压电式检测元件
传感器与检测技术-教案-项目05 压电式传感器的应用
《传感器与检测技术》教案
项目五 压电式传感器的应用
一、教学目标
1.了解压电效应。
2.了解压电传感器的所用的压电材料。
3.掌握压电传感器的工作原理。
4.掌握压电传感器测量振动的方法。
二、课时分配
本项目共1个任务，本项目安排2课时。其中理论课时2课时，实践课时2课时。
三、教学重点
通过本项目的学习，让学生能识别压电传感器能根据任务要求，正确安装压电传感器，正确完成压电传感器测量振动的电路接线，并且正确测量振动参数并且读数正确。
四、教学难点
1.掌握压电传感器的工作原理。
2.掌握压电传感器测量振动的方法。
五、教学内容
任务一 压电传感器在振动测量中的应用
知识链接
一、压电效应
当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。
能产生压电效应的电解质被称为压电材料或者压电元件，依据压电效应研制的一类传感器称为压电传感器。原理图如图所示。
压电效应原理图
在晶体的弹性限度内，压电材料受力后，产生的电荷Q和所施的力F之间的关系是：Q=dF
式中：d—压电材料的压电系数。
正压电效应的应用
正压电效应的应用
利用逆压电效应原理工作的设备也很多，比如在玩具小狗的肚子中安装压电陶瓷制作的蜂鸣器，玩具就会在被按压时发出逼真有趣的蜂鸣声，如果将高频电信号加在压电元件上时，则产生高频声信号（机械震动），这就是我们平常所说的超声波信号，利用该原理可以制造麦克风、立体声耳机和高频扬声器等，还应用于制造超声波探头。
逆压电效应的应用
二、压电材料
1.石英晶体
压电晶体一般指压电单晶体，如水晶（石英晶体）、镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛以及铁晶体管铌酸锂、钽酸锂等。水晶（）是一种有名的压电晶体，它理想的几何形状为正六面体晶柱，如图所示。
传感器 简答题
1.简述压电式加速度传感器和压电式力传感器在基本结构上的不同点。
答：压电式加速度传感器有一惯性质量块，并通过弹簧压在压电元件上，感受了被测振动的质量块产生的惯性力，使得压电元件受力变形。
压电式力传感器，被测力通过传力元件实现测量，不需要惯性质量块。
2.涡流式位移传感器的涡流大小与哪些参数有关？
答：（1）线圈激励电源的频率与幅值。
（2）线圈的几何参数，如匝数、半径等。
（3）金属导体的电阻率、磁导率、厚度等。
（4）线圈与金属导体的距离。
3.图示为电感式压力传感器原理图，图中p为被测压力试说明其工作原理。
答：（1）压力p作用时，膜片变形产生位移，且位移与压力成正比。
（2）膜片与铁芯的距离变化，导致线圈的电感发生变化，电感变化量与输入压力成正比。
4.简述金属热电阻的测温机理。
答：金属导体通过自由电子导电，而导电的实质是电子的定向运动过程。当温度升高时，金属导体中的自由电子获得了更多的能量，因此使自由电子进行定向运动所需要的电能将增大，导电率减弱，电阻率增大。反之当温度降低时，导电率增强，电阻率减小。
5.人工视觉系统图像输出装置大致分为哪两类？
（1）一类是软拷贝。
（2）另一类是硬拷贝。
6.试回答与干扰有关的下列问题
(1)什么是噪声？
(2)形成干扰的条件是什么？
答：（1）噪声定义为：在一有用频带内任何不希望的干扰或任何不希望的信号。
（2）形成干扰的三个条件为：干扰源、干扰的耦合通道、干扰的接收通道。
7．用框图表示传感器的组成原理，并简要说明各部分的作用。
答：框图如下所示：
敏感元件感受被测物理量，且以确定关系输出另一个物理量；转换元件是将敏感元件输出的非电量转换为电路参数及电流或电压信号；基本转换电路将电信号转换为便于传输、处理的电量。
8．在光栅式位移传感器中，光路系统选择的依据是什么?有哪几种光路系统?
答：光路系统应根据传感器中所采用的光栅的形式来选择。
血压传感器原理
血压传感器原理
1. 基础概念
血压传感器是一种用于测量人体血压的装置，它是一种基于变化压力检测原理的传感器。血压传感器通常由两部分组成：一个压力敏感式感应元件和一个信号转化电路。
2. 压力传感
压力敏感式感应元件是指能够感应壳压力的材料或结构，它常用的压力敏感元素包括电阻式、电容式、应变计、压电传感器等。它们之间的差异在于传感后的输出信号类型及精度等方面。在血压传感器中，常用电容式或压电式传感器。
3. 压力信号的转化和处理
信号转化电路的实现是将感应元件产生的压力信号转化成一定范围内的电信号并放大，最终输出一个与压力大小成正比的电信号。这样的输出信号可以作为血压值的参照。通常采用微处理器控制的数字信号，对压力信息进行采集、存储及处理。
4. 工作原理
血压传感器的工作原理是在使用时将血压传感器的感应元件固定位置，当血流在血管中每冲击到一次血管壁时，血管壁的压力产生变化，由此而感应元件感应到了压力信号。信号通过信号转化电路放大成电信号，这时的输出电信号就代表了血压值。 总之，血压传感器是一种简单而又实用的装置，在医疗方面得到了广泛的应用和推广。随着科技的不断进步，今后其精度和可靠性还将不断提高。
第7章 压电式传感器
第7章 压电式传感器
一、单项选择题
1、对石英晶体，下列说法正确的是（ ）。
A. 沿光轴方向施加作用力，不会产生压电效应，也没有电荷产生。
B. 沿光轴方向施加作用力，不会产生压电效应，但会有电荷产生。
C. 沿光轴方向施加作用力，会产生压电效应，但没有电荷产生。
D. 沿光轴方向施加作用力，会产生压电效应，也会有电荷产生。
2、石英晶体和压电陶瓷的压电效应对比正确的是（ ）
A. 压电陶瓷比石英晶体的压电效应明显，稳定性也比石英晶体好
B. 压电陶瓷比石英晶体的压电效应明显，稳定性不如石英晶体好
C. 石英晶体比压电陶瓷的压电效应明显，稳定性也比压电陶瓷好
D. 石英晶体比压电陶瓷的压电效应明显，稳定性不如压电陶瓷好
3、两个压电元件相并联与单片时相比说法正确的是（ ）
A. 并联时输出电压不变，输出电容是单片时的一半
B. 并联时输出电压不变，电荷量增加了2倍
C. 并联时电荷量增加了2倍，输出电容为单片时2倍
D. 并联时电荷量增加了一倍，输出电容为单片时的2倍
4、两个压电元件相串联与单片时相比说法正确的是（ ）
A. 串联时输出电压不变，电荷量与单片时相同
B. 串联时输出电压增大一倍，电荷量与单片时相同
C. 串联时电荷量增大一倍，电容量不变
D. 串联时电荷量增大一倍，电容量为单片时的一半
5、用于厚度测量的压电陶瓷器件利用了（ ）原理。
A.磁阻效应 B. 压阻效应
C. 正压电效应 D.逆压电效应
6、压电陶瓷传感器与压电石英晶体传感器的比较是（ ）。
A．前者比后者灵敏度高 B．后者比前者灵敏度高
C．前者比后者性能稳定性好 D．前者机械强度比后者的好
7、压电石英晶体表面上产生的电荷密度与（ ）。
A．晶体厚度成反比 B．晶体面积成正比
C．作用在晶片上的压力成正比 D．剩余极化强调成正比
8、压电式传感器目前多用于测量（ ）。
A．静态的力或压力 B．动态的力或压力
《传感器与智能检测技术》 第4章习题答案
第4章 压电式传感器
一、填空题
1.压电元件一般有三类：第一类是石英晶体；第二类是压电陶瓷；第三类是高分子压电材料。
2.压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。
3.将超声波（机械振动波）转换成电信号是利用压电材料的压电效应；蜂鸣器中发出“嘀…嘀…”声的压电片发声原理是利用压电材料的逆压电效应。
4.在实验室作检验标准用的压电仪表应采用sio2压电材料；能制成薄膜，粘贴在一个微小探头上、用于测量人的脉搏的压电材料应采用PVDF。
5.使用压电陶瓷制作的力或压力传感器可测量动态的力或压力。
6.动态力传感器中，两片压电片多采用并联接法，可增大输出电荷量；在电子打火机和煤气灶点火装置中，多片压电片采用串联接法，可使输出电压达上万伏，从而产生电火花。
7.用于厚度测量的压电陶瓷器件利用了逆压电效应原理。
二、综合题
1.简述压电式加速度传感器的结构及原理。
压电式加速度传感器一般由壳体及装在壳体内的弹簧、质量块、压电元件和固定安装的基座组成。压电元件一般由两片压电片组成，并在压电片的两个表面镀银，输出端由银层或两片银层之间所夹的金属块上引出，输出端的另一根引线就直接和传感器的基座相连。在压电片上放置一个质量块，然后用硬弹簧对质量块预加载荷，然后将整个组件装在一个基座的金属壳体内。为了隔离基座的应变传递到压电元件上去，避免产生假信号输出，增加传感器的抗干扰能力，基座一般要加厚或者采用刚度较大的材料制造。
使用时，将传感器基座与试件刚性固定在一起，当其感受振动时，由于弹簧的刚度相当大，质量块的质量相对较小，可以认为质量块的惯性很小。因此可以认为质量块感受到与传感器基座相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力作用，这样，质量块就有一个正比于加速度的作用力作用在压电片上。通过压电片的压电效应，在压电片的表面上就会产生随振动加速度变化的电压，当振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器输出的电压与作用力成正比，即与传感器感受到的加速度成正比。将此电压输入到前置放大器后就可以用普通的测量仪器测出加速度，如在放大器中加适当的积分电路，就可以测出振动速度和位移。
传感器——常见接近开关的介绍
一、传感器的基本概念
关于传感器的定义，众说不一。
根据我国的国家标准（GB7765-87），传感器（Transducer/Sensor）的定义是："能够
感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置"。
定义包含的意思：
① 传感器是测量装置，能完成检测任务；
② 它的输入量是某一种被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等。
③ 它的输出量是某种物理量，这种量应便于传输、转换、处理、显示等等，这种量不
一定是电量，还可以是气压、光强等物理量，但主要是电物理量；
④ 输出与输入之间有确定的对应关系，且能达到一定的精度。
输出量为电量的传感器，一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成。
敏感元件：它是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。
转换元件：将敏感元件的输出转换成一定的电路参数。有时敏感元件和转换元件的功能
是由一个元件（敏感元件）实现的。
调理电路：将敏感元件或转换元件输出的电路参数转换、调理成一定形式的电量输出。
随着微电子技术的发展和加工工艺的进步，传感器的体积越来越小，功能越来越强，以
前作为传感器输出信号的后期处理器，如放大器、各种补偿电路、运算电路、A/D 转换电路
等，都在制造时作为传感器的一部分集成到了一起，为用户提供了极大的方便，为实现传感
的标准化，从而使传感器具有良好的互换提供了前提。当在传感器中集成进去微处理器后，
就可以实现传感器的自学习、自诊断、自校准、自适应等功能，成为智能化的传感器。
二、传感器的基本分类
1．按工作机理分类
模块化生产培训系统应用技术
结构型传感器：是利用传感器的结构参数变化来实现信号转换的。
物性型传感器：在实现转换的过程中，传感器的结构参数基本不变，而是依靠传感器中
敏感元件内部的物理或化学性质的变化来实现检测功能的。
2．按能量转换情况分类
传感器原理与应用习题第6章压电式传感器
《传感器原理与应用》习题集与部分参考答案
教材：传感器技术（第3版）贾伯年主编，及其他参考书
第6章 压电式传感器
6-1 何谓压电效应？何谓纵向压电效应和横向压电效应？
答：一些离子型晶体的电介质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。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： D = dT 式中 d—压电常数矩阵。
当外力消失，电介质又恢复不带电原状；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。
若对上述电介质施加电场作用时，同样会引起电介质内部正负电荷中心的相对位移而导致电介质产生变形，且其应变S与外电场强度E成正比： S=dtE 式中 dt——逆压电常数矩阵。这种现象称为逆压电效应，或称电致伸缩。
6-2 压电材料的主要特性参数有哪些？试比较三类压电材料的应用特点。
答：主要特性：压电常数、弹性常数、介电常数、机电耦合系数、电阻、居里点。
压电单晶：时间稳定性好，居里点高，在高温、强辐射条件下，仍具有良好的压电性，且机械性能，如机电耦合系数、介电常数、频率常数等均保持不变。此外，还在光电、微声和激光等器件方面都有重要应用。不足之处是质地脆、抗机械和热冲击性差。
压电陶瓷：压电常数大，灵敏度高，制造工艺成熟，成形工艺性好，成本低廉，利于广泛应用，还具有热释电性。
新型压电材料：既具有压电特性又具有半导体特性。因此既可用其压电性研制传感器，又可用其半导体特性制作电子器件；也可以两者合一，集元件与线路于一体，研制成新型集成压电传感器测试系统。
6-3 试述石英晶片切型（45/50yxlt）的含意。
6-4 为了提高压电式传感器的灵敏度，设计中常采用双晶片或多晶片组合，试说明其组合的方式和适用场合。
答：（1）并联：C′＝2C，q′=2q,U′=U,因为输出电容大，输出电荷大，所以时间常数，适合于测量缓变信号，且以电荷作为输出的场合。
传感器分类(最全总结)
.
. 由于被测参量种类繁多，其工作原理和使用条件又各不相同，因此传感器的种类和规格十分繁杂，分类方法也很多。现将常采用的分类方法归纳如下：
1、按输入量即测量对象的不同分：
如输入量分别为：温度、压力、位移、速度、湿度、光线、气体等非电量时，则相应的传感器称为温度传感器、压力传感器、称重传感器等。
这种分类方法明确地说明了传感器的用途，给使用者提供了方便，容易根据测量对象来选择所需要的传感器，缺点是这种分类方法是将原理互不相同的传感器归为一类，很难找出每种传感器在转换机理上有何共性和差异，因此，对掌握传感器的一些基本原理及分析方法是不利的。因为同一种型式的传感器，如压电式传感器，它可以用来测量机械振动中的加速度、速度和振幅等，也可以用来测量冲击和力，但其工作原理是一样的。
这种分类方法把种类最多的物理量分为：基本量和派生量两大类．例如力可视为基本物理量，从力可派生出压力、重量，应力、力矩等派生物理量．当我们需要测量上述物理量时，只要采用力传感器就可以了。所以了解基本物理量和派生物理量的关系，对于系统使用何种传感器是很有帮助的。
2、按工作(检测)原理分类
检测原理指传感器工作时所依据的物理效应、化学效应和生物效应等机理。有电阻式、电容式、电感式、压电式、电磁式、磁阻式、光电式、压阻式、热电式、核辐射式、半导体式传感器等。
如根据变电阻原理，相应的有电位器式、应变片式、压阻式等传感器；如根据电磁感应原理，.
. 相应的有电感式、差压变送器、电涡流式、电磁式、磁阻式等传感器；如根据半导体有关理论，则相应的有半导体力敏、热敏、光敏、气敏、磁敏等固态传感器。
这种分类方法的优点是便于传感器专业工作者从原理与设计上作归纳性的分析研究，避免了传感器的名目过于繁多，故最常采用。缺点是用户选用传感器时会感到不够方便。
有时也常把用途和原理结合起来命名，如电感式位移传感器，压电式力传感器等，以避免传感器名目过于繁多．
传感器与检测技术课后答案
1-2 自动检测系统通常由几个部分组成？其中对传感器的一般要求是什么？
首先由各种传感器将非电被测物理或化学成分参量转化成电参量信号，然后经信号调理，数据采集，信号处理后，进行显示，输出，加上系统所需的交，直流稳压电源和必要的输入设备，便构成了一个完整的自动检测系统。
对传感器通常有如下要求：1，准确性 2，稳定性 3，灵敏度 4其他：如耐腐蚀性，功耗，输出信号形式，体积，售价等。
1-3 试述信号调理和信号处理的主要功能和区别，并说明信号调理单元和信号处理单元通常由哪些部分组成。
信号调理在检测系统中的作用是对传感器输出的微弱信号进行检波，转换，滤波，放大等，以便检测系统后续处理或显示。
信号处理模块是自动检测仪表，检测系统进行数据处理和各种控制的中枢环节，其作用和大脑相类似。
信号调理电路通常包括滤波、放大、线性化等环节。
信号处理模块通常以各种型号的嵌入式微控制器、专用高速处理器（DSP）和大规模可编程集成电路，或直接采用工业控制计算机来构建。
2-1 随机误差，系统误差，粗大误差产生的原因是什么？对测量结果的影响有什么不同？从提高测量准确度看，应如何处理这些误差？
随机误差主要是由于检测仪器或测量过程中某些未知或无法控制的随机因素综合作用的结果。
系统误差产生的原因大体上有：测量所用的仪器本身性能不完善或安装，布置，调整不当；在测量过程中温度，湿度，气压，电磁干扰等环境条件发生变化；测量方法不完善，或者测量所依据的理论本身不完善；操作人员视读方式不当等。
粗大误差一般由外界重大干扰或仪器故障或不正确的操作等引起的。
减小和消除系统误差的方法——1，针对产生系统误差的主要原因采取相应措施
2，采用修正方法减小恒差系统误差
3，采用交叉读书法减小线性系统误差
传感器作业及答案
1 霍尔传感器
1．填空题
（1）霍尔传感器是利用
霍尔
效应来进行测量的。通过该效应可测量
电流 的变化、 磁感应强度 的变化和 电流、 磁感应强度 的变化。
（2）霍尔传感器由 半导体 材料制成， 金属 和 绝缘体 不能用作霍尔传感器。
（3）当一块半导体薄片置于 磁场 中有 电流 流过时，电子将受到 洛伦兹力 的作用而发生偏转，在半导体薄片的另外两端将产生霍尔电动势。
2．选择题
（1）常用（ b ）制作霍尔传感器的敏感材料。
a．金属 b．半导体 c．塑料
（2）下列物理量中可以用霍尔传感器来测量的是（ a ）。
a．位移量 b．湿度 c．烟雾浓度
（3）霍尔传感器基于（ a ）。
a．霍尔效应 b．热电效应 c．压电效应 d．电磁感应
（4）霍尔电动势与（ a,d ）。
a．激励电流成正比 b．激励电流成反比
c．磁感应强度成反比 d．磁感应强度成正比
3．问答题
（1）什么是霍尔效应？霍尔电动势与哪些因素有关?
答：在半导体薄片两端通以控制电流I，并在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场，那么，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电势UH(称为霍尔电势电压),这种现象称为霍尔效应 。
霍尔电动势的大小正比于控制电流和磁感应强度。如果流过的电流越大，则电荷量就越多，霍尔电动势越高；如果磁感应强度越强，电子受到的洛仑兹力也越大，电子参与偏转的数量就越多，霍尔电动势也越高。此外，薄片的厚度、半导体材料中的电子浓度对霍尔电动势的大小也会有影响。
（2）如图7-15所示，简述液位控制系统的工作原理。
图7-15 液位控制系统的工作原理
答：根据图7-15可以看出，储存罐的液体由液体源通过电磁阀向罐内提供，储存罐的液位增加，与之相通的偏管液位也升高，磁铁也随之升高，液位越高，磁铁越靠近霍尔传感器，磁铁作用于霍尔传感器的磁感应强度就越强，霍尔集成电路输出的电压就越大，当储液罐的额液位达到最高液位时，电压将达到设定值，电磁阀关闭，使液体无法流入储液罐。