第五章压电式传感器
5.1 何谓压电效应?何谓纵向压电效应和横向压电效应?
5.2 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。
5.3 试述石英晶片切型(yxlt +50o/45o)的含意。
5.4 为了提高压电式传感器的灵敏度,设计中常采用双晶片组合,试说明其组合的方式和适用场合。
5.5 原理上,压电式传感器不能用于静态测量,但实际中,压电式传感器可能用来测量准静态量,为什么?
5.6 简述压电式传感器前置放大器的作用?两种形式各自的优缺点及如何合理选择回路参数?
5.7 已知ZK-2型阻抗变换器的输入阻抗为2000MW,测量回路的总电容为1000pF。试求:当与压电加速度计相配，用来测量1HZ的低频振动时产生的幅值误差。
5.8 试证明压电加速度传感器动态幅值误差表达式:高频段:δH =[A(wn)-1]%;低频段:δL=[A(w1)-1]%。若测量回路的总电容 C=1000pF,总电阻R=500MW,传感器机械系统固有频率f n=30kHZ,相对阻尼系数ε=0.5,求幅值误差在2%以内的使用频率范围。
5.9 试选择合适的传感器:(1)现有激磁频率为2.5kHZ的差动变压器式测振传感器和固有频率为50HZ的磁电式测振传感器各一只,欲测频率为400～500HZ的振动,应选哪一种?为什么?(2)有两只压电式加速度传感器,固有频率分别为30HZ
和50HZ,阻尼比均为0.5,欲测频率为15HZ的振动,应选哪一只?为什么?
5.10 一只压电式压力传感器灵敏度为9pC/bar,将它接入增益调到0.005V/pC的电荷放大器,放大器的输出又接到灵敏度为20mm/V的紫外线记录纸式记录仪上。
(1)试画出系统方框图;(2)计算系统总的灵敏度;(3)当压力变化35bar时,试计算记录纸上的偏移量。
压电式压力传感器原理及应用 解宝存 201120204038摘要： 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。本文主要讨论压电式压力传感器原理及压电式压力传感器的光纤传输技术应用在内弹道试验研究中的使用。 关键词：压电式传感器压力内弹道试验 压电式压力传感器（piezoelectric type pressure transducer） 1.0 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。 1.1 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=kSp 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。下面是采用石英晶片的膜片式压电压力传感器图。
压电式传感器的应用 一：概述 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。 压电式传感器是典型的有源传感器。当压电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，重量轻，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，宇航，军事等方面都得到了非常广泛的应用。本文就压电传感器的工作原理和应用做相关介绍。 二：基本原理 压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应。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。 三：应用原理 压电式传感器的应用原理就是利用压电材料的压电效应这个特性，即当有力作用在压电元件上时，传感器就有电荷输出。由于外力作用在压电材料上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，故需要测量回路具有无限大的输入阻抗，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。 压电元件作为压电式传感器的核心，在受外力作用时，其受力和变形方式大
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。
题目：压电式压力传感器的设计 姓名：刘福班级：3 学号：1003030321 专业：测控技术与仪器 目录 引言 第一章传感器基本原理 第二章传感器的基本要求 第三章传感器的结构设计 第四章传感器的参数计算 第五章测量电路信号处理电路 总结 参考文献
一、引言 此次压电式力传感器主要阐述了压电式力传感器的具体设计过程。 设计过程主要包括设计格式、设计要求及设计过程中有关压电式力传感器的设计，还有在整个设计过程中的有关计算、与传感器相连的测试电路。 本压电式传感器采用压缩型单项里传感器结构，利用纵向压电效应进行工作，在设计中压电材料采用石英晶体。由于安装中需施加预紧力，以保证该传感器的线性度良好，故留出一定的过载量，本设计中重点考虑了各部分的面积、刚度等参数，未讨论预紧力的选用范围，可能还存在一些其他因素，如安装误差等可以影响设计传感器的性能，属于正常范围内，使用中可忽略。 压电式传感器的设计，主要是让同学们了解传感器的设计过程，知道如何计算一些参数，如何设计尺寸，如何选择材料，把自己学到的知识熟练灵活的运用起来，活学活用，加深对传感器这门课程的认知。
第一章传感器基本原理 1、基本原理：压电效应 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。常见有以下几种压电效应模型（见图1） 图1 压电效应可分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,内部就产生电极化,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、面切变型5种形式。
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。
密级： NANCHANG UNIVERSITY 学士学位论文 THESIS OF BACHELOR （2009—2013年） 题目智能化压力传感器的设计 学院：环化学院系测控系 专业班级：测控技术与仪器093班 学生姓名：钟刚学号： 5801209114 指导教师：刘诚职称：讲师 起讫日期： 2013.3.15—2013.6.6 南昌大学 学士学位论文原创性申明 本人郑重申明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。
作者签名：日期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密□，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密□。 （请在以上相应方框内打“√”） 作者签名：日期： 导师签名：日期：
传感器及转换器形成系统的“前端”，没有它，许多现代化的电子系统都无法正常工作。传感器已广泛的应用于工业控制系统和能源工业装置当中（如石油和天然气的生产、配电工业）。它们也是制造录音机和录像机这些原始设备产品的重要内在组成部分。大多数这些数字电子系统之所以具有普遍性和强大优势是得益于传感器广泛应用于这些电子电路中。 本课题将深入研究智能压力传感器系统理论及其在压力测试方面的应用，对新型智能压力传感器系统的智能化功能、智能化软件和硬件配置进行全面的设计。提出了一种差动电容式传感器的前置电路,基于电容/ 电压转换的原理,对微小电容变化量进行测量。电路输出的直流电压与差动电容变化量成线性关系,且能对偏差电容和电路的漂移进行自动补偿。 完善智能化软件，实现温度补偿、自动校准、总线数字通讯、自动增益控制等多种智能化特性，使智能化程度尽可能的提高。 关键词：传感器；压力；智能化。
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，
传感器原理及工程应用设计
传感器原理及工程应用设计（论文） 压电传感器在动平衡测量系统中的设计与应用 学生姓名：李梦娇 学号：20094073231 所在学院：信息技术学院 专业：电气工程及其自动化（2）班 中国·大庆 2011年12月
摘要 传感器是动平衡测量系统中的重要元件之一, 是一种将不平衡量产生的振动信号不失真地转变成电信号的装置。利用压电式力传感器作为动平衡测量系统中的敏感元件来测量不平衡质量引起的振动。重点阐述了该压电式力传感器的结构设计、安装位置设计及振动信号检测中的关键问题。同时, 详细分析了该传感器的信号调理电路特点。现场实验结果表明, 设计的压电式力传感器在动平衡测量中的性能良好。动平衡处理是旋转部件必须采取的工艺措施之一, 以单片机为核心的动平衡测量系统将逐步取代常规动平衡仪。 关键词：动平衡振动信号压电式力传感器调理电路测量系统单片机
ABSTRACT As one of the important elements in the dynamic balancing measurement system, transducer is the device that converts the vibration signal caused by the mi balance into electrical signal without distortion. The piezoelectric pressure transducer is app lied to dynamic balancing measurement system formeasuring the vibration caused by mi balanced mass. The structure design and the installation location of the piezoelectric force transducer and the critical issues in vibration signal detection are expounded. The characteristics of the signal conditioning circuit of this transducer are analyzed in detail. The experimental results show that the performance of the piezoelectric pressure transducer offers excellent performance in dynamic balancing measurement. The dynamic equilibration measurement is one of the main technological steps to betaken for all the swiveling part s. T he conventional dynamic equilibration measurement system is being replaced by a new o ne based on a monolithic computer. Keyword:dynamic balance vibration signal Piezoelectric force transducer Conditioning circuit Measurement system Monolithic computer
自动检测换技术 相关知识： 电感式传感器的概述； 电感式传感器的基本工作原理； 电感式传感器的测量转换电路； 典型事例； 电感式传感器的应用领域；
电感式传感器 电感式传感器是一种利用线圈自感或互感的变化来实现测量的一种传感器装置，常用来测量位移、振动、力、应变、流量、加速度等物理量。 电感式传感器是基于电磁感应原理来进行测量的。 电感式传感器的分类 自感型——变磁阻式传感器； 互感型——差动变压器式传感器； 涡流式传感器——自感型和互感型都有； 高频反射式——自感型； 低频透射式——互感型电感式传感器； 电感式传感器的概述： 由铁心和线圈构成的将直线或角位移的变化转换为线圈电感量变化的传感器，又称电感式位移传感器。这种传感器的线圈匝数和材料导磁系数都是一定的，其电感量的变化是由于位移输入量导致线圈磁路的几何尺寸变化而引起的。当把线圈接入测量电路并接通激励电源时，就可获得正比于位移输入量的电压或电流输出。常用电感式传感器有变间隙型、变面积型和螺管插铁型。在实际应用中，这三种传感器多制成差动式，以便提高线性度和减小电磁吸力所造成的附加误差。 为什么电感式传感器，一般采用差动形式？
采用差动式结构：1、可以改善非线性、提高灵敏度，提高了测量的准确性。2、电源电压、频率的波动及温度变化等外界影响也有补偿作用，作用在衔铁上的电磁力，由于是两个线圈磁通产生的电磁力之差，所以对电磁吸力有一定的补偿作用，提高抗干扰性。 目录 1 简介 2 特点 3 种类
电感式传感器- 简介 由铁心和线圈构成的将直线或角位移的变化转换为线圈电感量变化的传感器，又称电感式位移传感器。这种传感器的线圈匝数和材料导磁系数都是一定的，其电感量的变化是由于位移输入量导致线圈磁路的几何尺寸变化而引起的。当把线圈接入测量电路并接通激励电源时，就可获得正比于位移输入量的电压或电流输出。 电感式传感器- 特点 ①无活动触点、可靠度高、寿命长； ②分辨率高； ③灵敏度高； ④线性度高、重复性好； ⑤测量范围宽（测量范围大时分辨率低）； ⑥无输入时有零位输出电压，引起测量误差； ⑦对激励电源的频率和幅值稳定性要求较高； ⑧不适用于高频动态测量。电感式传感器主要用于位移测量和可以转换成位移变化的机械量（如力、张力、压力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位、比重、转矩等）的测量。 电感式传感器- 种类 常用电感式传感器有变间隙型、变面积型和螺管插铁型。在实际应用中，这三种传感器多制成差动式，以便提高线性度和减小电磁吸
压电传感器的应用 摘要：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。传感器的种类非常广泛，其中压电传感器是基于材料的压电效应而制成的器件，其有较长的发展历史。压电材料的种类由最初的压电晶体发展到压电陶瓷、进而发展到压电聚合物及其复合材料。随着物理学、材料科学与各个学科的交叉发展，压电材料被用以研制成了多种用途的传感器，被广泛应用于工程技术各领域，在测量技术中被用来测量力和加速度。 Abstract:Sensor is the main ways and means to obtain information in the field of natural and production . In modern industrial production, especially automated production process, useing a variety of sensors to monitor and control the production process of various parameters,which enable the device to work in a normal state or the best condition, and to achieve the best quality products. Types of sensors is very broad, of which the piezoelectric sensor is based on the piezoelectric effect devices made of material which has a long history of development. Types of piezoelectric material from the initial development of the piezoelectric ceramic piezoelectric crystal, and thus the development of piezoelectric polymers and their composites. With the development of cross-physics, materials science and various disciplines, piezoelectric materials are used for research into a variety of uses sensors are widely used in various
压电式测力传感器的原理及应用 摘要：伴随着电子工程、机械工程、物理学及生物学的发展和需求，传感器微电子技术也逐步的成熟起来，成为一个独立的，设计生物、物理、化学、材料、工程学等领域的新学科。它也将延伸到我们生活的各行各业、方方面面。由于传感器技术的空前发展，其应用领域也不断深入，人们对这方面知识的需求愈显迫切，各种特性，功能各异的传感器也应运而生，例如生物传感器，红外传感器，压电式传感器……，对于这形色功能各异的传感器我们怎样去认识、熟悉它也是一个需要解决的难题，本文将带领我们进入这个新奇的世界，…… 关键词：微电子技术，传感器，压电式测力传感器 1引言：生活中的声控开关、商场中的智能大门、时下正热的红外遥感技术，对这一切就 时时刻刻发生我们身边和应用到我们生活中的随口拖出的“神秘”东西，对于这些智能的生活用具到底怎样工作的呢？在这之中我们不得不提到一个重要的幕后操纵者——传感器，什么是传感器，传感器的工作原理及其性能是什么，……，本文将通过介绍传感器中的一种压电式传感器带领我们进入这个神秘的世界，并通过实例的解析去认识它 2 传感器的综述 2.1 传感器的专业术语及系统介绍 传感器：（广义）凡能外界信息并按一定规律转换成便于测量和控制的信息的装置；（狭义）只有将外界信息按一定规律转换成电量的装置。 传感器的总特性：主要指传感器以及被测对象和后接仪器组成的测量系统的输入和输出的匹配、传感器的机械特性以及其工作特性。 静态特性：表示传感器在被测量各值处于稳定状态时的输入-输出的关系，其指标是灵敏度、线性度、稳定度迟滞等。 动态特性：指输入随时间变化的特性，它表示传感器对随时间变化的输入量的响应特性。它取决于传感器本身，另外与被测量的形式有关。 传感器的组成：通常，传感器由敏感元件，传感元件和其他辅助件组成，又是也将信号调节与转换电路、辅助电源作为传感器的组成部分。如下图： 敏感元件：直接感受被测量（一般为非电量），并输出与被测量成确定关系的其他量（一般为电量）的元件。如应变式压力传感器的弹性膜片、热电偶等都为敏感元件。 传感元件：又称变换器，它一般情况下不直接感受被测量，而是将敏感元件的输出量转换为电量输出的元件。如应变式传感器中的应变片等。 信号调节与辅助电路：能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理和控制的有
方案一压电传感器 压电传感器是一种典型的有源传感器，又称自发电式传感器。其工作原理是基于某些材料受力后在其相应的特定表面产生电荷的压电效应。 压电传感器体积小、重量轻、结构简单、工作可靠，适用于动态力学量的测量，不适合测频率太低的被测量，更不能测静态量。目前多用于加速度和动态力或压力的测量。压电器件的弱点：高内阻、小功率。功率小，输出的能量微弱，电缆的分布电容及噪声干扰影响输出特性，这对外接电路要求很高。 方案二电容式传感器 电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容变化的一种传感器。它有结构简单、灵敏度高、动态响应好、可实现非接触测量、具有平均效应等优点。电容传感器可用来检测压力、力、位移以及振动学非电参量。 电容传感器的基本工作原理可用最普通的平行极板电容器来说明。两块相互平行的金属极板，当不考虑其边缘效应（两个极板边缘处的电力线分布不均匀引起电容量的变化）时，其电容量为 （） 式（）中 d——两极板间的距离； A——两平行极板相互覆盖的有效面积； ε——介质的相对介电常数； r ε——真空中介电常数。 o ε三个参量中任一个发生变化，都会引起电容量的变化，若被测量的变化使式中d、A、 r 通过测量电路就可转换为电量输出。 虽然电容式传感器有结构简单和良好动态特性等诸多优点，但也有不利因素： （1）小功率、高阻抗。受几何尺寸限制，电容传感器的电容量都很小，一般仅几皮法 X=1/ωC很大，为高阻抗元件，负载能力差；又因其视在至几十皮法。因C太小，故容抗 C uωC ，C很小，则P也很小。故易受外界干扰，信号需经放大，并采取抗干扰措功率P=2 o 施。 （2）初始电容小，电缆电容、线路的杂散电路所构成的寄生电容影响很大。 方案三电阻应变式传感器 电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将各种力学量转换为电信号的结构型传感器。电阻应变片式电阻应变式传感器的核心元件，其工作原理是基于材料的电阻应变效应，电阻应变片即可单独作为传感器使用，又能作为敏感元件结合弹性元件构成力学量传感器。 导体的电阻随着机械变形而发生变化的现象叫做电阻应变效应。电阻应变片把机械应变信号转换为△R/R后，由于应变量及相应电阻变化一般都很微小，难以直接精确测量，且不
压电式力传感器 学生学号 学生姓名 专业班级 指导教师 起止日期
设计目的：
目录5力传感器 5.3压电式力传感器 5.3.1压电式传感器工作原理 5.3.2压电式传感器测量电路 5.3.3压电式传感器的结构 5.3.4压电式传感器的应用
5.3.1压电式传感器工作原理 1.压电效应 （1）正压电效应 （2）逆压电效应 利用逆压电效应可制成多种超声波发生器和压电扬声器。 如图所示是压电效应的示意图。 2.压电材料的分类及特性 压电式传感器中的压电元件材料一般有三类：一类是压电晶体（单晶体）；另一类是经过极化处理的压电陶瓷（多晶体）；第三类是高分子压电材料。 （1）石英晶体 （2）水溶性压电晶体 （3）铌酸锂晶体 （4）压电陶瓷 1）钛酸钡压电陶瓷 2)锆钛酸铅系压电陶瓷 3)铌酸盐系压电陶瓷 （5）压电半导体 （6）高分子压电材料 3.压电元件常用的结构形式 在压电传感器中，常用两片或多片组合在一起使用。如图所示。
在以上两种连接方式中，并联法输出电荷大，本身电容大，因此时间常数也大，适用于测量缓变信号，并以电荷量作为输出的场合。串联法输出电压高，本身电容小，适用于以电压作为输出量以及测量电路输入阻抗很高的场合。 4.压电材料的选择 （1）具有较大的压电常数。 （2）压电元件的机械强度高、刚度大并具有较高的固有振动频率。 （3）具有高的电阻率和较大的介电常数，以期减少电荷的泄露以及外部分布电容的影响，获得良好的低频特性。 （4）具有较高的居里点。。 （5）压电材料的压电特性不随时间蜕变，有较好的时间稳定性。 5.3.2压电式传感器测量电路 1.压电式传感器的等效电路 压电式传感器在受外力作用时，在两个电极表面将要聚集电荷，且电荷相等，极性相反。这时它相当于一个以压电材料为电介质的电容器，其电容量为： 因此，可以把压电式传感器等效成一个与电容相并联的电荷源，如图a所示，也可以等效成一个电压源，如图b所示。 压电式传感器与测量仪表连接，还必须考虑电缆电容Cc，放大器的输入电阻Ri 和输入电容Ci以及传感器的泄露电阻Ra。如图所示压电式传感器完整的等效电路。
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 =，d 11=×1012C/N 等效电容 36120101010205.41085.8---?????= = d S C r a εε =×1014 (F) 受力F 产生电荷 Q=d 11F=×1012×200=462×102(C)=462pC 输出电压 ()V C Q U a a 3 14 1210796.51097.710462?=??==-- （2）利用纵向效应的BaTiO 3，εr =1900，d 33=191×1012C/N 等效电容 361201010102019001085.8---?????= = d S C r a εε =×10-12(F)=(pF) 受力F 产生电荷 Q=d 33F=191×1012×200=38200×1012 (C)=×108C 输出电压 ()V C Q U a a 312 8 10137.1106.331082.3?=??==-- 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1MΩ和并联电容为50pF ，求：
本文档根据老师最后一次课上课时所说的相关内容并根据我自己的个人情况简要整理，相对简洁，和大家分享一下。考虑到老师说的内容和考试内容相比，可能不够完整；而且个人水平有限，不可能把握的很准确，所以只是参考而已。。。建议大家根据自己的理解补充完善~ 第一章：传感器概论 1、传感器的定义：传感器（或敏感元件）基于一定的变换原理/规律将被测量（主要是非电量的测量，可采用非电量电测技术）转换成电量信号。变换原理/规律涉及到物理、化学、生物学、材料学等学科。 2、传感器的组成：传感器一般由敏感元件（将非电量变成某一中间量）、转换元件（将中间量转换成电量）、测量电路（将转换元件输出的电量变换成可直接利用的电信号）三部分组成，有的传感器还需加上辅助电源。 3、传感器的分类 按变换原理分类——>利用不同的效应构成物理型、化学型、生物型等传感器。 按构成原理分类： 结构型：依靠机械结构参数变化来实现变换。 物性型：利用材料本身的物理性质来实现变换。 按输入量的不同分类——>温度、压力、位移、流量、速度等传感器 按变换工作原理分类: 电路参数型:电阻型、电容型、电感型传感器 按参电量如：Q（电量）、I、U、E 等分类:磁电型、热电型、压电型、霍尔型、光电式传感器 4、传感器技术的发展动向： 教材表述：发现新现象、开发新材料、采用微细加工技术、研制多功能集成传感器、智能化传感器、新一代航天传感器、仿生传感器 老师表述：微型化、集成化、廉价。 第二章：传感器的一般特性 1、静态特性 检测系统的四种典型静态特性 线性度：传感器的输出与输入之间的线性程度。传感器的理想输出-输入特性是线性的。 灵敏度：系统在静态工作的条件下，其单位输入所产生的输出，实为拟合曲线上某点的斜率。 即S N=输入量的变化/输出量的变化=dy/dx 迟滞性：特性表明传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程期间输出-输入特性曲线不重合的程度。 （产生的原因：传感器机械部分存在的不可避免的缺陷。） 重复性：重复性表示传感器在输入量按同一方向作全量程多次测量时所得特性曲线不一致程度。曲线的重复性好，误差也小。产生的原因与迟滞性类似。 精确度. 测量范围和量程. 零漂和温漂. 2、动态特性：（传感器对激励（输入）的响应（输出）特性） 动态误差：输出信号不与输入信号具有完全相同的时间函数，它们之间的差异。包括：稳态动态误差、暂态动态误差
设计任务书 一、题目：压电式力传感器的设计 二、设计要求： 1.小型低频的单向力传感器 2.最大测力为400千克 3.压电材料采用石英晶体 三、设计成果要求： 1.设计说明书一份 2.设计参数合理，设计步骤完整。结果标准，论述充分，思路清楚，有条理， 给出相应的参考文献。
设计摘要 此次压电式力传感器设计说明书是按照长春理工大学材料科学与工程学院2010年教学计划的要求设计编写的，其中主要阐述了压电式力传感器的具体设计过程。 设计过程主要包括设计格式、设计要求及设计过程中有关压电式力传感器的设计，还有在整个设计过程中的有关计算、与传感器相连的测试电路。 本压电式传感器采用压缩型单项里传感器结构，利用纵向压电效应进行工作，在设计中压电材料采用石英晶体。由于安装中需施加预紧力，以保证该传感器的线性度良好，故留出一定的过载量，本设计中重点考虑了各部分的面积、刚度等参数，未讨论预紧力的选用范围，可能还存在一些其他因素，如安装误差等可以影响设计传感器的性能，属于正常范围内，使用中可忽略。
目录 引言 (1) 第一章传感器的结构设计 (2) 第二章传感器的参数计算 (3) 第三章测量电路 (6) 总结 (7) 参考文献 (8)
引言 压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业，在工业中有着不可少的作用。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。 传感器原理与应用作为一门课程，我们在认真学好理论课程的同时，还要与实际结合起来，只有这样才能对压电式传感器的使用有更好的理解。 通过对传感器的设计来加深对理论课程的理解，这是学院要求我们进行课程设计的目的。做到理论联系实际，从而学会正确分析传感器使用过程中出现的问题，不断总结经验，进而用来来指导实践，这样我们才能将学好的知识得到很好的应用。也为我们日后再该领域的进一步研究打下坚实的基础。
《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。
实验指导书 屋电式屋力传成孝的静态标走 ＞实验目的: 1、熟悉记忆示波器和电荷放大器使用方法; 2、用活塞式压力计标定传感器的电荷灵敏度系数; 二.实验所涉及的一些基本原理: 1＞理想数学模型: 准静态载荷（输入信号特征频率远低于传感器固有频率）：输入（压力）和输出（电荷）近似成线性关系（石英压力传感器的线性度较好）； 动态载荷（输入信号特征频率接近其至高于传感器固有频率）：二阶线性系统模型。 2.真实情况和数学模型之间的偏差: 电荷泄漏：理想模型认为传感器绝缘电阻为无穷大，而真实传感器的绝缘电阻并非无穷大（石英晶体:压电陶瓷:1O'?Q）,必将导致一定程度的电荷泄漏；另一方面，电荷放大器为了对传感器的微弱信号进行放大，必然要从传感器中取一定电流，从而增加了传感器电荷的泄漏。所以通常的电荷放大器的输入级都具有极高的输入阻抗，并要求设备防潮，以避免由于受潮带来的阻抗下降。 但是，山于外加压力而产生的电荷量很少，即使少量的电荷泄漏也会对输出信号造成明显的影响，该影响不可忽略。 电荷放大器的频率响应：对于静标试验，输入载荷的特征频率很低，故对二次仪表（电荷放大器）的低频响应有较高的要求，否则经过二次仪表的高通滤波, 信号将会失真?因此，电荷放大器做定标时，要将下限频率调到较低的数值。 噪声J山于本实验釆用的传感器量程很大＜100 bar ~ 300 bar）r而实际载 荷只有数个大气压，必然导致得到的信号信噪比较低。但实验表明，以如此小的压力加载，输出信号的噪声幅值依然较小，可以接受。
三.测试仪器设备 1记忆示波器1台(TDS210)； 2电荷放大器YE5850 -台; 3活塞式压力计1台; 4石英压力传感器CY-YD-205 1只。 三.实验要求: L熟悉记忆示波器，看清各个调节旋钮的位置■对照说明书了解: (1)调节电压量程、时间量程方法; (2)触发方式、触发电平，触发位置等的设置方法; (3)用光标读取电压、时间值的方法; (4)用TDS-210数据处理程序采集数据的方法。 以上方法的要点将在下面的实验步骤中说明. 2熟悉电荷放大器，看清面板上各种按钮的位置 (1)灵敬度设置、输出设置方法; (2)下限、上限频率设置方法。 以上方法的要点将在下面的试验步骤中说明。