为
U i dFmLeabharlann Ui的幅值Uim为U im
jR （18—2） 1 jR (Ci Cc C a )
dFm R
1 2 R 2 (C i C c C a ) 2
压电式传感器的前置放大级起到以下二个方面的作用：一是把传感器的高 输出阻抗变换成低输出阻抗；二是放大传感器输出的微弱信号。压电式传感 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：一种是电压放大器，它的输出电压与输入电压（传感器的输出电压） 成正比；另一种是电荷放大器，其输出电压与传感器的输出电荷成正比。下 面分别介绍电压放大器和电荷放大器的工作原理。
（18—3）
输入电压与作用力的相位差为
2
18—4） arctg R(C a C c Ci ) （
在理想状态下，传感器的Ra与前置放大器的Ri均为无穷大，即ω R(Ca+Cc+Ci) 远大于1，所以由式（18—3）可得理想状态时的输入电压幅值为 （18—5） dFm 上式说明前置放大器输入电压与频率无关。一般认为 ω /ω 0>3时，就可 Ci C c C a
第18章 压电式传感器的性能测试 18.1 实训的目的要求
18.1.1实训目的 1.通过实训更好地掌握有关压电式传感器的结构原理，更好地理解相 关的理论知识，为更好地使用这种传感器打下坚实的基础；
2.通过实训彻底弄清压电式传感器的构造情况，了解其使用过程中常 见的故障，掌握排除的方法；
3.了解这种传感器在工程实际中的应用状况，弄清其性能特点和应用 范围；
2
4.机械耦合系数：在压电效应中，其值等于转换输出能量（如电能）与 输入能量（如机械能）之比的平方根；它是衡量压电材料机电能量转换效 率的一个重要参数； 5.电阻：压电材料的绝缘电阻将减小电荷泄漏，从而改善压电传感器的 低频特性； 6.居里点：压电材料开始丧失压电特性时的温度称为居里点； 18.2.2 常用压电材料 目前常用的压电材料主要有石英晶体、钛酸钡（BaTiO3）、锆钛酸铅 (PZT)等很多种类。石英晶体材料的压电系数很稳定，但其灵敏度较低且介 电常数小，因此已渐渐地被其它压电材料代替；钛酸钡材料有较高的压电 系数且价格低廉，但只适用于700C以下的低温场合；锆钛酸铅系压电材料是 钛酸铅(PbTiO3)和锆酸铅(PbZrO3)组成的固溶体。这种陶瓷的压电性能大约 是钛酸钡的两倍，特别是在—55~2000C的温度范围内无晶相转变，已成为压 电陶瓷研究的主要对象。它的缺点是烧结过程中氧化铅（PbO）的挥发问题， 难以获得致密的烧结体，以及压电性能依赖于钛和锆的组成比，难以保证 性能的均匀一致。 18.2.3 测量电路简介 压电式传感器本身具有很高的内阻抗，而输出的能量又非常微弱，因 此它的测量电路通常需要有一个高输入阻抗的前置放大级作为阻抗匹配， 方可接入到一般的放大、检波和显示等处理电路，或者再经功率放大器至 记录仪器。
18.1.2实训要求
1.认真复习有关压电式传感器的工作原理、性能特点等理论知识； 2.预习该实训的相关内容，看懂实训教程所给的电路原理图，考虑好 接线和布线的方法，以利于更好地完成本次实训； 3.认真仔细地测量每一个数据，作好记录、及时完成实训报告；
1
18.2 实训的基本原理
18.2.1压电式传感器的工作原理 压电式传感器的工作原理是建立在某些材料的压电效应的基础上的，它 利用具有压电效应的材料作为传感器的敏感元件，将被测量转换为电信号， 实现对非电量的检测。所谓压电效应[7]是指某些电介质材料，当沿着某些 特定方向对其施加作用力使其发生变形时，这种材料的内部就会产生极化 现象，在其相对的两个表面会形成正负电荷。一旦外力消失后又会重新恢 复到不带电状态，这种应变致电现象叫压电效应。当改变作用力的方向时， 电荷的极性也随之改变。我们把由机械能转换成电能的现象叫“正压电效 应”；反之，若在电介质的极化方向上施加一定的电场，它们就会产生变 形，我们称之为“逆压电效应”或叫“电致伸缩效应”。 自然界中大多数晶体都具有压电效应，但压电效应十分微弱，不具备实 用价值。压电材料可能分成两大类：压电晶体和压电陶瓷。衡量压电材料 的性能参数主要有： 1.压电常数：它是衡量材料压电效应强弱的参数，直接关系到输出灵敏 度； 2.弹性常数：它与压电器件的固有频率和动态特性有关； 3.介电常数：对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容与介电常数 有关；而固有电容又影响着压电传感器的频率下限；