单元五任务二压电传感器2
第五章压电式传感器.
第五章 压电式传感器本章主要内容：压电式传感器的工作原理是基于某些电介质材料的压电材料，它是典型的有源传感器。
本章介绍压电式传感器的工作原理、着重是压电晶体和压电陶瓷两类压电材料；讨论压电式传感器的等效电路和测量电路。
要求初步掌握压电式传感器的原理及应用。
第二讲 压电传感器的等效电路及测量应用教学目的要求：1.掌握压电元件的等效电路和测量电路；2.了解压电传感器的基本应用。
教学重点：压电元件的等效电路和测量电路教学难点：压电传感器的应用教学学时：共2学时教学内容：一、压电式传感器的等效电路等效电路：1）压电元件等效为一个电荷源与一个电容并联的电荷等效电路，如图5-4（a ）所示。
电容器上的电压U a ，电荷量Q 和电容C a 三者关系为aa C Q U 2）压电元件也可以等效为一个电压源和一个电容串联表示的电压等效电路，如图5-4（b ）所示。
(b) 电压等效电路 （a ）电荷等效电路图5-4压电式传感器的等效电路 Ca Ua Q Ca Ua Uo二、 压电式传感器的测量电路1. 测量电路如图5-6所示，压电式传感器的输出信号非常微弱，通常需要将其放大后才能进行检测。
又因为传感器的内阻抗极高，因此需要有阻抗非常高的前置放大器与之匹配，然后再使用一般放大、显示、检波、记录等电路。
图5-6 电荷放大器等效电路图当A >>1时，则)()1(i c a f C C C C A ++>>+ff o )1(C Q C A AQ U -≈+-≈ 说明：1）电荷放大器的输出电压仅与输入电荷量和反馈电容有关，电缆电容等其他因素可忽略不计，这是电荷放大器的特点，也正因为这一特点使得电荷放大器得到广泛的应用。
2）采用电荷放大器的原因：电压放大器中的输出电压与电缆电容有，关因而大都采用电荷放大器。
3）压电传感器的测量对象：动态量，原因：由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，这需要转换电路具有无限大的输入阻抗，但实际上是不可能的，因此压电式传感器不能用于静态测量。
压电传感器 教案
压电传感器教案一、教学目标1. 知识目标：了解压电传感器的原理、结构和工作方式，掌握其常见应用领域；2. 技能目标：能够选择适合的压电传感器并正确使用，能够进行相关实验和数据分析；3. 情感目标：培养学生的实践能力和创新思维，增强对科学技术的兴趣。
二、教学重点与难点1. 重点：压电传感器的原理和应用；2. 难点：压电传感器的工作原理及其相关实验。
三、教学方法采用多媒体讲解、案例分析和实验演示相结合的教学方法。
四、教学内容与顺序安排1. 压电传感器的定义和基本原理a. 压电效应的概念介绍b. 压电材料的特点及其应用领域c. 压电传感器的基本结构和工作原理2. 常见的压电传感器类型及其应用a. 压电位移传感器b. 压电加速度传感器c. 压电压力传感器d. 压电流量传感器3. 压电传感器的选用与使用注意事项a. 根据应用需求选择合适的压电传感器b. 掌握正确的传感器安装和连接方法c. 学习传感器的校准和维护4. 相关实验演示和数据分析a. 利用压电传感器测量物体的位移、加速度、压力或流量b. 分析实验数据并进行结果讨论5. 压电传感器的发展与展望a. 简要介绍压电传感器的研究现状b. 展望压电传感器在未来的应用前景五、教学过程与方法1. 多媒体讲解：通过PPT展示，介绍压电传感器的原理、结构和工作方式，并展示其在不同领域的应用案例。
2. 案例分析：结合实际案例，分析压电传感器的选用和使用注意事项，并引导学生思考如何解决实际问题。
3. 实验演示：组织学生进行压电传感器的实验演示，让学生亲自操作和观察实验现象。
4. 数据分析：引导学生对实验数据进行分析和结果讨论，培养其科学实验和数据分析能力。
5. 小组讨论：组织学生进行小组讨论，讨论压电传感器的发展方向及其可能的应用领域。
6. 总结回顾：对本节课内容进行总结回顾，并对学生提出的疑问进行解答。
六、教学评价与展望1. 教学评价a. 课堂表现：学生的参与度、表达能力和问题解决能力；b. 实验报告：学生对实验结果的分析和总结能力。
第五章压电式传感器第三节压电式传感器的应用
一、压电加速度传感器
１、工作原理
【工作原理】当传感器受振动时，若质量块与 被测物体的质量相比很小时，质量块将感受与 传感器基座相同的振动，并受到与加速度方向 相反的惯性力的作用，在力的作用下，压电陶 瓷片上将产生电荷（压电效应），此电荷的大 小与加速度成正比，即
一、压电加速度传感器
２、压电加速度传感器灵敏度与振动频率的关系 由二阶系统的动态特性可知，系统的传递函
第五章 压电式传感器
§5-1 压电效应 §5-2 压电式传感器的测量电路 §5-3 压电式传感器的应用
§5-3 压电式传感器的应用
一、压电加速度传感器
加速度传感器有纵向效应、横向效应和剪切 效应型三种类型，最常用的是纵向效应型，其结 构如图所示。
一、压电加速度传感器
１、工作原理
加速度传感器可用质量、弹簧和阻尼组成 的二阶系统（力学模型）来描述。
二、压电式压力传感器
若传感器只有一个压电晶体，则电荷灵敏度 和电压灵敏度如下
电荷灵敏度
电压灵敏度
式中，Ce为压电片等效电容。
§5-3 压电式传感器的应用
三、压电式流量计
压电式流量计是利用超声波在顺流方向和 逆流方向的传播速度不同来进行测量的。主要 元件是压电超声换能器，流量计结构如下
§5-3 压电式传感器的应用
,为振动物体的位移
,为质量块的位移
,为质量块与振动物体间的相对位移， 也就是压电元件受力后的变形量
一、压电加速度传感器
２、压电加速度传感器灵敏度与振动频率的关系 有：
其中，ky为压电元件弹性系数。将上式代入
电荷与力的关系式，有
将上式代入传感器幅频特性公式,便得压电 加速度传感器的灵敏度与被测振动频率的关系式
第5章-压电式传感器PPT课件
正压电效应
电能
机械能
逆压电效应
.
3
1.正压电效应演示
当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输
出电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静
态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。
⑤时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。
.
7
1.石英晶体
在几百摄氏度的温度范围内，其介电常数和压电系 数几乎不随温度而变化。但是当温度升高到573℃时，石 英晶体将完全失去压电特性，这就是它的居里点。 石英晶体的突出优点是性能非常稳定，它有很大的机械 强度和稳定的机械性能。但石英材料价格昂贵，且压电 系数比压电陶瓷低得多。因此一般仅用于标准仪器或要 求较高的传感器中。
压电传感器大多是利用压电材料的压电效应 （在超声和电声工程中也有利用逆压电效应）
.
6
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。
（b）
压电效应。
.
20
石英晶体受力方向与电荷极性关系
.
21
极化强度即： P11d11x d11aFxc d11——压电系数。下标的意义为产生电荷的面 的轴向及施加作用力的轴向；
a、c——石英晶片的长度和宽度。
.
9
石英晶体
天然形成的石英晶体外形
.
10
石英晶体切片及封装 石英晶体薄片
双面镀银并封装
.
第五章压电式传感器
第四节、压电式传感器例题例5、一只压电式加速度计，供它专用的电缆的长度为1.2m，电缆电容为100pF，压电片本身的电容为100pF。
出厂时标定的电压灵敏度为100V/g(g=9.8m/s2度为重力加速度)，若使用中改用另一根长2.9m例5题图、压电加速度计等效电路解：将压电式加速度计用电压源来等效，不考虑其泄漏电阻，等效电路如图1.83所示。
输出电压为：U0=UaCa/(Ca+Cc)式中:Ca为压电片本身的电容，Cc为电缆电容。
当电缆电容变为Cc’时，输出电压将变为:U0′=UaCa/(Ca+Cc′)在线性范围内，压电式加速度计的灵敏度与输出电压成正比，所以更换电缆后灵敏度变为: K′=SU0′/U0=S(Ca+Cc)/(Ca+Cc′)=100(1000+100)/(1000+300)=84.6V/g例6、一只x切型的石英晶体压电元件，其d l1=dxx＝2.31×10－12C/N，相对介电常数εr=4.5，横截面积A=5cm2，厚度h=0.5cm。
求：(1)、纵向受Fx=9.8N的压力作用时压电片两电极间输出电压值为多大?(2)、若此元件与高输入阻抗运放连接时连接电缆的电容为Cc=4pF，该压电元件的输出电压值为多大?解：(1)、所谓纵向受力，是指作用力沿石英晶体的电轴方向(即X轴方向)。
对于x切型的石英晶体压电元件，纵向受力时，在x方向产生的电荷量为：qx=d l1×Fx=2.31×10－12 C/N×9.8N =22.6×10－12C=22.6pC压电元件的电容量为：Ca=εoεrA/h=8.85×10－12 F/m×4.5×5×10－4 m2/0.5×10－2 m=3.98×10－12F=3.98pF所以两电极间的输出电压值为：U0=q x/Ca=22.6×10－12 C/3.98×10－12F=5.68V(2)、此元件与高输入阻抗运放连接时，连接电缆的电容与压电元件本身的电容相并联；输出电压将改变为：U0'=q x/（Ca+Cc）=22.6×10－12C/（3.98×10－12F+4×10－12F）=2.83V例7、压电式传感器的测量电路如图1.84所示，其中压电片固有电容Ca=1000pF，固有电阻Ra=1014Ω。
第五章压电式传感器《传感器原理及应用》课件(共45张PPT)
第十一页，共45页。
XF X ＋＋＋＋
XF X －－－－
压电效应〞，而把沿机械轴
Y
Y－Y方向的力作用 (zuòyòng)下产生电荷的压
Y
X
电效应称为“横向压电效应 X
〞，沿光轴Z－Z方向受力那
(a)
(b)
么不产生压电效应。
石英(shíyīng)晶体 (a)理想石英(shíyīng)晶体的外形 (b)坐标系
第六页，共45页。
压电电荷(diànhè)符号与受力方向
电为C荷a，中εdA间为绝εrεd缘0A体的电电(容dià极器nj ，如图(b)。其电容量
当两极板聚集异性电荷时， í)
q
那么两极板呈现一定的电压，
＋＋＋＋ q
Ca
其大小为
――――
压电晶体
Ua
q Ca
(jīngtǐ)
(a)
(b)
压电传感器的等效电路
第二十一页，共45页。
Ca
因此，压电传感器可等效为电 压源Ua和一个电容器Ca的串联
第十二页，共45页。
理解：纵向(zònɡ xiànɡ)压电效应 与 横向压电效应
第十三页，共45页。
假设从晶体上沿 yoz 方向(fāngxiàng)切下一块如图 所示晶片, 当 在电轴方向(fāngxiàng)施加作用力时, 在与电轴 x 垂直的平面上将产 生电荷, 其大小为 qx = d11 Fx 式中: d11 ——x方向(fāngxiàng)受力的压电系数; Fx——作用力。
压电式传感器
当 (1 A)CF
C
时，即A》1： Uo
Q CF
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结论:
1. 放大器的输出Uo正比于信号Q，线性转换；
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解决电缆问题的办法
将放大器装入传感器中，组成一体化传感器。
压 电 式 加 速 度 传 感 器
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压电式加速度传感器的压电元件是
二片并联连接的石英晶片，放大器是一 个超小型静电放大器。这样引线非常短， 引线电容几乎等于零就避免了长电缆对 传感器灵敏度的影响。放大器的输入端 可以得到较大的电压信号，这样弥补了 石英晶体灵敏度低的缺陷。
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。
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4.2.2 电压输出型测量电路
串联输出型压电元件可以等效为电压源，但由于压电效 应引起的电容量Ｃａ很小，因而其电压源等效内阻很大，在 接成电压输出型测量电路时，要求前置放大器不仅有足够的 放大倍数，而且应具有很高的输入阻抗。
压电式传感器是一种典型的有源传感器; 压电效应具有可逆性，也是一种典型的”双向传感器”。 它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，电 介质表面产生电荷，从而实现外力与电荷量间的转换，达到 非电量的电如目的。
特点: 工作频带宽，灵敏度高，结构简单，体积小，重量轻，
工作可靠。
应用范围： 各种动态力、机械冲击、振动测量、生物医学、超声、
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4.1.2 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。
具有类似于铁磁材料磁畴结构的电畴结构，在末极化之前各电畴的极化方 向在晶体内杂乱分布，如图 (a)所示，极化强度相互抵消为0，对外呈中性，不 具备压电效应。
5g-压电式传感器PPT课件
一、压电效应 二、压电材料 三、测量电路 四、压电传感器的应用
.
1
2.4 压电式传感器
原理：基于某些电介质的压电效应，属自源型传感器
功能：压电元件是力敏元件，能测量最终能变换为力的 物理量，例如力、压力、加速度等。
特点：响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简、工 作可靠、重量轻；主要不足：无静态输出，输出阻抗高
天然石英晶体的结构外形可视为一个六角棱柱体
光 轴: 纵向Z轴； 电 轴: 经过正六面体棱线，并垂直于光轴的X轴； 机械轴: 与X轴和Z轴Z同时垂直的Y轴,垂Z直于六面体的棱面。
Y Y
X
X 理想石英晶体的外形和坐标系
纵向压电效应: 沿电轴X方向的力作用下产生电荷的压电效应； 横向压电效应: 沿机械轴Y方向的力作用下产生电荷的压电效应； 沿光轴Z方向受力则不产生压电效应。
（b）等效为正. 六边形排列的投影
10
1.1
Y
当作用力FX=0时，正、负离子（Si4+和
-
+
2O2-）正好分布于正六边形顶角，形成三 个互成120º夹角的偶极矩P1、P2、P3，如图
+ P1
P3 - X
（a）所示。此时正负电荷中心重合，电偶
P2
极矩的矢量和等于零，即P1＋P2＋P3＝0
-
+
无电荷出现。
也不同，石英晶体的d11=2.3×10-12CN-1；
l、b——石英晶片的长度和宽度。
极化强度PXX在数值上等于晶面上的电荷密度，即
PXX
qX lb
式中 qX——垂直于X轴平面上的电荷。
将上两式整理，得 qX d11FX
其极间电压为