压电谐振式传感器

第九章 谐振式传感器 谐振式传感器是直接将被测量变化转换为物体谐振频率 变化的装置。 变化的装置。 14b8547501f69e31433294c1
优点：由于其输出为频率信号，故具有高精度、 优点：由于其输出为频率信号，故具有高精度、 高分辨力、高抗干扰能力、适于长距离传输、 高分辨力、高抗干扰能力、适于长距离传输、能 直接与数字设备相连接等优点， 直接与数字设备相连接等优点，又因无活动部件 而具有高稳定性和高可靠性。 而具有高稳定性和高可靠性。 缺点：要求材料质量较高，加工复杂、成本高， 缺点：要求材料质量较高，加工复杂、成本高， 并且输出频率与被测量往往是非线性关系， 并且输出频率与被测量往往是非线性关系，需要 进行线性化处理。 进行线性化处理。 14b8547501f69e31433294c1
第一节 原理与类型 一、基本原理 振子即机械振动系统的谐振频率f可近似用下式表示： 振子即机械振动系统的谐振频率 可近似用下式表示： 可近似用下式表示
1 f = 2π
k me
式中： 式中： k
振子材料的刚度 振子的等效振动质量
me
有关， 上式表示振子的谐振频率 f 与其刚度 k 和等效振动质量me有关， 那么， 设其初始谐振频率为 f 0 。那么

第五章 压电式传感器

本章主要内容：

压电式传感器的工作原理是基于某些电介质材料的压电材料，它是典型的有源传感器。本章介绍压电式传感器的工作原理、着重是压电晶体和压电陶瓷两类压电材料；讨论压电式传感器的等效电路和测量电路。要求初步掌握压电式传感器的原理及应用。

第二讲 压电传感器的等效电路及测量应用

教学目的要求：1.掌握压电元件的等效电路和测量电路； 2.了解压电传感器的基本应用。 教学重点：压电元件的等效电路和测量电路 教学难点：压电传感器的应用 教学学时：共2学时 教学内容：

一、压电式传感器的等效电路

等效电路：

1）压电元件等效为一个电荷源与一个电容并联的电荷等效电路，如图5-4（a）所示。电容器上的电压Ua，电荷量Q和电容Ca三者关系为

Ua?Q Ca2）压电元件也可以等效为一个电压源和一个电容串联表示的电压等效电路，如图5-4（b）所示。

Ca

Q UaUaUoCa

(b) 电压等效电路 （a）电荷等效电路

图5-4压电式传感器的等效电路

二、 压电式传感器的测

第五章 压电式传感器

本章主要内容：

压电式传感器的工作原理是基于某些电介质材料的压电材料，它是典型的有源传感器。本章介绍压电式传感器的工作原理、着重是压电晶体和压电陶瓷两类压电材料；讨论压电式传感器的等效电路和测量电路。要求初步掌握压电式传感器的原理及应用。

第二讲 压电传感器的等效电路及测量应用

教学目的要求：1.掌握压电元件的等效电路和测量电路； 2.了解压电传感器的基本应用。 教学重点：压电元件的等效电路和测量电路 教学难点：压电传感器的应用 教学学时：共2学时 教学内容：

一、压电式传感器的等效电路

等效电路：

1）压电元件等效为一个电荷源与一个电容并联的电荷等效电路，如图5-4（a）所示。电容器上的电压Ua，电荷量Q和电容Ca三者关系为

Ua?Q Ca2）压电元件也可以等效为一个电压源和一个电容串联表示的电压等效电路，如图5-4（b）所示。

Ca

Q UaUaUoCa

(b) 电压等效电路 （a）电荷等效电路

图5-4压电式传感器的等效电路

二、 压电式传感器的测

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。

压电式传感器应用设计报告

1.设计题目：压电式传感器测振动

2.设计要求：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。

3.设计中所使用的传感器的原理：

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。 其电容量为Ca A

d

晶体片上产生的电压量与作用力的关系为

ea ddddq 33F 33Fsin t Ca A A

式中： 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。 图1 压电晶体内部等效图 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

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。

压电式传感器应用设计报告

1.设计题目：压电式传感器测振动

2.设计要求：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。

3.设计中所使用的传感器的原理：

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。 其电容量为Ca A

d

晶体片上产生的电压量与作用力的关系为

ea ddddq 33F 33Fsin t Ca A A

式中： 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。 图1 压电晶体内部等效图 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

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

2

/g(g=9.8m/s度为重力加速度)，若使用中改用另一根长2.9m的电缆，其电容量为300pF，问电压灵敏度如何改变?

CaUaU0Cc压力加速度计等效电路例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dl1=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?

压电式力和力矩测量传感器

二、压电式力和力矩传感器

1) 压电式力和力矩传感器应用及分类

应用-测量动态力

大多数的力传感器内包含弹性元件，弹性元件在力的作用下会发生变形，通过弹簧的变形可以确定作用力的大小。为了获得较高的测量分辨力，要求弹性元件有足够大的弹性。然而，较大的弹性却限制了传感器的频率范围。同时由于力的作用，弹性元件的几何形状以及力臂关系均会发生变化。

为克服这一限制，奇石缘公司利用压电测量原理测量动态力。压电材料，比如石英，在力的作用下产生与所受力成比例的电荷：作用力越大，电荷越多。在压电式传感器中，石英既是弹性元件，同时也是测量换能器。

由于石英的刚性很高，力作用下的位移非常小，一般在几微米内。这种几乎无位移的测量，对于缓慢的准静态过程来说误差很小。对于快速过程的测量，由于石英的高刚度和与之关联的高固有频率，其优越性是其它任何原理无法比拟的。

石英晶体将测量（力、压力或加速度）直接转换成输出信号，这些信号理想线性、并且无滞后。石英传感器的其它优点为：小型、坚固、灵敏度高和测量范围非常宽。

奇石缘公司提供四类不同的压电式力传感器：

1)

2)

3)

4)

单向力传感器：

这类传感器一般为环状，由两个钢环和夹在中间的对压力敏感的石英晶片组成。

单向力传感器：

压电传感器

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。 A

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 B

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 D

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

压电传感器

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。 A

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 B

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 D

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

传感器的课件,哈工大版

第六章

压电式传感器

压电式传感器的工作原理是基于某些介质材 料(石英晶体和压电陶瓷)的压电效应。 是双向 传感器。实现力与电荷的双向转换。可测与力相关的物理量，如各种动态力、 机 械冲击与振动。 在声学、 医学、力学、宇航等 方面都得到了非常广泛的应用。 缺点是无静态输出，要求有很高的电输出 阻抗。需用低电容的低噪声电缆。

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第一节一、 压电效应

压电效应

某些电介质, 当沿着一定方向对其施力而使它变形时, 其内部就产生极化现象(内部正负电荷中心相对位 移), 同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷, 当外力去掉后, 其又重新恢复到不带电状态， 这种现 象称压电效应。当作用力方向改变时, 电荷的极性也随 之改变。 这种机械能转为电能的现象, 称为“正压电 效应” 。

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当在电介质极化方向施加电场, 这些电介质也会产 生变形, 这种现象称为“逆压电效应”(电致伸缩效

应)。可将电能转换为机械能。具有压电效应的材料称为压电材料, 压电材料能实现机—电能量的相互转 换。+ y _

压电效应

逆压电效应

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在自然界中大多数晶体具有压电效应, 但压电效应十分微弱。随着对材料的深入研究,