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
第5章 磁电式传感器习题集与部分参考答案
5-1 阐明磁电式振动速度传感器的工作原理，并说明引起其输出特性非线性的原因。
5-2 试述相对式磁电测振传感器的工作原理和工作频率范围。
5-3 试分析绝对式磁电测振传感器的工作频率范围。如果要扩展其测量频率范围的下限应采取什么措施；若要提高其上限又可采取什么措施？
5-4 对永久磁铁为什么要进行交流稳磁处理？说明其原理。
5-5 为什么磁电式传感器要考虑温度误差？用什么方法可减小温度误差？
5-6 已知某磁电式振动速度传感器线圈组件（动圈）的尺寸如图P5-1所示：D1=18mm，D2=22mm，L=39mm，工作气隙宽Lg=10mm，线圈总匝数为15000匝。若气隙磁感应强度为0.5515T，求传感器的灵敏度。
5-6 解：已知D1=18mm，D2=22mm，L=39mm，Lg=10mm，W=15000匝，Bg=0.5515T
工作气隙的线圈匝数Wg=（总匝数W/线圈长度L）*气隙长度Lg
ggWlBK0，2)(210DDl
5-7 某磁电式传感器固有频率为10Hz，运动部件（质量块）重力为2.08N，气隙磁感应强度Bg=1T，工作气隙宽度为tg=4mm，阻尼杯平均直径DCP=20mm，厚度t=1mm，材料电阻率mmm/1074.128。试求相对阻尼系数ξ=？若欲使ξ=0.6，问阻尼杯璧厚t应取多大？
5-8 某厂试制一磁电式传感器，测得弹簧总刚度为18000N/m，固有频率60Hz，阻尼杯厚度为1.2mm时，相对阻尼系数ξ=0.4。今欲改善其性能，使固有频率降低为20Hz，相对阻尼系数ξ=0.6，问弹簧总刚度和阻尼杯厚度应取多大？
5-9 已知惯性式磁电速度传感器的相对阻尼系数ξ=2/1，传感器-3dB的下限频率为16Hz，试求传感器的自振频率值。
5-10 已知磁电式速度传感器的相对阻尼系数ξ=0.6，求振幅误差小于2%测试时的n/范围。 解：已知ξ=0.6，振幅误差小于2%。
压电式传感器原理与应用
在寒假里学院给我们留了一些论文题目，希望可以开拓我们的视野。我对电磁方面比较感兴趣，于是就选了宋老师的压电式传感器原理与应用。并在网上深入的了解了一下，结合以前所学，完成了这篇报告，写的十分粗浅，只是一些关于压电式传播器的原理和应用前景，望老师指正。
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的关系时，发现压力可产生电效应，即在某些晶体的特定方向加压力时，相应的表面上出现正负的电荷，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中就有后来广为研究的铁电体酒石酸钾钠（罗息盐）。1881年Lippman应用热力学原理预言了逆压电效应（converse piezoelectric effect），即电场可以引起与之成正比的应变。很快这一预言被居里兄弟用实验所证实了。 接着Hankl引入了piezoelectricity（压电性）这个名词。Voigt应用对称性原理建立了压电性的唯象理论。他将弹性顺度张量和极化矢量的分量与晶体的对称操作联系起来，得知在32个晶体点群中作为三阶张量的压电常量有哪些张量元不为零，并指出它们之间有什么关系。在微观理论方面，玻恩和他合作者在晶格动力学的框架内研究了压电效应，并且计算了一些晶体（如闪锌矿）的压电常量。[1]
压电材料的实用化是进一步研究压电效应的推动力。实用化方面早期有两个奠定性的工作。第一，1916年郎之万发明了用石英晶体制作的水声发射器和接收器，并用于探测水下的物体。第二，1918年Cady通过对罗息盐晶体在机械谐振频率附近的特异的电性能研究发明了谐振器。前者是最早的压电换能器，后者则为压电材料材料在在通信技术和频率控制等方面的应用奠定基础[2]
1．压电原理
1.1线性状态方程和线性响应系数
处理电介质平衡性质的基本理论是线性理论。该理论成立条件是系统状态相对其初始态的偏离较小，在特征函数对独立变量的展开式中可忽略二次以上的高次项，而在热力学量对独立变量的展开式中可以只取线性项。
第5章 磁电式传感器习题集与部分参考答案
5-1 阐明磁电式振动速度传感器的工作原理，并说明引起其输出特性非线性的原因。
5-2 试述相对式磁电测振传感器的工作原理和工作频率范围。
5-3 试分析绝对式磁电测振传感器的工作频率范围。如果要扩展其测量频率范围的下限应采取什么措施；若要提高其上限又可采取什么措施？
5-4 对永久磁铁为什么要进行交流稳磁处理？说明其原理。
5-5 为什么磁电式传感器要考虑温度误差？用什么方法可减小温度误差？
5-6 已知某磁电式振动速度传感器线圈组件（动圈）的尺寸如图P5-1所示：D1=18mm，D2=22mm，L=39mm，工作气隙宽Lg=10mm，线圈总匝数为15000匝。若气隙磁感应强度为0.5515T，求传感器的灵敏度。
5-6 解：已知D1=18mm，D2=22mm，L=39mm，Lg=10mm，W=15000匝，Bg=0.5515T
工作气隙的线圈匝数Wg=（总匝数W/线圈长度L）*气隙长度Lg
ggWlBK0，2)(210DDl
5-7 某磁电式传感器固有频率为10Hz，运动部件（质量块）重力为2.08N，气隙磁感应强度Bg=1T，工作气隙宽度为tg=4mm，阻尼杯平均直径DCP=20mm，厚度t=1mm，材料电阻率mmm/1074.128。试求相对阻尼系数ξ=？若欲使ξ=0.6，问阻尼杯璧厚t应取多大？
5-8 某厂试制一磁电式传感器，测得弹簧总刚度为18000N/m，固有频率60Hz，阻尼杯厚度为1.2mm时，相对阻尼系数ξ=0.4。今欲改善其性能，使固有频率降低为20Hz，相对阻尼系数ξ=0.6，问弹簧总刚度和阻尼杯厚度应取多大？
5-9 已知惯性式磁电速度传感器的相对阻尼系数ξ=2/1，传感器-3dB的下限频率为16Hz，试求传感器的自振频率值。
5-10 已知磁电式速度传感器的相对阻尼系数ξ=0.6，求振幅误差小于2%测试时的n/范围。 解：已知ξ=0.6，振幅误差小于2%。
