第3章 传统传感元件及检测技术1-压电式

1、航空检测技术 3.6.1 航空检测技术 3.6.2 传统式传感器传统式传感器 电阻应变式电阻应变式 电容式电容式 磁电感式磁电感式 磁敏式磁敏式 压电式压电式 航空检测技术 3.6.3 3.6.1 压电效应与压电材料压电效应与压电材料 3.6.2 压电式传感器工作原理与测量电路压电式传感器工作原理与测量电路 3.6.3 压电式传感器应用压电式传感器应用 3.6 压电式传感器压电式传感器 航空检测技术 3.6.4 压电式传感器是一种典型的有源压电式传感器是一种典型的有源 传感器传感器; ; 压电效应具有可逆性，也是一种压电效应具有可逆性，也是一种 典型的典型的“双向传感器双向传感器”。 材料受力

2、变形时，其表面会有电材料受力变形时，其表面会有电 荷产生而实现非电量测量。荷产生而实现非电量测量。 航空检测技术 3.6.5 特点特点: : 工作频带宽，灵敏度高，结构简单，工作频带宽，灵敏度高，结构简单， 体积小，重量轻，工作可靠。体积小，重量轻，工作可靠。 应用范围：应用范围： 各种动态力、机械冲击、振动测量、各种动态力、机械冲击、振动测量、 生物医学、超声、通信、宇航等领域。生物医学、超声、通信、宇航等领域。 航空检测技术 3.6.6 3.6.1 压电效应与压电材料压电效应与压电材料 1 1、压电效应、压电效应 某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用

3、 而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的 两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去 掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称 为为正压电效应正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的。当作用力的方向改变时，电荷的 极性也随之改变。极性也随之改变。 航空检测技术 3.6.7 压电效应演示压电效应演示: : 航空检测技术 3.6.8 相反，当在电介相反，当在电介 质的极化方向上质的极化方向上 施加电场，这些施加电场，这些 电介质也会发生电介质也会发生 变形，电场去掉变

4、形，电场去掉 后，电介质的变后，电介质的变 形随之消失，这形随之消失，这 种现象称为种现象称为逆压逆压 电效应电效应，或称为，或称为 电致伸缩现象。电致伸缩现象。 音乐贺卡的音乐声利用了逆压音乐贺卡的音乐声利用了逆压 电效应。电效应。 航空检测技术 3.6.9 压电元件压电元件 机械能机械能 电能电能 正压电效应正压电效应 逆压电效应逆压电效应 航空检测技术 3.6.10 2. 2. 压电材料压电材料-石英晶体和压电陶瓷石英晶体和压电陶瓷 其特性：其特性： （1 1）压电常数压电常数：是衡量材料压电效应强弱的参：是衡量材料压电效应强弱的参 数，与压电输出灵敏度有关。数，与压电输出灵敏度有关。

5、（2 2）弹性常数弹性常数：压电材料的弹性常数、刚度决定：压电材料的弹性常数、刚度决定 着压电元件的固有频率和动态特性。着压电元件的固有频率和动态特性。 （3 3）电性能电性能（介电常数）介电常数）：对于一定形状、尺寸：对于一定形状、尺寸 的压电元件，其固有电容与介电的压电元件，其固有电容与介电 常数有关；而固有电容又影响着常数有关；而固有电容又影响着 压电传感器的频率下限。压电传感器的频率下限。 航空检测技术 3.6.11 （4 4）机械耦合系数机械耦合系数：在压电效应中，转换输出能：在压电效应中，转换输出能 量与输入能量之比的平方根，是量与输入能量之比的平方根，是 衡量压电材料机衡量压电材

6、料机 电能量转换电能量转换 效率的一个重要参数。效率的一个重要参数。 （5 5）电阻电阻：压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄：压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄 漏，从而改善压电传感器的低频特性。漏，从而改善压电传感器的低频特性。 （6 6）居里点温度居里点温度：指压电材料丧失压电特性的：指压电材料丧失压电特性的 温度。温度。 （7）时间稳定性时间稳定性：指压电特性不随时间蜕变。：指压电特性不随时间蜕变。 航空检测技术 3.6.12 压电材料主要有三大类压电材料主要有三大类: : 1 1）压电晶体）压电晶体( (石英晶体石英晶体) ) 2 2）压电陶瓷）压电陶瓷( (多晶半导体多晶半导体) ) 3 3

7、）新型压电材料）新型压电材料 航空检测技术 3.6.13 1 1）单晶硅（压电晶体）单晶硅（压电晶体） 单晶硅具有优良的机械和物理性质。单晶硅具有优良的机械和物理性质。 硅材料质量轻，高的强度、密度比和刚度密度比。硅材料质量轻，高的强度、密度比和刚度密度比。 硅材料为立方晶体硅材料为立方晶体, ,是各向异性材料。是各向异性材料。 单晶硅是具有很好的热导性半导体材料，具有优单晶硅是具有很好的热导性半导体材料，具有优 良的电学性质，其压阻效应取决于晶向良的电学性质，其压阻效应取决于晶向. 单晶硅应变灵敏系数比金属的高单晶硅应变灵敏系数比金属的高1到到2数量级。数量级。 单晶硅传感器制造工艺与硅集成

8、电路工艺有很好单晶硅传感器制造工艺与硅集成电路工艺有很好 的兼容性。可实现微型化低功耗，有利于提高传感的兼容性。可实现微型化低功耗，有利于提高传感 器的一致性可靠性和快响应。器的一致性可靠性和快响应。 航空检测技术 3.6.14 天然形成的石英晶体外形天然形成的石英晶体外形 航空检测技术 3.6.15 石英晶体切片及封装石英晶体切片及封装 石英晶体薄片石英晶体薄片 双面镀银并封装双面镀银并封装 航空检测技术 3.6.16 石英晶体振荡器（晶振）石英晶体振荡器（晶振） 石英晶体在振荡电路中工作时，压电效应与逆石英晶体在振荡电路中工作时，压电效应与逆 压电效应交替作用，从而产生稳定的振荡输出频率。

9、压电效应交替作用，从而产生稳定的振荡输出频率。 晶振晶振 航空检测技术 3.6.17 多晶硅压阻膜与单晶硅相比，其优点多晶硅压阻膜与单晶硅相比，其优点 是可在不同衬底材料上制作，如金属材料是可在不同衬底材料上制作，如金属材料 衬底，而制备过程与常规半导体工艺相容，衬底，而制备过程与常规半导体工艺相容， 且无且无PNPN结隔离问题，因而有良好的温度稳结隔离问题，因而有良好的温度稳 定性。多晶硅压阻膜应变灵敏系数虽比单定性。多晶硅压阻膜应变灵敏系数虽比单 晶硅膜低，但仍比金属的高一个数量级。晶硅膜低，但仍比金属的高一个数量级。 用多晶硅压阻膜可有效地抑制传感器的温用多晶硅压阻膜可有效地抑制传感器的

10、温 漂，是制造低温漂传感器的好材料。漂，是制造低温漂传感器的好材料。 2）多晶硅（压电陶瓷）多晶硅（压电陶瓷） 航空检测技术 3.6.18 压电陶瓷及其换能器外形压电陶瓷及其换能器外形 发射换能器：发射换能器： 极化的压电陶瓷在周期极化的压电陶瓷在周期 信号激励下，产生伸缩振动，信号激励下，产生伸缩振动， 推动周围媒介运动。推动周围媒介运动。 接受换能器：接受换能器： 一般结构为一般结构为1/21/2波长振子极化的压电陶瓷，在媒波长振子极化的压电陶瓷，在媒 介的推动下，产生伸缩振动，产生电信号。介的推动下，产生伸缩振动，产生电信号。 航空检测技术 3.6.19 3 3）高分子压电材料）高分子压

11、电材料 某些高分子材料如聚二氟乙烯某些高分子材料如聚二氟乙烯(PVF2)(PVF2) 和聚氯乙烯和聚氯乙烯(PVC)(PVC)等可以作为制作压电等可以作为制作压电 元件的材料，这些材料不易破碎而且质元件的材料，这些材料不易破碎而且质 地柔软，频率响应范围宽、性能稳定。地柔软，频率响应范围宽、性能稳定。 航空检测技术 3.6.20 高分子压电薄膜及拉制高分子压电薄膜及拉制 高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆 航空检测技术 3.6.21 可用于波形分析可用于波形分析 及报警的高分子及报警的高分子 压电踏脚板压电踏脚板 压电式脚踏报警器压电式脚踏报警器 航空检测技术

12、 3.6.22 高分子压电薄膜制作的压电喇叭高分子压电薄膜制作的压电喇叭 （逆压电效应）（逆压电效应） 航空检测技术 3.6.23 3.压电特性压电特性 航空检测技术 3.6.24 以压电效应为基础的压电传感器是一种具以压电效应为基础的压电传感器是一种具 有高内阻而输出信号又很弱的有源传感器。在有高内阻而输出信号又很弱的有源传感器。在 进行非电量测量时，为了提高灵敏度和测量精进行非电量测量时，为了提高灵敏度和测量精 度，一般采取多片压电材料组成一个压电敏感度，一般采取多片压电材料组成一个压电敏感 元件，并接入高输入阻抗的前置放大器。元件，并接入高输入阻抗的前置放大器。 3.6.2 压电式传感器

13、工作原理与测量电路压电式传感器工作原理与测量电路 航空检测技术 3.6.25 1 1、工作原理及等效电路、工作原理及等效电路 压电器件从功能上讲，是一个电荷发生器 压电器件从性质上讲，是一个有源电容器 当压电晶体片受力作用时，在晶体片当压电晶体片受力作用时，在晶体片 的两表面上出现等量的正、负电荷，晶体的两表面上出现等量的正、负电荷，晶体 片的两表面相等于一个电容的两个极板，片的两表面相等于一个电容的两个极板， 两极板之间的物质就相等于电容极板间的两极板之间的物质就相等于电容极板间的 介质，因而压电晶体片在工作时就等效于介质，因而压电晶体片在工作时就等效于 一只平行板介质电容。一只平行板介质电

14、容。 航空检测技术 3.6.26 A C e 如图所示，其电容量为如图所示，其电容量为 a) b) Ce 压电晶体等效电路 压电材料的介电常数；压电材料的介电常数； A压电晶体片工作面的面积压电晶体片工作面的面积（m2）；）； 极板间距，即晶体片厚度（极板间距，即晶体片厚度（m）。）。 航空检测技术 3.6.27 如果施加于晶体片上的外力不变时，晶体如果施加于晶体片上的外力不变时，晶体 片两表面上的电荷又无泄漏，那么在外力继续片两表面上的电荷又无泄漏，那么在外力继续 作用时，电荷数保持不变，而在外力作用消失作用时，电荷数保持不变，而在外力作用消失 时，电荷也随之消失。故压电式传感器在工作时，电

15、荷也随之消失。故压电式传感器在工作 时可以等效为一个与电容并联的电荷源，如图时可以等效为一个与电容并联的电荷源，如图a） 所示；所示； e UCq 航空检测技术 3.6.28 同时压电式传感器也可看成为一电压源，如同时压电式传感器也可看成为一电压源，如 图图b）所示。电压所示。电压U、电荷量电荷量q和电容量和电容量C 三者三者 之间的关系为：之间的关系为： e C q U 航空检测技术 3.6.29 开路状态开路状态 输出电压输出电压 输出电荷输出电荷 输出端电压输出端电压Uq/Ce 电压灵敏度电压灵敏度Ku=U/F= q/Ce F 电荷灵敏度电荷灵敏度Kq=q/F=CeU/F 输出端电荷输出

16、端电荷q=CeU 显然：显然：Ku=Kq/Ce 航空检测技术 3.6.30 压电式传感器实际使用时总要与测试仪表或压电式传感器实际使用时总要与测试仪表或 测量电路相连，因而还必须要考虑电缆连接电容测量电路相连，因而还必须要考虑电缆连接电容 Cc，前置放大器的输入电阻，前置放大器的输入电阻Ri和输入电容和输入电容Ci以及以及 压电式传感器绝缘电阻压电式传感器绝缘电阻Ra，压电式传感器在测量，压电式传感器在测量 系统中的等效电路如图所示。系统中的等效电路如图所示。 航空检测技术 3.6.31 2 2、压电晶片的两种连接方式、压电晶片的两种连接方式 多片压电材料的连接方式有串联和并联两种，多片压电材

17、料的连接方式有串联和并联两种， 如图所示。如图所示。 航空检测技术 3.6.32 + 并联并联 + 串联串联 并联和串联：并联和串联： 并联时并联时 CaCaUaUa QQ 2, , 2 串联时串联时 2/ , 2, CaCaUaUa QQ 设单片压电元件的电容为设单片压电元件的电容为 ，电荷为，电荷为 ，电压为，电压为 ，则当两片叠加后，则当两片叠加后 Ca QUa 电荷灵敏度高电荷灵敏度高 电压灵敏度高电压灵敏度高 航空检测技术 3.6.33 压电效应是压电传感器的主要工作原理，压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，因为经过外力作用电传感器不能用于静态测量，因

18、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，所以这决定了压电传感器只能够测才得到保存，所以这决定了压电传感器只能够测 量量动态动态的应力。的应力。 并联并联时，传感器的电容量大、输出电荷量大、时，传感器的电容量大、输出电荷量大、 时间常数也大，故适用于测量时间常数也大，故适用于测量缓变信号及电荷量输缓变信号及电荷量输 出信号出信号。 串联串联时，传感器本身的电容量小、响应快、输时，传感器本身的电容量小、响应快、输 出电压大，故适用于测量出电压大，故适用于测量以电压作输出的信号和频以电压作输出的信号和频 率较高的信号率较高的信

19、号。 航空检测技术 3.6.34 3、压电式传感器的测量电路、压电式传感器的测量电路 由于压电式传感器输出电信号是很微弱的电压或电荷由于压电式传感器输出电信号是很微弱的电压或电荷 信号，而且传感器本身具有很大的内阻，因而输出能量相信号，而且传感器本身具有很大的内阻，因而输出能量相 当微小，这给后接电路的连接带来了一定的困难，为此通当微小，这给后接电路的连接带来了一定的困难，为此通 常把传感器的信号先输入到高输入阻抗的前置放大器，经常把传感器的信号先输入到高输入阻抗的前置放大器，经 过阻抗变换后，再进行一般的放大、检波电路将信号输给过阻抗变换后，再进行一般的放大、检波电路将信号输给 测试仪表或记

20、录仪。测试仪表或记录仪。 根据前面的等效电路，它的输出可以是电压，也可以根据前面的等效电路，它的输出可以是电压，也可以 是电荷，因而其前置放大器也有两种形式：是电荷，因而其前置放大器也有两种形式： 电压放大器和电荷放大器。电压放大器和电荷放大器。 航空检测技术 3.6.35 1 1）电压放大器（阻抗变换器）电压放大器（阻抗变换器） 串联输出型压电元件等效为电压源，压电效应引起的串联输出型压电元件等效为电压源，压电效应引起的 电容量电容量e e很小，其电压源等效内阻很大，接成电压输出很小，其电压源等效内阻很大，接成电压输出 型测量电路时，要求前置放大器不仅有足够的放大倍数，型测量电路时，要求前置

21、放大器不仅有足够的放大倍数， 而且应具有很高的输入阻抗，如图而且应具有很高的输入阻抗，如图a a、b b所示为电压放大器所示为电压放大器 电路原理图与其等效电路。电路原理图与其等效电路。 航空检测技术 3.6.36 ia ai RR RR R Ra压电式传感器绝缘电阻；压电式传感器绝缘电阻； Ri 前置放大器的输入电阻。前置放大器的输入电阻。 航空检测技术 3.6.37 ice CCCC 式中式中 Ce压电式传感器内部电容；压电式传感器内部电容； Cc电缆连接电容；电缆连接电容； Ci 前置放大器的输入电容。前置放大器的输入电容。 电容电容 航空检测技术 3.6.38 晶体受到晶体受到x x

22、方向的压力方向的压力FxFx作作 用，晶片将产生用，晶片将产生 厚度变形，并发厚度变形，并发 生生极化现象。极化现象。 航空检测技术 3.6.39 qx x=d11Fx d11- -压电系数，当受力方向压电系数，当受力方向 和变形不同时，压电系数也和变形不同时，压电系数也 不同，石英晶体的不同，石英晶体的d11 =2.31 10-12C/N qx-垂直于垂直于X X轴平面上的电轴平面上的电 荷荷 Fx- -沿沿X X轴方向施加的作用力轴方向施加的作用力 在晶体的线性弹性范围内，在在晶体的线性弹性范围内，在x x方向所产方向所产 生的电荷生的电荷q qx x与作用力与作用力FxFx成正比，即成正

23、比，即 航空检测技术 3.6.40 tsinUtsin C dF u m e m a 若压电元件受正弦力的作用，则其电压为Ua=q/Ce 式中 Um 压电元件输出电压幅值； d压电系数。 qx=d11Fx 航空检测技术 3.6.41 由此可得放大器输入端电压，复数形式为由此可得放大器输入端电压，复数形式为 则则，令令 RC 1 0 j C Fd U i 0 1 1 RCj Rj FdU i 1 航空检测技术 3.6.42 由于电压放大器的增益由于电压放大器的增益 K=1+R2/R1，则输出电压为，则输出电压为 j K C Fd UKU io 0 1 可见，电压放大器的输出电压可见，电压放大器的

24、输出电压 U0与压电传感与压电传感 器所受力器所受力 f 之间具有一阶高通滤波特性，其转换之间具有一阶高通滤波特性，其转换 灵敏度灵敏度S为为 2 0 )(1 C Kd F U S o 航空检测技术 3.6.43 由此可见，为了扩展传感器的工作频带的由此可见，为了扩展传感器的工作频带的 低频端须减小低频端须减小 0 ，据可知需增大，据可知需增大R或增大或增大C， 增大增大C时会降低系统的灵敏度时会降低系统的灵敏度S，所以一般采取，所以一般采取 增大增大R，故应配置，故应配置Ri很大的前置放大器。很大的前置放大器。 2 0 )(1 C Kd F U S o 航空检测技术 3.6.44 当当 =0

25、（即静态力）时，放大器的输入电压（即静态力）时，放大器的输入电压Ui等于等于 零，故压电式传感器不适合用于静态力测量。零，故压电式传感器不适合用于静态力测量。 RCj Rj FdU i 1 连接电缆电容连接电缆电容Cc改变会引起改变会引起C改变从而引起改变从而引起 灵敏度灵敏度S改变，故在使用压电式传感器过程中，改变，故在使用压电式传感器过程中， 当改变连接电缆时就必须对传感器进行重新标当改变连接电缆时就必须对传感器进行重新标 定，这是采用电压放大器的弊端。定，这是采用电压放大器的弊端。 ice CCCC 2 0 )(1 C Kd F U S o 航空检测技术 3.6.45 并联输出型压电元件

26、可以等效为电荷源。压电效应产并联输出型压电元件可以等效为电荷源。压电效应产 生的电荷量很小，达到生的电荷量很小，达到级电流。因此在接成电荷输出级电流。因此在接成电荷输出 型测量电路时，也要求前置放大器不仅有足够的放大倍数，型测量电路时，也要求前置放大器不仅有足够的放大倍数， 而且还需要有极高的输入阻抗。而且还需要有极高的输入阻抗。 2 2）电荷放大器）电荷放大器 航空检测技术 3.6.46 C 电荷放大器等效电路 -A Cf Uo q Ui Ucf 如图所示，它是如图所示，它是 由一个反馈电容由一个反馈电容 C Cf f和高增益运算和高增益运算 放大器构成，图放大器构成，图 中中A A为运算放

27、大为运算放大 器增益。器增益。 电荷放大器等效电路电荷放大器等效电路 航空检测技术 3.6.47 由于运算放大器具有高的输由于运算放大器具有高的输 入阻抗，其输出电压入阻抗，其输出电压Uo为：为： C 电荷放大器电路 -A Cf Uo q Ui Ucf f o C)A(C Aq U 1 通常通常 A104106，故，故 f C)A(C 1 f o C q U 航空检测技术 3.6.48 可以看出，可以看出，U0 f (测量电容测量电容C)，使用电荷使用电荷 放大器时，电缆连接电容放大器时，电缆连接电容Cc对放大器的影响对放大器的影响 几乎可以忽略不计。基于此，电荷放大器的几乎可以忽略不计。基于

28、此，电荷放大器的 应用日益增多。应用日益增多。 f o C q U ice CCCC 航空检测技术 3.6.49 压电传感器可以直接用于测力或测量压电传感器可以直接用于测力或测量 与力有关的压力、位移、振动加速度等。与力有关的压力、位移、振动加速度等。 3.6.3 压电式传感器应用压电式传感器应用 压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。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

29、度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁点。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，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。特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。 加速度计加速度计 航空检测技术 3.6.50 压电式传感器也可以用来测量发动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。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

30、。它既可以用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来测量大的压力，也可以用来测量微小 的压力。的压力。 航空检测技术 3.6.51 1 1、变形方式、变形方式 厚度伸缩：纵向压电效应厚度伸缩：纵向压电效应 长度伸缩：横向压电效应长度伸缩：横向压电效应 厚度切变：剪切压电效应厚度切变：剪切压电效应 长宽切变：面切压电效应长宽切变：面切压电效应 体积压缩：纵横向压电效应体积压缩：纵横向压电效应 航空检测技术 3.6.52 2 2、组合形式、组合形式 结构形状分：圆形、长方形、环形、柱状等结构形状分：圆形、长方形、环形、柱状等 元件数目分：单晶片、双晶片和多晶片元件数

31、目分：单晶片、双晶片和多晶片 极性方式分：串联、并联极性方式分：串联、并联 航空检测技术 3.6.53 3 3、基本结构、基本结构 （1 1）基座和外壳）基座和外壳 （2 2）压电元件）压电元件 （3 3）敏感元件）敏感元件 （4 4）预载件）预载件 （5 5）引线及插件）引线及插件 航空检测技术 3.6.54 4 4、应用特点、应用特点 （1 1）灵敏度和分辨率高，线性范围大，结构简）灵敏度和分辨率高，线性范围大，结构简 单，牢固，可靠性好，寿命长单，牢固，可靠性好，寿命长 （2 2）体积小，重量轻，刚度，强度，承载能力）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

32、态误差小和测量范围大，动态相应频带宽，动态误差小 （3 3）易于大量生产，便于选用，使用和校）易于大量生产，便于选用，使用和校 准方便，并适于近测，遥测准方便，并适于近测，遥测 航空检测技术 3.6.55 5.压电式传感器的应用压电式传感器的应用 1） 压电式测力传感器压电式测力传感器 图所示的是压电式单向测力传感器的结构图，主图所示的是压电式单向测力传感器的结构图，主 要由石英晶片、绝缘套、电极、上盖及基座等组要由石英晶片、绝缘套、电极、上盖及基座等组 成。成。 传感器上盖为传力元件，它的外缘壁厚为传感器上盖为传力元件，它的外缘壁厚为 0.1mm0.5mm，当外力作用时，它将产生弹性，当外力

33、作用时，它将产生弹性 变形，将力传递到石英晶片上。石英晶片采用变形，将力传递到石英晶片上。石英晶片采用xy 切型，利用其纵向压电效应，通过切型，利用其纵向压电效应，通过d11实现力实现力电电 转换。石英晶片的尺寸为转换。石英晶片的尺寸为81mm。该传感器的。该传感器的 测力范围为测力范围为0N50N，最小分辨率为，最小分辨率为0.01N，固有，固有 频率为频率为50kHz60kHz，整个传感器重为，整个传感器重为10g。 航空检测技术 3.6.56 2）压电式加速度传感器）压电式加速度传感器 图所示的是一种压电式加速度传感器的结构图。图所示的是一种压电式加速度传感器的结构图。 它主要由压电元件

34、、质量块、预压弹簧、机座及外它主要由压电元件、质量块、预压弹簧、机座及外 壳等组成。整个部件装在外壳内，并由螺栓加以固壳等组成。整个部件装在外壳内，并由螺栓加以固 定。定。 当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时，当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时， 压电元件受质量块惯性力的作用，根据牛顿第二定压电元件受质量块惯性力的作用，根据牛顿第二定 律，此惯性力是加速度律，此惯性力是加速度a的函数，即的函数，即F=ma。 F 上盖 石英晶片 绝缘套 电极 机座 预压弹簧 压电元件 螺栓 外壳 质量块 机座 航空检测技术 3.6.57 3 3）压电式流量计）压电式流量计 利用超声波在顺流方向和逆流

35、方向的传播速度进行测量。利用超声波在顺流方向和逆流方向的传播速度进行测量。 其测量装置是在管外设置两个相隔一定距离的收发两用其测量装置是在管外设置两个相隔一定距离的收发两用 压电超声换能器，每隔一段时间压电超声换能器，每隔一段时间( (如如1/100s)1/100s)，发射和接，发射和接 收互换一次。收互换一次。 流量显示流量显示 1789 输出信号输出信号 换能器换能器 换能器换能器 接收接收 接收接收 发射发射 发射发射 压电式流量计压电式流量计 根据发射和接收的相位差随海洋深度深度的变化，测量声速随深度根据发射和接收的相位差随海洋深度深度的变化，测量声速随深度 的分布情况。的分布情况。

36、航空检测技术 3.6.58 在顺流和逆流的情况下，发射和接收的相位在顺流和逆流的情况下，发射和接收的相位 差与流速成正比。据这个关系，可精确测定差与流速成正比。据这个关系，可精确测定 流速。流速与管道横截面积的乘积等于流量。流速。流速与管道横截面积的乘积等于流量。 此流量计可测量各种液体的流速，中压和低此流量计可测量各种液体的流速，中压和低 压气体的流速，不受该流体的导电率、粘度、压气体的流速，不受该流体的导电率、粘度、 密度、腐蚀性以及成分的影响。其准确度可密度、腐蚀性以及成分的影响。其准确度可 达达0.5%，有的可达到，有的可达到0.01%。 航空检测技术 3.6.59 4 4）集成压电式

37、传感器）集成压电式传感器 一种高性能、低成本动态微压传感器，产品一种高性能、低成本动态微压传感器，产品采采 用压电薄膜作为换能材料，动态压力信号通过用压电薄膜作为换能材料，动态压力信号通过 薄膜变成电荷量，再经传感器内部放大电路转薄膜变成电荷量，再经传感器内部放大电路转 换成电压输出。换成电压输出。该传感器具有灵敏度高，抗过该传感器具有灵敏度高，抗过 载及冲击能力强，抗干扰性好，操作简便，体载及冲击能力强，抗干扰性好，操作简便，体 积小、重量轻、成本低等特点，广泛应用于医积小、重量轻、成本低等特点，广泛应用于医 疗、工业控制、交通、安全防卫等领域。疗、工业控制、交通、安全防卫等领域。 航空检测

38、技术 3.6.60 典型应用典型应用 脉搏计数探测脉搏计数探测 按键键盘，触摸键盘按键键盘，触摸键盘 振动、冲击、碰撞报警振动、冲击、碰撞报警 振动加速度测量振动加速度测量 管道压力波动管道压力波动 其它机电转换、动态力检测等其它机电转换、动态力检测等 脉搏计照片脉搏计照片 航空检测技术 3.6.61 压电薄膜式脉搏测试仪演示压电薄膜式脉搏测试仪演示 对人体生理量测量，如对人体生理量测量，如PVF2PVF2血压、心音、血压、心音、 脉搏等体内和体表检测。利用压电效应产生电量脉搏等体内和体表检测。利用压电效应产生电量 进行数字显示。进行数字显示。 航空检测技术 3.6.62 压电式血压传感器（压

39、力压电式传感器）压电式血压传感器（压力压电式传感器） 航空检测技术 3.6.63 交通监测：交通监测：将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车 型分类信息（包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）、型分类信息（包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）、 车速监测、收费站地磅、闯红灯拍照、停车区域监控、车速监测、收费站地磅、闯红灯拍照、停车区域监控、 交通数据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。交通数据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。 将两根高分子压电电缆相距将两根高分子压电电缆相距若干米若干米，平行埋，平行埋 设于柏油公路的路面下约设于柏油公路的路面下约5cm，可以用来测量车速，可以用来测量车速 及汽车的载重量，并根据存储在计算机内部的档案及汽车的载重量，并根据存储在计算机内部的档案 数据，判定汽车的车型。数据，判定汽车的车型。 航空检测技术 3.6.64 高分子压高分子压 电电缆的电电缆的 应用演示应用演示 航空检测技术