基于压电式传感器的载重测量
压电式传感器的测量电路
铌镁酸铅是 20 世纪 60 年代发展起来的压电陶瓷。 它由
铌镁酸铅(Pb（Mg13 ·Nb
2 3
）O3)、
锆酸铅(PbZrO3)和钛酸铅
当石英晶体未受外力作用时, 正、负离子正好分布在正 六边形的顶角上, 形成三个互成120°夹角的电偶极矩P1、 P2、P3。 如图 6 - 3（a）所示。
因为P=qL, q为电荷量, L为正负电荷之间距离。 此时正 负电荷重心重合, 电偶极矩的矢量和等于零, 即P1+P2+P3 = 0, 所以晶体表面不产生电荷, 即呈中性。
式中: Uo——放大器输出电压;
UCf——反馈电容两端电压。
由运算放大器基本特性, 可求出电荷放大器的输出电压
U0
Ca
Aq Cc Ci
通常A=104～106, 因此若满足（1+A）Cf 式（6 - 2）可表示为
q
Uo ≈ -
cf
<<Ca+Ｃc+Ci时,
由式（6 - 13）可见, 电荷放大器的输出电压Uo与电缆电 容Cc无关, 且与q成正比, 这是电荷放大器的最大特点。
当晶体受到沿y轴方向的压力作用时, 晶体的变形如图6 3（c）所示, 与图6 - 3（b）情况相似, P1增大, P2、P3 减小。 在x轴上出现电荷, 它的极性为x轴正向为负电荷。 在y轴方向 上不出现电荷。
如果沿z轴方向施加作用力, 因为晶体在x方向和y方向所 产生的形变完全相同, 所以正负电荷重心保持重合, 电偶极矩 矢量和等于零。这表明沿z轴方向施加作用力, 晶体不会产生 压电效应。
压电式传感器原理测力应用
压电式传感器原理与测力应用压电式传感器的工作原理以晶体的压电效应为理论依据。
压电效应分正、逆压电效应，利用正压电效应制作成了电势型传感器。
压电式传感器具有体积小、重量轻、结构简单、工作可靠、动态特性好、静态特性差的特点。
该传感器多用于加速度和动态力或压力的测量。
某些物质在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生改变时，其表面上会产生电荷，若将外力去掉时，它们又重新回到不带电的状态，这种现象就称为正压电效应。
在压电材料的两个电极面上，如果加以交流电压，那么压电片能产生机械振动，即压电片在电极方向上有伸缩的现象，压电材料的这种现象称为电致伸缩效应，也叫做逆压电效应。
而具有压电效应的物体称为压电材料。
常见的压电材料有石英、钛酸钡、锆钛酸铅等。
1.石英晶体的压电效应图中所示为天然结构的石英晶体，它是个六角形晶柱。
在直角坐标系中，x 轴平行于正六面体的棱线，称为电轴或1轴；y 轴垂直于六面体棱面，称为机械轴或2轴；z 轴表示其纵向轴，称为光轴或3轴。
通常把沿电轴方向的力作用下产生电荷的压电效应称为纵向压电效应；而把沿机械轴方向的力作用下产生电荷的压电效应称为横向压电效应，在光轴方向时则不产生压电效应。
从晶体上沿轴线切下的薄片称为晶体切片，在每一切片中，当沿电轴方向加作用力x F 时，则在与电轴垂直的平面上产生电荷x Q ，它的大小为x Q =11d x F 式中，11d 为压电系数（C/N ）。
电荷x Q 的符号由x F 是受压还是受拉而决定。
石英晶体 石英晶体切片 石英晶体是一种天然晶体，它的压电系数为11d =2.31×1210 C/N 。
石英晶体的莫氏硬度为7，熔点为1750摄氏度，膨胀系数仅为钢的1/30。
作为常用的压电传感器，具有转换效率和转换精度高、线性范围宽、重复性好、固有频率高、动态特性好、工作温度高达500摄氏度、工作湿度高达100%等优点，它的稳定性是其他压电材料所无法比拟的。
2.压电陶瓷的压电效应压电陶瓷是人工制造的多晶体，它的压电机理与压电晶体不同，它的晶体粒内有许多自发极化的电畴。
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。
检测重力的传感器原理
检测重力的传感器原理重力传感器是一种可测量物体受到的重力的设备。
它是基于物体受到重力产生的加速度变化来工作的。
重力传感器常用于智能手机、平板电脑和其他移动设备中，它可以检测设备的方向、倾斜和摆放。
重力传感器的原理是基于牛顿第二定律，该定律表明当物体受到外力时会产生加速度。
该加速度与物体的质量和作用力的大小成正比。
在地球表面，物体所受的外力就是地球对物体施加的重力。
因此，通过测量物体的重力加速度，可以确定物体的方向。
重力传感器通常利用压电效应或电容效应进行测量。
下面将对这两种传感器的工作原理进行详细说明。
压电重力传感器利用压电材料的特性来测量重力。
压电效应是指某些晶体在受到压力时会产生电荷。
在压电重力传感器中，压电材料被放置在一个固定的位置上，当物体受到重力作用时，压电材料会被压缩或伸展，进而产生电荷。
传感器中的电荷会被测量和转换为相应的电压或电流信号，从而确定物体所受的重力大小。
另一种常见的重力传感器是电容重力传感器。
它利用电容效应来测量重力变化。
电容效应是指当两个电极之间存在电场时，它们之间的电容会受到影响。
在电容重力传感器中，传感器的一侧被连接到固定的电极，另一侧被连接到移动的电极。
当物体受到重力作用时，移动电极会随之移动，从而改变两个电极之间的电容。
通过测量电容的变化，可以确定物体所受的重力大小。
无论是压电重力传感器还是电容重力传感器，它们都需要一个信号处理单元来处理传感器输出的电信号。
这个单元可以将电信号转换为数字信号，并进行进一步的处理和分析。
例如，它可以计算物体的角度、倾斜度和摆放位置。
需要注意的是，重力传感器在测量重力时可能会受到其他力的干扰。
例如，由于设备的加速度和振动，传感器可能会受到惯性力的影响。
为了减少这种干扰，可以采用其他传感器（如加速度传感器）来补偿重力传感器的测量结果。
总的来说，重力传感器是一种通过测量物体受到的重力加速度来确定物体方向的设备。
它可以利用压电效应或电容效应进行测量，并通过信号处理单元将传感器输出的电信号转换为数字信号。
压电传感器在车辆行驶称重中的应用
压电传感器在车辆行驶称重中的应用作者：李鹏来源：《名城绘》2019年第04期摘要：车辆的超载超限运输己经成为公路、桥梁和隧道的头号“杀手”，严重影响到车辆的行驶安全。
车辆在行驶中称重的问题急需解决。
压电传感器是一种能把动能转换为电能的特殊材料，很适合用于检测高速行驶过程中车辆的载重。
应用压电传感器检测时不需要车辆放慢速度，不影响车辆的正常行驶。
它可在高速公路车辆超重超限监测和桥梁、隧道的超载警告系统中发挥着重要的作用。
本文主要分析探讨了压电传感器在车辆行驶称重中的应用情况，以供参阅。
关键词：压电传感器；车辆行驶；称重；应用当今社会车辆超载现象屡见不鲜，这种违反交通法规的不当行为，影响交通安全，给市政道路桥梁路面带来极大压力，缩减道路使用寿命，降低道路桥梁工程综合质量。
然而，相较于发达国家，我国道路桥梁车辆行驶称重存在技术设备滞后消极现象，车辆超载现象屡见不鲜，为市政道路桥梁带来极大压力。
基于此，为使车辆超载现象得以有效控制，分析在车辆行驶称重过程中，压电传感器应用方略显得尤为重要。
1压电传感器的检测原理在特殊加工状态下，可以将动能转化为电能的材料称为压电材料，压电材料在机械冲击和振动时往往会产生电荷。
处于材料原子层的偶极子，其顺序被打乱后会形成一个电子流，并具有恢复到原来状态的意愿。
一旦有压力施加到传感器上，就會产生电压，如果去掉负载，那么就会产生一个相反极性的信号，它产生的电压比较高，传感器产生的电流却很小。
压电传感器主要的通过检测车辆轮胎施加到传感器上的压力，产生成正比的模拟电压、信号等，且保证输出压力信号的时间与轮胎停留在传感器时间相同。
如果有轮胎经过传感器，传感器就会产生一个电子脉冲，由此可见，压电传感器对行驶车辆的检测原理是对其受力产生的信号进行分析。
这种检测和称重的技术与方法，不需要车辆放慢速度，不会影响车辆的正常形式，且检测精度较高，比较适用于中高级公路中推广与应用，从而实现动态、自动、实时、方便的车辆检测，并有效地进行检测信息的分析、处理、打印以及存储，有效地抑制了日益严重的车辆超载超速现象，为广大司机朋友营造一个安全的行车环境。
压电式传感器的测量电路
传感器原理与应用——第五章 第五章 传感器原理与应用
1. 电压放大器（阻抗变换器） 电压放大器（阻抗变换器）
Ca A Ca
ua
Re
Ce
Ri
Ci
uo
ua
R
C
ui
(a)
(b)
图 5-16 压电传感器接放大器的等效电路 （a） 放大器电路; （b） 等效电路 放大器电路;
传感器原理与应用——第五章 第五章 传感器原理与应用
传感器原理与应用——第五章 第五章 传感器原理与应用
5.3.3 压电式传感器的测量电路 由于压电式传感器的输出电信号很微弱， 由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通常先把传 感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中， 感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过 阻抗交换以后， 阻抗交换以后，方可用一般的放大检波电路再将信号 输入到指示仪表或记录器中。(其中，测量电路的关键 其中， 输入到指示仪表或记录器中。 其中 在于高阻抗输入的前置放大器。） 在于高阻抗输入的前置放大器。）
传感器原理与应用——第五章 第五章 传感器原理与应用
压电式传感器在测量低压力时线性度不好， 压电式传感器在测量低压力时线性度不好，主要 是传感器受力系统中力传递系数非线性所致。 为此， 是传感器受力系统中力传递系数非线性所致 。 为此 ， 在力传递系统中加入预加力，称预载。 在力传递系统中加入预加力，称预载。这除了消除低 压力使用中的非线性外， 压力使用中的非线性外，还可以消除传感器内外接触 表面的间隙， 提高刚度。 特别是，它只有在加预载 表面的间隙 ， 提高刚度 。 特别是， 后才能用压电传感器测量拉力和拉、 后才能用压电传感器测量拉力和拉、压交变力及剪力 和扭矩。 和扭矩。
（5-20） 20）
5-3 压电式传感器的测量电路
A0 CF
若考虑电缆电容 Cc，则有
U sc
1
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Ra
(1
A0 )
1 RF
jqA0 j[Ca
Cc
(1
A0 )CF ]
U（ 5-23）
§5-3 压电式传感器的测量电路
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
(5-14)
式中 Fm——作用力的幅值。
若压电元件材料是压电陶瓷，其压电系数为 d33, 则在外力作用下，压电元 件产生的电压值为
Ua
d33 Fm Ca
sin t
(5-15)
或
U a U m sin t
(5-16)
由图5-17（b）可得送入放大器输入端的电压 Ui，将其写为复数形式，为
Ui
可见压电式传感器配用电荷放大器时，其低频幅值误差和截止频率只决
定于反馈电路的参数 RF 和 CF，其中 CF 的大小可以由所需要的电压输出幅度 决定。所以当给定工作频带下限截止频率 fL 时，反馈电阻 RF 值可以由（530）式确定。譬如当 CF=1 000 pF，fL=0.16 Hz时，则要求 RF ≥109 Ω。
图5-18为一实用的阻抗变换电路，MOS 型 FFT 管 3DO1F 为输入级， R4 为它的自给偏置电阻，R5 提供串联电流负反馈。适当调节 R2 的大小可以 使 R3 的负反馈接近 100%。此电路的输入电阻可达 2×108 Ω。
近年来，由于线性集成运算放大器的飞跃发展，出现了如 5G28 型结型 场效应管输入的高阻抗器件，因而由集成运算放大器构成的电荷放大器电路 进一步得到发展。随着 MOS 和双极型混合集成电路的发展。具有更高阻抗的 器件也将问世。因而电荷放大器将有良好的发展远景。
6.2 压电传感器的测量电路
（1）电压放大器
压电传感器的测量电路
Uim
dFmR 1 2R2 (Ca Cc Ci )
4
当 30 时，
就可以认为Uim与频率无关，0表示测量电路 时间常数的倒数。
0 1/[R(Ca Cc Ci )]
结论：压电传感器具有很好的高频响应，但当作用于压电元件的力为静态力时，前 置放大器的输入电压等于零，因为电荷会通过放大器的输入电阻和传感器本身漏电 阻漏掉，所以压电传感器不能用于静态力的测量。
Ca
r0 A
d
1
压电元件的等效电路
Ua
q Ca
2
6.2.2 压电传感器的测量电路
压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小， 因此测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置 放大器，其作用为：
（1）把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗； （2）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。
压电传感器具有很好的高频响应但当作用于压电元件的力为静态力时前置放大器的输入电压等于零因为电荷会通过放大器的输入电阻和传感器本身漏电阻漏掉所以压电传感器不能用于静态力的测量
6.2 压电式传感器的测量电路
6.2.1 压电式传感器的等效电路
由压电元件的工作原理可知，压电传感器可以看作 一个电荷发生器。同时，它也是一个电容器，晶体 上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板， 极板间物质等效于一种介质，则其电容量为：
5
(Ca Cc Ci )R 1 时，理想情况下输入电压幅值Uim为：
U
im
Ca
dFm Cc
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传感器课程设计报告
课程名称传感器原理及工程应用
设计题目基于压电式传感器的载重测量所学专业名称电子信息工程
班级
学号
学生姓名
指导教师
2012年6月7日
目录
实验背景---------------------------------3 实验方框图-------------------------------3 压电材料---------------------------------4 压电式传感器-----------------------------4 压电式传感器的等效电路-------------------4 压电式传感器的测量电路-------------------5 电荷放大器-------------------------------5 测量电路的仿真---------------------------6 实验总结---------------------------------7 参考材料---------------------------------7
基于压电式传感器的载重测量
实验背景：
随着人们生活水平的不断提升以及电子商务的不断发展，交通运输业在我们的日常生活中的比重越来越大。
我们经常看到汽车载着许多货物在马路上奔驰。
近些年来，交通事故频发与过量的载重不无关系。
为了限制载货车的运送量，针对此现象设计出实际电路对载货车的载货量进行测量。
实验方框图：
适合的应变片压电传感电路
（包括放大电
压电式传感器
结合实际情况制
作真正的测量工具
压电材料：
采用铌镁酸铅压电陶瓷（铌镁酸铅压电陶瓷，由20世纪60年代发展起来的压电陶瓷，它是由铌镁酸铅和镐酸铅和钛酸铅按不同比例配出不同性能的压电陶瓷，具有极高的压电系数和较高的工作温度，而且能承受较高的压力。
）
（压电陶瓷片）
压电效应：在某些介质在力的作用下，产生形变，引起介质表面带电，这是正压电效应。
反之，施加激励电场，介质将产生机械变形，称逆压电效应。
压电式传感器：
压电式传感器是利用压电材料的压电特性即当有力作用在压电材料上时，传感器就有电荷（或者电压）输出。
（由于外力作用而在压电材料上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗。
这实际上是不可能的，因此压电式传感器不能用于静态测量。
压电材料在交变力的作用下，电荷可以不断补充，以提供给测量回路一定的电流，故适用于动态测量。
）单片压电元件产生的电荷量甚微，为了提高压电传感器的输出灵敏度，在实际应用中采用两片（或者两片以上）同型号的压电元件粘接在一起。
由于压电材料的电荷是有极性的，因此，接法也有两种。
从作用力看，元件是串联的，因而每片受到的作用力相同，产生的形变与电荷量大小都与单片时相同。
我们采用两压电片不同极性端粘接在一起，从电路上看是串联的，两压电片中间粘接处正负电荷中和，上、下极板的电荷量与单片时间相同，总容量为单片的一半，输出电压增大一倍。
压电式传感器中的压电元件，按其受力和变形方式不同，大致有厚度变形，长度变形，体积变形和厚度剪切变形等几种形式。
在此次设计中，因为载货车的体积和载重原因，所以采用厚度变形此种方式。
压电式传感器的等效电路:
由压电元件的工作原理可知，压电式传感器可以看做一个电荷发生器。
同时，它也是一个电容器，晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容器的两个极板，极板间物质可以等效为一种介质，则其电容量为
Ca=R1*R2*A/D (1-1)
A=D*L
式中：A——压电片的面积
D——压电片的厚度
R1——压电材料的相对介电常数
L—压电片的长度
因此，压电传感器可以等效为一个与电容器相串联的电压源。
如图6—7（a）所示，电容器上的电压Ua、电荷量q和电容Ca三者关系为:
Ua=q/Ca
压电式传感器的测量电路：
压电传感器本身的内阻抗很高，而且输出能量比较小，因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗前置放大器。
其作用为：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压电信号，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。
此次设计中我们采用电荷放大器。
电荷放大器:
电荷放大器常作为电压传感器的输入电路由一个反馈电容Cf和高增益运算放大器构成。
由于运算放大器输入阻抗极高，放大器输入端几乎没有分流，可略去Ra和Ri并联电阻。
电荷放大器可用如图所示的等效电路，图中A为运算放大器增益。
其，输出电压U1为U1≈U2=-Q/C
式中:U1-放大器输出电压；
U2-反馈电容两端电压。
由运算放大器基本特性，可求出电荷放大器的输出电压
U1=-A*Q/(C1+C2+C3+(1+A)C)
通常A取值比较大，因此，当满足（1+A）*C＞＞C1+C2+C3时，上式可表示为
U1≈-Q/C
由上式可见，电荷放大器的输出电压U1只取决于输入电荷和反馈电容C，与电缆电容C2无关，且与Q成正比，这是电荷放大器的最大特点。
为了得到必要的测量精度，要求反馈电容C的温度和时间稳定性都很好，在实际电路中，要考虑不同的量程等因素，C的容量做成可选择的，取值范围一般为100～10000pf.
因为C=-Q/C
根据牛顿第二定律
F=m*a(m为物体质量，a为物体加速度)在地面取，a=g(9.8m/s*s)
在电场中
F=E*q=U/D*Q(U为电压，D电场宽度,Q为电荷量)
在电容中U=Q/C
Ｃ＝（εＳ／4πｋｄ）
F=m*a=m*g=E*Q=(U/D)*Q=(U/D)*U*C=U*U/D*C
由上式中可知压电陶瓷应变片所受压力与电压的平方成正比关系。
即：
F=K*W(K表示1/D*C,W表示U*U)
在实际测量中K可以根据已知条件求得，是已知常量，W可根据传输电压求得，可以知道F。
根据F，我们可以知道货车及其载重量的总和，可以知道货车的载重量，从而根据国家标准判断货车是否超载。
测量电路的仿真：
结果分析：在模拟电路中使用万用电表对各个节点的电压和电流进行测量，结果比较
符合设计的初衷。
实验总结：
在此次试验中得到最大的收获就是学会使用pruteus电路仿真软件。
在以后的学习过程中实验和电路设计是非常有必要的。
学会使用电路仿真软件在当今社会电子应用以及理论设计方面都是很大的突破。
为此在图书馆查阅相关书籍，以及利用网络进行视频学习，所以有了较大提高。
在这次设计中选用了压电式传感器，因为压电式传感器是日常生活中应用较为广泛的传感器之一。
也可以说，压电传感器改变了我们部分的生活，让我们的生活更一步的现代化。
这次试验并没有设计出真正的事物。
因为相对来讲，无论是压电陶瓷应变片还是整个测量工具的所需要的器件不仅需要较大的造价，也需要很高的耐压能力，较难实现器件的制作。
这是比较遗憾的一方面。
但是，因为整个器件从构想到设计和仿真都是由我一个人来亲自完成，我想，这对于自我的能力是一个很大的提升。
我们的生活在日趋现代化，电子产业在不断的推动其快速发展，传感器这方面也有着不可磨灭的功劳。
对于我们研究电子的学生来讲应用好自己的知识才能不断的造福世界，造福我们的民族。
参考材料：
《传感器原理及工程应用》
（第三版）西安电子科技大学出版社郁有文常建程继红编著
《传感器实验指导书》
滁州学院机电学院
《基于Proteus的单片机可视化软硬件仿真》
北京航空航天大学出版社郎建军，李会杰，林志琦编著。