第五章压电式传感器答案

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?

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。

传感器的课件,哈工大版

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” 。

传感器的课件,哈工大版

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

传感器的课件,哈工大版

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,

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

第3章 压电式传感器 §3.1 压电效应及材料

§3.1.1 压电效应 §3.1.2 压电材料

§3.1.2.1 压电晶体 §3.1.2.2 压电陶瓷

§3.1.2.3 新型压电材料 §3.1.3 压电振子

§3.2 压电传感器等效电路和测量电路

§3.2.1 等效电路 §3.2.2 测量电路

§3.2.2.1 电压放大器 §3.2.2.2 电荷放大器 §3.2.2.3 谐振电路

§3.3 压电式传感器及其应用

§3.3.1 压电式加速度传感器

§3.3.1.1 结构类型

§3.3.1.2压电加速度传感器动态特性 §3.3.2 压电式力传感器 §3.3.3压电角速度陀螺 §3.4 声波传感技术

§3.4.1 SAW 传感器

§3.4.1.l SAW传感器特点

§3.4.1.2 SAW传感器的结构与工作原理§3.4.1.3 SAW振荡器 §3.4.2 超声检测

§3.4.2.1 超声检测的物理基础 §3.4.2.2 超声波探头

§3.4.2.3 超声波检测技术的应用

思考题

1

第3章 压电式传感器

压电式传感器是一种能量转换型传感器。它既可以将机械能转换为电能，又可以将电能转化为机械能。压电式传感器是以具有压电效应的压

第3章 压电式传感器 §3.1 压电效应及材料

§3.1.1 压电效应 §3.1.2 压电材料

§3.1.2.1 压电晶体 §3.1.2.2 压电陶瓷

§3.1.2.3 新型压电材料 §3.1.3 压电振子

§3.2 压电传感器等效电路和测量电路

§3.2.1 等效电路 §3.2.2 测量电路

§3.2.2.1 电压放大器 §3.2.2.2 电荷放大器 §3.2.2.3 谐振电路

§3.3 压电式传感器及其应用

§3.3.1 压电式加速度传感器

§3.3.1.1 结构类型

§3.3.1.2压电加速度传感器动态特性 §3.3.2 压电式力传感器 §3.3.3压电角速度陀螺 §3.4 声波传感技术

§3.4.1 SAW 传感器

§3.4.1.l SAW传感器特点

§3.4.1.2 SAW传感器的结构与工作原理§3.4.1.3 SAW振荡器 §3.4.2 超声检测

§3.4.2.1 超声检测的物理基础 §3.4.2.2 超声波探头

§3.4.2.3 超声波检测技术的应用

思考题

1

第3章 压电式传感器

压电式传感器是一种能量转换型传感器。它既可以将机械能转换为电能，又可以将电能转化为机械能。压电式传感器是以具有压电效应的压

课后习题参考答案

第5章 电容式传感器（P99）

5-3 图5—7为电容式液位计测量原理图。请为该测量装置设计匹配的测量电路，要求输出电压U0与液位h之间呈线性关系。

Dd?Hh?1

1

课后习题参考答案

电容式液位变换器结构原理图

解：电容式液位计的电容值为：C?C0?2?h(?1??)2??H，其中C0?。 DD1n1ndd可见C与液面高度h呈线性关系。

可以看出，该结构不宜做成差动形式，所以不宜采用二极管双T形交流电桥，也不宜采用脉冲宽度调制电路。另外要求输出电压U0与液位h之间呈线性关系，所以不宜采用调频电路和运算放大器式电路,可以采用环形二极管充放电法，具体电路如图所示。

CxVD1AE2eBAVD2i1i4i2CCRDi3VD4E1T1T2VD3Cd

可将直流电流表改为直流电压表与负载电阻R的并联，R上的电压为U0，则有：

U0?RI?Rf?E(Cx?Cd)，其中，Cx为电容式液位计的电容值，f为方波的频率，ΔE=E2-E1为方

波的幅值，Cd为平衡电容传感器初始电容的调零电容。当h=0时调节Cd?C0?2??H，则输出电压U0D1nd与液位h之间呈线性关系。

2

课后习题参考答案

5-5 题5-5图为电容式传感器的双T电桥测量电

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：