36压电式传感器.
压电式压力传感器原理及应用
压电式压力传感器原理及应用自动化研1302班王民军压电式压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器。
而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也叫压电式压电传感器。
压电式压力传感器可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。
也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。
它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。
一、压电式传感器的工作原理1、压电效应某些离子型晶体电介质（如石英、酒石酸钾钠、钛酸钡等）沿着某一个方向受力而发生机械变形(压缩或伸长)时，其内部将发生极化现象，而在其某些表面上会产生电荷。
当外力去掉后，它又会重新回到不带电的状态，此现象称为“压电效应”。
压电式传感器的原理是基于某些晶体材料的压电效应。
2、压电式压力传感器的特点压电式压力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。
压电式压力传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量，如压力、加速度等(见压电式压力传感器、加速度计)。
压电式压力传感器是利用压电材料的压电效应将被测压力转换为电信号的。
由压电材料制成的压电元件受到压力作用时产生的电荷量与作用力之间呈线性关系：Q=k*S*p。
式中 Q为电荷量；k为压电常数；S为作用面积；p为压力。
通过测量电荷量可知被测压力大小。
压电式压力传感器的工作原理与压电式加速度传感器和力传感器基本相同，不同的是弹性元件是由膜片等把压力转换成集中力，再传给压电元件。
为了保证静态特性及稳定性，通常多采用压电晶片并联。
在压电式压力传感器中常用的压电材料有石英晶体和压电陶瓷，其中石英晶体应用得最为广泛。
二、压电压力传感器等效电路和测量电路在校准用的标准压力传感器或高精度压力传感器中采用石英晶体做压电元件外，一般压电式压力传感器的压电元件材料多为压电陶瓷，也有用高分子材料(如聚偏二氟乙稀)或复合材料的合成膜的。
压电式加速度传感器的信号输出形式
电荷输出型传统的压电加速度计通过内部敏感芯体输出一个与加速度成正比的电荷信号。
实际使用中传感器输出的高阻抗电荷信号必须通过二次仪表将其转换成低阻抗电压信号才能读取。
由于高阻抗电荷信号非常容易受到干扰，所以传感器到二次仪表之间的信号传输必须使用低噪声屏蔽电缆。
由于电子器件的使用温度范围有限，所以高温环境下的测量一般还是使用电荷输出型。
北智BW-Sensor采用进口陶瓷的加速度计可在温度-40oC~250oC范围内长期使用。
低阻抗电压输出型（IEPE）IEPE型压电加速度计即通常所称的ICP型压电加速度计。
压电传感器换能器输出的电荷通过装在传感器内部的前置放大器转换成低阻抗的电压输出。
IEPE型传感器通常为二线输出形式，即采用恒电流电压源供电;直流供电和信号使用同一根线。
通常直流电部分在恒电流电源的输出端通过高通滤波器滤去。
IEPE型传感器的最大优点是测量信号质量好、噪声小、抗外界干扰能力强和远距离测量，特别是新型的数采系统很多已配备恒流电压源，因此，IEPE传感器能与数采系统直接相连而不需要任何其它二次仪表。
在振动测试中IEPE传感器已逐渐取代传统的电荷输出型压电加速度计。
传感器的灵敏度，量程和频率范围的选择压电型式的加速度计是振动测试的最主要传感器。
虽然压电型加速度计的测量范围宽，但因市场上此类加速度计品种繁多，所以给正确的选用带来一定的难度。
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生物医学传感-压电式
目
CONTENCT
录
• 压电式传感器简介 • 生物医学中压电式传感器的应用 • 压电式传感器在生物医学中的挑战
与解决方案 • 压电式传感器的发展趋势与未来展
望 • 案例分析：压电式传感器在生物医
学中的应用实例
01
压电式传感器简介
压电效应原理
压电效应
某些材料在受到外部压力时会产生电荷，这种现象 被称为压电效应。
用于脑电信号检测的压电式传感器
总结词
压电式传感器在脑电信号检测中具有高精度 和高稳定性的特点，能够准确记录大脑的神 经活动，为神经科学和心理学研究提供有力 支持。
详细描述
压电式传感器利用压电材料的压电效应，将 大脑的电生理信号转换为机械振动，再通过 换能器将机械振动转换为电信号。这种传感 器具有高精度、高稳定性、低噪声等优点， 因此在脑电信号检测中得到广泛应用。它可 以用于研究大脑的认知、情感、学习等方面 的神经机制，以及用于诊断和治疗神经系统
压电式传感器在生物医学成像 技术中发挥着重要的作用，如 超声成像和振动成像等。
压电式传感器在生物医学成像 技术中发挥着重要的作用，如 超声成像和振动成像等。
压电式传感器在生物医学成像 技术中发挥着重要的作用，如 超声成像和振中发挥着重要的作用，如 超声成像和振动成像等。
压电式传感器通常与电极相连，通过电信号的转换 ，将生物体产生的机械振动转换为可测量的电信号 ，进而实现生物医学信号的检测。
在实际应用中，压电式传感器常与放大器和滤波器 等辅助设备配合使用，以提高信号的信噪比和分辨 率。
生理参数的监测
压电式传感器在生理参数监测 方面具有实时、连续和无创的 特点，能够准确监测人体的生 理参数，如血压、血氧饱和度 、呼吸频率等。
压电式压力传感器
（a）
（b）
图2-24 电压放大器及其等效电路
（a）电压放大器电路 （b）等效电路
2．测量电路
电荷放大器实际上是一个具有反馈电容 Cf 和反馈电阻 Rf 的高增益运算放大器。其
等效电路如图 2-25（b）所示，由于运算放大器输入阻抗非常高，放大器的输入端几乎
没有分流，故可以忽略 Ra 和 Ri 。
1．等效电路 压电式压力传感器的等效电路与压电元件的一样，既可以等效为一个电压源Ua 和一 个电容器 Ca 的串联电路；也可以等效为一个电荷源 q 和一个电容器 Ca 的并联电路。
（a）
（b）
图2-21 压电元件等效图 （a）压电元件 （b）等效电容
（a）
（b）
图2-22 压电式压力传感器的等效电路
传感器原理与应用
1.1 压电效应
将机械能转换成电能的现象，称为压电效应，也称顺压电效应或正压电效应。 压电效应和逆压电效应是两个相逆的过程，压电效应是将机械能转化为电能， 而逆压电效应则是将电能转化为机械能
图2-18 压电效应和逆压电效应
1.2 压电材料
1．石英晶体 石英晶体在低温下常为带尖顶的六方柱状结构，纯净的石英晶体无色透明，呈玻璃光泽。 石英晶体会产生压电效应，是应用极为广泛的压电材料。
优点是性能非常稳定，且有很大的机械强度和稳定的机械性能。
但石英晶体价格比较昂贵，且压电系数比压电陶瓷的低很多
2．压电陶瓷
压电陶瓷是一类具有压电特性的电子陶瓷材料，它能够完成 机械能和电能之间的互换，压电陶瓷的主要材料是具有铁电性的 非金属晶粒。
压电陶瓷价格便宜、灵敏度高、机械强度好，且有较高的介 电常数和压电系数。
1.4 应用实践——压电式压力传感器在胎压检测中的应用
压电式传感器(1)汇总
1
2
5.1 5.2 5.3
压电效应及压电材料 压电式传感器的等效电路 压电式传感器的测量电路
3
4
5.4
压电式传感器的应用
概述
压电式传感器的工作原理是基于某些介质 材料的压电效应，是典型的有源传感器。 当某些材料受力作用而变形时，其表面会有 电荷产生，从而实现非电量测量。 压电式传感器具有体积小，重量轻，工作频 带宽、灵敏度高、工作可靠、测量范围广等 特点，因此在各种动态力、 机械冲击与振动 的测量，以及声学、医学、力学、宇航等方 面都得到了非常广泛的应用。
压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多，所以
采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。极
化处理后的压电陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温
度有关，它的参数也随时间变化，从而使其压电特性 减弱。
最早使用的压电陶瓷材料是钛酸钡（ BaTiO3 ）。它 是由碳酸钡和二氧化钛按1∶1摩尔分子比例混合后烧 结而成的。它的压电系数约为石英的 50 倍， 但居里
点温度只有115℃，使用温度不超过70℃，温度稳定
性和机械强度都不如石英。
压电材料介绍 压电材料应具备以下几个主要特性： ①转换性能。要求具有较大的压电常数。 ②机械性能。机械强度高、刚度大。 ③电性能。高电阻率和大介电常数。
④环境适应性。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高
的居里点，获得较宽的工作温度范围。
5.1 压电效应及压电材料
输出能量（如电能）与输入的能量（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：将减少电荷泄 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的温 度称为居里点。
压电式加速度传感器检定规程
压电式加速度传感器检定规程如下：
外观检查：检查传感器的外观是否完好，无破损、裂纹等缺陷。
灵敏度检定：通过施加一定的加速度，测量传感器的输出电压，计算其灵敏度，判断是否符合要求。
频率响应检定：在不同频率下施加加速度，测量传感器的输出电压，绘制频率响应曲线，判断其是否符合要求。
横向灵敏度检定：在传感器敏感轴以外的方向上施加加速度，测量传感器的输出电压，判断其横向灵敏度是否符合要求。
温度影响检定：在不同温度下施加加速度，测量传感器的输出电压，判断其温度影响是否符合要求。
以上是压电式加速度传感器的基本检定规程，具体检定步骤和方法可能因不同的传感器型号和应用场景而有所不同。
压电压力传感器工作原理
压电压力传感器工作原理压电式传感器由压电传感元件和测量转换电路组成。
压电传感元件是一种力敏感元件，凡是能够变换为力的物理量，如应力、压力、振动、加速度等，均可进行测量，由于压电效应的可逆性，压电元件又常用作超声波的发射与接收装置。
压电式传感器是一种典型的自发电型传感器，以电介质的压电效应为基础，外力作用下在电介质表面产生电荷，从而实现非电量测量。
某些电介质在沿1定方向上受到力的作用而变形时，内部会产生极化，同时在其表面有电荷产生，当外力去掉后，表面电荷消失，这种现象称为压电正向效应。
压力传感器所用的元件材料是具有压阻效应的单晶硅、扩散掺杂硅和多晶硅。
根据晶体不受定向应力时，电导率是同性的，只有受定向应力时才表现出各向异性，由于应力能引起能带的变化，能谷能量移动，导致电阻率的变化，于是就有电阻的变化，从而产生压阻效应。
不同压力传感器的工作原理1、压阻式力传感器：电阻应变片是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。
金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。
2、蓝宝石压力传感器：利用应变电阻式工作原理，采用硅-蓝宝石作为半导体敏感元件，具有无非比的计量特性。
因此，利用硅-蓝宝石制造的半导体敏感元件，对温度变化不敏感，即使在高温条件下，也有着很好的工作特性;蓝宝石的抗辐射特性极强;另外，硅-蓝宝石半导体敏感元件，无p-n漂移。
3、陶瓷压力传感器：陶瓷压力传感器基于压阻效应，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥，由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号，标准的信号根据压力量程的不同标定为2.0/3.0/3.3mV/V等，可以和应变式传感器相兼容。
4、压电式压力传感器：压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。
压电式传感器的准静态校准
(1) 归一化旋钮按传感器公称电荷灵敏度设置 。 ( 2) 衰减挡 一般电荷放大器最大输出电压 为 10V , 输出电压在 ( 1 ～10 ) V 范围内工作状态较好 , 既不会在传 感器满载时使电荷放大器过载 , 又可以保证在小载荷时 有足够的信噪比 ,为此 , 以下式估算衰减挡设定值 : 估算值 = 位 : mV 。
Fm — 为传感器的 机械量额定 负荷值 , 其单位应与
10 × 10 3 (
Fm
mv/ unit)
式中 :10 × 10 3 — 为电荷放大器的最大输出电压 , 单
传感器公称灵敏度分母的单位一致 , 对于力传感器为 N 或 kN , 对于压力传感器为 Pa 或 105 Pa (kgf/ cm2) 。 以不大于估算值的一个挡位为衰减挡的设定值 。在 传感器公称灵敏度未知 , 或其他原因不能按公称灵敏度 设置归一化挡时 ,可以将衰减挡先置于灵敏度较低挡位 , 通过试测确定合适的归一化及衰减挡数值 , 以输出电压 在 ( 1～ 10) V 范围内为宜 . 注意在计算校准结果时 , 一定 要将归一化及衰减挡的实际设定值代入公式计算。 ( 3) 高通滤波旋钮置于 “L ” 位置。 ( 4) 低通滤波旋钮置于 3kHz 以下任一位置即可 。 ( 5) 复位开关在预 热和非测量时 , 均 应置于复位状 态 ,以确保电荷放大器输入端场效应管的安全 。 313 连接系统 、 预热 将传感器、 电荷放大器、 数字电压表正 确连接后 ,接通电源预热 30 分钟。 另外 ,为防止传感器和电 荷放大器不同电位产生过载现象 ,应将地线插好 。 4 测量 411 将电荷放大器复位开关置于 “工作” 状态 ,数字电压 表清零 ,对传感器予加载至 100 %最大载荷 , 完全卸载后 再加载 ,重复进行 2～ 3 次 ,使传感器和测量系统处于稳 定状态 。在予加载过程中注意观察系统工作是否正常 、 安全 。 412 对数字电压表重新清零后开始正式测量 。在传感 器额定负荷的 20 %～ 100 %范围内均匀分布 5 ～ 1 0 点 , 对各点进行 3～ 5 次循环测量 ,测量过程中应平稳匀速加
压电传感器(第六章)
电路并联
电路串联
C 2C,Q ' 2Q,U ' U C ' C ,U ' 2U ,Q ' Q
2
U’
+++++++++++ +
____________ _
___________
+++++++++++
+ _
U’
+++++++++++ + ___________ _ ++ + + + + + + + + + + _ ____________ +
第六章 压电传感器
主要内容
1.压电效应 2.压电材料 3.压电元件结构 4.等效电路与测量电路 5.压电传感器的应用
1
概述
压电式传感器是一种典型的自发电型传感 器，以电介质的压电效应为基础，外力作用 下在电介质表面产生电荷，从而实现非电量 测量。 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。
25
聚偏氟乙烯压电材料
聚 偏 氟 乙 烯 压 电 效 应
26
高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆
27
可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板
28
压电式脚踏报警器
29
6.3 压电元件结构形式
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， 在实际应用中常采用两片（或两 片以上）同型号的压电元件粘结在一起。 由于压电材 料的电荷是有极性的，因此接法也有两种。
压电式压力传感器工作原理
压电式压力传感器工作原理
压电式压力传感器原理基于压电效应。
压电效应是某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。
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。
压电式压力传感器的种类和型号繁多，按弹性敏感元件和受力机构的形式可分为膜片式和活塞式两类。
膜片式主要由本体、膜片和压电元件组成。
压电元件支撑于本体上，由膜片将被测压力传递给压电元件，再由压电元件输出与被测压力成一定关系的电信号。
这种传感器的特点是体积小、动态特性好、耐高温等。
现代测量技术对传感器的性能出越来越高的要求。
例如用压力传感器测量绘制内燃机示功图，在测量中不允许用水冷却，并要求传感器能耐高温和体积小。
压电材料适合于研制这种压力传感器。
石英是一种非常好的压电材料，压电效应就是在它上面发现。
比较有效的办法是选择适合高温条件的石英晶体切割方法,例如XYδ(+20°～+30°)割型的石英晶体可耐350℃的高温。
而LiNbO3单晶的居里点高达1210℃，是制造高温传感器的理想压电材料。