第2章__压电式和压磁式传感器
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传感器考试知识点总括
传感器知识要点要点回顾第二章常用传感器基本概念：1--有关传感器的定义、基本组成涵盖框图；2--传感器的基本特性（灵敏度、线性度、重复性、精确度、稳定性、动态特性、环境参数）3--传感器的分类方法和种类，何谓能量控制型传感器（电阻、电容、电感）也称无源型传感器、何谓能量转换型传感器（压电、磁电、热电、光电）也称有源传感器。
4—电阻型传感器要求掌握公式，见书第6页，三个相关参数，对于电阻应变式：电阻应变片的电阻相对变化率是与应变成正比的。
掌握应变选择原则：当测量较小应变时，应选用压阻效应工作的应变片，而测量大应变时，应选用应变效应工作的应变片。
5---对于金属丝应变片在测量被测物体的应变时，电阻的相对变化主要由哪个参数决定的（丝的几何尺寸）来决定的。
6—对于电容式传感器，请掌握其测量原理，相关公式，对应的三个参数的含义，要求掌握变极距有关灵敏度的计算公式：见书第14页2.27，其灵敏度显然是非线性的，其使用时有条件的。
7—对于电感式传感器要掌握测量原理，计算公式，掌握自感式、互感式、差动式结构的特点，请注意实际工程应用的接法。
见书第21页。
图2.23b.反向串联。
掌握电涡流基本原理。
利用涡电流传感器测量物体位移时，如果被测物体是塑料材料，此时可否进行位移测量，如果不能，应采取什么措施才能测量。
8--- 有关压电传感器，要掌握压电效应，何谓正压电效应，何谓逆压电效应，压电效应的等效电路，压电传感器对测量电路的要求，见书第26-27。
压电式传感器可以采用多片压电晶片串联或并联，一般并联接法适宜于测量缓变信号，串联接法适宜于测量高频信号。
为了使输出电压几乎不受电缆长度变化的影响，其前置放大器应采用电荷放大器。
为什么说压电式传感器一般适合动态测量而不适合静态测量?9---对于磁电式传感器，要求掌握测量原理，基本公式，请看书第28页，恒磁通动圈式传感器，输出感应电势与线圈运动的速度成正比，如在测量电路中接入积分电路和微分电路，则可用来测量位移和加速度。
《传感器及其应用》第二章习题答案
第2.1章 思考题与习题1、何为金属的电阻应变效应？怎样利用这种效应制成应变片？ 答：（1）当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化，这种现象称为金属的电阻应变效应。
（2）应变片是利用金属的电阻应变效应，将金属丝绕成栅形，称为敏感栅。
并将其粘贴在绝缘基片上制成。
把金属丝绕成栅形相当于多段金属丝的串联是为增大应变片电阻，提高灵敏度，2、什么是应变片的灵敏系数？它与电阻丝的灵敏系数有何不同？为什么？ 答：（1）应变片的灵敏系数是指应变片安装于试件表面，在其轴线方向的单向应力作用下，应变片的阻值相对变化与试件表面上安装应变片区域的轴向应变之比。
εRR k /∆=（2）实验表明，电阻应变片的灵敏系数恒小于电阻丝的灵敏系数其原因除了粘贴层传递变形失真外，还存在有恒向效应。
3、对于箔式应变片，为什么增加两端各电阻条的截面积便能减小横向灵敏度？答：对于箔式应变片，增加两端圆弧部分尺寸较栅丝尺寸大得多（圆弧部分截面积大），其电阻值较小，因而电阻变化量也较小。
所以其横向灵敏度便减小。
4、用应变片测量时，为什么必须采用温度补偿措施？ 答：用应变片测量时，由于环境温度变化所引起的电阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，从而产生很大的测量误差，所以必须采用温度补偿措施。
5、一应变片的电阻 R=120Ω， k=2.05。
用作应变为800μm/m 的传感元件。
①求△R 和△R/R ；②若电源电压U=3V ，求初始平衡时惠斯登电桥的输出电压U 0。
已知：R=120Ω， k =2.05，ε=800μm/m ； 求：①△R=？，△R/R=？②U=3V 时，U 0=？ 解①：∵ εRR k /∆=∴Ω=⨯⨯==∆⨯=⨯==∆-1968.012080005.21064.180005.2/3R k R k R R εε解②：初始时电桥平衡（等臂电桥）∵ U RRU ∙∆∙=410 ∴ mV U R R U 23.131064.1414130=⨯⨯⨯=∙∆∙=- 6、在材料为钢的实心圆柱形试件上，沿轴线和圆周方向各贴一片电阻为120Ω的金属应变片R 1和R 2，把这两应变片接入差动电桥（参看图2-9a ）。
半导体应变片单臂电桥实训0329
第二章力传感器力是基本物理量之一，通过测量力，可以间接测量出荷重、加速度、气压等物理量，在科学技术和生产生活中，把握这些物理量的准确数值具有重要意义，故测量各种动态、静态力的大小是十分重要的。
例：图2.1是荷重传感器用于测量重物如大象的示意图。
这种大型衡器便于在称重现场和控制室让工作人员在两地同时了解测量结果。
图2.1 荷重传感器的应用力学量可分为几何学量、运动学量以及力学量三部分，其中几何学量指的是位移、形变、尺寸等；运动学量是几何学量的时间函数，如速度、加速度等；力学量包括质量、力、力矩、压力、应力等。
力学传感器是将各种力学量转换为电信号的器件。
力学传感器的用途极广，它们在工农业生产、矿业、医学、国防、航空、航天、交通运输等许多领域都得到了广泛的应用。
力的测量需要通过力传感器间接完成。
图2.2为力传感器的测量示意框图。
图2.2 力传感器的测量示意图力传感器有许多种，从力—电变换原理来看有电阻式（电位器式和应变片式）。
电感式（自感式、互感式和涡流式）、电容式、压电式、压磁式和压阻式等，其中大多需要弹性敏感元件或其他敏感元件的转换。
下面我们通过实训来了解应变片的实际应用。
2.1半导体应变片单臂电桥实训一实训目的1观察了解应变片的结构及粘贴方式。
2测试应变梁变形的应变输出,理解应变式传感器的应用和特性。
半导体应变片单臂电桥实训原理图二电路原理由于半导体材料的”压阻效应”特别明显,可以反映出很微小的形变,当电桥的一个桥臂换成半导体应变片后,就构成单臂电桥,当相邻两桥臂换成受力方向相反的应变片时,即可构成半桥。
若应变片不受力时,4个桥臂电阻构成的电桥在电位计WD调节下能够达到平衡状态,即输出为零,若悬臂梁受力,则电桥输出不再为零，且随受力的增加而增大。
1按图接线，电桥中R1为半导体应变片，其余电阻为固定电阻。
2将差动放大器调零，将差动放大器的两端接地，增益调节适当，输出端接地，调节零旋钮使输出为0。
3调节电桥平衡，悬臂梁不受力时，电压表读数应该为0.若不为0时，调节继电器WD使电桥输出为0。
常规传感器
图2.3 传感器 的应用领域及 需要量
• 2.传感器技术的发展趋势
• 当前，传感器技术的主要发展动向，一是开展基 础研究，发现新现象，开发传感器的新材料和新 工艺；二是实现传感器的集成化与智能化。
• 1）新材料的开发、应用 • 2）新工艺、新技术的应用 • 3）利用新的效应开发新型传感器 • 4）传感器的集成化 • 5）传感器的多维化 • 6）传感器的多功能化 • 7）传感器的智能化
类
表2.2按传感器的原理来分类
序号 工作原理
序号
1
电阻式
8
2
电感式
9
3
电容式
10
4
阻抗式（电涡流式） 11
5
磁电式
12
6
热电式
13
7
压电式
14
工作原理
光电式（红外式、光 导纤维式） 谐振式 霍尔式
（磁式）超声式
同位素式
电化学式
微波式
• 2.传感器的一般要求(The request of sensor) • 由于各种传感器的原理、结构不同，使用环境、
• 2.1.3 传感器的分类及要求 (Category and Request of Sensors)
• 1.传感器的分类（The category of sensor）
• 传感器种类繁多，目前常用的分类有两种：一种是 以被测量来分，另一种是以传感器的原理来分。
被测量类别
被测量
热工量
温度、热量、比热；压力、压差、真空度；流量、流 速、风速
单位应变所引起的电阻相对变化，也称为材料的灵敏系 数，记为K0。
K0
dR /
Байду номын сангаас
R
• 2.传感器技术的发展趋势
• 当前，传感器技术的主要发展动向，一是开展基 础研究，发现新现象，开发传感器的新材料和新 工艺；二是实现传感器的集成化与智能化。
• 1）新材料的开发、应用 • 2）新工艺、新技术的应用 • 3）利用新的效应开发新型传感器 • 4）传感器的集成化 • 5）传感器的多维化 • 6）传感器的多功能化 • 7）传感器的智能化
类
表2.2按传感器的原理来分类
序号 工作原理
序号
1
电阻式
8
2
电感式
9
3
电容式
10
4
阻抗式（电涡流式） 11
5
磁电式
12
6
热电式
13
7
压电式
14
工作原理
光电式（红外式、光 导纤维式） 谐振式 霍尔式
（磁式）超声式
同位素式
电化学式
微波式
• 2.传感器的一般要求(The request of sensor) • 由于各种传感器的原理、结构不同，使用环境、
• 2.1.3 传感器的分类及要求 (Category and Request of Sensors)
• 1.传感器的分类（The category of sensor）
• 传感器种类繁多，目前常用的分类有两种：一种是 以被测量来分，另一种是以传感器的原理来分。
被测量类别
被测量
热工量
温度、热量、比热；压力、压差、真空度；流量、流 速、风速
单位应变所引起的电阻相对变化，也称为材料的灵敏系 数，记为K0。
K0
dR /
Байду номын сангаас
R
2020年国家开放大学电大《传感器与测试技术》形成性考核附答案 (2)精选全文
可编辑修改精选全文完整版《传感器与测试技术》形考1-4形考作业一一、判断题（Y对/N错）1．测试技术在自动控制系统中也是一个十分重要的环节。
Y2．金属应变片的灵敏系数比应变电阻材料本身的灵敏系数小。
Y3．热敏电阻传感器的应用范围很广，但是不能应用于宇宙飞船、医学、工业及家用电器等方面用作测温使用。
N4．电容式传感器的结构简单，分辨率高，但是工作可靠性差。
N5．电容式传感器可进行非接触测量，并能在高温、辐射、强烈振动等恶劣条件下工作。
Y6．电容式传感器不能用于力、压力、压差、振动、位移、加速度、液位的测量。
Y7．电感传感器的基本原理不是电磁感应原理。
N8．电感式传感器可以将被测非电量转换成线圈自感系数L或互感系数M的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出。
Y9．互感传感器本身是变压器，有一次绕组圈和二次绕组。
Y10．差动变压器结构形式较多，有变隙式、变面积式和螺线管式等，但其工作原理基本一样。
Y11．传感器通常由敏感器件、转换器件和基本转换电路三部分组成。
Y12．电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的一种传感器。
Y13．电阻应变片的绝缘电阻是指已粘贴的应变片的引线与被测试件之间的电阻值。
Y14．线性度是指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度。
Y15．测量误差越小，传感器的精度越高。
Y16．传感器的灵敏度k等于传感器输出增量与被测量增量之比。
N17．传感器能检测到输入量最小变化量的能力称为分辨力，当分辨力以满量程输出的百分数表示时则称为分辨率。
Y18．测量转换电路首先要具有高精度，这是进行精确控制的基础。
N19．电桥是将电阻、电容、电感等参数的变化转换成电压或者电流输出的一种测量电路。
Y20．电桥有两种类型：直流电桥和交流电桥。
Y二、简答题1．传感器的输出信号通常可以分为哪两类？并举例说明。
答：1模拟式：传感器输出的是模拟电压量；2数字式：传感器输出的是数字量，如编码器式传感器。
压磁式传感器工作原理
压磁式传感器工作原理
压磁式传感器是一种特殊的传感器，它的工作原理基于磁弹性效应，即当铁磁材料受到外力作用时，其内部磁畴结构会发生变化，导致材料的磁导率发生变化。
压磁式传感器利用这一原理，通过测量磁导率的变化来间接测量作用在材料上的外力。
压磁式传感器通常由磁芯、线圈和弹性元件等组成。
磁芯是传感器的核心部分，通常采用具有高磁导率、低矫顽力和良好磁弹性的铁磁材料制成。
线圈则用于产生磁场并检测磁芯中的磁通变化。
弹性元件则用于将待测外力传递到磁芯上，使其发生形变。
当压磁式传感器受到外力作用时，弹性元件将外力传递到磁芯上，使其发生微小的形变。
这一形变会导致磁芯内部的磁畴结构发生变化，进而改变磁芯的磁导率。
由于磁导率的变化，磁芯中的磁通量也会发生变化，从而在线圈中产生感应电动势。
通过测量这一感应电动势的大小，就可以推算出作用在传感器上的外力大小。
压磁式传感器具有灵敏度高、测量精度高、响应速度快、可靠性高等优点，因此被广泛应用于工业自动化、汽车制造、航空航天、医疗器械等领域。
例如，在汽车制造中，压磁式传感器可以用于测量发动机曲轴、凸轮轴等部件的扭矩和转速，从而实现对发动机状态的实时监测和控制。
在医疗器械中，压磁式传感器则可以用于测量人体的生理参数，如血压、心率等。
总之，压磁式传感器是一种基于磁弹性效应工作的传感器，通过测量磁导率的变化来间接测量作用在材料上的外力。
它具有灵敏度高、测量精度高、响应速度快、可靠性高等优点，被广泛应用于各种领域。
传感器知识整理
传感器技术把被测非电量转换成与非电量有一定关系的电量，再进行测量的方法就是非电量电测法。
实现这种转换的器件叫传感器。
一个完整的自动测控系统一般由传感器、测量电路、显示记录装置和电源四部分组成。
自动测控系统通常可分为开环和闭环两种。
传感器技术是以研究传感器的原理、传感器的材料、传感器的制作、传感器的应用为主要内容；以传感器的敏感材料的电、磁、光、声、热、力等物理效应、现象，化学中的各种反应以及生物学中的各种机理为理论基础。
传感器与通信技术、计算机技术一起分别构成了信息技术系统的感官、神经、和大脑，接口电路的作用是把转换元件输出的电信号转换为便于处理、显示、记录和控制的电信号。
经常采用的接口电路有电桥电路和其他特殊电路，如高阻抗输入电路、脉冲电路、震荡电路等。
应该指出的是：并不是所有的传感器必须包括敏感元件和转换元件。
有的传感器需要外加电源才能工作，如差动变压器、应变片组成的电桥等；有的不需要外加电源便能工作；如压电晶体。
传感器的分类；常见的有温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移传感器、流量传感器、液位传感器、力传感器、加速度传感器、转矩传感器等。
这种分类方法将被测量分为基本被测量和派生被测量。
电学式传感器有：电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、磁电式传感器及电涡式传感器。
电阻式传感器一般有电位器式、触点变阻式、电阻应变片式及压阻式传感器。
主要用于位移、压力、力、应变、力矩、气流流速、液位和液体流量等参数的测量。
具体请参见教材第4面传感器的静态特性：传感器的线性度是指传感器实际静态特性曲线与拟合直线之间的最大偏差与传感器满量程输出的百分比值。
公式为：线性度又称非线性误差，从特性上看线性度越小越好。
灵敏度：是指传感器在稳态下的输出变量dy与dx之比，对于线性传感器灵敏度就是它的静态特性的斜率。
公式为：K=dy/dx迟滞：传感器的迟滞是指传感器的正向星城（输入量增大）和反向行程（输入量减小）期间，输出-输入特性曲线不一致的程度。
压磁式传感器
压磁式又称磁弹式传感器是一种力电转换传感器。
其基本原理是利用某些铁磁材料的压磁效应。
1. 压磁效应铁磁材料的压磁效应的具体内容2. 压磁式传感器工作原理压磁式传感器的工作原理在压磁材料的中间部分开有四个对称的小孔1、2、3和4在孔1、2间绕有激励绕组N12孔3、4间绕有输出绕组N34。
当激励绕组中通过交流电流时铁心中就会产生磁场。
若把孔间空间分成A、B、C、D四个区域在无外力作用的情况下A、B、C、D四个区域的磁导率是相同的。
这时合成磁场强度H平行与输出绕组的平面磁力线不与输出绕组交链N34不产生感应电动势如图b所示。
在压力F作用下如图c所示A、B区域将受到一定的应力而C、D区域基本处于自由状态于是A、B区域的磁导率下降、磁阻增大C、D区域的磁导率基本不变。
这样激励绕组所产生的磁力线将重新分布部分磁力线绕过C、D区域闭合于是合成磁场H不再与N34平面平行一部分磁力线与N34交链而产生感应电动势e。
F值越大与N34交链的磁通越多e值越大。
压磁式传感器结构由压磁元件1、弹性支架2、传力钢球3组成。
3. 压磁元件压磁式传感器的核心是压磁元件它实际上是一个力-电转换元件。
压磁元件常用的材料有硅钢片、坡莫合金和一些铁氧体。
最常用的材料是硅钢片。
为了减小涡流损耗压磁元件的铁心大都采用薄片的铁磁材料叠合而成。
冲片形状 4. 压磁传感器的应用压磁式传感器具有输出功率大、抗干扰能力强、过载性能好、结构和电路简单、能在恶劣环境下工作、寿命长等一系列优点。
目前这种传感器已成功地用在冶金、矿山、造纸、印刷、运输等各个工业部门。
例如用来测量轧钢的轧制力、钢带的张力、纸张的张力吊车提物的自动测量、配料的称量、金属切削过程的切削力以及电梯安全保护等。
上一页下一页讲解例题习题关键词实验动画学件9.4电容式传感器电容式传感器是将被测量如尺寸、压力等的变化转换成电容量变化的一种传感器。
9.4.1 工作原理及类型由物理学可知在忽略边缘效应的情况下平板电容器的电容量为F 9.22 式中—真空的介电常数8.854×10-12F/m ε—极板间介质的相对介电系数在空气中ε1 S—极板的遮盖面积m2 δ—两平行极板间的距离m。
传感与检测技术_武汉理工大学中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年
传感与检测技术_武汉理工大学中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年1.在经典传感器中主要（）来消除环境温度的影响，智能传感器中主要采用的是（）。
参考答案:结构对称，监测补偿2.如果有些传感器的特性存在非线性严重，采用线性拟合或分段线性拟合仍不能满足校正误差要求时，可以采用分段曲线拟合，分段数一般取（）。
参考答案:23.在实际应用中，随机扰动往往不是单一的。
有时既要消除大幅度的脉冲干扰，又要做数据平滑，需要采（）算法，既能抑制随机干扰，又能滤除明显的脉冲干扰。
参考答案:复合滤波算法4.一般情况下，要求热敏电阻式传感器的热敏电阻的阻值与被测温度之间呈（）关系。
参考答案:一定范围内的线性5.红外光导摄像管中，红外图像所产生的温度分布可以把靶面上感应出相应电压分布图像的物理基础是( )。
参考答案:热电效应6.压电式传感器使用( )放大器时,输出电压几乎不受联接电缆长度变化的影响。
参考答案:电荷放大器7.在压电式加速度传感器中，将被测加速度转变为力的是（）。
参考答案:质量块8.算术平均滤波算法可以有效地滤出（）,滤波效果主要取决于采样次数，采样次数越大越大, 滤波效果越好，但系统的灵敏度下降，因此这种滤波效果只适用于（）信号。
参考答案:随机误差，缓慢变化9.两片压电片电荷极性为正、负并联输出，输出总电荷是单片电荷的（）倍，输出电压为单片电压的（）倍；参考答案:2，110.天然石英晶体理想外形是一个正六面棱体，为了分析方便，把它用三根相互垂直的轴x,y,z来描述，那么x,y,z轴分别称为（）。
参考答案:电轴，机械轴，光轴11.压电式压力传感器不适于测量（）。
参考答案:静态力12.差动变压器是利用两线圈的（）来实现非电检测的。
参考答案:互感变化13.电感传感器的频率响应低，不适用于（）测量。
参考答案:快速动态14.差动脉冲调宽电路属脉冲调制电路，它利用对传感器电容充放电使输出脉冲的宽度随电容量的变化而变化，再经（）可得对应被测量变化的（）信号。
霍尔传感器压电传感器磁电式传感器
即与被测物体连接在一起的软磁材料。当被测物体运动时，活动磁路的位置发生变化，从
而改变了磁路的磁阻，引起线圈中磁通量发生变化，在线圈中便产生感应电动势。这个感
应电动势的大小与磁通量的变化率成正比，也就是与被测物体的运动速度成正比
磁电式传感器
应用
磁电式传感器广泛应用于汽车、航空航天、工业自动化、机器人、水下装置等领域。在汽
磁电式传感器
工作原理
磁电式传感器的核心是磁电元件，通常是由线圈和磁铁组成。当磁铁和线圈相对运动
时，线圈中会产生感应电动势。这个感应电动势的大小与磁铁和线圈的相对运动速度
成正比。通过测量这个感应电动势，就可以知道磁铁和线圈的相对运动速度
磁电式传感器
应用
磁电式传感器广泛应用于各种领
域，如速度和位置的测量，无接
xxxx
霍尔传感器，
压电传感器，
磁电式传感器
-
1
霍尔传感器
2
压电传感器
3
磁电式传感器
4
总结
5
1
霍尔传感器
霍尔传感器
霍尔传感器是一种基于霍尔效应的磁传感器
霍尔效应是指当电流通过磁性材料时，磁场会
受到电流的影响，从而产生一个电压差，这个
电压差与磁场和电流的乘积成正比
霍尔传感器
工作原理
霍尔传感器的核心是霍尔元件，
车工业中，磁电式传感器常被用于测量发动机的转速、曲轴的位置、车速等。在航空航天
领域，磁电式传感器用于测量飞机的飞行速度、高度和方向等。在机器人领域，磁电式传
感器被用于测量机器人的关节角度和位置等。在水下装置领域，磁电式传感器被用于测量
水深和水流速度等
5
总结
总结
而改变了磁路的磁阻，引起线圈中磁通量发生变化，在线圈中便产生感应电动势。这个感
应电动势的大小与磁通量的变化率成正比，也就是与被测物体的运动速度成正比
磁电式传感器
应用
磁电式传感器广泛应用于汽车、航空航天、工业自动化、机器人、水下装置等领域。在汽
磁电式传感器
工作原理
磁电式传感器的核心是磁电元件，通常是由线圈和磁铁组成。当磁铁和线圈相对运动
时，线圈中会产生感应电动势。这个感应电动势的大小与磁铁和线圈的相对运动速度
成正比。通过测量这个感应电动势，就可以知道磁铁和线圈的相对运动速度
磁电式传感器
应用
磁电式传感器广泛应用于各种领
域，如速度和位置的测量，无接
xxxx
霍尔传感器，
压电传感器，
磁电式传感器
-
1
霍尔传感器
2
压电传感器
3
磁电式传感器
4
总结
5
1
霍尔传感器
霍尔传感器
霍尔传感器是一种基于霍尔效应的磁传感器
霍尔效应是指当电流通过磁性材料时，磁场会
受到电流的影响，从而产生一个电压差，这个
电压差与磁场和电流的乘积成正比
霍尔传感器
工作原理
霍尔传感器的核心是霍尔元件，
车工业中，磁电式传感器常被用于测量发动机的转速、曲轴的位置、车速等。在航空航天
领域，磁电式传感器用于测量飞机的飞行速度、高度和方向等。在机器人领域，磁电式传
感器被用于测量机器人的关节角度和位置等。在水下装置领域，磁电式传感器被用于测量
水深和水流速度等
5
总结
总结
传感器与检测技术(重点知识点总结)
传感器与检测技术知识总结1：传感器是能感受规定的被检测量并按照一定规律转换成可输出信号的器件或装置。
一、传感器的组成2：传感器一般由敏感元件，转换元件及基本转换电路三部分组成。
①敏感元件是直接感受被测物理量，并以确定关系输出另一物理量的元件（如弹性敏感元件将力，力矩转换为位移或应变输出）。
②转换元件是将敏感元件输出的非电量转换成电路参数（电阻，电感，电容）及电流或电压等电信号。
③基本转换电路是将该电信号转换成便于传输，处理的电量。
二、传感器的分类For personal use only in study and research; not for commercial use1、按被测量对象分类（1）内部信息传感器主要检测系统内部的位置，速度，力，力矩，温度以及异常变化。
（2）外部信息传感器主要检测系统的外部环境状态，它有相对应的接触式（触觉传感器、滑动觉传感器、压觉传感器）和非接触式（视觉传感器、超声测距、激光测距）。
2、传感器按工作机理For personal use only in study and research; not forcommercial use（1）物性型传感器是利用某种性质随被测参数的变化而变化的原理制成的（主要有：光电式传感器、压电式传感器）。
（2）结构型传感器是利用物理学中场的定律和运动定律等构成的（主要有①电感式传感器；②电容式传感器；③光栅式传感器）。
3、按被测物理量分类For personal use only in study and research; not for commercial use如位移传感器用于测量位移，温度传感器用于测量温度。
4、按工作原理分类主要是有利于传感器的设计和应用。
5、按传感器能量源分类For personal use only in study and research; not for commercial use（1）无源型：不需外加电源。
传感器与检测技术 (胡向东 刘京诚 著) 机械工业出版社 课后答案
第1章传感器特性习题答案：5.答：静特性是当输入量为常数或变化极慢时，传感器的输入输出特性，其主要指标有线性度、迟滞、重复性、分辨力、稳定性、温度稳定性、各种抗干扰稳定性。
传感器的静特性由静特性曲线反映出来，静特性曲线由实际测绘中获得。
人们根据传感器的静特性来选择合适的传感器。
9．解：10.解：11．解：带入数据拟合直线灵敏度0.68,线性度±7%。
，，，，，，13．解：此题与炉温实验的测试曲线类似:14．解：15．解：所求幅值误差为1.109,相位滞后33042,所求幅值误差为1.109,相位滞后33042,16．答：dy/dx=1-0.00014x。
微分值在x<7143Pa时为正，x>7143Pa时为负，故不能使用。
17．答：⑴20。
C时，0～100ppm对应得电阻变化为250～350kΩ。
V0在48.78～67.63mV之间变化。
⑵如果R2=10MΩ，R3=250kΩ，20。
C时，V0在0～18.85mV之间变化。
30。
C时V0在46.46mV（0ppm）～64.43mV（100ppm）之间变化。
⑶20。
C时，V0为0～18.85mV，30。
C时V0为0～17.79mV，如果零点不随温度变化，灵敏度约降低4.9%。
但相对（2）得情况来说有很大的改善。
18．答：感应电压=2πfCRSVN,以f=50/60Hz,RS=1kΩ,VN=100代入，并保证单位一致，得：感应电压=2π*60*500*10-12*1000*100[V]=1.8*10-2V 第3章应变式传感器概述习题答案9.答：(1).全桥电路如下图所示(2).圆桶截面积应变片1、2、3、4感受纵向应变；应变片5、6、7、8感受纵向应变；满量程时：（3）10．答：敏感元件与弹性元件温度误差不同产生虚假误差，可采用自补偿和线路补偿。
11．解：12．解：13．解：①是ΔR/R=2（Δl/l）。
因为电阻变化率是ΔR/R=0.001，所以Δl/l（应变）=0.0005=5*10-4。
第二、三讲_常用传感器原理及应用
热释电传感器在人体检测、报警中的应用
热释电元件在红外线检测中得到广 泛的应用。它可用于能产生远红外辐射 的人体检测，如防盗门、宾馆大厅自动 门、自动灯的控制等。
热释电元件外形
热释电传感器工作原理
热释电晶片表面必须罩上一块由一组平行的棱柱 型透镜所组成菲涅尔透镜，每一透镜单元都只有一个 不大的视场角，当人体在透镜的监视视野范围中运动 时，顺次地进入第一、第二单元透镜的视场，晶片上 的两个反向串联的热释电单元将输出一串交变脉冲信 号。当然，如果人体静止不动地站在热释电元件前面， 它是“视而不见”的。
利用红色激光瞄准被 测物（电控柜、天花 板内的布线层）
3、光电式浊度计和含沙量测量
将装有浊水的 试管插入仪器中
4.烟雾报警器外形
无烟雾时，光敏 元件接收到LED发射 的恒定红外光。而在 火灾发生时，烟雾进 入检测室，遮挡了部 分红外光，使光敏三 极管的输出信号减弱， 经阀值判断电路后， 发出报警信号。
当被测位移量发生变化时，使线 圈与金属板的距离发生变化，从而导 致线圈阻抗z的变化，通过测量电路 转化为电压输出。高频反射式涡流式 传感器常用于位移测量。
低频透射式涡流传感器多用 于测定材料厚度。发射线圈ω1 和接收线圈ω2分别放在被测材料 G的上下，低频(音频范围)电压e1 加到线圈ω1的两端后，在周围空 间产生一交变磁场，并在被测材 料G中产生涡流i，此涡流损耗了 部分能量，使贯穿ω2 的磁力线 减少，从而使ω2产生的感应电势 e2减小。e2的大小与G的厚度及材 料性质有关，实验与理论证明， e2随材料厚度h增加按负指数规律 减小。因而按e2 的变化便可测得 材料的厚度。
1、变气隙式
L 与δ呈非线性（双曲线）关系。传感器的灵敏度为：
灵敏度S与气隙长度δ的平方成反比，δ愈小，灵敏度S愈高。 这种传感器适用于较小位移的测量，一般约为0.001～1 mm。
传感器与检测技术课后题答案
第1章 概述什么是传感器传感器定义为能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件和装置，通常由敏感元件和转换元件组成。
传感器的共性是什么传感器的共性就是利用物理规律或物质的物理、化学、生物特性，将非电量（如位移、速度、加速度、力等）输入转换成电量（电压、电流、电容、电阻等）输出。
传感器由哪几部分组成的由敏感元件和转换元件组成基本组成部分，另外还有信号调理电路和辅助电源电路。
传感器如何进行分类、（1）按传感器的输入量分类，分为位移传感器、速度传感器、温度传感器、湿度传感器、压力传感器等。
（2）按传感器的输出量进行分类，分为模拟式和数字式传感器两类。
（3）按传感器工作原理分类，可以分为电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、磁敏式传感器、热电式传感器、光电式传感器等。
（4）按传感器的基本效应分类，可分为物理传感器、化学传感器、生物传感器。
（5）按传感器的能量关系进行分类，分为能量变换型和能量控制型传感器。
（6）按传感器所蕴含的技术特征进行分类，可分为普通型和新型传感器。
传感器技术的发展趋势有哪些（1）开展基础理论研究（2）传感器的集成化（3）传感器的智能化（4）传感器的网络化（5）传感器的微型化改善传感器性能的技术途径有哪些（1）差动技术（2）平均技术（3）补偿与修正技术(4)屏蔽、隔离与干扰抑制(5) 稳定性处理第2章传感器的基本特性|什么是传感器的静态特性描述传感器静态特性的主要指标有哪些答：传感器的静态特性是指在被测量的各个值处于稳定状态时，输出量和输入量之间的关系。
主要的性能指标主要有线性度、灵敏度、迟滞、重复性、精度、分辨率、零点漂移、温度漂移。
传感器输入-输出特性的线性化有什么意义如何实现其线性化答：传感器的线性化有助于简化传感器的理论分析、数据处理、制作标定和测试。
常用的线性化方法是：切线或割线拟合，过零旋转拟合，端点平移来近似，多数情况下用最小二乘法来求出拟合直线。
第2-3章 电感式传感器
W2b 的互感Mb 相等，致使两个次级绕组的互感电势相等，即
e2a=e2b 。由于次级绕组反相串联，因此，差动变压器输出电压 . Uo=e2a-e2b=0。 当被测体有位移时，与被测体相连的衔铁的位置将发生相 应 的 变 化 ， 使 δa≠δb ， 互 感 Ma≠Mb ， 两 次 级 绕 组 的 互 感 电 势 . e2a≠e2b，输出电压Uo=e2a-e2b≠0，即差动变压器有电压输出， 此 电压的大小与极性反映被测体位移的大小和方向。
则式（2-3-3）可写为
（2-3-4）
2 Rm 0 A0
（2-3-5）
联立式（2-3-1）、 式（2-3-2）及式（2-3-5）， 可得
W 2 W 2 0 A0 L Rm 2
（2-3-6）
W 2 W 2 0 A0 L Rm 2
上式表明：当线圈匝数为常数时，电感L仅仅是磁 路中磁阻Rm 的函数，改变δ或A0 均可导致电感变化，
1
差动变隙式电感传感器
衔铁上移Δδ：两个线圈的电感变化量ΔL1 、ΔL2 分别由
式（2-3-10）及式（2-3-12）表示， 差动传感器电感的
总变化量ΔL=ΔL1+ΔL2, 具体表达式为
L L1 L2 2 L0 1 0 0
对上式进行线性处理, 即忽略高次项得
当衔铁下移时：
U0 U
0
2. 变压器式交流电桥
C ＋ U 2 － ＋ U －2 D
U
Z1 ＋ U － A
Z2
o
B
变压器式交流电桥
电桥两臂Z1、Z2为传感器线圈阻抗，另外两桥臂为交流
变压器次级线圈的1/2阻抗。 当负载阻抗为无穷大时， 桥
电感式,电容式,压电式,磁电式传感器-传感器测量原理
a)比较浅的裂缝信号 b)经过幅值甄别后的信号 图3-28 用涡流探伤时的测量信号
3.3 电涡流式传感器
a)比较浅的裂缝信号 b)经过幅值甄别后的信号 图3-28 用涡流探伤时的测量信号
3.4 电感式传感器 产品：
3.4 电感式传感器 案例：连续油管的椭圆度测量
Eddy Sensor
Reference Circle
它由一个初级线圈，两个次级线圈和插 入线圈中央的圆柱形铁芯等组成。
工作原理:互感现象.
Eo
E
out
w
１-活动衔铁；２-导磁外壳；３-骨架；４-匝数为W 1 的初级绕组； ５-匝数W为2 a 的次级绕组；６-匝数为 W的2 b次级绕组
图3-11 螺线管式差动变压器结构图
螺线管式3差.2动互变压感器式按线传圈感绕组器排列的
3.4 电感式传感器 案例：板的厚度测量
~
3.4 电感式传感器 案例：张力测量
3.3.1电涡3流.3式电传感涡器流式传感器
下图为电涡流式传感器涡流的式原理图， 该图由传感器线圈和被原测理导:涡体流组效应成线 圈—导体系统。
图3-19 电涡流传感器原理图
根据法3拉.3第定电律涡，当流传式感器传线感圈通器以正
电路的磁阻指由于电流引起的链合磁通
量。根据电感定义，线圈中电感量可由下
式确定：
L N II
上式中3：.1 变磁阻式传感器
Ψ——线圈总磁链；
I ——通过线圈的电流；
N——线圈的匝数；
Φ——穿过线圈的磁通。
由磁路欧姆定律，得磁通表达式：
IN Rm
R m ——磁路总磁阻。
对于变隙式传感器，因为气隙很小，所 以可以认为气隙中的磁场是均匀的。
传感器原理及应用智慧树知到答案章节测试2023年菏泽学院
第一章测试1.下列传感器不属于按基本效应分类的是（）。
A:物理传感器B:磁电式传感器C:半导体传感器D:真空传感器答案:D2.传感器的输出量通常为（）。
A:位移信号B:电量信号C:光信号D:非电量信号答案:B3.传感器一般包括（）。
A:感应器B:基本电路C:转换元件D:敏感元件答案:BCD4.敏感元件，是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分。
（）A:错B:对答案:B5.传感器是与人感觉器官相对应的原件。
（）A:对B:错答案:A第二章测试1.传感器能感知的输入变化量越小，表示传感器的（）。
A:线性度越好B:迟滞越小C:重复性越好D:分辨力越高答案:D2.按照依据的基准线不同，下面哪种线性度是最常用的（）。
A:理论线性度B:独立线性度C:最小二乘法线性度D:端基线性度答案:C3.下列为传感器动态特性指标的是（）。
A:灵敏度B:重复性C:固有频率D:线性度答案:C4.用一阶系统描述的传感器，其动态响应特性的优劣主要取决于时间常数，越大越好。
（）A:错B:对答案:A5.传递函数表示系统本身的传输、转换特性，与激励及系统的初始状态无关。
（）A:错B:对答案:B第三章测试1.电阻应变计的电阻相对变化与应变之间在很大范围内是线性的，则为（）。
A:B:C:D:答案:A2.下列哪种温度补偿方法是常用和效果较好的补偿方法（）。
A:热敏电阻补偿法B:电桥补偿法C:计算机补偿法D:应变计自补偿法答案:B3.电桥测量电路的作用是把传感器的参数转换为（）的输出。
A:电压B:电阻C:电荷D:电容答案:A4.对应变式传感器来说，敏感栅愈窄，基长愈长的应变计，其横向效应引起的误差越大。
（）A:对B:错答案:B5.等臂电桥当电源电压及电阻相对变化一定时，电桥的输出电压及其电压灵敏度与各桥臂阻值的大小无关。
（）A:对B:错答案:A第四章测试1.变介电常数型电容式传感器无法测量的物理量是（）。
A:光信号B:位移C:湿度D:温度答案:A2.电容式传感器常用的转换电路包括（）。
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第二章 压电式和压磁式传感器
1 压电式传感器的工作原理 2 等效电路及信号变换电路 3 压电式加速度传感器 4 压电式测力传感器 5 压磁式传感器
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1 压电式传感器的工作原理
电势型传感器 以压电效应为基础 压电效应可逆 “双向传感器”
正压电效应 某些物质在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生 改变时，其表面上会产生电荷；若将外力去掉时， 它们又重新回到不带电的状态，这种现象就称为正 压电效应。 ( 加力 变形 产生电荷)
要求： （1）分别给出输出电荷q及输出电压U与加速度a之间的关系； （2）画出此加速度传感器的等效模型； （3）推导传感器的微分方程，并说明它是几阶环节的传感
器。
解：（1）q=dF=dma U=q/C=dma/C C为传感器的电容量，a为测
量加速度。
（2）等效模型如右图所示：
（3）以m为分析对象，其受力为 弹簧力-ky，阻尼力-Cdy/dt
X轴：电轴或1轴； Y轴：机械轴或2轴； Z轴：光轴或3轴。
“纵向压电效应”：沿电轴（X轴）方向的力作用下产生电荷 “横向压电效应”：沿机械轴（Y轴）方向的力作用下产生电荷 在光轴（Z轴）方向时则不产生压电效应。
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晶体切片
当沿电轴方向加作用力Fx时，则在与电轴垂直的平面 上产生电荷
Qx d11 • Fx
d11——压电系数（C/N）
作用力是沿着机械轴方向 电荷仍在与X轴垂直的平面
a
a
Qx d12 b Fy d11 b Fy
此时，
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d12 d11
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切片上电荷的符号与受力方向的关系
图（a）是在X轴方向受压力， 图（b）是在X轴方向受拉力， 图（c）是在Y轴方向受压力， 图（d）是在Y轴方向受拉力。
（2）电荷放大器
压电式传感器另一种专用的前置放大器。 能将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源， 而且输出电压正比于输入电荷，因此，电荷放 大器同样也起着阻抗变换的作用，其输入阻抗 高达1010~1012Ω，输出阻抗小于100Ω。 使用电荷放大器突出的一个优点：在一定条件 下，传感器的灵敏度与电缆长度无关。
1/30。 优点： 转换效率和转换精度高、线性范围宽、重复性好、
固有频率高、动态特性好、工作温度高达550℃ （压电系数不随温度而改变）、工作湿度高达 100%、稳定性好。
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2. 压电陶瓷的压电效应
人工制造的多晶体，压电机理与压电晶体不同。
压电陶瓷的极化
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陶瓷片极化
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1. 压电元件的等效电路
Ca
s
h
r0s
h
U Q Ca
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压电式传感器的等效电路
(a)等效为一个电荷源Q与一个电容Ca并联的电路 (b) 等效成一个电源U = Q/Ca 和一个电容Ca的串联电路
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两个压电片的联结方式
（a） “并联”，Q’=2Q，U’=U，C’=2C 并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大， 适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的地方， （b） “串联” Q’=Q，U’=2U，C’=C/2 而串联接法输出电压大，本身电容小。 适宜用于以电压作输出信号，且测量电路输入阻抗很高的地方。
在晶体的弹性限度内，压电材料受力后，其表面产生的电荷Q与所施 加的力F成正比。当施加的是正向压力时（图中从上到下的力），上 下表面产生上正下负的电荷。当力消失时，压电材料反弹，产生上负 下正的电荷。
由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保 存，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 电元件在交变力的作用下，电荷可以不断补充，可以供给测量回路以 一定的电流，故只适用于动态测量。图中当力恒定地施加在压电材料 上时，电荷逐渐消失，这表示明压电材料不能用于测量物体重量之类 的物理量。
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电压放大器应用限制
压电式传感器在与电压放大器配合使用时，连接 电缆不能太长。电缆长，电缆电容Cc就大，电缆 电容增大必然使传感器的电压灵敏度降低。
电压放大器与电荷放大器相比，电路简单，元件 少，价格便宜，工作可靠，但是电缆长度对传感 器测量精度的影响较大，在一定程度上限制了压 电式传感器在某些场合的应用。
输出电量由传感器输出端引出，输入到前置放大器后 就可以用普通的测量仪器测出试件的加速度，如在放 大器中加进适当的积分电路，就可以测出试件的振动 速度或位移。
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2.4 压电式测力传感器
压电元件是直接把力转换为电荷的传感器。 变形方式：利用纵向压电效应的TE方式最简便。 材料选择：决定于所测力的量值大小，对测量误差提
出的要求、工作环境温度等各种因素。 晶片数目：通常是使用机械串联而电气并联的两片。
晶片电气并联两片，可以使传感器的电荷 输出灵敏度增大一倍。
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单向压电式测力传感器
用于机床动态切削力的测量。
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压电式压力传感器
测量均布压力的传 感器
拉紧的薄壁管对晶片 提供预载力而感受外 部压力的是由挠性材 料做成的很薄的膜片。 预载筒外的空腔可以 连接冷却系统，以保 证传感器工作在一定 的环境温度条件下， 避免因温度变化造成 预载力变化引起的测 量误差。
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测量原理
当传感器感受振动时，质量块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。 这样，质量块就有一正比于加速度的交变力作用在压 电片上。由于压电片压电效应，两个表面上就产生交 变电荷，当振动频率远低于传感器的固有频率时，传 感器的输出电荷（电压）与作用力成正比，亦即与试 件的加速度成正比。
i
dQ dt
d11
Fm
cost
I j d11 F
。
Ui
d11
F 1
jR jRC
输入电压的幅值 uim
d11 FmR 1 (R)2 (Ca Cc Ci )2
当作用力是静态力（ω=0） 时，前置放大器的输入电压为零。 原理上决定了压电式传感器不能测量静态物理量。 压电式传感器突出优点：高频响应相当好。
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石英晶体的压电效应
（a）正负电荷是互相平衡的，所以外部没有带电现象。
（b）在X轴方向压缩，表面A上呈现负电荷、B表面呈现正电荷。
（c）沿Y轴方向压缩，在A和B表面上分别呈现正电荷和负电荷
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石英晶体
一种天然晶体，压电系数d11＝2.31×10－12C/N； 莫氏硬度为7、熔点为1750℃、膨胀系数仅为钢的
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传感器的低频响应范围
如果被测物理量是缓慢变化的动态量，而测量回路的时间 常数又不大，则造成传感器灵敏度下降。因此为了扩大传 感器的低频响应范围，就必须尽量提高回路的时间常数。
但这不能靠增加测量回路的电容量来提高时间常数，因为 传感器的电压灵敏度与电容成反比的，切实可行的办法是 提高测量回路的电阻。由于传感器本身的绝缘电阻一般都 很大，所以测量回路的电阻主要取决于前置放大器的输入 电阻。放大器的输入电阻越大，测量回路的时间常数就越 大，传感器的低频响应也就越好。
变化小，在锆钛酸铅的基方中添加一两种微量元素，可以 获得不同性能的PZT材料。 （3）铌镁酸铅Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3压电陶瓷（PMN）
具有较高的压电系数，在压力大至700kg/cm2仍能继续工 作，可作为高温下的力传感器。
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2 等效电路及信号变换电路
1. 压电元件的等效电路 2. 压电式传感器的信号调节电路
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压电传感器的工作原理演示
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（例如 石英晶体或压电陶瓷、高分子材料）的压电效应为基础而工作的。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。 压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最终能变换为力的那些非电 物理量，例如动态力、动态压力、振动加速度等。
Q d33 F
放电电荷的多少与外力的大小成比例关系
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Q d33 F
Q —— 电荷量； d33 —— 压电陶瓷的压电系数；
F —— 作用力。
常见压电陶瓷 ：
（1）钛酸钡（BaTiO3）压电陶瓷 具有较高的压电系数和介电常数，机械强度不如石英。
（2）锆钛酸铅Pb（Zr·Ti）O3系压电陶瓷（PZT） 压电系数较高，各项机电参数随温度、时间等外界条件的
（1）电压放大器
Ca：传感器的电容 Ra：传感器的漏电阻 Cc：连接电缆的等效电容 Ri：放大器的输入电阻 Ci：放大器的输入电容
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R Ra Ri Ra Ri
C Ca Cc C i
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前置放大器输入电压
Ui
i 1
R
jRC
压电元件的力 F=Fmsinωt 压电元件的压电系数为d11，产生的电荷为Q = d11·F。
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逆压电效应
在压电材料的两个电极面上，如果加以交流电压， 那么压电片能产生机械振动，即压电片在电极方 向上有伸缩的现象，压电材料的这种现象称为 “电致伸缩效应”，也叫做“逆压电效应”。 (施加电场 电介质产生变形 应力 ) 常见的压电材料有石英、钛酸钡、锆钛酸铅等。
1. 石英晶体的压电效应
2、只要保持反馈电容的数值不变，就可得到与电荷量Q变化成 线形关系的输出电压。
1 压电式传感器的工作原理 2 等效电路及信号变换电路 3 压电式加速度传感器 4 压电式测力传感器 5 压磁式传感器
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1 压电式传感器的工作原理
电势型传感器 以压电效应为基础 压电效应可逆 “双向传感器”
正压电效应 某些物质在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生 改变时，其表面上会产生电荷；若将外力去掉时， 它们又重新回到不带电的状态，这种现象就称为正 压电效应。 ( 加力 变形 产生电荷)
要求： （1）分别给出输出电荷q及输出电压U与加速度a之间的关系； （2）画出此加速度传感器的等效模型； （3）推导传感器的微分方程，并说明它是几阶环节的传感
器。
解：（1）q=dF=dma U=q/C=dma/C C为传感器的电容量，a为测
量加速度。
（2）等效模型如右图所示：
（3）以m为分析对象，其受力为 弹簧力-ky，阻尼力-Cdy/dt
X轴：电轴或1轴； Y轴：机械轴或2轴； Z轴：光轴或3轴。
“纵向压电效应”：沿电轴（X轴）方向的力作用下产生电荷 “横向压电效应”：沿机械轴（Y轴）方向的力作用下产生电荷 在光轴（Z轴）方向时则不产生压电效应。
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晶体切片
当沿电轴方向加作用力Fx时，则在与电轴垂直的平面 上产生电荷
Qx d11 • Fx
d11——压电系数（C/N）
作用力是沿着机械轴方向 电荷仍在与X轴垂直的平面
a
a
Qx d12 b Fy d11 b Fy
此时，
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切片上电荷的符号与受力方向的关系
图（a）是在X轴方向受压力， 图（b）是在X轴方向受拉力， 图（c）是在Y轴方向受压力， 图（d）是在Y轴方向受拉力。
（2）电荷放大器
压电式传感器另一种专用的前置放大器。 能将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源， 而且输出电压正比于输入电荷，因此，电荷放 大器同样也起着阻抗变换的作用，其输入阻抗 高达1010~1012Ω，输出阻抗小于100Ω。 使用电荷放大器突出的一个优点：在一定条件 下，传感器的灵敏度与电缆长度无关。
1/30。 优点： 转换效率和转换精度高、线性范围宽、重复性好、
固有频率高、动态特性好、工作温度高达550℃ （压电系数不随温度而改变）、工作湿度高达 100%、稳定性好。
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2. 压电陶瓷的压电效应
人工制造的多晶体，压电机理与压电晶体不同。
压电陶瓷的极化
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陶瓷片极化
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1. 压电元件的等效电路
Ca
s
h
r0s
h
U Q Ca
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压电式传感器的等效电路
(a)等效为一个电荷源Q与一个电容Ca并联的电路 (b) 等效成一个电源U = Q/Ca 和一个电容Ca的串联电路
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两个压电片的联结方式
（a） “并联”，Q’=2Q，U’=U，C’=2C 并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大， 适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的地方， （b） “串联” Q’=Q，U’=2U，C’=C/2 而串联接法输出电压大，本身电容小。 适宜用于以电压作输出信号，且测量电路输入阻抗很高的地方。
在晶体的弹性限度内，压电材料受力后，其表面产生的电荷Q与所施 加的力F成正比。当施加的是正向压力时（图中从上到下的力），上 下表面产生上正下负的电荷。当力消失时，压电材料反弹，产生上负 下正的电荷。
由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保 存，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 电元件在交变力的作用下，电荷可以不断补充，可以供给测量回路以 一定的电流，故只适用于动态测量。图中当力恒定地施加在压电材料 上时，电荷逐渐消失，这表示明压电材料不能用于测量物体重量之类 的物理量。
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电压放大器应用限制
压电式传感器在与电压放大器配合使用时，连接 电缆不能太长。电缆长，电缆电容Cc就大，电缆 电容增大必然使传感器的电压灵敏度降低。
电压放大器与电荷放大器相比，电路简单，元件 少，价格便宜，工作可靠，但是电缆长度对传感 器测量精度的影响较大，在一定程度上限制了压 电式传感器在某些场合的应用。
输出电量由传感器输出端引出，输入到前置放大器后 就可以用普通的测量仪器测出试件的加速度，如在放 大器中加进适当的积分电路，就可以测出试件的振动 速度或位移。
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2.4 压电式测力传感器
压电元件是直接把力转换为电荷的传感器。 变形方式：利用纵向压电效应的TE方式最简便。 材料选择：决定于所测力的量值大小，对测量误差提
出的要求、工作环境温度等各种因素。 晶片数目：通常是使用机械串联而电气并联的两片。
晶片电气并联两片，可以使传感器的电荷 输出灵敏度增大一倍。
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单向压电式测力传感器
用于机床动态切削力的测量。
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压电式压力传感器
测量均布压力的传 感器
拉紧的薄壁管对晶片 提供预载力而感受外 部压力的是由挠性材 料做成的很薄的膜片。 预载筒外的空腔可以 连接冷却系统，以保 证传感器工作在一定 的环境温度条件下， 避免因温度变化造成 预载力变化引起的测 量误差。
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测量原理
当传感器感受振动时，质量块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。 这样，质量块就有一正比于加速度的交变力作用在压 电片上。由于压电片压电效应，两个表面上就产生交 变电荷，当振动频率远低于传感器的固有频率时，传 感器的输出电荷（电压）与作用力成正比，亦即与试 件的加速度成正比。
i
dQ dt
d11
Fm
cost
I j d11 F
。
Ui
d11
F 1
jR jRC
输入电压的幅值 uim
d11 FmR 1 (R)2 (Ca Cc Ci )2
当作用力是静态力（ω=0） 时，前置放大器的输入电压为零。 原理上决定了压电式传感器不能测量静态物理量。 压电式传感器突出优点：高频响应相当好。
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石英晶体的压电效应
（a）正负电荷是互相平衡的，所以外部没有带电现象。
（b）在X轴方向压缩，表面A上呈现负电荷、B表面呈现正电荷。
（c）沿Y轴方向压缩，在A和B表面上分别呈现正电荷和负电荷
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石英晶体
一种天然晶体，压电系数d11＝2.31×10－12C/N； 莫氏硬度为7、熔点为1750℃、膨胀系数仅为钢的
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传感器的低频响应范围
如果被测物理量是缓慢变化的动态量，而测量回路的时间 常数又不大，则造成传感器灵敏度下降。因此为了扩大传 感器的低频响应范围，就必须尽量提高回路的时间常数。
但这不能靠增加测量回路的电容量来提高时间常数，因为 传感器的电压灵敏度与电容成反比的，切实可行的办法是 提高测量回路的电阻。由于传感器本身的绝缘电阻一般都 很大，所以测量回路的电阻主要取决于前置放大器的输入 电阻。放大器的输入电阻越大，测量回路的时间常数就越 大，传感器的低频响应也就越好。
变化小，在锆钛酸铅的基方中添加一两种微量元素，可以 获得不同性能的PZT材料。 （3）铌镁酸铅Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3压电陶瓷（PMN）
具有较高的压电系数，在压力大至700kg/cm2仍能继续工 作，可作为高温下的力传感器。
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2 等效电路及信号变换电路
1. 压电元件的等效电路 2. 压电式传感器的信号调节电路
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压电传感器的工作原理演示
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（例如 石英晶体或压电陶瓷、高分子材料）的压电效应为基础而工作的。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。 压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最终能变换为力的那些非电 物理量，例如动态力、动态压力、振动加速度等。
Q d33 F
放电电荷的多少与外力的大小成比例关系
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Q d33 F
Q —— 电荷量； d33 —— 压电陶瓷的压电系数；
F —— 作用力。
常见压电陶瓷 ：
（1）钛酸钡（BaTiO3）压电陶瓷 具有较高的压电系数和介电常数，机械强度不如石英。
（2）锆钛酸铅Pb（Zr·Ti）O3系压电陶瓷（PZT） 压电系数较高，各项机电参数随温度、时间等外界条件的
（1）电压放大器
Ca：传感器的电容 Ra：传感器的漏电阻 Cc：连接电缆的等效电容 Ri：放大器的输入电阻 Ci：放大器的输入电容
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R Ra Ri Ra Ri
C Ca Cc C i
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前置放大器输入电压
Ui
i 1
R
jRC
压电元件的力 F=Fmsinωt 压电元件的压电系数为d11，产生的电荷为Q = d11·F。
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逆压电效应
在压电材料的两个电极面上，如果加以交流电压， 那么压电片能产生机械振动，即压电片在电极方 向上有伸缩的现象，压电材料的这种现象称为 “电致伸缩效应”，也叫做“逆压电效应”。 (施加电场 电介质产生变形 应力 ) 常见的压电材料有石英、钛酸钡、锆钛酸铅等。
1. 石英晶体的压电效应
2、只要保持反馈电容的数值不变，就可得到与电荷量Q变化成 线形关系的输出电压。