第6章压电式传感器
1、为什么压电式传感器不能用于静态测量，只能用于动态测量中？而且是频率越高越好？
2、什么是压电效应？试比较石英晶体和压电陶瓷的压电效应
3、设计压电式传感器检测电路的基本考虑点是什么，为什么?
4、有一压电晶体，其面积为20mm2，厚度为10mm，当受到压力P=10MPa 作用时，求产生的电荷量及输出电压：
(1)零度X切的纵向石英晶体；
(2)利用纵向效应的BaTiO
3
。
解：由题意知，压电晶体受力为
F=PS=10×106×20×10-6=200(N)
（1）0°X切割石英晶体，ε
r =，d
11
=×10-12C/N
等效电容
=×10-14 (F)
受力F产生电荷
Q=d
11
F=×10-12×200=462×10-2(C)=462pC
输出电压
（2）利用纵向效应的BaTiO 3，εr =1900，d 33=191×10-12
C/N
等效电容
=×10-12(F)=(pF)
受力F 产生电荷
Q=d 33F=191×10-12×200=38200×10-12 (C)=×10-8C
输出电压
5、某压电晶体的电容为1000pF ，k q =2.5C/cm ，电缆电容C C =3000pF ，示波器的输入阻抗为1MΩ和并联电容为50pF ，求：
(1)压电晶体的电压灵敏度足K u ；
(2)测量系统的高频响应；
(3)如系统允许的测量幅值误差为5％，可测最低频率是多少?
(4)如频率为10Hz ，允许误差为5％，用并联连接方式，电容值是多大?
解：（1）
cm
V pF cm
C C K K a q u /105.21000/5.2/9?==
=
（2）高频（ω→∞）时，其响应
（3）系统的谐振频率
由
()()
2/1/n n
am
im U U K ωωωωω+=
=
，得
()
%
51/1/2
-≤-+=
n n
ωωωωγ（取等号计算）
解出 (ω/ωn )2=→ω/ωn =
ω=ωn =×247=(rad/s)
f =ω/2π=2π=(Hz)
（4）由上面知，当g≤5%时，ω/ωn =
当使用频率f =10Hz 时，即ω=2πf =2π×10=20π(rad/s)时
ωn =ω/=20π/=(rad/s)
又由ωn =1/RC ，则
C=1/ωn R=1/×1×106)=×10-8(F)=′104pF
6、分析压电加速度传感器的频率响应特性。若测量电路为电压前量放大器C 总=1000pF ，R 总=500MΩ；传感器固有频率f 0=30kHz ，阻尼比ζ=，
求幅值误差在2％以内的使用频率范围。
解：压电式加速度的上限截止频率由传感器本身的频率特性决定，根据题意
()[]()%
21/4/11
2
2
22=-+-=
n n
ωωζ
ωωγ（取等号计算）
则
()[]()02
.1/1/4/12
2
2
2=+-n n
ωωζ
ωω
1+(ω/ωn )4﹣2(ω/ωn )2 +4×(ω/ωn )2=
(ω/ωn )4 ﹣(ω/ωn )2 +=0
解出 (ω/ωn )2 =或(ω/ωn )2
=（舍去）
所以 ω/ωn = 或（舍去）
w=
则 f H =0.205f 0 =×30=(k Hz)
压电式加速度传感器下限截止频率取决于前置放大器特性，对电压放大器，其幅频特性
由题意得 ()
%
2112
-≤-+=
ωτωτ
γ （取等号计算）
(wt)2 =+ (wt)2
(wt)2 =
wt=
ω=τ
f L=ω/2π=(2pt)=(2pRC)=(2p×5×108×10-9 )
=(Hz)
其误差在2%以内的频率范围为： ~
7、石英晶体压电式传感器，面积为100mm2，厚度为1mm，固定在两金属板之间，用来测量通过晶体两面力的变化。材料的弹性模量为9×1010Pa，电荷灵敏度为2pC／N，相对介电常数是，材料相对两面间电阻是1014Ω。一个20pF的电容和一个100MΩ的电阻与极板并联。若所加力F=(1000t)N，求：
(1)两极板间电压峰—峰值；
(2)晶体厚度的最大变化。
解：（1）石英压电晶片的电容
= ×10--12 (F)
≈
由于R
a =1014Ω，并联电容R
并
=100MΩ=108Ω
则总电阻 R=R
a // R
并
= 1014 //108≈108Ω
总电容 C=C
a //C
并
=+20=(pF)
又因 F=(1000t)N=F
m
sin(ωt)N
k
q
=2 pC/N
则电荷 Q=d
11 F= k
q
F
Q m = d
11
F
m
= k
q
F
m
=2 pC/N×= pC
所以
=×10-3 (V)=
峰—峰值： U
im-im =2U
im
=2×=
（2）应变ε
m =F
m
/SE =(100×10-6×9×1010)=×10-9 =Δd
m
/d
Δd
m =de
m
=1××10-9(mm)=×10-9 mm
厚度最大变化量（即厚度变化的峰—峰值）
Δd =2Δd
m
=2××10-9=×10-9 (mm)
=×10-12
m
8、用石英晶体加速度计及电荷放大器测量机器的振动，已知：加速度计灵敏度为5pC/g ，电荷放大器灵敏度为50mV/pC ，当机器达到最大加速度值时相应的输出电压幅值为2V ，试求该机器的振动加速度。(g 为重力加速度)
解：由题意知，振动测量系统（压电式加速度计加上电荷放大器）的总灵敏度
K=K q ?K u =5pC/g ×50 mV/pC=250mV/g=U o /a
式中，U o 为输出电压；a 为振动系统的加速度。
则当输出电压U o =2V 时，振动加速度为
a=U o /K=2×103/250=8(g)
5-8 用压电式传感器测量最低频率为1Hz 的振动，要求在1Hz 时灵敏度下降不超过5％。若测量回路的总电容为500pF ，求所用电压前置放大器的输入电阻应为多大?
解： 由题意知，对于电荷放大器，动态响应幅值误差为
()
%
51/1/2
-≤-+=
n n
ωωωωγ，（取等号计算）
(ω/ωn )2 =+ (ω/ωn )2
ω/ωn =
τ=1/ωn =ω=(2π×1)=(s)=RC
所以
R=τ/C=(500×10-12) =×108W=968MW
9、 已知压电式加速度传感器的阻尼比ζ=，其无阻尼固有频率f 0=32kHz ，若要求传感器的输出幅值误差在5％以内，试确定传感器的最高响应频率。
解： 由加速度传感器的频率特性知，动态响应幅值误差为
()[]
()05
.1/1/4/12
22
2=+-n n
ωωζωω （取等号）
(ω/ωn )4﹣(ω/ωn )2 +=0
解出 (ω/ωn )2 =或(ω/ωn )2 =（舍去）
则 ω/ωn ≈
ωH =ωn
()()()907
.01.04212
24
2
=?++-n n n ωωωωω
则f H =0.22f0=×32=(kHz)
10、某压电式压力传感器的灵敏度为80pC/Pa，如果它的电容量为1nF，试确定传感器在输入压力为时的输出电压。
解：当传感器受压力 Pa时，所产生的电荷
Q=80 pC/Pa ×=112 pC
输出电压为
U a =Q/C
a
=112×10-12/(1×10-9)=(V)
11、一只测力环在全量程范围内具有灵敏度N，它与一台灵敏度为10mV/pC的电荷放大器连接，在三次试验中测得以下电压值：(1)—100mV；
(2)10V；(3)—75V。试确定三次试验中的被测力的大小及性质。
解：测力环总灵敏度
K= pC/N ×10mV/pC=39 mV/N = U
/F
式中，U
为输出电压，F为被测力，所以
F
1 =U
01
/K=﹣100mV/39mV/N=﹣ (压力)
F
2 =U
02
/K=10×10 3mV/39mV/N=256N (拉力)
F
3 =U
03
/K=﹣75×10 3mV/39mV/N=﹣1923N (压力)
12、某压电式压力传感器为两片石英晶片并联，每片厚度h=0.2mm ，圆片半径r=1cm ，εr =，X 切型d 11=-12CN 。当压力垂直作用于P X 平面时，求传感器输出电荷Q 和电极间电压U a 的值。
解：当两片石英晶片并联时，所产生电荷
Q 并=2Q=2?d 11 F=2?d 11 ?πr 2
=2××10-12××106 ×π×(1×10-2 )2
=145×10-12 (C)
=145pC
总电容
C 并=2C=2e 0e r S/h=2e 0e r pr 2 /h
=2××10-12××p×(1×10-2)2/′10-3
=×10-12 (F)
=
电极间电压为
U 并= Q 并/C 并=145/=
HEFEI UNIVERSITY 自动检测技术报告 题目压电式传感器的应用与发展 系别 ***级自动化 班级 **班 姓名 ********************** 指导老师***** 完成时间 2011-11-28
前言：压电式传感器是以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量测量。压电传感元件是力敏感元件，所以它能测量最终能变换为力的那些物理量，例如力、压力、加速度等。压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等优点。近年来，由于电子技术的飞速发展，随着与之配套的二次仪表以及低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现，使压电传感器的使用更为方便。因此，在工程力学、生物医学、石油勘探、声波测井、电声学等许多技术领域中获得了广泛的应用。本文重点介绍压电式传感器的工作原理，在航空发动机中的应用及发展趋势。 关键字：传感器压电效应测振 正文：压电式传感器的发展及应用压电式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。压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量。它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。 压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。正压电效应是指：当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变 时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量 与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电 效应制成的。逆压电效应是指对晶体施加交变电场引起 晶体机械变形的现象，又称电致伸缩效应。用逆压电效 应制造的变送器可用于电声和超声工程。压电敏感元件 的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、 厚度切变型、平面切变型5种基本形式（见图）。压电 晶体是各向异性的，并非所有晶体都能在这5种状态下产生压电效应。例如石英晶体就没有体积变形压电效应，但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。 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。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。 压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也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。 压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电传感器的应用就非常广泛。
压电式测力传感器的原理及应用 摘要：伴随着电子工程、机械工程、物理学及生物学的发展和需求，传感器微电子技术也逐步的成熟起来，成为一个独立的，设计生物、物理、化学、材料、工程学等领域的新学科。它也将延伸到我们生活的各行各业、方方面面。由于传感器技术的空前发展，其应用领域也不断深入，人们对这方面知识的需求愈显迫切，各种特性，功能各异的传感器也应运而生，例如生物传感器，红外传感器，压电式传感器……，对于这形色功能各异的传感器我们怎样去认识、熟悉它也是一个需要解决的难题，本文将带领我们进入这个新奇的世界，…… 关键词：微电子技术，传感器，压电式测力传感器 1引言：生活中的声控开关、商场中的智能大门、时下正热的红外遥感技术，对这一切就 时时刻刻发生我们身边和应用到我们生活中的随口拖出的“神秘”东西，对于这些智能的生活用具到底怎样工作的呢？在这之中我们不得不提到一个重要的幕后操纵者——传感器，什么是传感器，传感器的工作原理及其性能是什么，……，本文将通过介绍传感器中的一种压电式传感器带领我们进入这个神秘的世界，并通过实例的解析去认识它 2 传感器的综述 2.1 传感器的专业术语及系统介绍 传感器：（广义）凡能外界信息并按一定规律转换成便于测量和控制的信息的装置；（狭义）只有将外界信息按一定规律转换成电量的装置。 传感器的总特性：主要指传感器以及被测对象和后接仪器组成的测量系统的输入和输出的匹配、传感器的机械特性以及其工作特性。 静态特性：表示传感器在被测量各值处于稳定状态时的输入-输出的关系，其指标是灵敏度、线性度、稳定度迟滞等。 动态特性：指输入随时间变化的特性，它表示传感器对随时间变化的输入量的响应特性。它取决于传感器本身，另外与被测量的形式有关。 传感器的组成：通常，传感器由敏感元件，传感元件和其他辅助件组成，又是也将信号调节与转换电路、辅助电源作为传感器的组成部分。如下图： 敏感元件：直接感受被测量（一般为非电量），并输出与被测量成确定关系的其他量（一般为电量）的元件。如应变式压力传感器的弹性膜片、热电偶等都为敏感元件。 传感元件：又称变换器，它一般情况下不直接感受被测量，而是将敏感元件的输出量转换为电量输出的元件。如应变式传感器中的应变片等。 信号调节与辅助电路：能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理和控制的有
压电传感器的应用 摘要：传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。传感器的种类非常广泛，其中压电传感器是基于材料的压电效应而制成的器件，其有较长的发展历史。压电材料的种类由最初的压电晶体发展到压电陶瓷、进而发展到压电聚合物及其复合材料。随着物理学、材料科学与各个学科的交叉发展，压电材料被用以研制成了多种用途的传感器，被广泛应用于工程技术各领域，在测量技术中被用来测量力和加速度。 Abstract:Sensor is the main ways and means to obtain information in the field of natural and production . In modern industrial production, especially automated production process, useing a variety of sensors to monitor and control the production process of various parameters,which enable the device to work in a normal state or the best condition, and to achieve the best quality products. Types of sensors is very broad, of which the piezoelectric sensor is based on the piezoelectric effect devices made of material which has a long history of development. Types of piezoelectric material from the initial development of the piezoelectric ceramic piezoelectric crystal, and thus the development of piezoelectric polymers and their composites. With the development of cross-physics, materials science and various disciplines, piezoelectric materials are used for research into a variety of uses sensors are widely used in various
编号毕业论文题目：压电式传感器探讨与应用学生姓名：胡树风 学号：07655114 专业：检测技术与应用 班级：076551 指导教师：黎正根老师 2010年6月
目录 一、绪论、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、3 二、压电式传感器的基本原理、、、、、、、、、、、5 1、压电效应 2、压电材料 3、测量电路 三、压电式压力传感器原理和结构图、、、、、9 四、影响压电式传感器精度的因素分析、、、10 五、压电式传感器的举例应用、、、、、、、、、、11 六、小结、、、、、、、、、、、、、、、、20！
一、绪论 国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。 传感器的作用 人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况，就需要传感器。因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。 ?新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。 ?在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在
课题一 传感器与检测技术的基础理论 1-1 有一数字温度计，它的测量范围为-50～+150C ?，精度为0.5级。求当示值 分别为-20C ?、+100C ?时的绝对误差及示值相对误差。 1-2 欲测240V 电压，要求测量示值相对误差不大于0.6%±，问选用量程为250V 电压表，其精度为哪级？若选用量程为300V 和500V 电压表，其精度又为哪级？ 1-3 已知待测电压约为80V 左右。现有两只电压表，一只为0.5级，测量范围为 0～300V ，另一只为1.0级，测量范围为0～100V 。问选用哪一只电压表测量较好？为什么？ 1-4 用一台三位数字电子温度计测量温度，数字面板上显示如图1－1所示的数 值，求该仪表的分辨力、被测温度值、示值相对误差、满意相对误差。（提 示：该三位数字表的量程上限为199.9C ?） 1-5 有一台测量压力的仪表，测量范围为60~10a P ，压力p 与仪表输出电压之 间的关系为 2012o p p U a a a =++ 式中，2 550122,10(10),0.5(10)a a mV mV mV a a a P P ===-，求： 1）该仪表的输出特性方程。 2）画出输出特性曲线示意图（x 轴、y 轴均要标出单位）。 3）该仪表的灵敏度表达式。 4）画出灵敏度曲线图。 5）该仪表的线性度。 1-6 检测系统由哪几部分组成？说明各部分的作用。 1-7 非电量的电测法有哪些优点？ 1-8 测量稳压电源输出电压随负载变化的情况时，应当采用何种测量方法？如何 进行？ 1-9 某线性位移测量仪，当被测位移由4.5mm 变到5.0mm 时，位移测量仪的输图1－1 数字式电子温度计面板示意图
压电式压力传感器原理及应用 王佳 050410140摘要： 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。本文主要讨论压电式压力传感器原理及压电式压力传感器的光纤传输技术应用在内弹道试验研究中的使用。 关键词：压电式传感器压力内弹道试验 压电式压力传感器（piezoelectric type pressure transducer） 1.0 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。 1.1 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=kSp 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。下面是采用石英晶片的膜片式压电压力传感器图。
压电式传感器论文 系部：机电工程系 专业：物联网 姓名：雷伟 班级：1122 指导老师：诸跃进 时间：2013.10.25
目录摘要..................................... 引言..................................... 关键词................................... 压电原理................................. 应用背景及实例........................... 1.产品展示............................. 2.行业应用............................. 测量电路................................. 总结.....................................
摘要 本文除了重点讲解压电式传感器的应用和测量电路，还介绍压电效应以及一些压电材料。压电式传感器在测量一些物理量和作为警报器方面有一些很好的应用。 关键词:压电原理，压电效应，石英，压电陶瓷 引言： 压电现象是100多年前居里兄弟研究石英时发现的。居里兄弟在研究热电性与晶体对称，发现正负电荷，而且电荷密度与压力大小成正比。居里兄弟所报道的这些晶体就有后来广为研究的铁电体酒石酸钾钠（罗息盐）。1881年，应用热力学原理预言了逆压电效应，即电场可以引起与之成正比的应变。很快这一预言被居了里兄弟用实验所证实了。 1.压电原理 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，是一种典型的有源传感器。通过材料受力作用变形时，气表面会有电荷产生而实现非电量测量。
压力传感器（压力变送器）的原理及应用 概述：压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业，下面就简单介绍一些常用传感器原理及其应用 1、应变片压力传感器原理与应用 力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。下面我们主要介绍这类传感器。 在了解压阻式力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D转换和CPU）显示或执行机构。
它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者设计，但电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。 电阻应变片的工作原理 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。金属导体的电阻值可用下式表示： 式中：ρ——金属导体的电阻率（Ω·cm2/m） S——导体的截面积（cm2） L——导体的长度（m） 我们以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变情况。来源: https://www.doczj.com/doc/c018213095.html, 2、陶瓷压力传感器原理及应用 抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷
第3章常用传感器的工作原理及应用 3．1电阻式传感器 填空： 1、常用的电阻应变片分为两大类：和。 2、金属电阻的是金属电阻应变片工作的物理基础。 3、金属电阻应变片有、及等结构形式。 4、电位器式传感器都是由、和三部分构成。 5、半导体应变片是利用半导体材料制成的一种纯电阻性元件。 6、半导体应变片与金属电阻应变片相比较: 其灵敏度更高，温度稳定性差。 7、弹性元件在传感器中起什么作用？ 8、试列举金属丝电阻应变片与半导体应变片的相同点和不同点。 9、绘图说明如何利用电阻应变片测量未知的力。 10、电阻应变片阻值为120Ω，灵敏系数K＝2，沿纵向粘贴于直径为0.05m的圆形钢柱表面，钢材的112 μ=。求钢柱受10t拉力作用时，应 E N m 210 =?，0.3 变片的相对变化量。又若应变片沿钢柱圆周方向粘贴、受同样拉力作用时，应变片电阻的相对变化量为多少？ 11、采用阻值为120Ω、灵敏度系数K=2.0的金属电阻应变片和阻值为120Ω的 固定电阻组成电桥，供桥电压为4V，并假定负载电阻无穷大。当应变片上的应变分别为1με和1000με时，试求单臂工作电桥、双臂工作电桥以及全桥工作时的输出电压，并比较三种情况下的灵敏度。 3.2电容式传感器 1、电容式传感器采用作为传感元件，将不同的变化转换为的 变化。 2、根据工作原理的不同，电容式传感器可分为、和三种。 3、电容式传感器常用的转换电路有：、、运算放大器
电路、 和 等 。 4、电容式传感器有什么特点？试举出你所知道的电容传感器的实例。 5、试分析电容式物位传感器的灵敏度？为了提高传感器的灵敏度可采取什么措 施并应注意什么问题？ 6、为什么说变间隙型电容传感器特性是非线性的？采取什么措施可改善其非线 性特征？ 7、变间隙电容传感器的测量电路为运算放大器电路，如图所示。传感器的起始 电容量pF C x 200=，定动极板距离mm d 5.10=，pF C 100=，运算放大器为 理想放大器（即∞→∞→i Z K ，），f R 极大，输入电压t u i ωsin 5=V 。求当 电容传感器动极板上输入一位移量mm x 15.0=?使0d 减小时，电路输出电压 0u 为多少？ 8、 如图所示正方形平板电容器，极板长度cm a 4=，极板间距离mm 2.0=δ。 若用此变面积型传感器测量位移x ，试计算该传感器的灵敏度并画出传感器的特性曲线。极板间介质为空气，m F /1085.8120-?=ε。 9、一电容式传感器的两个极板均为边长为10cm 的正方形，间距为1mm ，两极板 间气隙恰好放置一边长为10cm ，厚度为1mm ，相对介电常数为4的正方形介质。该介质可在气隙中自由滑动。若用该电容式传感器测量位移， 试计算当
压电式传感器及其应用 沈阳电力高等专科学校杨庆柏 刊载于《中国仪电报》1999年第8期 火电厂的汽轮发电机组是一个大型的转动机械，其运行的可靠性在很大程度上取决于机组的振动状态。因此，对汽轮发电机组进行振动监控，对防止重大的设备损坏事故有着重要意义。 压电式传感器是用于测量大型转动机械振动的新型传感器，用压电式传感器取代磁电式传感器是汽轮发电机组监控系统的一个新趋势。 压电式传感器是一种典型的自发电式传感器。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。所谓压电效应就是某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用变形时。内部会产生极化现象，同时在其表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新回到不带电的状态。具有压电效应的物质很多，如天然形成的石英晶体、人工制造的压电陶瓷等。 在压电式传感器中，压电片通常是2片或2片以上粘结在一起。由于压电片上的电荷是有极性的，因此有串联和并联两种接法。一般常用的是并联接法。并联接法输出电容是单片电容的2倍，但输出电压等于单片电压，极板上的电荷量为单片电荷量的2倍。压电片在传 感器中必须有一定的预紧力。因为这样首先可以保证压电片在受力时始终受压;其次能消除两压电片之间因接触不良而引起的非线性误差，保证输出与输入作用力之间的线性关系。但是，这个预紧力也不能太大。否则将会影响灵敏度。压电式传感器主要用于动态作用力、压力和加速度的测量。 用于测量汽轮发电机组振动的压电式传感器为压电式加速度传感器，它由压电晶片、质量块、引出电极、基座和壳体等几部分组成。当压电式加速度传感器与被
测加速度的机件紧固在一起后，传感器受机件加速度作用，惯性质量块产生惯性力，其方向与加速度方向相反，大小由F=ma决定。此惯性力作用在压电晶片上，产生电荷。电荷由引出极输出，由此将加速度转换为电荷。压电式加速度传感器突出的特点是传感器内无可动部件，且具有使用频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠、重量轻等优点。由于磁电式传感器在振动测量中存在易操作和长时间工作时性能指标下降等问题，因而可用压电式传感器代替磁电式传感器。 实际应用中，在压电式加速度传感器中增加了一个放大,积分电路。使传感器成为一个振动速度传感器。这个振动速度传感器的性能指标、安装条件等各方面都与磁电式振动速度传感器相兼容。因此，不用改变汽轮发电机组的振动监控系统，就可应用压电式振动速度传感器，这不但提高了汽轮发电机组振动监控系统改造的可行性，而且还降低了运行维护费用。目前，压电式振动速度传感器已成功地应用于200MW汽轮发电机组的振动测量之中，很受生产现场欢迎。
压电式加速度传感器及其应用 一、 压电式加速度传感器原理 压电式加速度传感器又称压电加速度计。它也属于惯性式传感器。它是利用某些物质如石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。 由于压电式传感器的输出电信号是微弱的电荷，而且传感器本身有很大内阻，故输出能量甚微，这给后接电路带来一定困难。 为此，通常把传感器信号先输到高输入阻抗的前置放大器。经过阻抗变换以后，方可用于一般的放大、检测电路将信号输给指示 仪表或记录器。 二、压电式加速度传感器构成元件 常用的压电式加速度计的结构形式如图所示，是由预压弹簧，质量块，基座，压电元件和外壳组成。图中为环形剪切型，结构简单，能做成极小型、高共振频率的加速度计，环形质量块粘到装在中心支柱上的环形压电元件上。由于粘结剂会随温度增高而变软，因此最高工作温度受到限制。 三、压电式加速度传感器幅频特性 预压弹簧压电元件外壳 质量块 基座
加速度计的使用上限频率取决于幅频曲线中的共振频率图（图1）。一般小阻尼(z<=0.1)的加速度计，上限频率若取为共振频率的1/3，便可保证幅值误差低于1dB（即12%）；若取为共振频率的1/5，则可保证幅值误差小于0.5dB（即6%），相移小于30。但共振频率与加速度计的固定状况有关，加速度计出厂时给出的幅频曲线是在刚性连接的固定情况下得到的。实际使用的固定方法往往难于达到刚性连接，因而共振频率和使用上限频率都会有所下降。 四、压电式加速度传感器的灵敏度 压电式加速度计的灵敏度压电加速度计属发电型传感器，可把它看成电压源或电荷源，故灵敏度有电压灵敏度和电荷灵敏度两种表示方法。前者是加速度计输出电压（mV）与所承受加速度之比；后者是加速度计输出电荷与所承受加速度之比。加速度单位为m/s2，但在振动测量中往往用标准重力加速度g作单位，1g= 9.80665m/s2。对给定的压电材料而言，灵敏度随质量块的增大或压电元件的增多而增大。一般来说，加速度计尺寸越大，其固有频率越低。因此选用加速度计时应当权衡灵敏度和结构尺寸、附加质量的影响和频率响应特性之间的利弊。 压电晶体加速度计的横向灵敏度表示它对横向振动的敏感程度，横向灵敏度常以主灵敏度（即加速度计的电压灵敏度或电荷灵敏度）的百分比表示。一般在壳体上用小红点标出最小横向灵敏度方向，一个优良的加速度计的横向灵敏度应小于主灵敏度的3％。因此，压电式加速度计在测试时具有明显的方向性。 五、压电式加速度传感器误差形成因素分析
合肥学院 Hefei University 题目：压电式传感器的应用与发展系别：电子系 班级： 姓名： 完成时间： 2014年6月9日
压电式传感器的应用与发展 摘要： 压电式传感器是以某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理的传感器。压电式传感器具有体积小、重量轻、频带宽。灵敏度高等优点。近年来，压电测试技术发展迅速，特别是电子技术的迅速发展，使压电式传感器的应用越来越广泛。压电传感元件是力敏感元件，所以它能测量最终能变化为力的哪些物理量，例如力、压力、加速度等。另外，压电式传感器在工程力学、生物医学、石油勘测、声波测井、电声学等许多技术领域中也获得了广泛的应用。本文主要重点介绍压电式传感器的工作原理，应用及其发展趋势。 关键词：压电；传感器；原理；发展；应用
目录 1引言 (2) 2压电式传感器的基本原理 (2) 2.1 压电效应 (2) 2.2 压电材料 (3) 3压电式传感器在行业中的应用 (4) 3.1在航空航天领域的应用 (4) 3.2在土木工程领域中的应用 (4) 3.3在医学领域的应用 (4) 4压电式传感器运用的基本方法 (5) 4.1传感器的等效电路 (5) 4.2压电晶片的串联与并联 (5) 4.3测量电路 (5) 5压电式传感器在具体工程中的应用 (6) 5.1压电制动器 (6) 5.2新型声发射传感器 (6) 5.3 压电陀螺 (6) 6压电式传感器的发展趋势 (7) 6.1 向高精度发展 (7) 6.2 向高可靠性、宽温度范围发展 (7) 6.3 向微型化方向发展 (7) 6.4 向智能化数字化发展 (7) 7参考文献 (8)