第07章 压电式传感器

压电式传感器的原理及应用压电式传感器是一种应用了压电效应的传感器，通过将压电材料置于受力区域，当被测物体发生变形或受力时，压电材料发生形变，从而产生电荷信号，利用该信号来测量被测量的变化情况。

一、压电效应的原理压电效应是一种物理现象，指在压力或拉伸下，某些晶体（通常是晶体的极性方向）会产生电位差。

这种效应被广泛应用于各种传感器中，特别是在加速度计、其它惯性传感器、压力传感器和液位传感器等方面。

二、压电式传感器的原理压电式传感器通常由压电晶体和测量电路组成。

当被测物体发生形变或受力时，压电材料中的极性方向的晶体产生压电效应，导致产生电荷的位移，并与电荷电容匹配的放大器或其他电路连接。

由于被测量的变化（压力，成形，位移等）与电荷位移之间存在特定关系，所以可以根据电荷电荷读数来确定被测物体发生变化的精确程度。

三、压电式传感器的应用由于压电效应具有高灵敏度、高频响应、耐腐蚀、抗干扰等优点，压电式传感器在各种领域得到广泛应用。

1.压力测量：压电式传感器常用于压力传感器的制造，用于测量汽车轮胎、气缸、油压和空气压力等。

2.振动测量：压电式传感器还可以用于测量机器和车辆的振动水平，以便定位有问题的部件。

3.流量测量：压电式传感器在流量测量中应用广泛，例如在医疗方面测量血流，工业方面可以应用于计算液体的流量。

4.力学测试：压电式传感器的高灵敏度和高频响应特性，在体育、自然科学和工程学中用于测量冲击、震动和变形等量。

5.地震观测：压电式传感器还可以用于地震观测，以便在监测过程中测量地震的振动率。

压电式传感器在上述应用领域中具有重要作用，并与其他类型的传感器如压阻式传感器、光电式传感器、磁性传感器等合作，实现了各种领域的数据测量工作，体现了良好的应用前景。

压电式传感器原理压电式传感器是一种常用的传感器类型，它利用压电效应来将机械应力转换为电信号。

压电效应是指某些晶体或陶瓷材料在受到机械应力作用时，会产生电荷分布不均匀的现象。

这种现象被称为压电效应，而利用这种效应制成的传感器就是压电式传感器。

压电式传感器的工作原理非常简单直观。

当传感器受到外部力或压力作用时，传感器内部的压电材料会发生形变，导致电荷分布不均匀。

这些不均匀的电荷会产生一个电势差，从而产生一个电信号。

这个电信号可以被放大和处理，最终转换成我们可以理解的物理量，如力、压力、加速度等。

压电式传感器的工作原理可以用一个简单的例子来解释。

想象一个压电陶瓷材料制成的传感器，当这个传感器受到外部力作用时，陶瓷材料会产生微小的形变。

这种形变会导致陶瓷材料内部的电荷分布不均匀，从而产生一个微弱的电信号。

通过放大和处理这个电信号，我们就可以获得关于外部力的信息。

压电式传感器具有许多优点，其中最显著的是灵敏度高、响应速度快、结构简单、体积小等。

这些优点使得压电式传感器在各种工业和科学领域得到广泛应用。

比如在汽车制造业中，压电式传感器可以用来检测引擎的振动情况；在医疗领域，压电式传感器可以用来监测心脏的跳动情况。

除了上述应用外，压电式传感器还可以用于声波传感、压力传感、加速度传感等领域。

由于其工作原理简单、性能优越，压电式传感器在现代科技领域有着广阔的应用前景。

总的来说，压电式传感器是一种利用压电效应将机械应力转换为电信号的传感器。

它的工作原理简单直观，具有高灵敏度、快响应速度等优点，因此在各种领域得到广泛应用。

随着科技的不断发展，压电式传感器的应用范围将会更加广泛，为人类的生活和工作带来更多便利。

压电式传感器原理与应用压电式传感器是一种利用压电效应进行测量的传感器。

压电效应是指在压力作用下，一些晶体会产生电荷分布的改变，从而产生电势差。

压电式传感器利用这种原理，将压力或力的变化转化为电信号输出，从而实现对压力或力的测量。

1.传感器中的压电材料受到外力作用产生变形，从而引起内部电荷分布的改变。

2.内部电荷分布的改变使得传感器的两个电极上产生电势差。

3.传感器将电势差转化为与外力大小成正比的电信号输出。

1.工业自动化：压电式传感器可以用于测量各种物体的压力，如流体管道中的压力、机械设备的挤压力等，从而实现对工业过程的自动控制。

2.汽车工业：压电式传感器可以用于测量汽车发动机的油压、气压等参数，从而实现对发动机的控制和保护。

3.医疗器械：压电式传感器可以用于测量人体体内的压力，如心脏的血压、呼吸的压力等，从而实现对人体生理状态的监测。

4.空气质量监测：压电式传感器可以用于测量空气中的压力、气体浓度等参数，从而实现对空气质量的监测。

5.智能手机：压电式传感器可以用于智能手机屏幕上的触摸功能，可以感知用户的触摸力度和位置，从而实现对屏幕的操作。

1.灵敏度高：压电材料对压力或力的变化非常敏感，可以实现对微小压力的测量。

2.响应速度快：压电材料的压电效应响应速度非常快，可以实现对快速变化的压力的测量。

3.耐用性好：由于压电材料的特殊性质，压电式传感器具有较好的耐用性，可以经受较大的压力和力的作用。

4.体积小：压电材料的尺寸可以做得非常小，因此压电式传感器可以设计成小型化的产品。

5.易于集成：压电材料和传感器电路可以进行集成设计，从而降低了传感器的制造成本，提高了其可靠性。

总之，压电式传感器是一种利用压电效应进行测量的传感器，在工业、汽车、医疗、环境监测等领域有着广泛的应用。

它具有高灵敏度、快速响应、良好的耐用性、小体积和易集成等优点，可以满足各种应用场景的需求。

第7章压电式传感器（2学时）本章主要内容7.1 压电式传感器的基本原理7.2 压电式传感器的测量转换电路7.3 压电式传感器的应用教学要求及重点、难点一. 教学要求1. 了解压电式传感器基本原理，2. 熟悉压电式传感器的测量转换电路3. 了解压电式传感器的应用二. 重点、难点压电式传感器的测量转换电路概述压电式传感器是利用某些电介质材料(如石英晶体)具有压电效应现象制成的。

有些电介质材料在一定方向上受到外力(压力或拉力)作用而变形时，在其表面上产生电荷从而可以实现对非电量的检测。

压电式传感器具有体积小、重量轻、频带宽等特点，适用于对各种动态力、机械冲击与振动的测量，广泛应用在力学、声学、医学、宇航等方面。

压电式传感器是一种无源传感器，大多数是利用正向压电效应制成的。

外力去掉后，又回到不带电状态，这种将机械能转换成电能的现象，称为正向压电效应，简称压电效应。

当然这种电介质材料也具有逆压电效应，即在相应表面上施加电压后，电介质材料会发生机械变形；去掉电压后，变形立即消失，它将电能转换成机械能。

逆压电效应也称电致伸缩效应。

7.1 压电式传感器的基本原理一. 压电效应与压电材料1. 压电效应某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用产生变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面产生电荷。

当外力去掉后，又重新回到不带电状态，这种现象称为压电效应。

压电效应分为正向压电效应和逆向压电效应。

某些电介质，当沿着一定方向对其施加外力而使它变形时，内部就产生极化现象，相应地会在它的两个表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态，这种现象称压电效应。

当外力方向改变时，电荷的极性也随之改变，这种将机械能转换为电能的现象，称为正压电效应。

相反，当在电介质极化方向施加电场，这些电介质也会产生一定的机械变形或机械应力，这种现象称为逆向压电效应，也称为电致伸缩效应。

图6.1所示压电元件受力变形后的几种基本形式。

2. 压电材料：具有压电效应的材料称为压电材料，压电材料能实现机-电能量的相互转换，具有一定的可逆性，如图4.71 所示。

压电式传感器原理及应用压电效应是指一些晶体材料在受到外力作用时，会产生电势差和电荷分布不均，即产生电荷偶极矩，从而在外加电场作用下发生形变。

常见的压电材料有石英、陶瓷和聚偏氟乙烯等。

当压电材料受到外力作用时，材料内部的电荷分布会出现改变，从而产生电势差。

此时，可以通过测量电荷或电势差的变化来间接测量外力的大小。

压电式传感器一般由压电材料、电极、保护壳等组成。

当外力作用于传感器的压电材料上时，压电材料会产生电荷偶极矩，从而产生电势差。

电极用来收集这些电荷，并将信号输出到外部电路中进行处理。

为了提高传感器的灵敏度和稳定性，常常在压电材料上覆盖一层薄膜电极以增加电荷的收集效果。

1.声波传感器：压电式传感器可以用来探测声波的压力和振动。

在市场上常见的麦克风和扬声器就是基于压电效应工作的传感器。

2.加速度计：压电式传感器可以用来测量物体的加速度和振动，常用于汽车、飞机等交通工具中，以及机械设备中对振动进行监测和控制。

3.压力传感器：压电式压力传感器可以用来测量液体和气体的压力，广泛应用于工业自动化控制、航空航天、汽车工业等领域。

4.应变计：压电应变计可以用来测量物体的形变和变形，广泛应用于材料力学测试、结构工程、土木工程、航空航天等领域。

5.流量计：压电式传感器可以用于测量液体和气体的流量，广泛应用于水务系统、天然气供应系统、石油化工等领域。

在这些应用中，压电式传感器具有灵敏度高、响应速度快、能够直接转换物理量为电信号等优点。

然而，也有一些局限性，比如温度对其工作性能的敏感性较高，需要进行温度补偿以提高精度和稳定性。

总结起来，压电式传感器是一种基于压电效应工作的传感器，适用于多个领域，如声波传感、加速度计、压力传感、应变计和流量计等。

通过测量压电材料产生的电势差和电荷分布，可以间接测量外力的大小和形变情况。

压电式传感器具有灵敏度高、响应速度快等优点，但同时也有温度敏感性高的限制。