压电传感器的实际等效电路

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在校准用的标准压力传感器或高精度压力传感器中采用石英晶体做压电元件外，一般压电式压力传感器的压电元件材料多为压电陶瓷，也有用高分子材料(如聚偏二氟乙稀)或复合材料的合成膜的。

实验压电式传感器实验实验项目编码：实验项目时数：2实验项目类型：综合性（）设计性（）验证性（√）一、实验目的本实验的主要目的是了压电式传感器的结构特点；熟悉压电传感器的工作原理；掌握压电传感器进行振动和加速度测量的方法。

二、实验内容及基本原理（一）实验内容1．压电传感器进行振动和加速度测量的方法（二）实验原理压电式传感器是一和典型的发电型传感器，其传感元件是压电材料，它以压电材料的压电效应为转换机理实现力到电量的转换。

压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动进行测量，在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用。

1．压电效应：具有压电效应的材料称为压电材料，常见的压电材料有两类压电单晶体，如石英、酒石酸钾钠等；人工多晶体压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等。

压电材料受到外力作用时，在发生变形的同时内部产生极化现象，它表面会产生符号相反的电荷。

当外力去掉时，又重新回复到原不带电状态，当作用力的方向改变后电荷的极性也随之改变，如图1 (a) 、(b) 、(c)所示。

这种现象称为压电效应。

(a) (b) (c)图1 压电效应2．压电晶片及其等效电路多晶体压电陶瓷的灵敏度比压电单晶体要高很多，压电传感器的压电元件是在两个工作面上蒸镀有金属膜的压电晶片，金属膜构成两个电极，如图2(a)所示。

当压电晶片受到力的作用时，便有电荷聚集在两极上，一面为正电荷，一面为等量的负电荷。

这种情况和电容器十分相似，所不同的是晶片表面上的电荷会随着时间的推移逐渐漏掉，因为压电晶片材料的绝缘电阻(也称漏电阻)虽然很大，但毕竟不是无穷大，从信号变换角度来看，压电元件相当于一个电荷发生器。

从结构上看，它又是一个电容器。

因此通常将压电元件等效为一个电荷源与电容相并联的电路如2(b)所示。

其中ea=Q/Ca 。

式中，ea为压电晶片受力后所呈现的电压，也称为极板上的开路电压；Q为压电晶片表面上的电荷；Ca为压电晶片的电容。

实际的压电传感器中，往往用两片或两片以上的压电晶片进行并联或串联。

6.2压电传感器的等效电路和测量电路6.2.1压电晶片的连接方式制作压电传感器时，可采用两片或两片以上具有相同性能的压电晶片粘贴在一起使用，由于压电晶片有电荷极性，因此压电晶片的连接方式有并联和串联两种，如图6.2.1所示。

（a ）并联 （b ）串联图6.2.1两块压电晶片的连接方式并联连接的压电传感器输出电容及极板上的电荷分别为单块晶体片的两倍，而输出电压与单片上的电压相等，即2,2,C C q q U U '''===串联时，输出电荷等于单片上的电荷，输出电压为单片电压的2倍，总电容为单片的1/2，即 /2,,2C C q q U U '''===由此可见，并联接法虽然输出电荷大，但由于电容也增大，时间常数大，故只适宜测量慢变化信号，并以电荷作为输出。

串联接法输出电压高，本身电容小，适宜以电压作为输出信号，且要求测量电路的输入阻抗很高。

因为压电晶片的接触面不可能绝对平坦，在制作和使用传感器时，要使压电晶片有一定的预应力，以保证全面均匀接触，但预应力不能太大，否则将影响压电传感器的灵敏度6.2.2压电传感器的等效电路当压电晶片受力时，在晶片的两个表面上分别聚集等量的正、负电荷，因此，晶片的两表面相当于一个电容的两个极板，两极板间的物质等效于一种介质，于是，压电晶片相当于一只平行板介质电容器，如图6.2.2所示，其电容量为0r a S S C εεεδδ== 其中S 为极板面积，r ε为压电材料的相对介电常数，0ε为真空介电常数，δ为压电元件的厚度。

图6.2.2 压电晶片的等效电路压电传感器可以等效为一个电压源/a U Q C =和一只电容a C 的串联，如图6.2.3（a ）所示，由图可知，只有在外电路负载L R 无穷大，且内部无漏电时，受力产生的电压U 才能长期保持不变，如果负载不是无穷大，则电路就要以时间常数L a R C 按指数规律放电。

因此，必须在压电传感器上加交变力，电荷才能不断得到补充，供给测量电路一定的电流，故压电传感器只适宜作动态测量。

压电式传感器的等效电路
压电式传感器的等效电路可以简化为一个压电元件与负载电阻Rl连接在一起的电路。

压电元件可以通过变压器模型来表示，即将压电元件视为理想变压器的一侧，另一侧为负载电阻Rl。

根据理想变压器的等效电路原理，可以得到等效电路如下：
___
| |
| Vs |---- [压电元件] ----(Rl)
|____|
其中，Vs为输入电压，压电元件为变压器的一侧，(Rl)为负载电阻。

当施加输入电压Vs时，压电元件会产生相应的压电效应，从而产生电荷量q，并在负载电阻上产生电压Vout。

输入与输出电压之间的关系可以表示为：
Vout = (Rl / Re) * Vs
其中，Re为压电元件的等效电阻，Vs为输入电压，Vout为输
出电压。

根据以上等效电路，可以使用电路分析方法计算压电式传感器的输出特性。

压电式加速度传感器摘要：本文介绍了压电式加速度传感器的结构和工作原理，推导了传感器的数学模型，并分析了测量电路，压电传感器的产生零漂现象的各种原因，并针对这些原因提出相应的解决措施。

关键词：压电式；加速度传感器；零漂1 引言现代工业和自动化生产过程中，非电物理量的测量和控制技术会涉及大量的动态测试问题。

所谓动态测试是指量的瞬时值以及它随时间而变化的值的确定，即被测量为变量的连续测量过程。

它以动态信号为特征，研究了测试系统的动态特性问题，而动态测试中振动和冲击的精确测量尤其重要。

振动与冲击测量的核心是传感器，常用压电加速度传感器来获取冲击和振动信号。

压电式传感器是基于某些介质材料的压电效应，当材料受力作用而变形时，其表面会有电荷产生，从而实现非电量测量。

压电式传感器具有体积小，质量轻，工作频带宽等特点，因此在各种动态力、机械冲击与振动的测量以及声学、医学、力学、体育、制造业、军事、航空航天等领域都得到了非常广泛的应用。

加速度传感器作为测量物体运动状态的一种重要的传感器，加速度传感器主要分为压阻式、电容式、应变式、压电式、振弦式、挠性摆式、液浮摆式等类型。

压电式加速度传感器是以压电材料为转换元件，将加速度输入转化成与之成正比的电荷或电压输出的装置，具有结构简单、重量轻、体积小、耐高温、固有频率高、输出线性好、测量的动态范围大、安装简单的特点。

2工作原理压电式加速度传感器又称为压电加速度计，它也属于惯性式传感器。

它是典型的有源传感器。

利用某些物质如石英晶体、人造压电陶瓷的压电效应，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。

压电敏感元件是力敏元件，在外力作用下，压电敏感元件的表面上产生电荷，从而实现非电量电测量的目的。

压电加速度传感器的原理框图如图1所示，原理如图2所示。

图1 加速度传感器的组成框图支座图2 压电加速度传感器原理图实际测量时，将图中的支座与待测物刚性地固定在一起。

当待测物运动时，支座与待测物以同一加速度运动，压电元件受到质量块与加速度相反方向的惯性力的作用，在晶体的两个表面上产生交变电荷(电压)。