压电传感器原理及其应用

第一篇：压电传感器原理及其应用

压电传感器原理及其应用

摘要：压电式传感器，作为传感器的一种，它具有自己鲜明的特点。而且除了一些自然界中的晶体材料外，我们还有人工材料压电陶瓷。它们的应用也十分的广泛，在声学、医学、力学、宇航、振动测量、机械冲击都有不错的涉及。

关键字： 压电传感器

压电原理

应用

压电现象是100多年前居里兄弟研究石英时发现的。居里兄弟在研究热电性与晶体对称，发现正负电荷，而且电荷密度与压力大小成正比。居里兄弟所报道的这些晶体就有后来广为研究的铁电体酒石酸钾钠（罗息盐）。1881年，应用热力学原理预言了逆压电效应，即电场可以引起与之成正比的应变。很快这一预言被居了里兄弟用实验所证实了。自发现压电效应以来，这种类型的压电传感器就广泛应用于各个领域。经过多年的发展，压电传感器的材料、结构设计和工艺都有了很大的进步。而这些对改善传感器的性能起到了至关重要的作用。

一． 压电传感器的工作原理

1.压电原理

一些离子型晶体的电介质（如石英、酒石酸钾钠、钛酸钡等）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。即：在这些电介质的一定方向上施加机械力而产生变形时，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，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。

基于压电效应人们研究出一种可以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。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。2.压电材料

在自然界中，大多数的材料都具有压电效应，但是十分微弱。随着人们对压电材料的不断研究与发现，压电材料性能得以大大的提高。新型压电材料的研制成功极大地推动了压电传感器的进步。从最开始的石英到BaTi03压电陶瓷，错钦酸铅(PZT)压电陶瓷，再到压电聚合物如聚偏二氟乙烯(PVDF)等新型压电材料。单晶技术的进展培育了许多实用化的压电材料，薄膜工艺的进展为压电器件的平面化、集成化创造了条件。压电材料的这一系列进步为设计大量高性能的压电元件提供了技术保障。

二． 压电传感器的应用及发展

1.压电式测力传感器

压电式测力传感器是利用压电元件直接实现力-电转换的传感器，在拉、压场合，通常较多采用双片或多片石英晶体作为压电元件。其刚度大，测量范围宽，线性及稳定性高，动态特性好。当采用大时间常数的电荷放大器时，可测量准静态力。按测力状态分，有单向、双向和三向传感器，它们在结构上基本一样。例如压电式单向测力传感器。该传感器适用于机床动态切削力的测量。主体包括绝缘套.基座.电极.石英晶片.上盖。绝缘套用来绝缘和定位。基座内外底面对其中心线的垂直度、上盖及晶片、电极的上下底面的平行度与表面光洁度都有极严格的要求，否则会使横向灵敏度增加或使片子因应力集中而过早破碎。为提高绝缘阻抗，传感器装配前要经过多次净化（包括超声波清洗），然后在超净工作环境下进行装配，加盖之后用电子束封焊。2.压电式加速度传感器

压电式加速度传感器又称压电加速度计。它也属于惯性式传感器。它是利用某些物质如石英晶体的压电效应，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。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。

电荷输出压电加速度传感器，采用剪切和中心压缩结构形式。其原理利用压电晶体的电荷输出与所受的力成正比，而所受的力在敏感质量一定的情况下与加速度值成正比。在一定条件下，压电晶体受力后产生的电荷量与所感受到的加速度值成正比。

国内在压电加速度传感器方面的研究起步较晚，且结构设计和工艺水平落后于国外。目前国内压电传感器的主要结构是中心压缩型，较好的高冲击压电加速度传感器(中心压缩型)样机的主要技术指标为:最大冲击加速度100,000g，最高频响8kHz。在压电加速度传感器的研制方面，北戴河亿柏传感器技术研究所和西安204所做得较好。3.压电传感器用于报警装置

玻璃破碎报警装置它利用压电元件对振动敏感的特性来感知玻璃受撞击和破碎时产生的振动波。传感器把振动波转换成电压输出，输出电压经放大、滤波、比较等处理后提供给报警系统。玻璃破碎时会发出几千赫兹至几十千赫兹的振动，使用时将高分子压电薄膜传感器粘贴在玻璃上，感受这一振动，然后通过电缆和报警电路相连，将压电信号传送给集中报警系统。为了提高报警器的灵敏度，信号经放大后，再经带通滤波器进行滤波，要求它对选定的频谱通带的衰减要小，而频带外衰减要尽量大。玻璃振动的波长在音频和超声波的范围内，这就使滤波器成为电路中的关键。只有当传感器输出信号高于设定的阈值时，才会输出报警信号，驱动报警执行机构工作。玻璃破碎报警器可广泛用于文物保管、贵重商品保管及其他商品柜台保管等场合 4.压电陶瓷应用

压电陶瓷具有极高的灵敏度，压电高压发生器利用正压效应可以把振动转换成电能，还可以获得高电压输出。这种获得高电压的方法可以用来做引燃装置，如给汽车火花塞、煤气灶、打火机、炮弹的引爆压电雷管等点火。

压电传感器发展迅速，当今世界各国压力传感器的研究领域也十分广泛。归纳起来主要有以下几个趋势。（1）小型化。小型化会带来很多好处，重量轻、体积小、分辨率高，便于安装 在很小的地方对周围器件影响小，也利于微型仪器、仪表的配套使用。（2）集成化。压力传感器已经越 来越多的与其它测量用传感器集成以形成测量 和控制系统，集成系统在过 程控制和工厂自动化中可以提高操作速度和效率。（3）智能化。由于集成化的出现，在集成电 路中可添加一些微处理器，使得传 感器具有自动补偿、通讯、自诊断、逻辑判断等功能。（4）系统化。单一化产品在市场上没有大的竞争力。市场风云突变，一旦失去 市场，发展则停滞不前，经济效益差，资金浪费大，产品成本高。（5）标准化。传感器的设计与制造已经形成了一定的行业标准。如 IEC、ISO 国际标准，美国的 ANSIC、ANSC、MIL-T 和 ASTME 标准，日本 JIS 标准，法国 DIN 标准。

三、总结

压电式传感器，作为传感器的一种，它具有自己鲜明的特点。而且除了一些自然界中的晶体材料外，我们还有人工材料压电陶瓷。它们的应用也十分的广泛，在声学、医学、力学、宇航、振动测量、机械冲击都有不错的涉及。

但是，压电传感器在拥有众多优点的同时，也存在着许多缺点，展望今后的研究重点，可能会有以下几个方面：(1)从研究的成果来看，理论研究离工程实用还有一定的差距，工程实用化方面研究也相当薄弱，具体表现在理论及仿真研究较多，而实验验证相对较少，研究对象以简单的梁板结构较多，对复杂结构的研究还相当欠缺。(2)压电元件非线性特性的研究。由于压电材料的极化特性，压电系统只能在一定范围内满足近似的线性要求，并容易受外界多种环境的影响。非线性特性的存在使压电元件重复性差、检测精度低，瞬态位置响应速度慢，可控性变差，成为压电元件进一步工程应用的主要障碍之一。为减小这种非线性特性所造成的不良影响，更好地发挥压电元件的性能，国内外很多科研机构从压电元件非线性特性形成机理、外环及内环非线性特性及控制方法等方面开展了相关研究。(3)压电材料的压电特性有待于进一步提高，这使得压电材料的应用受到极大限制。各国学者正在努力开发，一旦找到一种优异的压电材料，将会取代传统的、笨重的机电换能设备，如电动机、马达等。到那时，压电研究将会全方位地发展，甚至可能影响到我们生活的各个方面。我相信随着科技的发展，人工材料会制作的更加完美，压电式传感器会更加适合人们的要求。压电式传感器和科技将会互相推动互相发展。

第二篇：传感器原理与应用

传感器原理与应用（专业限选课）

Principle and Application of Sensor

【课程编号】XZ260111

【学分数】2

【学时数】24+6+9（实验课时）【课程类别】专业限选 【编写日期】2010.3.30 【先修课程】电路分析、模电、数电

【适用专业】电子信息工程类

一、教学目的、任务

《传感器原理和应用》是电子及自动化专业的一门专业课。它有较强的实际应用价值。通过学习本课程使学生掌握各类传感器的基本原理、主要性能及其结构特点；能合理地选择和使用传感器； 掌握常用传感器的工程设计方法和实验研究方法；了解传感器的发展动向。

二、课程教学的基本要求

现代信息产业的三大支柱是传感器技术﹑通信技术和计算机技术，它们分别构成了信息系统的“感官”、“神经”和“大脑”。在机械工程中,传感器对于机械电子、测量、控制、计量等领域都是必不可少的获取信息的关键部件。

鉴于上述认识并考虑学科特色,在本课程有限学时内,要求学生重点掌握下列几方面的知识：⑴传感器的基本概念﹑术语和特性；⑵常用传感器的原理、结构和应用；⑶传感器测量电路；⑷传感器的典型应用。

三、教学内容和学时分配

第1章 传感与检测技术的理论基础自学

主要内容：

1.1测量概论

1.2测量数据的估计和处理

教学要求：

了解测量的基本概念，测量系统的特性，测量误差及数据处理的各种方法。

第2章 传感器概述2学时

2.1传感器的组成与分类

2.2传感器的基本特性

教学要求：

熟悉传感器的输出--输入特性与内部结构参数有关的外部特性，掌握其静态特性，动态特性的分析方法。

第3章 应变式传感器4学时

主要内容：

3.1 工作原理

3.2 应变片的种类、材料及粘贴

3.3 电阻应变片的特性

3.4 电阻应变片的测量电路

3.5 应变式传感器的应用

教学要求：

熟悉应变片传感器的工作原理及外部特性，了解其应用范围，掌握测量电路的分析方法。其它教学环节：实验一应变片性能测试实验3学时

实验性质：验证性实验

实验内容：金属箔式应变片性能——单臂电桥、半桥和全桥。

实验目的与要求：掌握使用金属箔式应变片组成单臂电桥、半桥和全桥的方法，了解在不同电路

形式时电路的输出特性。

注意要点：确保接线正确，电源电压不能用错。

第4章 电感式传感器3 学时

主要内容：

4.1自感式电感传感器

4.2差动变压器式传感器

4.3电涡流式传感器

教学要求：

了解电感式传感器的应用范围，工作特点，掌握其组成的各种测量电路的分析方法及组成特点。其它教学环节：实验二电涡流式传感器的静态位移性能3学时

实验性质：设计性实验

实验内容：电涡流式传感器的工作原理和工作情况，动手自制一个涡流探头，利用实验室放大器

及振荡器对不同被测材料（即混料）进行分选。

实验目的与要求：研究电涡流传感器特性，被测材料（物质）对传感器的特性的影响以及电涡流

传感器的应用。

注意要点：确保接线正确，激励、响应线圈不能用错。

第5章电容式传感器3 学时

主要内容：

5.1电容式传感器的工作原理和结构

5.2电容式传感器的灵敏度及非线性

5.3电容式传感器的等效电路

5.4电容式传感器的测量电路

5.5电容式传感器的应用

教学要求：

熟悉电容式传感器的工作原理及结构，掌握其在非电量测量与自动检测中的应用。

其它教学环节：实验三 变面积式电容传感器的性能1学时

实验性质：验证性实验

实验内容：变面积式电容传感器的工作原理和工作情况。

实验目的与要求：熟悉变面积式电容传感器的工作原理和工作情况；研究差动式电容传感器特性。注意要点：确保接线正确，电源电压不能用错。

第6章 压电式传感器3 学时

主要内容：

6.1压电效应及压电材料

6.2 压电式传感器测量电路

6.3 压电式传感器的应用

教学要求：

了解压电式传感器具有的特点及其应用范围，掌握其组成的测量电路分析及应用。

第7章 磁电式传感器4学时

主要内容：

7.1磁电感应式传感器

7.2 霍尔式传感器

教学要求：

掌握磁电式传感器的各种不同类型及应用范围。

其它教学环节：实验四 霍尔传感器特性研究及应用2学时

实验性质：验证性实验

实验内容：霍尔传感器在交、直流信号激励下的特性。

实验目的与要求：了解霍尔传感器的结构和工作原理；实验研究霍尔传感器在交、直流信号激励

下的特性；掌握霍尔传感器测量振幅和称重应用的实验方法。

注意要点：确保接线正确，电源电压不能超出规定值。

第8章 光电式传感器3 学时

主要内容：

8.1光电器件

8.2光纤传感器

教学要求：

熟悉典型的光电器件的特性和应用，了解光纤传感器及其技术发展方向，掌握红外传感器的应用。

第9章 半导体传感器2学时

主要内容：

9.1半导体气敏传感器

9.2湿敏传感器

9.3色敏传感器

9.4半导体式传感器的应用

教学要求：

了解以半导体材料组成的各种传感器及其它们的工作原理，掌握气敏、湿敏、色敏传感器在测量电路中的应用及其电路分析。

第10章 超声波传感器2学时

主要内容：

10.1超声波及其物理性质

10.2超声波传感器

10.3超声波传感器应用用

教学要求：

熟悉超声波传感器的工作原理及其物理性质，掌握超声波传感器的应用。

第11章 微波传感器1学时

主要内容：

11.1微波概述

11.2微波传感器的原理和组成11．3微波传感器的应用

教学要求：

了解压电式传感器具有的特点及其应用范围，掌握其组成的测量电路分析及应用。

第12章 辐射式传感器1 学时

主要内容：

12.1红外传感器

12.2核辐射传感器

教学要求：

了解辐射式传感器的特性及应用。

第13章 数字式传感器自学

主要内容：

13.1光栅传感器

13.2编码器

13.3感应同步器

教学要求：

了解数字式传感器的特点及应用。

第14章 智能式传感器自学

主要内容：

14.1概述

14.2传感器的智能化

14.3集成智能传感器

教学要求：

了解集成智能感器的特性及应用。

第15章 传感器在工程检测中的应用4学时

主要内容：

15.1温度测量

15.2压力测量

15.3流量测量

15.4物位测量

教学要求：

了解热电偶的结构和原理、热电效应的构成成份。掌握热电偶的基本定律、冷端补偿方法、测量计算方法。了解热电阻的工作原理、结构，掌握应用方法。了解传感器在工程检测中的作用及其应用。

四、教学重点、难点及教学方法

重点：各种常见的、应用广泛的传感器的基本原理、基本特性、转换电路以及工程应用，及分析、设计方法。以课堂讲授为主，通过实验加深对所学各类传感器的性能及工作原理理解。

难点：各种传感器的特性分析。

五、考核方式及成绩评定方式：

考核方式：考查，六、教材及参考书目

推荐教材：

《传感器原理及工程应用》（第三版），郁有文等编著，西安科技大学出版社，2008年参考书：

1．王化祥，《传感器原理与应用》，天津大学出版社，第七版，2003

3．刘君华，《智能传感器系统》，西安电子科技大学出版社，第一版，1999

4．单成祥，《传感器的理论与设计基础及其应用》，国防工业出版社，1999

4．赵负图，《现代传感器集成电路》，人民邮电出版社，2000

修（制）订人：审核人：

2010年 3 月30日

第三篇：传感器原理与应用复习

例1：量程为150V的0.5级电压表和量程为30V的1.5级电压表，分别测量20V电压，问哪个测量精度高？

例2：某压力表精度为1.5级，量程为0～2.0MPa，测量结果显示为1.2MPa，求1）最大引用误差δnm；2）可能出现的最大绝对误差Δm；3）示值相对误差δx＝？

例3：一差动变压器式位移传感器，在位移变化1mm时，输出电压变化1200mv，问位移传感器的灵敏度是多少？

例4：机械式指针位移传感器，当输入信号有0.01mm的位移变化量式，指针位移10mm，求位移传感器的灵敏度？

例5：进行某动态压力测量时，所采用的压电式力传感器的灵敏度为90.9nC/Mpa，将它与增益为0.005V/nC的电荷放大器相连，而电荷放大器的输出接到一台笔式记录仪上，记录仪的灵敏度为20mm/V。试计算这个测量系统的总灵敏度。当压力变化为3.5MPa时，记录笔在记录纸上的偏移量是多少？

例6：有一只变极距电容传感元件，两极板重叠有效面积为，两极板间的距离为1mm，已知空气的相对介电常数是1，真空中介电常数为8.85×10-12F/m,试计算该传感器的位移灵敏度。

例7：粘贴在钢件上的康铜电阻丝应变片，其灵敏度为2，电阻温度系数为20×10-6/oC，敏感栅材料的线膨胀系数为15×10-6/oC，钢件的线线膨胀系数为11×10-6/oC，弹性模量E为2×1011N/m2,求：（1）当环境温度变化为10oC时，应变热输出为多少？相当于试件产生多大应力？

（2）当=1000uε时，由于热输出产生的温度误差γt是多少？

例8：半导体应变片的灵敏度为120，电阻为120欧姆，金属电阻应变片的灵敏度为2，电阻为120欧姆，单臂非线性误差不大于0.1，求：它们可测的最大应变为多少？

第四篇：传感器原理与应用心得

传感器原理与应用心得

张宝龙

电信工二班

201400121099 传感器应用极其广泛，而且种类繁多，涉及的学科也很多，通过对传感器的学习让我基本了解了传感器的基本概念及传感器的静、动态 特性电阻式、电感式传感器的结构、工作原理及应用。

传感器的特性主要是指输出入输入之间的关系。当输入量为常量或变化很慢时，其关系为静态特性。当输入量随时间变换较快时，其关系为动态特性。

传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。

所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。

传感器的作用主要是感受和响应规定的被测量，并按一定规律将其转换成有用输出，特别是完成非电量到电量的转换。传感器的组成并无严格的规定。一般说来，可以把传感器看做由敏感元件和变换元件两部分组成。

通过最近的学习，是我了解到在实际中使用传感器的选择一定要慎重。我们可以根据测量对象与测量环境确定传感器的类型。其次，当我们在选择传感器时要注意传感器的灵敏度，频率响应范围，线性范围，稳定性，精度等。

人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况，就需要传感器。因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。

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。

通过对这门课的学习开阔了我的视野，让我了解了以前没有了解的东西。在老师的指导下让我明白了学习要有自觉性，要自己积极主动地去学习。

第五篇：《传感器原理及应用》作业3

《传感器原理及应用》作业三

一、填空题

1．当应变片主轴线与试件轴线方向一致且受一维应力时，应变片灵敏系数K是应变片的之比

2．闭磁路变隙式单线圈电感传感器的3．电涡流式传感器工作时，要求线圈距被测物无关的金属物体至少有一个线圈的距离，否则会使降低和非线性误差加大。

4．电容式传感器中，变介电常数式多用于

5．电位器的种类繁多，按工作特性可分为性两种。

6．差动螺线管式电感传感器主要由两个

7．电涡流传感器的主体是。因而它的性能对整个测量系统的性能产生重要影响。

8．电容式传感器中，变面积式常用于较大的9．光敏三极管可以看成普通三极管的集电结用替代的结果。通常基极不引出，只有两个电极。

10．光电管由一个光电阴极和一个阳极封装在真空的玻璃壳内组成，其技术性能主要取决于。

11．振弦式传感器是经被拉紧的钢弦作为传感元件，其与弦的张紧力的平方根成正比。

12．振筒式传感器用薄壁圆筒将被测气体或密度的变化转换成频率的变化。

13．所谓光栅，从它的功能上看，就是刻线间距很小的14．振弦式传感器的原理结构中，振弦的一端用夹紧块固定在上，另一端用夹紧块固定在上。

15．对某种物体产生有一个的限制，称为红限。

16．光敏二极管的结构与普通二极管相似，其管芯是一个具有PN结。它是在电压下工作的。

17．振筒式传感器中，激励器与拾振器通过加上放大器和反馈网络组成一个振荡系统，所以振筒是由材料制成的。

二、选择题（5题为多选）

1．当一定波长入射光照射物体时，反映该物体光电灵敏度的物理量是（）。

A．红限B．量子效率

C．逸出功D．普朗克常数

2．光敏三极管工作时（）。

A． 基极开路、集电结反偏、发射结正偏

B． 基极开路、集电结正偏、发射结反偏

C． 基极接电信号、集电结正偏、发射结反偏

3．在光线作用下，半导体电导率增加的现象属于（）。

A．外光电效应B．内光电效应

D． 光电发射

4．振弦式传感器中，把被测量转换成频率的关键部件是（）。

A．激励器B．拾振器

C．永久磁铁D．振弦

5．计量光栅上出现莫尔条纹的条件有（）。

A． 两块栅距相等的光栅叠在一起

B． 两块光栅的刻线之间有较大的夹角

C． 两块光栅的刻线之间有较小的夹角

D． 两块光栅的刻线之间必须平行