第6章 压电式传感器
自动检测与转换技术题库(含答案)
第一章检测技术的基础知识（本文档适合电气工程类专业同学朋友们，希望能帮到你们）一、填空题1．检测技术是一门以研究自动检测系统中的信息提取、信息转换以及信息处理的理论和技术为主要内容的应用技术学科。
2．一个完整的检测系统或检测装置通常由传感器、测量电路和输出单元及显示装置等部分组成。
3．传感器一般由敏感元件、转换元件和转换电路三部分组成，其中敏感元件是必不可少的。
4．在选用仪表时，最好能使其工作在不小于满刻度值2/3 的区域。
5．准确度表征系统误差的大小程度，精密度表征随机误差的大小程度，而精确度则指准确度和精密度的综合结果。
6．仪表准确度等级是由系统误差中的基本误差决定的，而精密度是由随机误差和系统误差中的附加误差决定的。
7、若已知某直流电压的大致范围，选择测量仪表时，应尽可能选用那些其量程大于被测电压而又小于被测电压1.5倍的电压表。
（因为U≥2/3Umax）8、有一温度计，它的量程范围为0～200℃，精度等级为0.5级。
该表可能出现的最大误差为 1℃，当测量100℃时的示值相对误差为 1% 。
9、传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节，它的作用是将 非电量转换成与之具有一定关系的电量。
10、传感器一般由 敏感元件 和 转换元件 两部分组成。
11、某位移传感器，当输入量变化5mm时，输出电压变化300mv，其灵敏度为60 mv/mm 。
二、选择题1．在一个完整的检测系统中，完成信息采集和信息转换主要依靠 A 。
A．传感器 B. 测量电路 C. 输出单元2．构成一个传感受器必不可少的部分是 B 。
A．转换元件B．敏感元件C．转换电路D．嵌入式微处理器3．有四台量程均为0-600℃的测量仪表。
今要测一约为500℃的温度，要求相对误差≤2.5%，选用精度为 D 的最为合理。
A．5.0级B．2.5级C．2.0级D．1.5级4．有四台量程不同，但精度等级均为1.0级的测温仪表。
今欲测250℃的温度，选用量程为 C 的最为合理。
压电式传感器_图文
④温度和湿度稳定性要好：具有较高的居里点、以期望得 到宽的工作温度范围；
⑤时间稳定性：压电特性不随时间蜕变。
返回
上页
下页
6.5 测量电路
6.4.1电压放大器
电压放大器的作用是将压电式传感器的高输 出阻抗经放大器变换为低阻抗输出，并将微 弱的电压信号进行适当放大．因此也把这种 测量电路称为阻抗变换器。 其中
返回
上页
下页
6.3 压电材料
选用合适的压电材料是设计高性能传感器的关键。一般应 考虑以下几个方面：
①转换性能：具有较高的耦合系数或具有较大的压电常数 ；
②机械性能：压电元件作为受力元件，希望它的机械强度 高、机械刚度大。以期获得宽的线性范围和高的固有振动 频率；
③电性能：希望具有高的电阻率和大的介电常数，以期望 减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性；
相对轴向灵敏度的百分比表
示。
返回
上页
下页
6.2 影响压电式传感器主要因数
定义（用轴向灵敏度的百分比表示）： 最大横向灵敏度
Km=(Ky/Kz)100% =tg×100%;
一般横向灵敏度
Kt=(Kt/Kz)100% =tg×cos×100%;
返回
上页
下页
6.2 影响压电式传感器主要因数
产生横向灵敏度的必要条件 （1）伴随轴向作用力的同时，存在横向力； （2）压电元件本身具有横向压电效应。 消除横向灵敏度的技术途径 （1）从设计、工艺和使用诸方面确保力与电轴的
一致； （2）尽量Βιβλιοθήκη 取剪切型的力-电转换方式。一只较好
的压电传感器，最大横向灵敏度不大于5%。
返回
上页
下页
《压电式传感器》课件
汽车领域
压电式传感器在汽车中用于测量和 控制关键系统的压力，如制动系统、 供油系统和排放系统，提高车辆的 性能和安全性。
与其他传感器的比较
1 压力传感器 vs. 光传感器
压力传感器可以检测和测量物体的压力，而光传感器可以用于检测光线的强度和频率。
2 压力传感器 vs. 温度传感器
压力传感器可以测量物体的压力变化，而温度传感器可以测量环境的温度变化。
续的信号处理和分析。
3
输出信号
经过处理和转换，压电式传感器将输出电压 信号转化为可读取的压力数值或其他形式的 信号。
应用领域
工业领域
压电式传感器在工业生产过程中用 于检测和测量压力、压力变化，广 泛应用于制造业、自动化系统和控 制系统。
医疗领域
压电式传感器在医学设备中用于监 测生命体征、药物输送系统、手术 器械等，确保医疗过程的安全和有 效性。
压电式传感器
欢迎来到《压电式传感器》的PPT课件！本课程将深入探讨压电式传感器的定 义、原理、种类、工作原理、应用领域、与其他传感器的比较，以及未来发 展方向。
定义
什么是压电式传感器？
压电式传感器是一种根据压电 效应原理制作的传感器，能够 将压力转化为电信号，实现压 力的检测和测量。
压电效应的原理
压电效应是指某些晶体材料在 受到压力或振动作用下，会产 生电荷分离和极化现象，从而 产生电压。
压电材料的种类
常用的压电材料包括石英、陶 瓷、聚合物等，每种压电材料 都具有不同的特性和应用领域。
工作ห้องสมุดไป่ตู้理
1
压电效应
当压电材料受到压力时，产生电荷分离和极
信号放大
2
化，从而产生电压信号。
传感器将微弱的电压信号放大，以便进行后
压电式传感器的工作原理和应用
压电式传感器的工作原理和应用1. 压电式传感器的工作原理压电式传感器是一种基于压电效应的传感器，利用压电材料的压电效应将机械能转化为电能。
压电效应是指某些晶体在受到压力或振动时会产生电荷，并且这种电荷与压力或振动的大小成正比。
常用的压电材料包括石英、陶瓷等。
这些材料具有特殊的晶体结构，使得在压力或振动作用下，晶格发生畸变，从而使晶体表面产生电荷。
压电式传感器通常由压电材料、电极和支撑结构组成。
当外力施加在压电材料上时，压电材料发生形变，导致电荷的积累。
电极将电荷收集，并通过导线传输到测量电路中。
2. 压电式传感器的应用2.1 压力传感器压力传感器是压电式传感器的一种常见应用。
由于压电材料对压力具有敏感性，因此可以将压电材料作为传感器的敏感元件，用于测量各种介质的压力。
压力传感器广泛应用于工业控制、医疗设备、环境监测等领域。
例如，在工业控制中，压力传感器可用于监测液体或气体的压力，从而实现对设备状态的监测和控制。
在医疗设备中，压力传感器可用于血压监测、呼吸机控制等应用。
2.2 加速度传感器加速度传感器是另一种常见的压电式传感器应用。
加速度传感器用于测量物体在运动过程中的加速度。
当物体受到加速度时，压电材料会发生振动，并产生电荷信号，通过测量电荷信号的大小可得到物体的加速度。
加速度传感器在车辆安全、航空航天、工程结构监测等领域有着广泛的应用。
例如，汽车中的车辆稳定系统会使用加速度传感器监测车辆的倾斜角度和加速度，以实现提高行驶安全性能。
2.3 声音传感器压电式传感器还可以用作声音传感器。
当声波通过压电材料时，材料内的晶体结构会发生振动，从而产生电荷信号。
通过测量这种电荷信号的大小，可以实现对声音的测量和分析。
声音传感器在声学测量、语音识别、噪音控制等领域有广泛的应用。
例如，在噪音控制系统中，声音传感器可以用于捕捉环境噪音信号，并通过控制系统反馈，实现噪音的消除或降低。
3. 总结压电式传感器利用压电效应将机械能转化为电能，以实现对外界力的测量。
习题参考答案6-压电式传感器
习题6 六、压电式传感器（一） 习 题6-1. 以钛酸钡为例，在y 轴受到1N/m 2的切应力。
试求出在各方向产生的电荷密度。
答：121111213141516322122232425264331323334353656T T d d d d d d T d d d d d d T d d d d d d T T σσσ⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦＝1524313233000000000000000010d d d d d ⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎢⎥⎢⎥⎣⎦其中12121212120000250100002501000781078101901000ij d -----⎡⎤⨯⎢⎥⎡⎤=⨯⎢⎥⎣⎦⎢⎥-⨯-⨯⨯⎣⎦12122111112213314415516615525010125010d T d T d T d T d T d T d T C m σ--∴=+++++==⨯⨯=⨯ 22112222332442552660d T d T d T d T d T d T σ=+++++=33113223333443553660d T d T d T d T d T d T σ=+++++=即在x ，y ，z 轴面上产生的电荷密度分别为250×10-12C/m 2，0，0。
6-2 已知电压前置放大器输入电阻及总电容分别为R i ＝1MΩ，C i ＝100pF ，求与压电加速度计相配测量1Hz 的振动时幅值误差为多大？答：对于电压前置放大器，其实际输入电压与理想输入电压之比的相对幅频特性为()()21ωτωτω+=A i i C R =τ f πω2=当被测信号的频率为f=1Hz 时，有()()()421261262103.6101001011211010010112212---⨯=⨯⨯⨯⨯⨯+⨯⨯⨯⨯⨯=+=ππππωi i i i C fR C fR A所以幅值误差为%94.999994.01103.64-=-=-⨯=-δ由此可见测量误差太大了，原因在于输入阻抗太小。
压电式传感器的工作原理
上一页
下一页
压电式传感器的工作原理
陶瓷片极化
压电陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图
自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符合相反而数值相等， 它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外的作用， 因此陶瓷片对外不表现极性。
返回
上一页
下一页
压电式传感器的工作原理
压电陶瓷的正压电效应
压电陶瓷片上加上一个与极化反向平行的外力， 陶瓷片将产生压缩变形，原来吸附在极板上的 自由电荷，一部分被释放而出现放电现象。 当压力撤消后，陶瓷片恢复原状，片内的正、 负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因 此电极上又吸附部分自由电荷而出现充电现象。
的1/30。 优点： 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 550℃（压电系数不随温度而改变）、工作湿 度高达100%、稳定性好。
返回
上一页
下一页
压电式传感器的工作原理
2. 压电陶瓷的压电效应
人工制造的多晶体，压电机理与压电晶体不同。
压电陶瓷的极化
返回
iddQ td11Fmcots
Ijd11F
。
Ui
d11F1jjRRC
输入电压的幅值
uim
d11 FmR 1(R)2(CaCcCi)2
当作用力是静态力（ω=0） 时，前置放大器的输入电压为零。 原理上决定了压电式传感器不能测量静态物理量。 压电式传感器突出优点：高频响应相当好。
压电式传感器的工作原理
1. 石英晶体的压电效应
X轴：电轴或1轴； Y轴：机械轴或2轴； Z轴：光轴或3轴。
“纵向压电效应”：沿电轴（X轴）方向的力作用下产生电荷 “横向压电效应”：沿机械轴（Y轴）方向的力作用下产生电荷 在光轴（Z轴）方向时则不产生压电效应。
第7章---压电式传感器
直流电场E
剩余极化强度
电场作用下的伸长
(b)极化处理中
剩余伸长
(c)极化处理后
图6-6 压电陶瓷中的电畴变化示意图
2.压电效应分析 极化处理后的压电陶瓷材料，在其极化方向上施加外 力时将会产生压电效应，但其过程不同于石英晶体的 压电过程。
（1）在未受外力作用下，整个压电片如图6-7所示。
不呈现极性而呈现中性。
1、压电效应过程分析 石英晶体压电片如图6-1（c）所示，在其X轴或Y 轴上加外力F时，均在X轴的两个截面上产生符号 相反的电荷。而在Z轴方向上加外力时，不会产生 任何压电效应。
（1）石英晶体 Si4O22 的结构 如图所示，硅氧离子结构排列，图6-2中（a）
Y
Y
-
+
X+
-X
-
+
（a)硅氧离子在Z平面上的投影
第二节 压电效应的分析 一、石英晶体的压电效应的分析 石英晶体：SiO2又称石英晶体（单晶体）。天然结 构的石英晶体呈现一个正六面体的形状。如图6-1 （a）所示：
图6-1 石英晶体
其中： X轴----电轴，经过六面体棱线 Y轴----机械轴，垂直于六面体棱面 Z轴---光轴，垂直于晶体截面且与X、Y轴垂直
+
P2
P3
+
X
-
-
Fx
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
（c)Fx>0
图6-5 石英晶体的压电示意图
(5)在Y轴方向施加力Fy(横向压电效应)
1. 当受拉力时，Fy>0,则其效果与图6-4 Fx<0情况相同。 2.当受压力时，Fy<0,则其效果与图6-5 Fx>0情况相同。
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。
压电式传感器技术原理
压电式传感器技术原理压电传感器是一种可以将机械振动或压力转化成电信号的传感器。
压电原理是指一些特殊的晶体或陶瓷材料，在受到力的作用下会产生电荷或电势差的现象。
这些材料受到力的作用时，晶格结构会发生微小的变形或振动，从而激发内部的电气极化。
压电传感器的工作原理可以归纳为以下几个步骤：1.压电材料选择：通常采用晶体或陶瓷材料作为压电材料，如石英、硼酸锂等。
这些材料具有良好的压电效应和机械性能。
2.构造传感器：将压电材料制成适当形状的器件，常见的形式有片状、圆柱状和球状等。
传感器通常由两个电极和一个压电材料构成。
3.加载压电材料：当外部施加压力或振动时，压电材料发生机械变形。
这个变形可以是线性的压缩、拉伸、扭曲或振动。
4.电荷生成：机械变形引起压电材料内部正负电荷分离，产生一个电势差。
这个电势差可以通过外部电路导出。
5.电信号转换：将产生的电势差转换成电信号。
一种常见的方法是通过内部电荷放大器，将微弱的电势差放大成可读取的电信号。
压电传感器在实际应用中具有广泛的用途，例如：1.声音传感器：将声波振动转换成电信号，常用于麦克风、扬声器等声音设备。
2.压力传感器：将压力变化转换成电信号，被广泛应用于工业监测、汽车安全系统、医疗仪器等领域。
3.加速度传感器：测量物体的加速度和振动，广泛应用于汽车安全、航空航天等领域。
4.温度传感器：利用压电材料的热敏特性，将温度变化转换成电信号，用于温度测量和控制。
在未来，随着科技的发展，压电传感器将进一步得到改进和应用。
例如，研究人员正在开发更小、更灵敏的压电材料，以及更高效的电信号转换技术。
这将使压电传感器在更广泛的领域中发挥作用，如生物医学、能源管理、智能家居等。
总之，压电式传感器是一种基于压电效应的传感器，能够将机械振动和压力转换成电信号。
其工作原理简单而有效，适用于多种应用领域。
未来，预计压电传感器将继续发展，并在各种领域中发挥重要作用。
压电式传感器的工作原理
压电式传感器的工作原理
压电式传感器的工作原理是基于压电效应。
压电效应是指某些晶体材料在受到机械变形时，会在其内部产生极化，即产生正负电荷的分离。
压电传感器通常由压电材料制成，如石英，锆钛酸钡等。
当传感器受到外部施加的力或压力时，压电材料发生微小的变形，导致内部的电荷分布发生改变。
这种电荷分布变化可通过电极连接到外部电路，并产生电压信号。
具体地，当压电材料受到压力作用时，晶体内部的正负离子会向相应的晶体表面移动，产生极化。
正离子聚集在一边，而负离子聚集在另一边。
由于内部电荷分布的改变，导致材料的表面产生了电势差。
这个电势差可以通过接触到晶体表面的金属电极引出，并传递到外部电路中。
当压力消失时，压电材料恢复到初始状态，电势差也恢复为零。
通过测量压电传感器引出的电势差或电荷，可以间接得到施加到传感器上的力或压力的大小。
这样，压电传感器可以被广泛应用于测量压力、力、重量和加速度等力学量的变化。