压电传感器的应用
压电式传感器的发展与应用
压电式传感器的发展与应用压电式传感器是一种基于压电效应工作的传感器，它将外界的压力、振动、加速度等物理量转化为电信号输出，具有高灵敏度、宽频响特性、快速响应速度等优点。
随着科技的不断进步，压电式传感器的发展和应用也越来越广泛。
压电式传感器的发展可以追溯到20世纪初，当时主要应用于水听器和石英晶体振荡器等领域。
20世纪60年代以后，随着电子器件技术的发展，压电式传感器开始得到广泛应用。
目前，压电式传感器已经成为电子测量技术中的一种重要传感器，应用于军事、工业、医疗、环保、航天、汽车等领域。
压电式传感器的应用非常广泛。
在军事领域，压电式传感器可以应用于声纳系统、地震探测、战车装甲监测等方面。
在工业领域，压电式传感器可以应用于压力传感、温度测量、物料流量检测等方面。
在医疗领域，压电式传感器可以应用于心电图监测、血压测量、呼吸检测等方面。
在环保领域，压电式传感器可以应用于噪声监测、震动控制等方面。
在航天领域，压电式传感器可以应用于火箭探测、空间站定位等方面。
在汽车领域，压电式传感器可以应用于车速控制、安全气囊控制等方面。
随着科技的进步和应用领域的不断扩展，压电式传感器在技术上也在不断创新。
目前，压电式传感器不仅仅可以测量静态压力和振动加速度，还可以测量动态压力、温度、流量等多种物理量。
此外，压电式传感器还可以实现智能化和自适应控制，提高传感器的灵敏度和精度。
虽然压电式传感器在应用领域和技术水平上已经取得了很大的进展，但是仍然存在一些问题需要解决。
首先，传感器的灵敏度和线性度需要进一步提高。
其次，传感器的工作温度范围需要扩大，以适应更广泛的应用环境。
再次，传感器的功耗和体积需要进一步减小，以提高系统的可靠性和效率。
综上所述，压电式传感器的发展和应用前景广阔。
随着科技的不断进步，压电式传感器将在更多的领域得到应用，为社会的发展和人类的生活提供更多的便利和可能性。
压电式传感器原理及应用
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
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r0s
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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。
压电传感器的应用工作原理
压电传感器的应用工作原理1. 什么是压电传感器压电传感器是一种将物理量（如压力、力、加速度等）转换为电信号的传感器。
它利用压电材料的压电效应，将外界作用力转化为电荷或电压信号。
压电传感器具有高灵敏度、高频响和广泛的应用领域。
2. 压电传感器的工作原理压电传感器的工作原理基于压电效应。
当压电材料受到外界力的作用时，其结构会发生微小的形变，导致内部的电荷分布发生改变。
这种形变和电荷分布的变化可通过电荷放大器转化为电压信号。
3. 压电传感器的应用领域压电传感器广泛应用于以下领域：•汽车工业：用于测量引擎的振动和冲击，以及轮胎的压力。
•医疗器械：用于测量血压、心率和呼吸频率等生理参数。
•工业自动化：用于测量流体压力、液位和温度等。
•空气质量监测：用于测量空气污染物的浓度和颗粒物的大小。
•智能手机和智能手表：用于测量姿势和运动状态。
4. 压电传感器的优势压电传感器具有以下优势：•高灵敏度：能够感知微小的力和压力变化。
•宽工作范围：可适应不同的工作环境和温度范围。
•高频响应：能够检测高频振动和震动。
•可靠性高：长寿命、稳定性好、抗干扰能力强。
5. 压电传感器的局限性压电传感器也存在一些局限性：•温度敏感性：温度变化可能会影响压电材料的性能。
•电源要求：压电传感器需要外部电源供电才能正常工作。
•信号处理复杂：输出信号通常需要经过放大和滤波等处理才能得到有用的信息。
6. 压电传感器的发展趋势随着科技的不断进步，压电传感器也在不断发展。
•小型化：压电传感器正朝着更小、更轻、更方便集成的方向发展。
•多功能化：压电传感器在信号处理和数据分析方面越来越智能化。
•无线化：压电传感器正朝着无线通信和远程监测的方向发展。
•智能化：压电传感器将与人工智能技术结合，实现更智能的应用。
总结压电传感器是一种将物理量转化为电信号的传感器，利用压电效应将外界作用力转化为电荷或电压信号。
它广泛应用于汽车工业、医疗器械、工业自动化、空气质量监测等领域。
压电式力传感器的应用场景
压电式力传感器的应用场景压电式力传感器是一种常用于测量力的传感器，具有灵敏度高、响应速度快、体积小、重量轻等特点。
由于其优越的性能和广泛的应用领域，压电式力传感器在工业、医疗、航空航天等领域有着广泛的应用。
1. 工业自动化在工业自动化领域，压电式力传感器可以用于测量机械设备的力学特性，例如测量机械臂的扭矩、压力、力量等参数。
通过实时监测这些参数，可以对机械设备进行精确控制，提高生产效率和产品质量。
2. 汽车行业压电式力传感器在汽车行业的应用非常广泛。
例如，在汽车制动系统中，可以使用压电式力传感器来测量制动踏板的力度，从而实现对刹车系统的精确控制。
另外，压电式力传感器还可以用于测量引擎输出的扭矩和功率，以及车辆的加速度和行驶速度等参数。
3. 医疗设备在医疗设备中，压电式力传感器被广泛应用于各种测量和监测系统中。
例如，在手术中，可以使用压电式力传感器来测量手术器械的握力，以确保手术的精确性和安全性。
此外，压电式力传感器还可以用于测量患者的呼吸、心跳等生理参数，以监测患者的健康状况。
4. 航空航天在航空航天领域，需要对飞机、火箭等飞行器的各种力学参数进行准确测量。
压电式力传感器可以用于测量飞行器的气动力、推力、重力等参数，从而为飞行器的设计和控制提供重要的数据支持。
此外，压电式力传感器还可以用于测量航天器的姿态变化和振动特性等。
5. 智能手机和电子设备压电式力传感器在智能手机和其他电子设备中也有着广泛的应用。
例如，智能手机的触摸屏和按键部分常常使用压电式力传感器来实现用户的触摸输入。
此外，压电式力传感器还可以用于测量电池的充电状态、设备的重量和压力等参数。
压电式力传感器具有广泛的应用场景，在工业、医疗、航空航天和电子设备等领域发挥着重要的作用。
随着科技的不断进步和创新，压电式力传感器的应用将会越来越广泛，为各个领域的发展和进步提供更加可靠和精确的力学测量。
压电传感器应用
压电传感器于车辆行驶称重 压电传感技术与网络技术和视频 技术相结合可以实现对车轴数、车 速、轴距、行驶中车辆载重量的信 息进行收集并加以分析，从而在智 能交通系统中发挥重大作用。
由Sigma 研究公司研制而成的“便携 式自动远程检查系统”，其关键元件 是一个PVDF压电薄膜，其中含有 1024 个换能器。这种膜的柔韧性很好， 能够与曲率半径为4的弯曲表面完全贴 合。与它相连的装置还有一个手提控 制器、数据采样器和显示装置等。飞 机上的石墨 — 环氧树脂复合物或舰艇 上的大型结构都可以用它来进行很方 便的测试。而对于铝和钢的测试，这 方面早已获得了令人满意的结果。
压电传感器应用
甘鑫 许芯语 刘新宇 冯肖梦
压电式传感器
压电式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。 压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量。
用于加工工艺监测 压电式力、应力、振动及声发射传 感器因其具有独特的优点成为现代 化自动控制制造业中状态监测的理 想选择。一种创新的双用传感器将 声发射传感器与三分量测力传感器 合二为一，将这种双用传感器安装 在车床夹具的适当位置，就可以连 续监测切削力、进刀力和被动力的 大小以及相关的声发射信号。
压电式报警器
玻璃破碎报警装置它利用压电元 件对振动敏感的特性来感知玻璃受 撞击和破碎时产生的振动波。玻璃 破碎时会发出几千赫兹至几十千赫 兹的振动，使用时将高分子压电薄 膜传感器粘贴在玻璃上，感受这一 振动，然后通过电缆和报警电路相 连，将压电信号传送给集中报警系 统。玻璃破碎报警器可广泛用于文 物保管、贵重商品保管及其他商品 柜台保管等场合。
压电式传感器的应用和原理
压电式传感器的应用和原理应用领域压电式传感器是一种广泛应用于各个领域的传感器，主要包括以下几个方面的应用：1.工业自动化：在工业自动化领域中，压电式传感器常被用于测量力、压力、力矩等参数，可以实时监测设备的工作状态，保证生产过程的稳定性和安全性。
2.汽车工业：在汽车工业中，压电式传感器被广泛应用于发动机控制、刹车系统、悬挂系统等方面，可以实时监测汽车的各项参数，提高行驶安全性和驾驶舒适性。
3.医疗设备：在医疗设备中，压电式传感器可以用于测量心率、呼吸、体温等生命体征参数，用于疾病诊断、治疗和康复监测，为医疗工作者提供精准的数据支持。
4.空气质量监测：压电式传感器可以用于监测空气质量，检测并记录大气中的各种有害气体，为改善环境质量提供客观数据。
5.智能穿戴设备：压电式传感器适用于智能手环、智能手表等穿戴式设备中，可以实时监测心率、睡眠质量、运动步数等健康指标，为用户提供全面的健康数据。
工作原理压电式传感器的工作原理基于压电效应，压电效应是指某些特定的材料在受到机械应力作用时，会产生正比于应力大小的电荷。
压电式传感器通常由一个或多个压电晶体组成，压电晶体一般为陶瓷材料，具有压电效应。
当外部施加压力或力矩时，压电晶体发生微小的尺寸变化，导致晶格结构的变化，从而产生极性的电荷。
这种电荷的变化可以通过电路进行测量和记录。
压电式传感器通常由以下几个主要组件构成：1.压电晶体：负责将机械应力转换为电荷信号，并根据机械应力的大小和方向产生相应的电荷。
2.支撑结构：提供对压电晶体的支持和保护，使其能够承受外部应力并稳定工作。
3.信号调理电路：负责将压电传感器输出的微弱信号放大和处理，以便能够进行准确的测量和记录。
压电式传感器的工作原理可以用以下步骤总结：1.压电晶体受到外部力或压力作用，发生微小的尺寸变化。
2.压电晶体的晶格结构发生相应的变化，产生极性的电荷。
3.电荷被信号调理电路检测和放大。
4.信号被记录或用于控制其他设备。
压电传感器的结构及应用
压电传感器的结构及应用压电传感器是一种能够将机械压力转化为电荷信号或电压信号的传感器。
它利用了压电效应，也就是一些特殊晶体在受到机械压力作用时会产生电荷或电压变化的现象。
压电传感器的结构和应用非常广泛，下面我们来详细介绍。
1.压电传感器的结构压电传感器的主要结构包括压电元件、输入、输出和电子电路等。
压电元件一般采用压电材料，如石英、锆钛酸锂等。
其中，石英主要用于高温或高压力环境，锆钛酸锂则用于低压环境。
输入端通过输入机械压力，使压电元件受到压力或应力的作用。
输出端通过测量压电元件产生的电荷或电压变化，将机械信号转化为电信号。
电子电路则起到调理、放大和转换电信号的作用。
2.压电传感器的应用领域(1)汽车工业：压电传感器可用于汽车发动机的燃油喷射系统、气囊系统和轮胎压力检测系统等。
通过感知压力变化，及时调整燃油喷射量，提高燃油利用率和发动机效率；在发生事故时，它可检测到碰撞的冲击力，从而触发气囊的充气；监测轮胎内部压力变化，提醒驾驶员补充空气。
(2)医疗器械：压电传感器可用于血压计、呼吸仪等医疗器械。
它可以测量血液流动时的压力变化，帮助医生了解患者的血压情况；在呼吸仪中，压电传感器可以测量患者的呼吸频率和呼吸压力。
(3)工业自动化：压电传感器广泛应用于工业控制和自动化领域。
例如，在液压系统中，压电传感器可用于监测液压油的压力变化，以确保系统正常运行；在机床上，它可以测量刀具与工件之间的接触压力，避免过度削减或过度磨损。
(4)环境监测：压电传感器可用于环境污染和灾害预警等领域。
例如，在地震监测中，它可以测量地壳的应力变化，提前预警地震；在大气污染监测中，它可以测量大气中的气体压力变化，帮助判断大气污染程度。
总结：。
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压电传感器的应用摘要：传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。
在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。
传感器的种类非常广泛，其中压电传感器是基于材料的压电效应而制成的器件，其有较长的发展历史。
压电材料的种类由最初的压电晶体发展到压电陶瓷、进而发展到压电聚合物及其复合材料。
随着物理学、材料科学与各个学科的交叉发展，压电材料被用以研制成了多种用途的传感器，被广泛应用于工程技术各领域，在测量技术中被用来测量力和加速度。
Abstract:Sensor is the main ways and means to obtain information in the field of natural and production . In modern industrial production, especially automated production process, useing a variety of sensors to monitor and control the production process of various parameters,which enable the device to work in a normal state or the best condition, and to achieve the best quality products. Types of sensors is very broad, of which the piezoelectric sensor is based on the piezoelectric effect devices made of material which has a long history of development. Types of piezoelectric material from the initial development of the piezoelectric ceramic piezoelectric crystal, and thus the development of piezoelectric polymers and their composites. With the development of cross-physics, materials science and various disciplines, piezoelectric materials are used for research into a variety of uses sensors are widely used in variousfields of engineering technology, measurement techniques were used to measure the force and acceleration.关键字：压电式传感器、工作原理、压电效应、应用一、压电传感器工作原理——压电效应压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。
图1正压电效应图2逆压电效应1、正压电效应当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。
压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。
2、负压电效应对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象。
用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。
压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型5种基本形式。
压电晶体是各向异性的，并非所有晶体都能在这5种状态下产生压电效应。
例如石英晶体就没有体积变形压电效应，但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。
二、压电传感器工作原理当压电传感器中的压电晶体承受被测机械应力的作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。
图3压电压电式传感器的等效电路电容容量计算公式：压电式传感器简单的说就是压电敏感元件的受力变形后表面产生荷。
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。
压电式传感器的前置放大器有两个作用：一是把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；二是把传感器微弱信号进行放大。
放大器分为电压放大器与电荷放大器。
图4 电压放大器电路图5电荷放大器电路三、压电传感器的应用1、用于减振降躁压电智能结构在振动控制中的应用研究开展得最早，研究成果也较丰富，主要集中于大型航天柔性结构的振动控制。
控制系统的设计通常有三种方法, 即主动控制、被动控制及主被动混合控制。
被动控制系统结构简单、容易实现、成本低，但缺少控制上的灵活性，对突发性环境变化应变能力差；与被动控制相比，主动控制以现代控制理论为主要工具，具有较大的灵活性，对环境的适应能力强，是当前振动工程中的一个研究热点；被动控制与主动控制相结合形成混合控制策略是当前振动工程的一个新兴方向。
压电智能结构的另一个重要应用方向是噪声主动控制。
主要用于潜艇、飞行器以及车辆等三维封闭空间内部噪声的控制。
与壁板振动主动控制不同之处在于振动控制是控制板的模态，而噪声控制则主要是控制产生声强的部分。
2、用于结构静变形控制通过控制压电智能结构的变形可以调整结构的几何形状，维护结构准确的外形和位置，这在空间站及其他空间飞行器及柔性机械的控制中具有重要的应用价值。
如在空间飞行器中，可通过控制精确结构的变形，以保证空间天线反射器、望远镜等精密仪器正常工作；在机器人中，通过压电元件控制柔性机械臂运动，可提高机械手的运动精度。
3、用于结构损伤监测应用压电传感元件进行结构损伤监测主要有两种方式，其一是用压电传感器来精确感知结构力学性质的变化，并通过进一步地计算和分析，对结构的损伤进行预测；另一种则是通过分析结构中传播的振动波来进行损伤预测。
这两种方式可以为结构的安全评定与损伤定位提供可靠信息，从而为土木工程结构长期、实时健康检测提供了新的方法。
4、用于加工工艺监测压电式力、应力、振动及声发射传感器因其具有独特的优点成为现代化自动控制制造业中状态监测的理想选择。
对于磨削、钻孔和攻丝，采用最新的遥测技术设计一种新颖的石英多分量力及力矩的传感器，这种新型的旋转切削测力计可以直接安装在轴和刀具之间，直接测量旋转刀具的切削力，对分析计划生产过程和确定用于实际生产中选择最佳切削参数都具有重要的意义。
金属加工过程中会产生声发射现象，其中含有丰富的信息，其最重要的价值是对零件所产生的缺陷及初始故障能给出可靠的指示。
一种创新的双用传感器将声发射传感器与三分量测力传感器合二为一，将这种双用传感器安装在车床夹具的适当位置，就可以连续监测切削力、进刀力和被动力的大小以及相关的声发射信号。
5、用于车辆行驶称重压电传感技术与网络技术和视频技术相结合可以实现对车轴数、车速、轴距、行驶中车辆载重量的信息进行收集并加以分析，从而在智能交通系统中发挥重大作用。
如美国MSI公司研究开发的共聚物压电轴传感器，可获取精确的速度信号、触发信号和分类信息及长期反馈交通信息统计数据。
巴西、德国、日本和韩国在压电检测的车辆行驶中称重功能方面也有大量的应用。
6、用于压电传感电缆人们最近开发出一种压电层较厚的同轴电缆形式的PVF2压电材料——PVF2压电电缆。
这种压电电缆用连续工艺生产，长度可达几千米，直径为1.5mm。
它能把声音、振动、冲击、压力、应力和应变转换为电信号，使用方法非常灵活，它克服了压电薄膜及压电陶瓷的缺点和使用的局限性，展现出很大的应用前景。
它的主要应用领域是：水声学、冲击传感、振动传感、入侵报警和安全防卫、交通流量统计、应变应力测量、工业控制与检测等。
7、用于航空和航海由Sigma 研究公司研制而成的“便携式自动远程检查系统”，简称PARIS，专门为对大面积层状结构或复合结构进行原位检查而设计。
其关键元件是一个200mm×200mm的可变形PVDF压电薄膜，其中含有1024 个换能器。
这种膜的柔韧性很好，能够与曲率半径为4的弯曲表面完全贴合。
与它相连的装置还有一个手提控制器、数据采样器和显示装置等。
这种接收器的总信噪比达100dB，中心频率为2.5MHz。
飞机上的石墨—环氧树脂复合物或舰艇上的大型结构都可以用它来进行很方便的测试。
而对于铝和钢的测试，这方面早已获得了令人满意的结果。
8、压电式报警器玻璃破碎报警装置它利用压电元件对振动敏感的特性来感知玻璃受撞击和破碎时产生的振动波。
传感器把振动波转换成电压输出，输出电压经放大、滤波、比较等处理后提供给报警系统。
传感器的最小输出电压为100 mV，最大输出电压为100 V，内阻抗为15～20 kq。
玻璃破碎时会发出几千赫兹至几十千赫兹的振动，使用时将高分子压电薄膜传感器粘贴在玻璃上，感受这一振动，然后通过电缆和报警电路相连，将压电信号传送给集中报警系统。
为了提高报警器的灵敏度，信号经放大后，再经带通滤波器进行滤波，要求它对选定的频谱通带的衰减要小，而频带外衰减要尽量大。
玻璃振动的波长在音频和超声波的范围内，这就使滤波器成为电路中的关键。
只有当传感器输出信号高于设定的阈值时，才会输出报警信号，驱动报警执行机构工作。
玻璃破碎报警器可广泛用于文物保管、贵重商品保管及其他商品柜台保管等场合。
四、小结压电式传感器可用于力、压力、速度、加速度、振动等许多非电量的测量，可做成力传感器、压力传感器、振动传感器等等。
由于它的一系列突出优点，在工业生产和自动化控制中得到广泛应用。
近年来由于电子技术的发展，随着配套的二次仪表，及低噪音、小电容、高绝缘电阻电缆的出现使压电传感器使用更方便，集成化、智能化的新型压电传感器正被开发出来。