任务五 压电式传感器
单元五任务二压电传感器
鸣器中发出“嘀……嘀……”声的压电片
发声原理是利用压电材料的______。
A. 应变效应 B. 电涡流效应
C.压电效应
D. 逆压电效应
答案：C 、D
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2. 压电陶瓷
压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料， 它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造 成本却较低，因此目前国内外生产的压电元 件绝大多数都采用压电陶瓷 。常用的压电陶 瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及 非铅系压电陶瓷 （如BaTiO3等）。
任务二 压电式传感器在压力测量中的应用
一、任务描述与分析
本次学习任务是掌握压电传感器的测 量原理，测量转换电路及一些应用实例， 要求同学们通过实际设计的动手制作掌握 压电传感器在力、压力、加速度、位移、
振动等方面测量的应用。
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压电式传感器是一种自发电式传感器。它以某 些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电 介质表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。
某些物质(物体)，如石英、铁酸钡等，当受到外
力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部也会
被极化，表面上也会产生电荷；当外力去掉时，又重
新回到原来的状态。这种现象称之为压电效应——将
机械能转换成电能。相反，如果将这些物质 (物体)
置于电场中，其几何尺寸也会发生变化，这种由外电
场作用导致物质 (物体)产生机械变形的现象，称之
现电荷。 2020/10/8
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Q dFx
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小结
可 见，当晶体受到沿x(电轴)方向的力Fx 作用 时，它在x方向产生正压电效应，而y、z方向则 不产生压电效应。晶体在y（即机械轴）方向的 力 Fy作用下，在x方向产生正压电效应，在y、z 方向同样不产生压电效应。
KC04040105-m01-教学课件ppt-压电式传感器的介绍.
三、压电材料-石英晶体
如图所示为天然石英
压电式传感器 的介绍
晶体，其结构形状为一个六
角形晶柱，两端为一对称棱 锥。
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三、压电材料-石英晶体
在晶体学中，可以把将其用三根互相 垂直的轴表示，其中，纵轴Z称为光轴，通 过六棱线而垂直于光铀的X铀称为电轴，与
压电式传感器 的介绍
X-X轴和Z-Z轴垂直的Y-Y轴 (垂直压电效应。。
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三、压电效应
压电式传感器 的介绍
当晶体受到沿x方向的拉力（Fx>0)作用时，其变化情况如图所示。电偶极 矩P1增大，P2、P3减小，此时，他们在X，Y，Z三个方向上的分量为：
在X轴的正向出现负电荷，在Y、Z方向依然不出现电荷。
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四、影响压电式传感器的主要因素
传感器及应用
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传感器及应用
项目六、物联网中的压力检测
• 任务1：车速检测中的压力检测 • 任务2：电子秤的压力检测 • 任务3：管道内液体的压力检测 • 任务4：物联网中的压力检测-知识拓展
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任务1：车速检 测中的压力检测
压电式传感器的介绍
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一、压电式传感器
压电式传感器 的介绍
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、航空等方面都得到了非常广泛的应用。
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四、影响压电式传感器的主要因素
②环境温度和湿度 • 环境温度对传感器的影响主要通过三个因素： （1）压电材料的特性参数；
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
第五章压电式传感器资料
q
＋ Cd Rd C c Ri Ci U －
Cd Rd C c (b) Ri Ci
(a)
第五章 压电式传感器
四、测量液体密度的压电传感器 测量液体密度的压电传感器的敏感元件是一个由 压电晶片激励的空心音叉，下图为其结构示意图。
第五章 压电式传感器
音叉由不锈钢管制作，其Q值高达800，接近一般 音叉，可满足检测共振频率微小变化的需要。两片压 电陶瓷晶片，一片激励叉臂产生振荡，另一片接收信 号。 流过音叉液体密度的 微小变化，会导致音 叉共振频率发生变化 ，关系式为 A = 2 B f
极化后的压电陶瓷没有极化现象，是因为表面被 自由电子中和了。
施加沿极化方向的外力作用时，在垂直于极化方
向的平面上释放电荷。电荷正比于外力大小。
注：刚极化的压电陶瓷特性不稳定，须经2、3
个月。但如使用时间长，则需经常校准。
第五章 压电式传感器
5.5压电元件的应用特点
一、压电元件的常用形式
在压电式传感器中，为提高灵敏度，使用时，
二、特点
体积小，重量轻，固有频率高，配上适当的电荷
放大器，能在0Hz~10KHz的范围内工作；
适合测量变化迅速的参数，适于动态测量；
测量的力值范围:上百吨——几克。
第五章 压电式传感器
三、应用 目前多用于加速度和动态力或压力的测量。 在超声波、水声换能器、拾音器、传声器、滤波 器、煤气点火等方面应用已很普遍。
压电 元件 输出 引线 输出 引线 支座 (b ) (c) 质量 块
第五章 压电式传感器
弯曲式压电加速度传感器固有共振频率低，灵敏 度高，适用于低频测量。缺点是体积大，机械强度较 前两种差。
(第5章)-压电式传感器PPT课件
第5章 压电式传感器
5.1 压电效应及压电材料 5.2 压电式传感器测及量电路 5.3 压电式传感器的应用
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第5章 压电式传感器
压电式传感器：典型有源传感器。 原理：压电效应（石英晶体、压电陶瓷晶体） 适用于动态力学的测量，但不适用于静态测量 （与力相关的动态参数测量）
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第5章 压电式传感器
当晶体受到沿y轴方向的压力作用时，晶体的变形如图5-3c） 所示。与图5-3（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轴正向为正电荷。在y轴方向上仍不出 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。
5.1 压电效应及压电材料
正压电效应
某些晶体，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部 就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电 荷， 当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态。这种现象称 压电效应。 当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。 有时人们把这种机械能转换为电能的现象， 称为“正压电效 应”。
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第5章 压电式传感器
5.2 压电式传感器及测量电路
5.2.1
压电式传感器的基本原理就是利用压电材料的压电效应这 个特性，即当有力作用在压电材料上时，传感器就有电荷（或 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，以供给测量回 路一定的电流，故适用于动态测量。
第5章-压电式传感器和霍尔式传感器
5.1 压电式传感器
5.1.2 结构和等效电路 压电式传感器的结构 在压电式传感器中，压电元件一般不用单片，常用两片或 多片组合在一起使用。由于压电材料是有极性的，因此接 法有并联和串联两种。
5.1 压电式传感器
5.1.2 结构和等效电路 压电式传感器的结构
两片并联时，输出电压相同，但电荷量为单片时的两
5.1 压电式传感器
5.1.4 应用实例
压电传感器的结构如图所示。 压电元件被夹在两个弹性膜片之间， 压力作用于膜片，是压电元件受力 而产生电荷。压电元件的一个侧面 与膜片接触并接地，另一侧通过金 属箔和引线将电量引出。电荷经电 荷放大器放大转换为电压或电流， 输出的大小与输入压力成正比关系。 压电传感器可以通过更换压电元件 来改变压力的测量范围，还可以使
5.2.1 基本原理 霍尔元件
霍尔元件是霍尔传感器的核心部分，它的结构比较简单。霍尔 元件的基本结构由霍尔片、4根引线和壳体组成，如图5-10所示。
1，2—控制电流 引线端 3，4—霍尔电势 输出端
图5-10 霍尔元件
5.2 霍尔式传感器
5.2.2 测量电路 基本测量电路
如图所示。激励电流由电压源E供给，其大小由可变电阻来 调节。RL为输出霍尔电势UH的负载电阻，通常为显示仪表或放 大器的输入阻抗。由于霍尔电动势随激励电流增大而增大，故 在应用中总希望选用较大的激励电流。但激励电流增大，霍尔 元件的功耗增大，元件的温度升高，从而引起霍尔电动势的温 漂增大，因此每种型号的元件均规定了相应的最大激励电流， 它的数值从几毫安至几十毫安不等。
5.2 霍尔式传感器
5.2.1 基本原理 霍尔效应
在A与B两点间建立的电势差称为霍尔电压：
U H vBd
《压电式传感器》课件
压电式传感器结构简单，易于加工和 集成。
压电式传感器的优缺点
响应速度快
由于压电效应的快速响应特性，压电式传感器具有较快的响 应速度。
无热干扰
由于压电式传感器不需要加热元件，因此不会受到热干扰的 影响。
压电式传感器的优缺点
易受环境影响
压电式传感器容易受到环境温度、湿度等因素的影响，需要进行温度补偿和湿 度补偿。
水声探测
在水下环境中，压电式传感器可用于水声探测和声呐系统，实现 水下目标的定位和识别。
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压电式传感器的校准与维护
压电式传感器的校准方法
压电式传感器的校准是确保测量准确性的重要步骤，通常包括零点校准和灵敏度校 准。
零点校准是将传感器的输出读数调整到零或一个已知的基准值，以消除任何偏差。
灵敏度校准是测试传感器在不同激励电压下的输出响应，以验证其线性度和准确性。
和处理。
特点
高输入阻抗、低输出阻抗、稳定 性好。
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压电式传感器的应用实例
压力测量
压力传感器
压电式传感器在压力测量中应用广泛，如气瓶压力监测、管道压 力检测等。
压电式压力计
用于测量液体或气体的压力，具有高精度、高稳定性的特点。
压电薄膜压力传感器
利用压电薄膜作为敏感元件，可测量微小压力变化，常用于生物医 学和环境监测领域。
电压放大器
概述
电压放大器用于放大压电传感器 输出的电压信号。
工作原理
电压放大器通过直接耦合方式，将 压电传感器的电压信号进行放大。
特点
低输入阻抗、高输出阻抗、线性度 高。
阻抗变换号
的电路。
工作原理
阻抗变换器通过电阻、电容等元 件，将高阻抗的输出信号转换为 低阻抗的输出信号，以便于传输
第五章压电式传感器习题解答
5－1答:（1）某些电介质，当沿着一定方向对其施加力而使它形迹时，内部产生极低化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又重新恢复不带电的状态，这种现象称为压电效应。
（2）不能，因为构成压电材料的电介质，尽管电阻很大，但总有一定的电阻，外界测量电路的输入电阻也不可能无穷大，它们都将将压电材料产生的电荷泄漏掉，所以正压电式不能测量静止电荷。
5－2：（1）当沿电轴、机械轴的力的作用下，石英晶体在垂直于电轴的平面都会产生压电电荷，沿光轴方向则不会产生压电效应。
（2）b 图在上表面为负电荷，（c ）图上表面为负电荷；（d ）图上表面为正电荷。
（3）通常将沿电轴X －X 方向的作用力作用下产生的电荷的压电效应称为“纵向电效应’； 将沿机械轴Y －Y 方向的力作用下产生电荷的效应 称为“横向压电效应”5-3:答：（1）压电式传感器前置放大器的作用：一是把压电式传感器的高输出阻抗变换为低输出阻抗输出，二是放大压电式传感器的输出弱信号。
(2)压电式电压放大器特点是把压电器件的高输出阻抗变换为传感器的低输出阻抗，并保持输出电压与输入电压成正比。
而电荷放大器的特点是能把压电器件的高内阻的电荷源变换为传感器低内阻的电压源，以实现阻抗匹配，并使其输出电压与输入电压成正比，且其灵敏度不受电缆变化的影响。
因为电压放大器的灵敏度Ce 的大小有关，见（5－20式）。
而由5－24式知当A 0足够大时，C E 的影响可以不计。
5－4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。
（2）串联:q ′=q,U ′=U,C ′=C/2, 特点：输出电压大，本身电容小，适合于以电压作为输出信号，且测量电路输出阻抗很高的场合。
5－5答:（1）电压灵敏度是指单位作用力产生的电压K U ＝U 0/F（2）电荷灵敏度是指单位作用力产生的电荷K q ＝q 0/F（3）由q 0/U 0=C 知，Kq =CK U5－11解：（1）U x ＝d 11F x /c x＝d 11F x t/(ε0εr S)＝2.31*10－12*9.8*0.005/(8.85*10－12*4.5*5*10－4)＝5.68（V ）由5－20式知U im ＝F m d 11/(C C +C a )= 2.31*10－12*9.8/(4*10－12+8.85*10－12*4.5*5*10－4/0.005)＝2.835（V ）5－12q ()()00f f11C 1R A C A R +'=+=()()()()00a j f a f 0sc f f 0sc 0a c f 0sc f scsc a c sc 0f t f f j q11j 1q 1q 01311159K H Z 2V A C C C A R R UV C A R A U C C C A A U CU U C C U C A f C R 1.%.ωωωδω=∑⎡⎤+⎡⎤+++++⎢⎥⎣⎦⎢⎥⎣⎦∴=∑∴=+++→∴=+==+==''' 由于＜＜－很大－－＝。
压电式传感器实验报告
压电式传感器实验报告一、实验目的1、了解压电式传感器的工作原理和结构特点。
2、掌握压电式传感器的性能测试方法。
3、学会使用相关仪器设备对压电式传感器的输出特性进行测量和分析。
二、实验原理压电式传感器是一种基于压电效应的传感器。
压电效应是指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。
相反，当在电介质的极化方向上施加电场时，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。
在压电式传感器中，常用的压电材料有石英晶体和压电陶瓷。
石英晶体具有良好的机械强度和稳定性，但压电常数较小；压电陶瓷的压电常数较大，但稳定性相对较差。
三、实验设备1、压电式传感器实验模块。
2、信号发生器。
3、示波器。
4、直流电源。
5、砝码及托盘。
四、实验步骤1、按照实验装置图连接好电路，将压电式传感器安装在实验台上，并确保其与其他仪器设备连接正确。
2、打开信号发生器，设置合适的正弦波信号，频率和幅度根据实验要求进行调整，并将信号输入到压电式传感器中。
3、用示波器观察压电式传感器的输出信号，调整示波器的参数，如垂直灵敏度、水平扫描速度等，以便清晰地观察到输出信号的波形。
4、在托盘上逐步增加砝码，观察示波器上输出信号的变化，并记录不同砝码质量下的输出电压值。
5、改变信号发生器的频率，重复步骤 3 和 4，观察并记录不同频率下的输出电压值。
6、关闭实验仪器，整理实验设备和实验数据。
五、实验数据记录与处理1、记录不同砝码质量下的输出电压值，如下表所示：｜砝码质量（g）｜输出电压（V）｜｜｜｜｜50 ｜05 ｜｜100 ｜10 ｜｜150 ｜15 ｜｜200 ｜20 ｜2、以砝码质量为横坐标，输出电压为纵坐标，绘制出质量电压曲线。
3、记录不同频率下的输出电压值，如下表所示：｜频率（Hz）｜输出电压（V）｜｜｜｜｜100 ｜08 ｜｜200 ｜12 ｜｜300 ｜15 ｜｜400 ｜18 ｜4、以频率为横坐标，输出电压为纵坐标，绘制出频率电压曲线。