6压电式传感器

压电式传感器

一、单项选择题

1、对石英晶体，下列说法正确的是（）。

A. 沿光轴方向施加作用力，不会产生压电效应，也没有电荷产生。

B. 沿光轴方向施加作用力，不会产生压电效应，但会有电荷产生。

C. 沿光轴方向施加作用力，会产生压电效应，但没有电荷产生。

D. 沿光轴方向施加作用力，会产生压电效应，也会有电荷产生。

2、石英晶体和压电陶瓷的压电效应对比正确的是（）

A. 压电陶瓷比石英晶体的压电效应明显，稳定性也比石英晶体好

B. 压电陶瓷比石英晶体的压电效应明显，稳定性不如石英晶体好

C. 石英晶体比压电陶瓷的压电效应明显，稳定性也比压电陶瓷好

D. 石英晶体比压电陶瓷的压电效应明显，稳定性不如压电陶瓷好

3、两个压电元件相并联与单片时相比说法正确的是（）

A. 并联时输出电压不变，输出电容是单片时的一半

B. 并联时输出电压不变，电荷量增加了2倍

C. 并联时电荷量增加了2倍，输出电容为单片时2倍

D. 并联时电荷量增加了一倍，输出电容为单片时的2倍

4、两个压电元件相串联与单片时相比说法正确的是（）

A. 串联时输出电压不变，电荷量与单片时相同

B. 串联时输出电压增大一倍，电荷量与单片时相同

C. 串联时电荷量增大一倍，电容量不变

D. 串联时电荷量增大一倍，电容量为单片时的一半

7、压电石英晶体表面上产生的电荷密度与（）。

A．晶体厚度成正比 B．晶体面积成正比

C．作用在晶片上的压力成正比 D．剩余极化强调成正比

8、压电式传感器目前多用于测量（）。

A．静态的力或压力 B．动态的力或压力

C．位移 D．温度

10、石英晶体在沿机械轴y方向的力作用下会（）。

A．产生纵向压电效应 B. 产生横向压电效应

C．不产生压电效应 D. 产生逆向压电效应

12、石英晶体在沿电轴X方向的力作用下会（）

A．不产生压电效应 B. 产生逆向压电效应

C. 产生横向压电效应 D．产生纵向压电效应

三、填空题

1、压电式传感器是以某些介质的 作为工作基础的。

2、将电能转变为机械能的压电效应称为 。

3、石英晶体沿 方向施加作用力不会产生压电效应，没有点电荷产生。

5、压电式传感器可等效为一个 和一个 并联，也可等效为一个 与 相串联。

6、压电陶瓷是人工制造的多晶体，是由无数细微的电畴组成，经过 的压电陶瓷才具有压电效应。

8、压电式传感器的工作原理是基于某些 材料的压电效应

9、用石英晶体制作的压电式传感器中，晶面上产生的 与作用在晶面上的压

强成正比，而与晶片 和面积无关。 四、简答题

4、画出压电元件的两种等效电路。 8、什么是正压电效应？什么是逆压电效应？压电材料有哪些？

10、为什么压电传感器通常都用来测量动态或瞬态参量？

四、计算题

1 某石英压电式传感器厚度为=0.2mm δ，为圆片结构，半径为1.0mm ，使用纵向压电效应制成，相对介电常数为 4.5r ε=，压电常数为1211 2.31*10/d C N -=，当0.1P MPa =的压强作用于其表面时，求传感器输出电荷和极板间的电压？（真空介电常数按8.85×10-12计算）

压电式传感器习题

第6章 压电式传感器 1、为什么压电式传感器不能用于静态测量，只能用于动态测量中？而且是频率越高越好？ 2、什么是压电效应？试比较石英晶体和压电陶瓷的压电效应 3、设计压电式传感器检测电路的基本考虑点是什么，为什么? 4、有一压电晶体，其面积为20mm 2，厚度为10mm ，当受到压力P=10MPa 作用时，求产生的电荷量及输出电压： (1)零度X 切的纵向石英晶体； (2)利用纵向效应的BaTiO 3。 解：由题意知，压电晶体受力为 F=PS=10×106×20×10-6=200(N) （1）0°X 切割石英晶体，εr =4.5，d 11=2.31×10-12C/N 等效电容 36120101010205.41085.8---?????==d S C r a εε =7.97×10-14 (F) 受力F 产生电荷 Q=d 11F=2.31×10-12×200=462×10-2(C)=462pC 输出电压 ()V C Q U a a 3141210796.51097.710462?=??==-- （2）利用纵向效应的BaTiO 3，εr =1900，d 33=191×10-12C/N 等效电容 361201010102019001085.8---?????==d S C r a εε =33.6×10-12(F)=33.6(pF) 受力F 产生电荷 Q=d 33F=191×10-12×200=38200×10-12 (C)=3.82×10-8C 输出电压 ()V C Q U a a 312810137.1106.331082.3?=??==-- 5、某压电晶体的电容为1000pF ，k q =2.5C/cm ，电缆电容C C =3000pF ，示波器的输入阻

第六章 压电式传感器

课题：第四章电容式传感器 课型：新知课 教学目标：1、掌握变极距型电容式传感器的工作原理； 2、掌握变面积型电容式传感器的工作原理； 3、掌握变介电常数型电容式传感器的工作原理； 4、掌握电容式传感器的灵敏度和非线性； 9、掌握压磁式传感器的工作原理。 重点：1、变极距型电容式传感器的工作原理； 2、变面积型电容式传感器的工作原理； 3、变介电常数型电容式传感器的工作原理； 4、电容式传感器的灵敏度和非线性； 5、变压器式传感器的等效电路； 6、涡流式传感器的工作原理； 7、涡流式传感器的特点及应用； 难点：1、电容式传感器的灵敏度和非线性； 2、； 3、变压器式传感器的工作原理； 4、变压器式传感器的等效电路； 5、涡流式传感器的工作原理。 教学手段、方法：多媒体、课件、讲授 教具：ppt、板书 教学过程： 压电式传感器是一种有源的双向机电传感器。它的工作原理是基于压电材料的压电效应。石英晶体的压电效应早在1680年就已发现，1984年制作出第一个石英传感器。 4.1 压电效应 某些晶体或陶瓷，当沿着一定方向受到外力作用时，内部就会出现极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又恢复到不带电的状态；当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。上述现象称为正压电。反之，如对晶体施加一定变电场，晶体本身将产生机械变形，外电场撤离，变形也随着消失，称为逆压电效应。 压电转换元件受力变形的状态可分为图6-1所示的几种基本形式：

图6-1 压电转换元件受力变形的几种基本形式 由于压电晶体的各向异性，并不是所有的压电晶体都能在这几种变形状态下产生压电效应。例如石英晶体就没有体积变形压电效应。但它具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。 6.1.1 石英晶体的压电效应 图6-2（a）所示为天然石英晶体的结构外形，在晶体学中用三根互相垂直的轴Z、X、Y表示他们的坐标，如图6-2（b）所示。Z轴为光轴（中性轴），它是晶体的对称轴，光线沿Z轴通过晶体不产生双折射现象，因而以它作为基准轴；X轴为电轴，该轴压电效应最为显著，它通过六棱柱相对的两个棱线且垂直于光轴Z，显然X轴共有三个；Y轴为机械轴（力轴），显然也有三个，它垂直于两个相对的表面，在此轴上加力产生的变形最大。 图6-2 石英晶体的外形和晶轴 对于压电晶体，当沿X轴施加正应力的时，将在垂直于X轴的表面上产生电荷，这种现象称为纵向压电效应；当Y轴施加正应力时，电荷将出现在与X轴垂直的表面上，这种现象称为横向压电效应；当沿X轴方向施加切应力时，将在垂直于Y轴的表面上产生电荷，这种现象称为切向压电效应。通常在石英晶体上可以观察到上述三种压电效应，其受力方向与产生电荷极性的关系如图6-4所示。

压电式传感器的发展与应用

HEFEI UNIVERSITY 自动检测技术报告 题目压电式传感器的应用与发展 系别 ***级自动化 班级 **班 姓名 ********************** 指导老师***** 完成时间 2011-11-28

前言：压电式传感器是以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量测量。压电传感元件是力敏感元件，所以它能测量最终能变换为力的那些物理量，例如力、压力、加速度等。压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等优点。近年来，由于电子技术的飞速发展，随着与之配套的二次仪表以及低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现，使压电传感器的使用更为方便。因此，在工程力学、生物医学、石油勘探、声波测井、电声学等许多技术领域中获得了广泛的应用。本文重点介绍压电式传感器的工作原理，在航空发动机中的应用及发展趋势。 关键字：传感器压电效应测振 正文：压电式传感器的发展及应用压电式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。压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量。它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。 压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。正压电效应是指：当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变 时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量 与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电 效应制成的。逆压电效应是指对晶体施加交变电场引起 晶体机械变形的现象，又称电致伸缩效应。用逆压电效 应制造的变送器可用于电声和超声工程。压电敏感元件 的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、 厚度切变型、平面切变型5种基本形式（见图）。压电 晶体是各向异性的，并非所有晶体都能在这5种状态下产生压电效应。例如石英晶体就没有体积变形压电效应，但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。 压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。 压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也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。 压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电传感器的应用就非常广泛。

6压电式传感器习题

第 6 章压电式传感器 6.1 什么是正压电效应？什么是逆压电效应？答：一些离子型晶体的电介质不仅在电场力作用下，而且在机械力作用下，都会产生极化现象。在这些电介质的一定方向上施加机械力二产生变形时，就会引起它内部正负电荷中心相对转移而产生电的极化，从而导致其两个相对表面（极化面）上出现符号相反的束缚电荷，且其电位移D（在MKS单位制中即电荷密度3 与外应力张量T 成正比。当外力消失，电介质又恢复不带电原状；当外力变向，电荷极性随之而变。这种现象称为正压电效应，或简称压电效应。 若对上述电介质施加电场作用时，同样会引起电介质内部正负电荷中心的相对位移而导致电介质产生变形，且其应变S 与外电场强度E 成正比。这种现象称为逆压电效应，或称电致伸缩。 6.2 压电材料的主要特性参数有哪些？比较三类压电材料的应用特点。答：压电材料主要特性有：压电常数、弹性常数、介电常数、机电耦合系数、电阻、居里点。 （1）压电单晶：时间稳定性好，居里点高，在高温、强幅射条件下，仍具有良好的压电性，且机械性能，如机电耦合系数、介电常数、频率常数等均保持不变。此外，还在光电、微声和激光等器件方面都有重要应用。不足之处是质地脆、抗机械和热冲击性差。（2）压电陶瓷：压电常数大，灵敏度高，制造工艺成熟，成形工艺性好，成本低廉，利于广泛应用，还具有热释电性。 （3）新型压电材料：既具有压电特性又具有半导体特性。因此既可用其压电性研制传感器，又可用其半导体特性制作电子器件；也可以两者合一，集元件与线路于一体，研制成新型集成压电传感器测试系统。 6.3 压电元件在使用时常采用多片串联或并联的结构形式。试述在不同接法下输出电压、电荷、电容的关系，它们分别适用于何种应用场合？答：在压电式传感器中，为了提高灵敏度，往往采用多片压电芯片构成一个压电组件。其中最常用的是两片结构；根据两片压电芯片的连接关系，可分为串联和 并联连接 并联：将两个压电元件的负端粘结在一起，中间插入金属电极作为压电元件连接时

习题参考答案6-压电式传感器

习题6 六、压电式传感器 （一） 习 题 6-1. 以钛酸钡为例，在y 轴受到1N/m 2 的切应力。试求出在各方向产生的电荷密度。 答： 12 111 1213141516322122232425264331 32 33 34 35 3656T T d d d d d d T d d d d d d T d d d d d d T T σσσ????????????????=???????????????????????? ＝15243132 33 000 000000 000000 010d d d d d ?? ????????????? ????????????? 其中12 12 1212 12 00025010 0000 25010 0078107810 19010 0ij d -----???????=?? ?????-?-??? ? 12 12 2 111112213314415516615525010 125010d T d T d T d T d T d T d T C m σ--∴=+++++==??=? 221 122 223 3 24 4 25 5 2 0d T d T d T d T d T d T σ=+++ ++= 33113223333443553660d T d T d T d T d T d T σ=+++++= 即在x ，y ，z 轴面上产生的电荷密度分别为250×10-12C/m 2，0，0。 6-2 已知电压前置放大器输入电阻及总电容分别为R i ＝1MΩ，C i ＝100pF ，求与压电加速度 计相配测量1Hz 的振动时幅值误差为多大？ 答：对于电压前置放大器，其实际输入电压与理想输入电压之比的相对幅频特性为 ()() 2 1ωτ ωτ ω+= A i i C R =τ f πω2= 当被测信号的频率为f=1Hz 时，有 ()() ( ) 4 2 126 1262 10 3.610 10010112110 10010112212---?=?????+?????= += ππππωi i i i C fR C fR A 所以幅值误差为%94.999994.01103.64 -=-=-?=-δ 由此可见测量误差太大了，原因在于输入阻抗太小。 6-3.将压电式传感器与一只灵敏度为S v 且可调的电荷放大器连接，然后接到灵敏度为S x =20mm/V 的光线示波器上记录，现知压电式压力传感器灵敏度为S p =5pc/Pa ，该测试系统的总灵敏度为S=0.5mm/Pa ，试问： (1)电荷放大器的灵敏度为S v 应调为何值（V/pc ）?

压电式传感器的应用与研究开题报告

辽宁石油化工大学 顺华能源学院 毕业设计（论文） 开题报告 论文题目：压电式传感器的应用与研究 学生姓名：刘振 专业班级：测控0806 学号： 04 指导教师：张一 年月日

填写说明： 1．题目的背景和意义 对题目的出处，背景和意义进行说明论述，不少于300字。2．题目研究现状概述 通过调研和查阅文献，对题目所涉及的技术、理论和研究成果进行说明论述，不少于1000字。 3．题目要完成的主要内容和预期目标 对题目要完成的主要内容进行说明，并说明达到的预期目标， 不少于300字 4．进度计划 从设计开始的教学周起，依据任务书的进度安排进行细化并以周为单位给出主要工作和完成的任务。 5．参考文献 对2引用的资料、论文或著作按照引用顺序列出参考文献（格式同论文《参考文献》）。不少于10篇（其中近3年的文献占1/3以上）， 注：相应栏不够时自动加页。 排版要求：正文，宋体，小四，行距固定值20磅 要求学生在毕业设计（论文）开始后的第2周末完成《开题报告》，并交到指导教师评阅（交电子稿和双面打印稿）。

1．题目的背景和意义 新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。 在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。 在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。现代科学技术的发展，进入了许多新领域：例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到nm的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到ps的瞬间反应。此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁砀等等。显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。 传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。 由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。世界各国都十分重视这一领域的发展。相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。。 2．题目研究现状概述 压电传感器的国内外发展现状现代信息技术的三大支柱是传感器技术、通信技术和计算机技术，它们分别构成信息系统的“感官”“神经”和“大脑”，因此，传感器技术是信息社会的重要基础技术，传感器是信息获取系统的首要部件。然而，目前不论国内还是国外，传感器技术大大落后于信息系统中其它的技术，满足不了信息技术系统的需要。计算机与网络技术已经达到了飞跃发度，但是计算机的信息输入部分直到今天还没能与其发展相适应。该部分的落后影响了计算机的效率。可以说，整个信息系统水平的提高，主要取决于传感器技术水平的提高”。 在我国压电传感器的研究与应用明显落后于世界先进水平，自纪70 年代以来，压电传感器的应用主要是为了满足航天技术发展的需要。改革开放之后，随着引进国外先进技术和管理经验，国民经济进入快阶段，现代测量技术的发展与应用成为必然。因此，压电传感器测术引起了一定程度的重视。但是，由于在压电传感器测量技术的研究与应用上与国外发达国家相比，起步较晚，技术基础薄弱。直到目前压电传感器总体技术水平依然处于上述的第一发展阶段。目前，国内仅有一家IEPE加速计的厂家，但完全依赖于国外提供的内装微电子电路，并不能自主研发。国内进行智能传感器研究的单位主要有：中科院合肥智能机械研究所传感器技术国家重点实验室(国家“863”计划资助项目：安徽省自然科金资助项目；中国博士后科学基金资助项目)；中国科技大学；电子科学自动化系；北京大学计算机科学技术系(国家“863”计划资助项目)，华南理工大学机电工程系(广州省重点攻关项目；广州市重点攻关项目)；东南大学仪器科学与工

第六章压电式传感器

第六章压电式传感器 一、学习本课程所需的预备知识。 物理、电工基础、电子测量技术、电子线路。 二、教学提要（重难点）、课程内容、教学要求、实验指导。 1、压电传感器 压电传感器是利用某些晶体的压电效应工作的，超声波是利用逆压电效应工作的，所以压电效应是本章重点内容。同时，压电传感器使用电压、电荷放大器，故也是重点内容。 教学从晶体的压电效应入手，结合身边（电子打火机）的应用实例讲解。并且通过实验来加深理论知识，同时也掌握了压电传感器的应用。 超声波是压电效应的反向使用，要掌握超声波特性，这对于超声波传感器的使用是非常重要的。 教学建议： 由于晶体的压电效应不易理解，可以用电子打火机的原理使学生掌握晶体的压电效应。在介绍测量电路时，要使学生清楚压电传感器的实际等效电路，并且使学生知道为什么压电传感器不能用于静态测量。最后通过实验掌握传感器的应用。 2、霍尔传感器 霍尔传感器是利用半导体材料的霍尔效应实现对磁场和电流测量的，目前使用的基本是霍尔集成电路，所以霍尔效应和霍尔集成电路是本章的重点内容。教材从霍尔效应开始，介绍了霍尔效应，霍尔元件的主要参数以及霍尔集成电路。最后介绍了霍尔传感器的应用。 教学建议： 在教学中要详细介绍霍尔集成电路的相关知识，同时，要采用实验的手段，使学生对霍尔传感器的原理及应用有一个详细的掌握。实验可采用测量位移的方法，这个实验在传感器实验台上完成。 三、典型例题 1、什么叫压电效应？压电材料分为哪几种？ 答：某些晶体，当沿着一定方向受到外力作用时，内部会产生极化现象，同时在某两个表面上产生大小相等符号相反的电荷；当外力去掉后，又恢复到不带电状态；当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。这种现象叫压电效应。 压电材料可分为三大类：压电晶体（单晶）、压电陶瓷（多晶半导瓷）和新型压电材料（包括压电半导体和高分子压电材料）。 2、压电效应

项目六压电式传感器

百度文库- 让每个人平等地提升自我 班级：日期：年月日编号： 教学目的与要求项目六压电式传感器 1、了解压电元件的材料，熟悉压电元件的基本工作原理； 2、掌握压电元件的连接方法 3、掌握压电元件的应用。 (时间安排：4课时；任课教师：胡辉) 本课重点与难点重点:压电元件的基本工作原理。难点:压电元件的连接方法。 课堂进程次序内容 1 一、基本工作原理 2 二．压电式传感器的测量电路 3 三、压电式传感器及其应用 4 四、压电式压力传感器实验电路 5 五、小结 6 六、布置作业 7 七、板书安排

Δ复习上节课内容：（略） Δ概述 1880年著名物理学家比埃尔?居里发现了晶体的压电效应，但压电效应的定量数据的获得，是严济慈深入研究并精确测量给出的。 压电传感器的工作原理是基于某些电介质材料的压电效应，是典型的有源传感器。当介质材料受力作用而变形时，其表面会产生电荷，由此而实现非电量测量。压电传感器体积小，重量轻，工作频带宽，是一种力敏传感器件，它可测量各种动态力，也可测量最终能变换为力的那些非电物理量，如压力、加速度、机械冲击与振动等。 一、基本工作原理 （一）、压电效应 某些电介质，当沿着一定方向对其施加力而使其变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上会产生异号电荷，当外力消失后，又重新恢复到不带电状态，这种现象称为压电效应。当作用力的方向改变时，电荷极性也随之改变。当在电介质极化方向施加电场，这些电介质也会发生变形，这种现象称为逆压电效应（或电致伸缩效应）。压电式力传感器都是利用压电材料的正压电效应。 （二）、压电材料 自然界中的大多数晶体具有压电效应，但压电效应十分明显的并不多。天然形成的石英晶体、人工制造的压电陶瓷、锆钛酸铅、钛酸钡等材料是压电效应性能优良的压电材料。 1. 石英晶体 天然石英(SiO2)晶体如图所示，它是一个正六面体，在它上面有三个坐标轴。石英晶体中间棱柱断面的下半部分，其断面为正六面形。z轴是晶体的对称轴，称它为光轴。在该轴方向没有压电效应，x轴称为电轴，垂直于x轴晶面上的压电效应最显著；y轴称为机械轴，在电场的作用下，沿此轴方向的机械变形最显著。如果从石英晶体上切割出一个平行六面体，如图所示，称为压电晶片，在垂直于光轴的力（Fy或Fx）作用下，晶体会发生极化现象，并且其极化矢量是沿着电轴(x轴)。即电荷出现在垂直于电轴(x轴)的平面上。

压电式传感器

摘要 (1) 一、引言 (1) 二、压电式传感器原理 (1) 2.1压电传感器所应用的原理 (1) 2.2压电效应的产生 (2) 2.3石英晶体的压电效应 (3) 三、压电传感器在汽车上的应用 (4) 3.1压电式爆震传感器 (4) 3.1.1共振型压电式爆震传感器 (4) 3.1.2非共振型压电式传感器 (5) 3.2碰撞传感器 (6) 3.3压电式加减速传感器 (6) 四、压电式传感器的发展趋势 (7) 参考文献 (7)

压电式传感器及应用 摘要 近年来，由于电子技术的飞速发展，随着与之配套的二次仪表以及低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现，使得压电传感器在工程力学、生物医学、石油勘探、声波测井、电声学等许多技术领域中获得了广泛的应用。本文将以压电式传感器的应用与发展为核心，首先对压电效应的原理进行介绍，紧接着是在行业、具体工程方面尤其是在汽车领域的应用以及应用的方法，最后介绍了压电式式传感器未来的发展趋势。 关键字：压电式传感器；压电效应；应用；发展 一、引言 传感器是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受与检出功能, 并使之按照一定规律转换与之对应有用输出信号的元器件或装置，是新技术革命和信息社会的重要技术基础，是现代科技的开路先锋，美国早在80年代就声称世界已进入传感器时代，日本则把传感器技术列为十大技术之创立。 压电式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。压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量。它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。 二、压电式传感器原理 2.1压电传感器所应用的原理 压电式传感器所采用的是压电效应，即，当沿着一定方向对某些物质加力而使其变形时，

压电式传感器的国内外现状及发展趋势

硕士研究生课程 《智能传感器技术》（考查） 自选课题 题目：压电式传感器的国内外现状与发展趋势学院：自动化工程学院 年级专业： 姓名： 任课教师： 2011年5月20 日

压电式传感器的国内外现状及发展趋势The Current Situation and Tendency of Piezoelectric Sensor at Home and Aboard 摘要

压电式传感器是一种典型的自发电式传感器。它具有灵敏度高、使用频带宽、信噪比高、结构简量轻、工作可靠等优点。压电式传感器正不断地向智能化发展。 文章首先介绍了压电传感器的理论基础即压电效应，压电材料，压电方程以及压电传感器的等效电路。接着又介绍了两种压电式传感器。一是PDVF压电式传感即由一种新型压电材料PDVF薄膜制作的传感器，分别阐述了PDVF薄膜的优点，压电特性，用其制作的正余弦压电式传感器以及PDVF压电式传感器测量振动梁的物理量的工作原理。二是IEPE压电加速传感器，包括加速传感器的优点，工作原理以及其在振动压路机振动测试中的应用。 关键词：压电式传感；IEPE加速计；加速度传感器；PDVF压电模

Abstract The piezoelectric sensor is a kind of typically spontaneous electricity sensor. It has the advantages of high sensitivity, wide frequency band, high signal-to-noise ratio, simple in structure, and reliable lightweight etc. And the piezoelectric sensors are constantly to intelligent development. This paper introduces the basic theory of piezoelectric sensors which are piezoelectric effect, piezoelectric materials, piezoelectric equation and piezoelectric sensor equivalent circuit. Then it introduces two kinds of piezoelectric sensors. One is PDVF piezoelectric sensor which is made by a new type of piezoelectric materials. It respectively explains the advantages of PDVF film, piezoelectric properties, cosine and sine PDVF piezoelectric sensor and the use of measuring vibrates beam. Another is IEPE piezoelectric sensor, including acceleration sensor accelerated the advantages, working principle and the application of vibration compacting roller test. Keywords：piezoelectric sensor, IEPE acceleration, acceleration sensor, PDVF film

6压电式传感器习题

第6章压电式传感器 6.1什么是正压电效应？什么是逆压电效应？ 答：一些离子型晶体的电介质不仅在电场力作用下，而且在机械力作用下，都会产生极化现象。在这些电介质的一定方向上施加机械力二产生变形时，就会引起它内部正负电荷中心相对转移而产生电的极化，从而导致其两个相对表面（极化面）上出现符号相反的束缚电荷，且其电位移D(在MKS单位制中即电荷密度σ)与外应力张量T成正比。当外力消失，电介质又恢复不带电原状；当外力变向，电荷极性随之而变。这种现象称为正压电效应，或简称压电效应。 若对上述电介质施加电场作用时，同样会引起电介质内部正负电荷中心的相对位移而导致电介质产生变形，且其应变S与外电场强度E成正比。这种现象称为逆压电效应，或称电致伸缩。 6.2压电材料的主要特性参数有哪些？比较三类压电材料的应用特点。 答：压电材料主要特性有：压电常数、弹性常数、介电常数、机电耦合系数、电阻、居里点。 （1）压电单晶：时间稳定性好，居里点高，在高温、强幅射条件下，仍具有良好的压电性，且机械性能，如机电耦合系数、介电常数、频率常数等均保持不变。此外，还在光电、微声和激光等器件方面都有重要应用。不足之处是质地脆、抗机械和热冲击性差。 （2）压电陶瓷：压电常数大，灵敏度高，制造工艺成熟，成形工艺性好，成本低廉，利于广泛应用，还具有热释电性。 （3）新型压电材料：既具有压电特性又具有半导体特性。因此既可用其压电性研制传感器，又可用其半导体特性制作电子器件；也可以两者合一，集元件与线路于一体，研制成新型集成压电传感器测试系统。 6.3 压电元件在使用时常采用多片串联或并联的结构形式。试述在不同接法下输出电压、电荷、电容的关系，它们分别适用于何种应用场合？ 答：在压电式传感器中，为了提高灵敏度，往往采用多片压电芯片构成一个压电组件。其中最常用的是两片结构；根据两片压电芯片的连接关系，可分为串联和

传感器原理与应用习题_第6章压电式传感器

《传感器原理与应用》习题集与部分参考答案 教材：传感器技术（第3版）贾伯年主编，及其他参考书 第6章 压电式传感器 6-1 何谓压电效应？何谓纵向压电效应和横向压电效应？ 答：一些离子型晶体的电介质不仅在电场力作用下，而且在机械力作用下，都会产生极化现象。且其电位移D(在MKS 单位制中即电荷密度σ)与外应力张量T 成正比： D = dT 式中 d —压电常数矩阵。 当外力消失，电介质又恢复不带电原状；当外力变向，电荷极性随之而变。这种现象称为正压电效应，或简称压电效应。 若对上述电介质施加电场作用时，同样会引起电介质内部正负电荷中心的相对位移而导致电介质产生变形，且其应变S 与外电场强度E 成正比： S=d t E 式中 d t ——逆压电常数矩阵。这种现象称为逆压电效应，或称电致伸缩。 6-2 压电材料的主要特性参数有哪些？试比较三类压电材料的应用特点。 答：主要特性：压电常数、弹性常数、介电常数、机电耦合系数、电阻、居里点。 压电单晶：时间稳定性好，居里点高，在高温、强辐射条件下，仍具有良好的压电性，且机械性能，如机电耦合系数、介电常数、频率常数等均保持不变。此外，还在光电、微声和激光等器件方面都有重要应用。不足之处是质地脆、抗机械和热冲击性差。 压电陶瓷：压电常数大，灵敏度高，制造工艺成熟，成形工艺性好，成本低廉，利于广泛应用，还具有热释电性。 新型压电材料：既具有压电特性又具有半导体特性。因此既可用其压电性研制传感器，又可用其半导体特性制作电子器件；也可以两者合一，集元件与线路于一体，研制成新型集成压电传感器测试系统。 6-3 试述石英晶片切型（??+45/50yxlt ）的含意。 6-4 为了提高压电式传感器的灵敏度，设计中常采用双晶片或多晶片组合，试说明其组合的方式和适用场合。 答：（1）并联：C ′＝2C ，q ′=2q,U ′=U,因为输出电容大，输出电荷大，所以时间常数，适合于测量缓变信号，且以电荷作为输出的场合。 （2）串联:q ′=q,U ′=U,C ′=C/2, 特点：输出电压大，本身电容小，适合于以电压作为输出信号，且测量电路输出阻抗很高的场合。 6-5 欲设计图6-20所示三向压电加速度传感器，用来测量x 、y 、z 三正交方向的加速度，拟选用三组双晶片组合BaTiO 3压电陶瓷作压电组件。试问：应选用何种切型的晶片？又如何合理组合？并用图示意。

压电式传感器的发展和应用

压电式传感器的发展和应用 摘要：压电式传感器是以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量测量。 压电传感元件是力敏感元件，所以它能测量最终能变换为力的那些物理量，例如力、压力、加速度等。压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等优点，因此，在工程力学、生物医学、石油勘探、声波测井、电声学等许多技术领域中获得了广泛的应用。 关键字：压电式传感器，压电效应，发展与应用 正文： 1.压电式传感器的工作原理 1.1压电效应 压电式传感器是利用电解质的压电效应工作的。某些晶体，在一定方向受到外力作用是，内部将产生极化现象，相应的在晶体的两个表面产生符号相反的电荷;当外力作用除去时，又恢复到不带电状态。当外力方向改变时，电荷的极性也随之改变，这种现象称为压电效应。 1.2压电材料 压电材料分三类 压电晶体，如石英等； 压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等； 压电半导体，如硫化锌、碲化镉等。 1.3压电式传感器等效电路 右图是压电压电式传感器的等效电路。当 压电传感器中的压电晶体承受被测机械应力 的作用时，在它的两个极面上出现极性相反 但电量相等的电荷。 其电容量为 2.压电式传感器的发展 2.1压电式传感器的发展 压电传感器技术的发展历程可分为三个阶段。第一个阶段是60～70年代，传感器以电荷输出为主，测量系统包括压电传感器和以电荷放大器为主的信号适调装置；到了80～90年代中期，出现了IEPE(In Electronics Piezoelectricity)传感器，也被称为低阻抗电压输出传感器，它主要解决了压电信号以高阻抗传输带来的一系列问题；第三阶段是90年代中期至今，即插即用智能TEDS 混合模式接

压电式传感器习题精选文档

压电式传感器习题精选 文档 TTMS system office room 【TTMS16H-TTMS2A-TTMS8Q8-

第6章压电式传感器 1、为什么压电式传感器不能用于静态测量，只能用于动态测量中？而且是频率越高越好？ 2、什么是压电效应？试比较石英晶体和压电陶瓷的压电效应 3、设计压电式传感器检测电路的基本考虑点是什么，为什么? 4、有一压电晶体，其面积为20mm2，厚度为10mm，当受到压力 P=10MPa作用时，求产生的电荷量及输出电压： (1)零度X切的纵向石英晶体； 。 (2)利用纵向效应的BaTiO 3 解：由题意知，压电晶体受力为

F=PS=10×106×20×10-6 =200(N) （1）0°X 切割石英晶体，εr =，d 11=×10-12 C/N 等效电容 36120101010205.41085.8---?????= = d S C r a εε =×10-14 (F) 受力F 产生电荷 Q=d 11F=×10-12×200=462×10-2(C)=462pC 输出电压 ()V C Q U a a 314 12 10796.51097.710462?=??==-- （2）利用纵向效应的BaTiO 3，εr =1900，d 33=191×10-12C/N 等效电容 36 1201010102019001085.8---?????= = d S C r a εε =×10-12(F)=(pF) 受力F 产生电荷 Q=d 33F=191×10-12×200=38200×10-12 (C)=×10-8C

输出电压 ()V C Q U a a 3 12 810137.1106.331082.3?=??==-- 5、某压电晶体的电容为1000pF ，k q =2.5C/cm ，电缆电容C C =3000pF ，示波器的输入阻抗为1M Ω和并联电容为50pF ，求： (1)压电晶体的电压灵敏度足K u ； (2)测量系统的高频响应； (3)如系统允许的测量幅值误差为5％，可测最低频率是多少? (4)如频率为10Hz ，允许误差为5％，用并联连接方式，电容值是多大? 解：（1） cm V pF cm C C K K a q u /105.21000/5.2/9?== = （2）高频（ω→∞）时，其响应 i c a q i c a m am u C C C k C C C d F U K ++= ++==33 ()cm /V .F cm /C .8121017610503000100052?=?++= - （3）系统的谐振频率 ()i c a n C C C R ++= = 1 1 τ ω

压电传感器电路仿真

压电式振动测量电路仿真设计 设计背景 在高度发展的现代工业中，现代测试技术向数字化、信息化方向发展已成必然发展趋势，而测试系统的最前端是传感器，它是整个测试系统的灵魂，被世界各国列为尖端技术，特别是近几年快速发展的IC技术和计算机技术，为传感器的发展提供了良好与可靠的科学技术基础。使传感器的发展日新月益，且数字化、多功能与智能化是现代传感器发展的重要特征。 利用压电式传感器进行振动测量，根据压电效应，当传感器和试件以相同频率振动时，可以产生正比于加速度的表面电荷。 国内外发展状况 传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。 压电式传感器的原理 压电式传感器（由惯性质量块和受压的压电片等组成）是一种机电换能器，所用的压电片(如天然石英、人工极化陶瓷等)在受到一定的机械荷载时，会在压电片的极化面上产生电荷，其电荷量与所受的载荷成正比。 当压电晶体片受力时，晶体的两表面上聚集等量的正、负电荷，由于晶体片的绝缘电阻很高，因此压电晶体片相当于一只平行板电容器，如图1所示。 图1 压电晶体内部等效图

其电容量为 d A C a ε= 晶体片上产生的电压量与作用力的关系为 t F A d d F A d d C q e a a ωεεsin 3333=== 式中：ε为压电晶体的介电常数；A 为晶体片(构成极板)的面积；d 为晶体片的厚度；d33为压电系数；F 为沿晶轴施加的力。 压电式加速度计的晶体片确定后，d33、d 、￡、A 都是常数，则晶体片上产生的电压量与作用力成正比。 测量时，当加速度计受振动时，传感器与试件固定在一起感受相同频率的振动，质量块便有正比于加速度的交变力作用在晶片上，由于压电效应，它的2个表面上就会产生交变电荷(电压)。而此交变电荷(电压)又与作用力成正比，因此交变电荷(电压)与试件的加速度成正比。这就是压电式加速度计能够将振动加速度转变成为电量进行测振的原理。 设计所需元器件 振动台、压电传感器、检波、移相、低通滤波器模板、压电式传感器实验模板。双踪示波器。 设计的测量电路图

检测技术第6章部分练习答案

第六章压电传感器思考题与习题答案1．单项选择题 1）将超声波（机械振动波）转换成电信号是利用压电材料的___C___；蜂鸣器中发出“嘀……嘀……”声的压电片发声原理是利用压电材料的___D___。 A. 应变效应 B. 电涡流效应 C.压电效应 D. 逆压电效应 2）在实验室作检验标准用的压电仪表应采用___D___压电材料；能制成薄膜，粘贴在一个微小探头上、用于测量人的脉搏的压电材料应采用___C___；用在压电加速度传感器中测量振动的压电材料应采用__B____。 A. PTC B. PZT C .PVDF D. SiO2 3）使用压电陶瓷制作的力或压力传感器可测量___C___。 A. 人的体重 B. 车刀的压紧力 C. 车刀在切削时感受到的切削力的变化量 D. 自来水管中的水的压力 4）动态力传感器中，两片压电片多采用___B___接法，可增大输出电荷量；在电子打火机和煤气灶点火装置中，多片压电片采用___A___接法，可使输出电压达上万伏，从而产生电火花。 A. 串联 B.并联 C. 既串联又并联 5）测量人的脉搏应采用灵敏度K约为___A___的PVDF压电传感器；在家用电器（已包装）做跌落试验，以检查是否符合国标准时，应采用灵敏度K为___B___的压电传感器。 A. 10V/g B. 100mV/g C. 0.001mV/g 6）PZT是利用____B____的原理工作的，它是用____H____材料制作的；上网查阅GMM，是利用___A____的原理工作的，它是用____E____材料制作的。 A.超磁致伸缩效应 B.压电效应 C. 逆压电效应 D.热敏效应 E.稀土铁磁合金 F. 含镍铁磁合金 G. 高分子 H. 压电陶瓷 2．用压电式加速度计及电荷放大器测量振动加速度，若传感器的灵敏度为70pC/g（g为重力加速度），电荷放大器灵敏度为10mV/pC，试确定输入3g（平均值）加速度时，电荷放大器的输出电U（平均值，不考虑正负号）为____B____mV。 压o 并计算此时该电荷放大器的反馈电容C f 为___D____pF。 A. 441 B. 2100 C. 2.1 D. 100 3．用压电式单向脉动力传感器测量一正弦变化的力，压电元件用两片压电陶瓷并联，压电常数为200?10-12C/N，电荷放大器的反馈电容C f=2000pF，测得输出电压u o=5sinωt（V）。求：1）该压电传感器产生的总电荷Q（峰值）为____A，10000____pC。 2）此时作用在其上的正弦脉动力（瞬时值）为____D，50____N。 A. 10000 B. 400 C. 200 D. 50 1

习题参考答案6-压电式传感器word版本

习题参考答案6-压电 式传感器

习题6 六、压电式传感器 （一） 习 题 6-1. 以钛酸钡为例，在y 轴受到1N/m 2的切应力。试求出在各方向产生的电荷密度。 答： 12111121314151632212223242526433132333435 3656T T d d d d d d T d d d d d d T d d d d d d T T σσσ???? ????????????=????????????????????????＝15243132330000000000000000010d d d d d ???????????????????????????? 其中1212 121212 00 0025010000025010007810781019010000ij d -----???????=???????-?-???? 12122111112213314415516615525010125010d T d T d T d T d T d T d T C m σ--∴=+++++==??=? 22112222332442552660d T d T d T d T d T d T σ=+++++= 33113223333443553660d T d T d T d T d T d T σ=+++++= 即在x ，y ，z 轴面上产生的电荷密度分别为250×10-12C/m 2，0，0。 6-2 已知电压前置放大器输入电阻及总电容分别为R i ＝1MΩ，C i ＝100pF ，求与压电加速度计相配测量1Hz 的振动时幅值误差为多大？

项目六压电式传感器

班级：日期：年月日编号： Δ复习上节课内容：（略） Δ概述

1880年著名物理学家比埃尔?居里发现了晶体的压电效应，但压电效应的定量数据的获得，是严济慈深入研究并精确测量给出的。 压电传感器的工作原理是基于某些电介质材料的压电效应，是典型的有源传感器。当介质材料受力作用而变形时，其表面会产生电荷，由此而实现非电量测量。压电传感器体积小，重量轻，工作频带宽，是一种力敏传感器件，它可测量各种动态力，也可测量最终能变换为力的那些非电物理量，如压力、加速度、机械冲击与振动等。 一、基本工作原理 （一）、压电效应 某些电介质，当沿着一定方向对其施加力而使其变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上会产生异号电荷，当外力消失后，又重新恢复到不带电状态，这种现象称为压电效应。当作用力的方向改变时，电荷极性也随之改变。当在电介质极化方向施加电场，这些电介质也会发生变形，这种现象称为逆压电效应（或电致伸缩效应）。压电式力传感器都是利用压电材料的正压电效应。 （二）、压电材料 自然界中的大多数晶体具有压电效应，但压电效应十分明显的并不多。天然形成的石英晶体、人工制造的压电陶瓷、锆钛酸铅、钛酸钡等材料是压电效应性能优良的压电材料。 1. 石英晶体 天然石英(SiO2)晶体如图所示，它是一个正六面体，在它上面有三个坐标轴。石英晶体中间棱柱断面的下半部分，其断面为正六面形。z轴是晶体的对称轴，称它为光轴。在该轴方向没有压电效应，x轴称为电轴，垂直于x轴晶面上的压电效应最显著；y轴称为机械轴，在电场的作用下，沿此轴方向的机械变形最显著。如果从石英晶体上切割出一个平行六面体，如图所示，称为压电晶片，在垂直于光轴的力（Fy或Fx）作用下，晶体会发生极化现象，并且其极化矢量是沿着电轴(x轴)。即电荷出现在垂直于电轴(x轴)的平面上。 在沿着电轴x方向力的作用下，产生电荷的现象称为纵向压电效应；而把沿机械轴 y方向力的作用下，产生电荷的现象称为横向压电效应。当沿光轴z 方向受力时，晶体不会产生压电效应。在压电晶片上，产生电荷的极性与受力的方向有关系。上图给出了电荷极性与受力方向的关系。若沿晶片的x轴施加压力Fx，则在加压的两表面上分别出现正负电荷，如图（a）所示。若沿晶片的y轴施加压力Fy时，则在加压的表面上不出现电荷，电荷仍出现在垂直x轴的表面上，只是电荷的极性相反，如图（c）所示。若将x 、y轴方向施加的压力改为拉力，则产生电荷的位置不变，只是电荷的极性相反。如图（b）、（d）所示。值得注意的是纵向(x方向)压电效应与元件尺寸无关，而横向(y方向)压电效应与元件尺寸有关。 2. 压电陶瓷 与石英晶体不同，压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料，属于铁电体一类的物质。需要受到极化后才具有压电效应。 压电陶瓷内部的晶体有有一定的极化方向，从而存在一定电场。在无外电场作用时，原始的压电陶瓷内极化强度为零，呈电中性，不具有压电特性。在陶瓷上施加外电场时，材料得到极化。外电场越强，就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。当外电场去掉时，剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性。 极化处理后陶瓷材料内部存在有很强的剩余极化，当陶瓷材料受到外力作用时。电畴的界