南湖学院
工程测试技术基础
题 目： 压电式传感器
系 部： 机电系
专 业： 机械设计制造及自动化
班 级： 机自四班
姓 名： 张志林
学 号： [1**********]
2010年6月 25日
目录
前言 .................................................................... 错误！未定义书签。
1.工作原理和特性 ............................................................................... 3
1.1变换原理:压电效应 ................................................................... 3
1.2压电式传感器特性 .................................................................... 3
1.3压电式传感器的等效电路 ........................................................ 3
2.测量物理量及范围 ........................................................................... 4
2.1测量物理量 ................................................................................ 4
2.2测量范围 .................................................................................... 4
3. 压电式玻璃破碎报警器 ................................................................. 5
3.1压电式玻璃破碎报警器简介 .................................................... 5
3.2玻璃传感器的优缺点及改进方案 ............................................ 6
4.技术指标生产厂家及生产价格 ....................................................... 7
4.1基本参数指标 ............................................................................ 7
4.2环境参数指标 ............................................................................ 7
4.3可靠性标 .................................................................................... 7
4.4 其他指标 ................................................................................... 7
5.结论：............................................................. 错误！未定义书签。
6.参考文献......................................................... 错误！未定义书签。
6.1 参考教材： .......................................... 错误！未定义书签。
6.2 参考书： .............................................. 错误！未定义书签。
6.3网络百度检索 ......................................... 错误！未定义书签。
压电式传感器
1.工作原理和特性
1.1变换原理:压电效应
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。
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, 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。
某些物质在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生改变时，其表面上会产生电荷；若将外力去掉时，它们又重新回到不带电的状态，这种现象就称为正压电效应。 ( 加力 变形 产生电荷)
在压电材料的两个电极面上，如果加以交流电压，那么压电片能产生机械振动，即压电片在电极方向上有伸缩的现象，压电材料的这种现象称为“电致伸缩效应”，也叫做“逆压电效应”。(施加电场 电介质产生变形 应力 )
1.2压电式传感器特性
压电式传感器具有尺寸小、重量轻、工作频率宽,信噪比大等特点,可以测量变化很快的动态压力、加速度、振动等,但不能用于静态参数的测量。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。石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。
1.3压电式传感器的等效电路
测量电路压电传感器具有两种等效电路:电荷等效电路和电压等效电路,因此其测量电路的前置放大器也有两种形式:电压放大器和电荷放大器
1.3.1电荷放大器
电荷放大器常作为压电传感器的输入电路，由一个反馈电容Cf和高增益运算放大器构成。由于运算放大器输入阻抗极高， 放大器输入端几乎没有分流，故可略去Ra和Ri并联电阻。
uoudq Cf
式中 ： uo——放大器输出电压；
ucf——反馈电容两端电压。
图1 电荷放大等效路
电荷放大器的输出电压uo只取决于输入电荷与反馈电容Cf，与电缆电容Cc无关，且与q成正比，这是电荷放大器的最大特点。 为了得到必要的测量精度，要求反馈电容Cf的温度和时间稳定性都很好，在实际电路中，考虑到不同的量程等因素，Cf的容量做成可选择的，范围一般为100~104pF
1.3.2电压放大器（阻抗变换器）
图6-9（a）、(b）是电压放大器电路原理图及其等效电路。
在图6-9（b）中，电阻R=RaRi/(Ra+Ri)，电容C=Cc+Ci，而ua=q/Ca，若压电元件受正弦力f=Fm sinωt的作用，则其电压为
dFmsintUsint UamCa
式中： Um——压电元件输出电压幅值，Um=dFm/Ca；
d——压电系数。
Cu
u(a)(b)
图 2 电压放大器电路原理及其等效电路图
（a） 放大器电路; （b） 等效电路
2.测量物理量及范围
2.1测量物理量
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、速度、加速度、振动等许多非电量的测量，可做成力传感器、压力传感器、振动传感器等，在医药、军工、机械、土木等领域都有很多应用。
2.2测量范围
2.2.1由于外力作用而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，即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。压电材料在交变力的作用下，电荷可以不断补充，以供给测量回路一定的电流，故适用于动态测量。所以压电传感器主要用于测变压力和加速度。
2.2.2 压电式传感器在测量低压力时线性度不好，这主要是传感器受力系统中力传递系数为非线性所致，即低压力下力的传递损失较大。所以不能用压电传感器测量变化缓慢的应力值。但是，可以在力传递系统中加入预加力，称预载。这除了消除低压力使用中的非线性外，还可以消除传感器内外接触表面的间隙，提高刚度。特别是，它只有在加预载后才能用压电传感器测量拉力和拉、 压交变力及剪力和扭矩。
2.2.3压电传感器一般有2～20mA，而且该输出是在变形的瞬间才有的，而且一般阻抗很大，驱动负载能力可想而知，一般用来作传感信号源来用。能否作电源看要给什么样的线路使用
3. 压电式玻璃破碎报警器
3.1压电式玻璃破碎报警器简介
BS-D2压电式传感器是专门用于检测玻璃破碎的一种传感器， 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。 BS-D2压电式玻璃破碎传感器的外形及内部电路如图6-14所示。传感器的最小输出电压为100 mV，最大输出电压为100V， 内阻抗为15~20 kΩ 。
(a)(b)
图3 BS-D2压电式玻璃破碎传感器
（a） 外形; （b） 内部电路
报警器的电路框图如图6-15所示。使用时传感器用胶粘贴在玻璃上，然后通过电缆和报警电路相连。为了提高报警器的灵敏度，信号经放大后，需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。由于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、贵重商品保管及其它商品柜台保管等场合。
图3 压电式玻璃破碎报警器电路框图
3.2玻璃传感器的优缺点及改进方案
3.2.1
缺点1：压电传感器本身的内阻抗很高，而输出信号微弱。
改进方案：测量电路通常接入一个高输入阻抗前置放大器。
把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗交换以后，方可用一般的放大检波电路再将信号输入到指示仪表或记录器中(其中，测量电路的关键在于高阻抗输入的前置放大器)。
前置放大器的作用有两点：其一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；其二是放大传感器输出的微弱电信号。前置放大器电路有两种形式：一种是用电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压(即传感器的输出)成正比;另一种是用带电容板反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。本例采用电压放大器。
缺点2：低频响应范围小
改进方案：提高测量回路的电阻
如果被测物理量是缓慢变化的动态量，而测量回路的时间常数不大，则造成传感器灵敏度下降。
为了扩大传感器的低频响应范围，就必须尽量提高回路的时间常数。不能靠增加测量回路的电容量来提高时间常数，因为传感器的电压灵敏度与电容成反比的，切实可行的办法是提高测量回路的电阻。由于传感器本身的绝缘电阻一般都很大，所以测量回路的电阻主要取决于前置放大器的输入电阻。放大器的输入电阻越大，测量回路的时间常数就越大，传感器的低频响应也就越好。
缺点3：输出电压灵敏度受电缆分布电容影响
改进方案：将放大器装入传感器中，组成一体化传感器。
由于不可避免地存在电荷泄漏，利用压电式传感器测量静态或准静态量值时，必须采取一定措施，使电荷从压电元件经测量电路的漏失减小到足够小的程度
压电式传感器在与电压放大器配合使用时，连接电缆不能太长。电缆长，电缆电容Cc就大，电缆电容增大必然使传感器的电压灵敏度降低。电缆长
度对传感器测量精度的影响较大，在一定程度上限制了压电式传感器在某些场合的应用。
3.2.2
优点：
（1）电压放大器与电荷放大器相比，电路简单，元件少，价格便宜，工作可靠
（2）体积小，重量轻，刚度，强度，承载能力和测量范围大，动态相应频带宽，动态误差小
（3）易于大量生产，便于选用，使用和校准方便并适于近测，遥测
（4）压电式传感器突出优点：高频响应相当好。
4.技术指标生产厂家及生产价格
4.1基本参数指标
量程指标：量程范围、过载能力等；灵敏度指标；灵敏度、分辨力、满量程输出等；精度有关指标：精度、误差、线性、滞后、重复性、灵敏度误差、稳定性动态性能指标：固有频率、阻尼比、时间常数、频率响应范围、频率特性、临界频率、临界速度、稳定时间等
4.2环境参数指标
温度指标：工作温度范围、温度误差、温度漂移、温度系数、热滞后等抗冲振指标：容许各向抗冲振的频率、振幅及加速度、冲振所引入的误差其它环境参数：抗潮湿、抗介质腐蚀能力、抗电磁场干扰能力等
4.3可靠性标
工作寿命、平均无故障时间、保险期、疲劳性能、绝缘电阻、耐压及抗飞弧等
4.4 其他指标
使用有关指标：供电方式（直流、交流、频率及波形等）、功率。各项分布参数值、电压范围与稳定度等；外形尺寸、重量、壳体材质、结构特点等；安装方式、馈线电缆等
例如压电传感器AW10CT0201-51压电超声传感器,技术指标主要有,额定功率(W): 7.5超声功率计
标准测试环境: T=25+/-5摄氏度
谐振频率kHz 51+/-1.0 4294A 1V 阻抗分析仪
谐振阻抗:≤100 4294A 1V阻抗分析仪
静电电容PF 1200+/-20% LCR, at 1000Hz/1V
机电耦合系数≥0.35 4294A 1V 阻抗分析仪
绝缘阻抗M ohms: ≥1000绝缘阻抗计, DC250V
额定功率(W): 7.5超声功率计
可能生产产家有：金汇盛实业有限公司 ，广州市番禺奥迪威电子有限公，兆福企业有限公司
价格为185￥/个
南湖学院
工程测试技术基础
题 目： 压电式传感器
系 部： 机电系
专 业： 机械设计制造及自动化
班 级： 机自四班
姓 名： 张志林
学 号： [1**********]
2010年6月 25日
目录
前言 .................................................................... 错误！未定义书签。
1.工作原理和特性 ............................................................................... 3
1.1变换原理:压电效应 ................................................................... 3
1.2压电式传感器特性 .................................................................... 3
1.3压电式传感器的等效电路 ........................................................ 3
2.测量物理量及范围 ........................................................................... 4
2.1测量物理量 ................................................................................ 4
2.2测量范围 .................................................................................... 4
3. 压电式玻璃破碎报警器 ................................................................. 5
3.1压电式玻璃破碎报警器简介 .................................................... 5
3.2玻璃传感器的优缺点及改进方案 ............................................ 6
4.技术指标生产厂家及生产价格 ....................................................... 7
4.1基本参数指标 ............................................................................ 7
4.2环境参数指标 ............................................................................ 7
4.3可靠性标 .................................................................................... 7
4.4 其他指标 ................................................................................... 7
5.结论：............................................................. 错误！未定义书签。
6.参考文献......................................................... 错误！未定义书签。
6.1 参考教材： .......................................... 错误！未定义书签。
6.2 参考书： .............................................. 错误！未定义书签。
6.3网络百度检索 ......................................... 错误！未定义书签。
压电式传感器
1.工作原理和特性
1.1变换原理:压电效应
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。
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, 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。
某些物质在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生改变时，其表面上会产生电荷；若将外力去掉时，它们又重新回到不带电的状态，这种现象就称为正压电效应。 ( 加力 变形 产生电荷)
在压电材料的两个电极面上，如果加以交流电压，那么压电片能产生机械振动，即压电片在电极方向上有伸缩的现象，压电材料的这种现象称为“电致伸缩效应”，也叫做“逆压电效应”。(施加电场 电介质产生变形 应力 )
1.2压电式传感器特性
压电式传感器具有尺寸小、重量轻、工作频率宽,信噪比大等特点,可以测量变化很快的动态压力、加速度、振动等,但不能用于静态参数的测量。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。石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。
1.3压电式传感器的等效电路
测量电路压电传感器具有两种等效电路:电荷等效电路和电压等效电路,因此其测量电路的前置放大器也有两种形式:电压放大器和电荷放大器
1.3.1电荷放大器
电荷放大器常作为压电传感器的输入电路，由一个反馈电容Cf和高增益运算放大器构成。由于运算放大器输入阻抗极高， 放大器输入端几乎没有分流，故可略去Ra和Ri并联电阻。
uoudq Cf
式中 ： uo——放大器输出电压；
ucf——反馈电容两端电压。
图1 电荷放大等效路
电荷放大器的输出电压uo只取决于输入电荷与反馈电容Cf，与电缆电容Cc无关，且与q成正比，这是电荷放大器的最大特点。 为了得到必要的测量精度，要求反馈电容Cf的温度和时间稳定性都很好，在实际电路中，考虑到不同的量程等因素，Cf的容量做成可选择的，范围一般为100~104pF
1.3.2电压放大器（阻抗变换器）
图6-9（a）、(b）是电压放大器电路原理图及其等效电路。
在图6-9（b）中，电阻R=RaRi/(Ra+Ri)，电容C=Cc+Ci，而ua=q/Ca，若压电元件受正弦力f=Fm sinωt的作用，则其电压为
dFmsintUsint UamCa
式中： Um——压电元件输出电压幅值，Um=dFm/Ca；
d——压电系数。
Cu
u(a)(b)
图 2 电压放大器电路原理及其等效电路图
（a） 放大器电路; （b） 等效电路
2.测量物理量及范围
2.1测量物理量
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、速度、加速度、振动等许多非电量的测量，可做成力传感器、压力传感器、振动传感器等，在医药、军工、机械、土木等领域都有很多应用。
2.2测量范围
2.2.1由于外力作用而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，即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。压电材料在交变力的作用下，电荷可以不断补充，以供给测量回路一定的电流，故适用于动态测量。所以压电传感器主要用于测变压力和加速度。
2.2.2 压电式传感器在测量低压力时线性度不好，这主要是传感器受力系统中力传递系数为非线性所致，即低压力下力的传递损失较大。所以不能用压电传感器测量变化缓慢的应力值。但是，可以在力传递系统中加入预加力，称预载。这除了消除低压力使用中的非线性外，还可以消除传感器内外接触表面的间隙，提高刚度。特别是，它只有在加预载后才能用压电传感器测量拉力和拉、 压交变力及剪力和扭矩。
2.2.3压电传感器一般有2～20mA，而且该输出是在变形的瞬间才有的，而且一般阻抗很大，驱动负载能力可想而知，一般用来作传感信号源来用。能否作电源看要给什么样的线路使用
3. 压电式玻璃破碎报警器
3.1压电式玻璃破碎报警器简介
BS-D2压电式传感器是专门用于检测玻璃破碎的一种传感器， 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。 BS-D2压电式玻璃破碎传感器的外形及内部电路如图6-14所示。传感器的最小输出电压为100 mV，最大输出电压为100V， 内阻抗为15~20 kΩ 。
(a)(b)
图3 BS-D2压电式玻璃破碎传感器
（a） 外形; （b） 内部电路
报警器的电路框图如图6-15所示。使用时传感器用胶粘贴在玻璃上，然后通过电缆和报警电路相连。为了提高报警器的灵敏度，信号经放大后，需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。由于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、贵重商品保管及其它商品柜台保管等场合。
图3 压电式玻璃破碎报警器电路框图
3.2玻璃传感器的优缺点及改进方案
3.2.1
缺点1：压电传感器本身的内阻抗很高，而输出信号微弱。
改进方案：测量电路通常接入一个高输入阻抗前置放大器。
把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗交换以后，方可用一般的放大检波电路再将信号输入到指示仪表或记录器中(其中，测量电路的关键在于高阻抗输入的前置放大器)。
前置放大器的作用有两点：其一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；其二是放大传感器输出的微弱电信号。前置放大器电路有两种形式：一种是用电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压(即传感器的输出)成正比;另一种是用带电容板反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。本例采用电压放大器。
缺点2：低频响应范围小
改进方案：提高测量回路的电阻
如果被测物理量是缓慢变化的动态量，而测量回路的时间常数不大，则造成传感器灵敏度下降。
为了扩大传感器的低频响应范围，就必须尽量提高回路的时间常数。不能靠增加测量回路的电容量来提高时间常数，因为传感器的电压灵敏度与电容成反比的，切实可行的办法是提高测量回路的电阻。由于传感器本身的绝缘电阻一般都很大，所以测量回路的电阻主要取决于前置放大器的输入电阻。放大器的输入电阻越大，测量回路的时间常数就越大，传感器的低频响应也就越好。
缺点3：输出电压灵敏度受电缆分布电容影响
改进方案：将放大器装入传感器中，组成一体化传感器。
由于不可避免地存在电荷泄漏，利用压电式传感器测量静态或准静态量值时，必须采取一定措施，使电荷从压电元件经测量电路的漏失减小到足够小的程度
压电式传感器在与电压放大器配合使用时，连接电缆不能太长。电缆长，电缆电容Cc就大，电缆电容增大必然使传感器的电压灵敏度降低。电缆长
度对传感器测量精度的影响较大，在一定程度上限制了压电式传感器在某些场合的应用。
3.2.2
优点：
（1）电压放大器与电荷放大器相比，电路简单，元件少，价格便宜，工作可靠
（2）体积小，重量轻，刚度，强度，承载能力和测量范围大，动态相应频带宽，动态误差小
（3）易于大量生产，便于选用，使用和校准方便并适于近测，遥测
（4）压电式传感器突出优点：高频响应相当好。
4.技术指标生产厂家及生产价格
4.1基本参数指标
量程指标：量程范围、过载能力等；灵敏度指标；灵敏度、分辨力、满量程输出等；精度有关指标：精度、误差、线性、滞后、重复性、灵敏度误差、稳定性动态性能指标：固有频率、阻尼比、时间常数、频率响应范围、频率特性、临界频率、临界速度、稳定时间等
4.2环境参数指标
温度指标：工作温度范围、温度误差、温度漂移、温度系数、热滞后等抗冲振指标：容许各向抗冲振的频率、振幅及加速度、冲振所引入的误差其它环境参数：抗潮湿、抗介质腐蚀能力、抗电磁场干扰能力等
4.3可靠性标
工作寿命、平均无故障时间、保险期、疲劳性能、绝缘电阻、耐压及抗飞弧等
4.4 其他指标
使用有关指标：供电方式（直流、交流、频率及波形等）、功率。各项分布参数值、电压范围与稳定度等；外形尺寸、重量、壳体材质、结构特点等；安装方式、馈线电缆等
例如压电传感器AW10CT0201-51压电超声传感器,技术指标主要有,额定功率(W): 7.5超声功率计
标准测试环境: T=25+/-5摄氏度
谐振频率kHz 51+/-1.0 4294A 1V 阻抗分析仪
谐振阻抗:≤100 4294A 1V阻抗分析仪
静电电容PF 1200+/-20% LCR, at 1000Hz/1V
机电耦合系数≥0.35 4294A 1V 阻抗分析仪
绝缘阻抗M ohms: ≥1000绝缘阻抗计, DC250V
额定功率(W): 7.5超声功率计
可能生产产家有：金汇盛实业有限公司 ，广州市番禺奥迪威电子有限公，兆福企业有限公司
价格为185￥/个