下载文档原格式
压电式传感器的工作原理压电式传感器是一种常用的传感器，它通过压电效应来实现对压力、力、加速度等物理量的测量。
压电效应是指某些晶体在受到机械应力时会产生电荷，这种效应被应用在压电式传感器中，使其能够将机械量转换为电信号，从而实现对物理量的测量。
压电式传感器的工作原理可以简单地分为两个步骤，压电效应和电信号输出。
首先，当压电晶体受到外部机械应力时，晶体内部的正负电荷分布会发生改变，从而产生一个电势差。
这个电势差可以被连接在晶体上的电极捕获，并输出为电信号。
这样，通过测量电信号的大小，就可以确定外部机械应力的大小，从而实现对物理量的测量。
在实际应用中，压电式传感器通常由压电晶体、电极、外壳和连接线组成。
当外部机械应力作用在压电晶体上时，电极捕获到的电荷会通过连接线传输到外部的测量设备中，从而实现对物理量的测量。
压电式传感器的工作原理简单而又有效，使其在工业控制、医疗设备、汽车电子等领域得到了广泛的应用。
值得注意的是，压电式传感器的工作原理虽然简单，但在实际应用中还是需要考虑一些因素。
例如，压电晶体的材料、结构和制作工艺都会影响传感器的灵敏度和精度。
此外，外部环境的温度、湿度等因素也会对传感器的性能产生影响。
因此，在选择和使用压电式传感器时，需要综合考虑这些因素，以确保传感器能够准确可靠地工作。
总的来说，压电式传感器通过压电效应将机械量转换为电信号，实现对物理量的测量。
它的工作原理简单而又有效，使其在各个领域得到了广泛的应用。
然而，在实际应用中仍需要考虑材料、结构、环境等因素对传感器性能的影响。
通过对这些因素的综合考虑，可以更好地选择和使用压电式传感器，从而实现对物理量的准确测量。
压电式传感器工作原理压电式传感器是一种将压电效应应用于传感器中的设备，它可以将压力、力、加速度、温度等物理量转换为电信号。
压电效应是指某些晶体在受到外力作用时会产生电荷，这种效应被应用在压电式传感器中，使其能够实现物理量到电信号的转换。
本文将介绍压电式传感器的工作原理及其应用。
1. 压电效应压电效应是指某些晶体在受到外力作用时会产生电荷的现象。
这种效应最早是由法国物理学家居里夫妇在1880年发现的，他们发现某些晶体在受到机械应力时会产生电荷，这种现象被称为正压电效应。
此外，这些晶体在受到电场作用时也会发生形变，这种现象被称为逆压电效应。
这两种效应被应用在压电式传感器中，使其能够实现物理量到电信号的转换。
2. 压电式传感器的结构压电式传感器通常由压电陶瓷、电极、外壳和连接线组成。
压电陶瓷是压电式传感器的核心部件，它是由压电晶体制成的，具有压电效应。
电极用于接收压电陶瓷产生的电荷，并将其转换为电信号。
外壳用于保护压电陶瓷和电极，连接线用于将电信号传输到外部设备。
3. 压电式传感器的工作原理当压电式传感器受到压力、力、加速度或温度等物理量的作用时，压电陶瓷会产生电荷。
这些电荷会被电极接收，并转换为电信号。
这个电信号可以是电压、电流或电荷量，其大小与作用在传感器上的物理量成正比。
通过测量电信号的大小，就可以确定作用在传感器上的物理量的大小。
4. 压电式传感器的应用压电式传感器具有灵敏度高、频率响应快、稳定性好等优点，因此被广泛应用于工业自动化、汽车电子、医疗设备、航空航天等领域。
例如，在工业自动化中，压电式传感器可以用于测量压力、力等物理量，用于控制和监测生产过程。
在汽车电子中，压电式传感器可以用于测量发动机的振动和噪声，用于改善车辆的驾驶舒适性。
在医疗设备中，压电式传感器可以用于测量血压、心率等生理参数，用于诊断和治疗疾病。
在航空航天中，压电式传感器可以用于测量飞机的结构应力和振动，用于确保飞行安全。
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。
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。
连线电缆电容Cc=300pF，反馈电容Cf=100pF，反馈电阻Rf=1MΩ。
(1)、推导输出电压U。
的表达式。
(2)、当运放开环放大倍数A0=l04时，求：系统的测量误差为多大?(3)、该测量系统的下限截止频率为多大?图1. 85(a)压电式传感器测量电路的电流源等效电路解：(1)、根据密勒定理，将Rf 和Cf 折合到运放输入端，其等效电阻R'f=Rf(1+A0)， 等效电容C'f ＝(1+A0)Cf 。
如图1.85(a)所示。
为了方便，压电元件采用电压源的形式，再等效成图1.85(b)所示的电路形式，图中Z 表示虚线框内元件的等效阻抗。
假设运放反相端的电压为Ui ，可得： 1/Z=1/Ra+1/Rf+1/Zc c +1/Zc f =1/Ra+1/Rf+ j ωCc+ j ωC fR'f=(1+A 0) Rf; C'f ＝(1+A 0)CfUi=UaZ/(Z+1/j ωCa)=(q/Ca)×[j ωCa/(j ωCa+1/Z )]＝j ω×q/(j ωCa+j ωCc+ j ωC f +1/Ra+1/R f’)＝j ω×q/{j ω[Ca+Cc+(1+A0)C f ]+1/Ra+(1+A0}/R f }图1. 85(b)压电式传感器测量电路的电压源等效电路因此测量电路的输出为： U 0=-A 0Ui=-j ωqA 0/{j ω[Ca+Cc+(1+A 0)Cf]+1/Ra+(1+A 0)/Rf}一般来说，运放的开环放大倍数A0在以104～108之间，根据所给条件，分母上的第三项为第二项的1012～1016倍，所以忽略分母上的第二项不会导致测量误差，得:U 0=-A 0Ui=-j ωqA 0/{j ω[Ca+Cc+(1+A 0)C f ]+(1+A 0)/R f }当满足ω[Ca+Ce+(l+A0)Cf]>>(l+A0)Rf，即被测信号的频率远远大于系统的下限截止频率时，分母上的(l+A0)Rf也可以忽略，得：U0=-A0Ui=-qA0/[Ca+Cc+(1+A0)C f]此时测量电路的输出与被测信号的频率无关。
若还能满足(l+A0)Cf>>Ca+Ce,则可进一步忽略分母上的Ca、Ce得：U0=-qA0/(1+A0)C f当A0→∞时，上式可写成：U0’=-q/C f(2)、由于A0实际上不为无穷大，忽略Ca、Ce可能导致测量误差，误差的大小为：δ=∣(U0- U0’)/U0’)∣=∣{-qA0/[Ca+Cc+(1+A0)C f]+q/C f}/(-q/C f)∣=(Ca+Cc+C f)/[Ca+Cc+(l+A0)C f]=(1000+300+100)/[1000+300+1+104)100]=0.14﹪(3)、根据上面讨论，下限截止角频率为：ωL=（1+A0）/[Ca+Cc+(l+A0)C f]R f由于一般满足(l+A0)Cf>>Ca+Ce，所以下限截止角频率则为：ωL=1/C f R f下限截止角频率则为：f=ωL/2π=1/2πC f R f=1/（2π×100×10-12×1×106）1.59×103Hz=1.59KHz例8、有一只压电晶体，其面积S=3cm2，厚度t = 0.3mm，在0度x切型的纵向石英晶体压电系数d11=2.31×10-12 C/N。
求压电晶体受到p = 10 MPa的压力作用时产生的电荷量q及输出电压U0。
解：受力F = pS作用后，压电晶体产生的电荷量为：q=d11F=d11pS=2.31×10-12 C/N×10×106Pa×3×10-4m2=6.93×10-9C 压电晶体的电容量为：Ca=ε0εr S/t根据有关文献可知，石英压电晶体的相对介电常数εr = 4.5，所以Ca=ε0εrS/t=(8.85×10-12 F/m×4.5×3×10-4 m2)/0.3×10-3 m=39.8×l0-12F于是输出电压为：U0 =q/Ca=（6.93×10-12 C)/（39.8×10-12 F）=174 V例9、某压电式压力传感器为两片石英晶片并联，每片厚度t=0.2mm，圆片半径，r=1cm，相对介电常数εr=4.5，x切型的d11=2.31×10-12C/N。
当p=0.1MPa的压力垂直作用于晶片之上时，求传感器输出电荷量q和电极间电压Ua的值。
解：当两片石英晶片并联时，输出电荷量为单片的2倍，所以q=2d11pπr2=2×2.31×10-12 C/N×0.1×106Pa×π×12×10-4m2=145×10-12C=145pC并联后的总电容量也为单片的2倍，所以:Ca=ε0εrπr2/t=(2×8.85×10-12F/m×4.5×π×12×10-4 m2)/(0.2×10-3 m)=125×10-12F=125pF故电极间的电压为：U0=q/Ca=(145×10-12)/(125×10-12)=1.16V真空的绝对介电常数ε0=8.85×10-12（F/m）法拉第/米。
例12、电荷前置放大器电路如图1.86所示。
已知Ca=100pF，Ra= ∞，C F=10pF。
若考虑引线电容Cc的影响，当运放开环放大倍数A0=104时，要求输出信号衰减小于1%，求采用标称电容量为90pF/m图1. 86电荷前置放大器解：当被测信号的频率远远大于系统的下限截止频率时，电荷前置放大器的输出为：U0=Usc=－qA0/[Ca +Cc+(l+ A0)C F]当A0→∞时，上式可进一步写成：U sc’=－q/C F由于运放的开环放大倍数A0不为无穷大，作如上近似将导致误差，误差的大小为：δ=∣(Usc- U sc’)/U sc’∣=∣{－qA0/[Ca + Cc + (l + A0)C F]+q/C F}/(－q C F)∣=∣A0 C F/[Ca + Cc + (l + A0)C F]－1∣=∣-(Ca + Cc + C F)/[Ca + Cc + (1 + A0)C F]∣=(Ca + Cc + C F)/[Ca + Cc + (1 + A0)C F]令：δ=(Ca + Cc + C F)/ [Ca + Cc + (1 + A0) C F]=1﹪解得：Cc=A0C F/99－C F－Ca =（104×10/99-10-100）×10-12F=900pF所以电缆的最大允许长度为：L=(900 pF) /(90pF/m)=10m例13、用石英晶体加速度计测量机器的振动，已知加速度计的灵敏度为2.5pC/g(g =9.8m/s2为重力加速度)，电荷放大器灵敏度为80mV/pC，当机器达到最大加速度时，相应输出电压的幅值为4V。
试计算该机器的振动加速度为多大?解：系统灵敏度K等于传感器灵敏度与电荷放大器灵敏度的乘积，即：K=2.5 pC/g×80 mV/pC =200mV/g系统灵敏度K、输出电压幅值U0及被测加速度幅值a的关系为：K=U0/a所以该机器的振动加速度幅值为：a=U/K=4/(200×10-3)=20g=196m/s2。
