压电式传感器演示文稿

压电式传感器演示文稿当前1页，总共136页。优选压电式传感器当前2页，总共136页。迈克尔逊干涉仪当前3页，总共136页。当前4页，总共136页。心率测量当前5页，总共136页。当前6页，总共136页。喇叭点亮LED灯当前7页，总共136页。当前8页，总共136页。第6章压电式传感器6.1压电效应与压电材料6.2压电式传感器测量电路6.3压电式传感器的应用当前9页，总共136页。压电式传感器是一种典型的发电传感器，它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，从而实现非电量电测的目的。优点：尺寸小，重量轻，工作频率宽，可测量最终能变换为力的那些非电物理量，例如动态力（一般必须高于100Hz）、动态压力、振动加速度等，但不能用于静态参数的测量。压电器件受力、表面形变电荷当前10页，总共136页。6.1压电效应与压电材料（正）压电效应：某些电介质，当沿一定方向受到外力作用而变形时，内部产生极化现象，同时在它的两个表面会产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又重新回到不带电状态，这种将机械能转换为电场能的现象称为压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随着改变。FF＋＋＋＋＋－－－－－F－－－－－＋＋＋＋＋F当前11页，总共136页。逆压电效应/电致伸缩效应:当在电介质的极化方向施加电场，电介质在一定方向上产生机械变形，内部出现机械应力，外加电场撤去后，这些变形和应力也随之消失，这种将电能转换为机械能的现象称为逆压电效应/电致伸缩效应。逆压电效应电能机械能正压电效应当前12页，总共136页。石英晶体的压电效应演示

当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。当前13页，总共136页。

将超声波（机械振动波）转换成电信号是利用压电材料的_____；蜂鸣器中发出“嘀……嘀……”声的压电片发声原理是利用压电材料的______。当前14页，总共136页。压电材料/压电元件：具有压电效应的电介质常见的压电材料有：石英晶体经过极化处理的压电陶瓷高分子压电材料当前15页，总共136页。

压电材料的主要特性参数压电常数弹性常数（刚度）介电常数机电耦合系数电阻居里点压电效应强弱：灵敏度固有频率、动态特性固有电容、频率下限机电转换效率泄漏电荷、改善低频特性丧失压电性的温度当前16页，总共136页。一、石英晶体：天然形成的石英晶体外形当前17页，总共136页。天然形成的石英晶体外形当前18页，总共136页。石英晶体切片及封装石英晶体薄片双面镀银并封装当前19页，总共136页。石英晶体振荡器（晶振）

石英晶体在振荡电路中工作时，压电效应与逆压电效应交替作用，从而产生稳定的振荡输出频率。晶振当前20页，总共136页。6.1石英晶体的压电效应 石英晶体具有如图6.1所示的规则的几何形状，它是一个六棱柱，两端是六棱锥。石英晶体是各向异性体，即在各个方向晶体性质是不同的。图6.1石英晶体当前21页，总共136页。

在结晶学中，将石英晶体的结构用三根互相垂直的轴来表示，其中纵向轴Z称为光轴，经过六棱柱棱线并垂直于光轴的X轴称为电轴，与X轴和Z轴同时垂直的Y轴（垂直于棱面）称为机械轴。当前22页，总共136页。光轴电轴机械轴FxFy——纵向压电效应

——

横向压电效应

沿z轴方向受力不产生压电效应

居里点573℃六角晶系结构当前23页，总共136页。石英晶体产生压电效应的微观机理

石英晶体具有压电效应，是由其内部分子结构决定的。图中“＋”代表硅离子Si4+，“－”代表氧离子O2-+xy++---当前24页，总共136页。（1）当石英晶体未受外力作用时，正、负离子正好分布在正六边形的顶角上，形成三个互成120°夹角的电偶极矩P1、P2、P3。(a)Fx=0xy+P1P2P3--++-P=qL（q为电荷量，L为正负电荷之间的距离），此时正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即

P1+P2+P3＝0所以晶体表面不产生电荷，呈电中性。当前25页，总共136页。(b)Fx<0x+Fxy+-Fx-P1P2P3--++-+++--（2）当晶体受到沿x方向的压力（Fx<0）作用时，晶体沿x方向将产生收缩，正、负离子的相对位置随之发生变化，此时正、负电荷中心不再重合，电偶极矩P1减小，P2、P3增大，它们在x

方向上的分量不再等于零:(P1+P2+P3)x>0

在y、z方向上的分量为:(P1+P2+P3)y

=0(P1+P2+P3)z=0当前26页，总共136页。（3）当晶体受到沿x方向的拉力（Fx

＞0）作用时，P1增大，P2、P3减小，此时它们在x、y、z三个方向上的分量为

(P1+P2+P3)x<0(P1+P2+P3)y=0(P1+P2

+P3)z=0在x轴的正向出现负电荷，在y、z方向依然不出现电荷。(c)Fx>0yx+++FxFxP2P3P1+++--+----当前27页，总共136页。当前28页，总共136页。当晶体受到沿x(电轴)方向的力Fx作用时，在x方向产生正压电效应，而y、z方向不产生压电效应。晶体受到y（即机械轴）方向的力Fy作用时，在x方向产生正压电效应，在y、z方向同样不产生压电效应。晶体受到z轴方向受力Fz的作用时，因为晶体沿x方向和沿y方向所产生的正应变完全相同，所以，正、负电荷中心保持重合，这就表明，在沿z(即光轴)方向的力Fz

作用下，晶体不产生压电效应。当前29页，总共136页。

图6.2晶体切片上电荷极性与受力方向的关系X轴方向受压力；（b）X轴方向受拉力；（c）Y轴方向受压力；（d）Y轴方向受拉力

需要指出的是：上述讨论均假设晶体沿X轴和Y轴方向受到了压力。当晶体沿X轴和Y轴方向受到拉力作用时，同样有压电效应，只是电荷的极性将随之改变。石英晶片上电荷极性与受力方向的关系如下图所示。当前30页，总共136页。当前31页，总共136页。（1）晶体在某个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆压电效应。（2）无论是正压电效应还是逆压电效应，其作用力与电荷之间呈线性关系。（3）晶体具有各向异性特点，并不是在任何方向都存在压电效应。结论：当前32页，总共136页。在几百摄氏度的温度范围内，其介电常数和压电系数几乎不随温度而变化。但是当温度升高到573℃时，石英晶体将完全丧去压电特性，这就是它的居里点。石英晶体的突出优点：性能非常稳定，它有很大的机械强度和稳定的机械性能。但石英材料价格昂贵，且压电系数比压电陶瓷低得多。因此一般仅用于标准仪器或要求较高的传感器中。当前33页，总共136页。（二）压电陶瓷压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料，它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。在无外电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们各自的极化效应被相互抵消，因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成本却较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷。当前34页，总共136页。在压电陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场方向的排列，从而使材料得到极化。外电场愈强，就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。当前35页，总共136页。当前36页，总共136页。常用的压电陶瓷材料：非铅系列压电陶瓷（如钛酸钡BaTiO3）：具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为石英晶体的50倍）。但居里点温度低（120℃），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）：压电系数更大，居里点温度在300℃以上，各项机电参数受温度影响小，时间稳定性好。是目前压电式传感器中应用最广泛的压电材料。当前37页，总共136页。压电陶瓷外形

当前38页，总共136页。

无铅压电陶瓷及其换能器外形当前39页，总共136页。

陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩的形式表现出来，即在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚电荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数量相等，它屏蔽和抵消了陶瓷片内极化强度对外界的作用。陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图极化方向-----＋＋＋＋＋自由电荷束缚电荷电极电极-----＋＋＋＋＋当前40页，总共136页。陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩的形式表现出来，即在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚电荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数量相等，它屏蔽和抵消了陶瓷片内极化强度对外界的作用。陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图极化方向-----＋＋＋＋＋自由电荷束缚电荷电极电极-----＋＋＋＋＋当前41页，总共136页。正压电效应示意图F－＋-----＋＋＋＋＋-----＋＋＋＋＋极化方向如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F，陶瓷片将产生压缩形变。片内的正、负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。释放部分吸附在电极上的自由电荷，而出现放电现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状，极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。

——正压电效应。

当前42页，总共136页。若在片上加一个与极化方向相同的电场，电场的作用使极化强度增大。陶瓷片内的正、负束缚电荷之间距离也增大，即陶瓷片沿极化方向产生伸长形变。同理，如果外加电场的方向与极化方向相反，则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变。这种由于电效应而转变为机械效应，或者由电能转变为机械能的现象，就是压电陶瓷的逆压电效应。逆压电效应示意图Ｅ电场方向极化方向-----＋＋＋＋＋-----＋＋＋＋＋当前43页，总共136页。图5-12压电陶瓷的变形方式y----++++FzFzxz（a）纵向变形（b）横向变形（c）体积变形FyFyxyzFx++++----FzFyFyxyzFxFz++++----当前44页，总共136页。（三）高分子压电材料

典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。优点：是一种柔软的压电材料，可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较宽，测量动态范围可达80dB。当前45页，总共136页。其工作温度一般低于100℃，温度升高时，灵敏度将降低；它的机械强度不够高，耐紫外线能力较差，不宜暴晒，以免老化。PVDF的应用很广泛。利用它的拉伸或弯曲压电效应，可以做成扬声器、耳机和微音器等；利用它的声阻抗与人体组织的声阻抗十分接近的特性，可以做成脉搏计、血压计、起搏器和胎心探测器等；利用它的声阻抗与水的声阻抗很接近的特性，可以做成探测水下物体的传感器；利用其柔软、灵敏度高的特性，可以做大面积的传感器阵列器件，如人造皮肤等。

当前46页，总共136页。其工作温度一般低于100℃，温度升高时，灵敏度将降低；它的机械强度不够高，耐紫外线能力较差，不宜暴晒，以免老化。PVDF的应用很广泛。利用它的拉伸或弯曲压电效应，可以做成扬声器、耳机和微音器等；利用它的声阻抗与人体组织的声阻抗十分接近的特性，可以做成脉搏计、血压计、起搏器和胎心探测器等；利用它的声阻抗与水的声阻抗很接近的特性，可以做成探测水下物体的传感器；利用其柔软、灵敏度高的特性，可以做大面积的传感器阵列器件，如人造皮肤等。

当前47页，总共136页。高分子压电薄膜及拉制当前48页，总共136页。高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆

当前49页，总共136页。可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板

当前50页，总共136页。压电式脚踏报警器

当前51页，总共136页。高分子压电薄膜制作的压电喇叭

（逆压电效应）当前52页，总共136页。常用压电材料当前53页，总共136页。6.2压电式传感器的测量电路压电元件的串联与并联

在实际应用中，由于单片的输出电荷很小，因此，组成压电式传感器的晶片不止一片，常常将两片或两片以上的晶片粘结在一起。粘结的方法有两种，即并联和串联。当前54页，总共136页。并联：(a)并联++－－－+特点：两片压电晶片的负电荷集中在中间电极上，正电荷集中在两侧的电极上；传感器的电容量大、输出电荷量大、时间常数也大，故这种传感器适用于测量缓变信号及电荷量输出信号。当前55页，总共136页。串联：(b)串联+－－+特点：正电荷集中于上极板，负电荷集中于下极板，传感器本身的电容量小、响应快、输出电压大，适于测量以电压作输出的信号和频率较高的信号。当前56页，总共136页。

动态力传感器中，两片压电片多采用______接法，可增大输出电荷量；在电子打火机和煤气灶点火装置中，多片压电片采用______接法，可使输出电压达上万伏，从而产生电火花。当前57页，总共136页。等效电路

压电传感器的压电元件受力时，在晶体的表面上分别聚集等量的正电荷和负电荷，因此它相当于一个电荷发生器，同时，它也是一个电容器。++++++++++--------------++++----qCaqCa

电荷源当前58页，总共136页。当两极板聚集异性电荷时，两极板之间呈现电压，因此，压电传感器也可以等效为一个电压源和一个电容器的串联电路。CaUa

压电元件不受外力作用时，电极表面没有电荷产生，电荷源开路，电压源短路，此时的压电元件只等效为一个电容器。

电压源当前59页，总共136页。利用压电传感器进行测量时，它要与测量电路相连接，于是要考虑电缆电容、放大器的输入电阻、输入电容以及传感器的漏电阻，实际等效电路为：qCaRaCcRiCiCaUaRaCcRiCiCcRiCiRa当前60页，总共136页。压电传感器只能应用于动态测量

由于外力作用在压电元件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。压电元件在交变力的作用下，电荷可以不断补充，可以供给测量回路以一定的电流，故只适用于动态测量（一般必须高于100Hz，但在50kHz以上时，灵敏度下降）。

因为压电元件实际上等效为一个具有电荷的电容，电容在电路中会放电，放电时间常数为RC，RC越大，放电时间越大。为了保持压电元件上的电荷无泄漏，必须测量回路具有无限大的输入阻抗当前61页，总共136页。测量电路

测量时要考虑的问题：（1）输入阻抗要大。几百MΩ以上，从而减小测量误差。（2）当压电传感器与测量电路相连时，要考虑电缆电容、放大器输入电阻、输入电容、传感器的漏电阻等。当前62页，总共136页。

前置放大器的作用：放大压电传感器的微弱输出信号把传感器的高阻抗输出变换成低阻抗输出。前置放大器的形式：电压放大器电荷放大器当前63页，总共136页。1．电压放大器当前64页，总共136页。前置放大器输入端电压：前置放大器输入端电压幅值：输入电压与作用力间的相位差：当前65页，总共136页。时间常数当前66页，总共136页。输入电压与作用力间的相位差：当前67页，总共136页。（1）当作用在压电元件上的力是静态力()时，,前置放大器的输入电压等于零，这从原理上决定了压电传感器不能用于静态测量。（2）当时，压电传感器有很好的高频响应，适合测量高频交变力当前68页，总共136页。（3）灵敏度：，说明不能单靠增大电容的方法增大，因为灵敏度会减小，所以采用输入阻抗高的放大器。在回路时间常数一定的条件下，作用力的频率越高，越能满足的条件。（4）压电传感器与前置放大器之间的连接电缆不能随意更换，因为电缆的长度变化将使Cc变化，从而引起Usrm变化，引起测量误差。当前69页，总共136页。1.惯性环节频率特性（1）传递函数式中

当前70页，总共136页。当前71页，总共136页。惯性环节的对数频率特性(Bode图)当前72页，总共136页。2.微分环节频率特性①传递函数（1）理想微分环节频率特性②幅相频率特性当前73页，总共136页。③对数频率特性当前74页，总共136页。理想微分环节对数频率特性(Bode图)当前75页，总共136页。对于惯性和微分环节的频率特性？当前76页，总共136页。我们来分析下其幅频特性：频率下限当前77页，总共136页。传感器的低频响应范围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又不大，则造成传感器灵敏度下降。因此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。但这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。当前78页，总共136页。电压放大器应用限制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，但是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。当前79页，总共136页。2.电荷放大器RfqA

电荷放大器的输出电压与输入电荷成正比;电荷放大器可不考虑电缆长度和低频响应。

电压放大器的输出电压与输入电压（传感器的输出电压）成正比；电压放大器的结构较简单，所需元件少，价格便宜，可靠性强；深度电容负反馈的高增益运算放大器电路;一般A很大当前80页，总共136页。2.电荷放大器RfqA深度电容负反馈的高增益运算放大器电路;一般A很大当前81页，总共136页。A足够大，压电元件的电容大小和电缆长短不影响电荷放大器的输出，这是其优点之一。当前82页，总共136页。频率足够高时，当前83页，总共136页。但是当频率很低时，当前84页，总共136页。我们来分析下其幅频特性：频率下限对比电压放大器：频率下限仅与反馈电路参数有关，与连接电缆电容、放大器的输入电容电阻无关。通过选择参数，可以使得其低频截至频率更低。当前85页，总共136页。四通道电荷放大器外形当前86页，总共136页。焊接式电荷放大器当前87页，总共136页。超小型电荷放大器模块

主要指标:

灵敏度：1、10、100mV/pC(任选一档)

频率范围：0.3～100KHz(上、下限可选)

噪声(最大灵敏度)：输出端小于1mV

归一化：外接电阻调整

线性误差：1%

最大输出：±5V或±10V

电

源：±6V～±15V

当前88页，总共136页。其他电荷放大器外形面板式电荷放大器当前89页，总共136页。其他电荷放大器外形（续）当前90页，总共136页。6.3压电传感器的应用

一、高分子压电材料的应用

1.玻璃打碎报警装置将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到玻璃破碎时会发出的振动，并将电压信号传送给集中报警系统。

粘贴位置当前91页，总共136页。

将厚约0.2mm左右的PVDF薄膜裁制成1020mm大小。在它的正反两面各喷涂透明的二氧化锡导电电极，再用超声波焊接上两根柔软的电极引线。并用保护膜覆盖。使用时，用瞬干胶将其粘贴在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎的瞬间，压电薄膜感受到剧烈振动，表面产生电荷Q，在两个输出引脚之间产生窄脉冲报警信号。质量块当前92页，总共136页。报警器的电路原理框图当前93页，总共136页。

2．压电式周界报警系统

（用于重要位置出入口、周界安全防护等）

将长的压电电缆埋在泥土的浅表层，可起分布式地下麦克风或听音器的作用，可在几十米范围内探测人的步行,对轮式或履带式车辆也可以通过信号处理系统分辨出来。右图为测量系统的输出波形。当前94页，总共136页。3.交通监测

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）、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。当前95页，总共136页。高分子压电电缆的应用演示

将两根高分子压电电缆相距若干米，平行埋设于柏油公路的路面下约5cm，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数据，判定汽车的车型。

当前96页，总共136页。二、压电陶瓷传感器的应用

压电式力传感器

压电式力传感器按其用途和压电元件的组成可分为单向力、双向力和三向力传感器。它可以测量几百至几万牛顿的动态力。一种用于机床动态切削力测量的单向压电石英力传感器的结构如图5.15所示。压电元件采用xy（即X0°）切型石英晶体，利用其纵向压电效应，通过d11实现力-电转换。上盖为传力元件，其弹性变形部分的厚度较薄（其厚度由测力大小决定），聚四氟乙烯绝缘套用来绝缘和定位。这种结构的单向力传感器体积小，重量轻（仅10g），固有频率高（约50～60kHz），最大可测5000N的动态力，分辨率达10-3N当前97页，总共136页。压电式动态力传感器在车床中用于动态切削力的测量

动态力传感器刀架车刀工件当前98页，总共136页。19三月2023图5.15单向压电石英力传感器的结构利用其纵向压电效应，实现力一电转换。它用两块晶片作传感元件，被测力通过传力上盖使石英晶片沿电轴方向受压力作用，由于纵向压电效应使石英晶片在电轴方向上出现电荷，两块晶片沿电轴方向并联叠加，负电荷由电极输出，压电晶片正电荷一侧与底座连接。两片并联可提高其灵敏度。当前99页，总共136页。5.4.3压电式压力传感器 压电式压力传感器的种类很多，这里着重介绍常用的膜片式压电压力传感器。

为了保证传感器具有良好的长时间稳定性和线性度，而且能在较高的环境温度下正常工作，压电元件采用两片xy(X0°)切型的石英晶片。这两片晶片在电气上采取并联连接。作用到膜片上的压力通过传力块施加到石英晶片上，使晶片产生厚度变形。为了保证在压力（尤其是高压力）作用下，石英晶片的变形量（约零点几到几微米）不受损失，传感器的壳体及后座（即芯体）的刚度要大。当前100页，总共136页。图5.19膜片式压电压力传感器

从弹性波的传递考虑，要求通过传力块及导电片的作用力快速而无损耗地传递到压电元件上，为此传力块及导电片应采用高音速材料，如不锈钢等。当前101页，总共136页。两片石英晶片输出的总电荷量q为：

q=2d11SP(5.12)式中：d11——石英晶体的压电常数；

S——膜片的有效面积；P——压力。这种结构的压力传感器的优点是：有较高的灵敏度和分辨率，而且有利于小型化。缺点是：压电元件的预压缩应力是通过拧紧芯体施加的。这将很可能使膜片产生弯曲变形，造成传感器的线性度和动态性能变坏。另外，当膜片受环境温度影响而发生变形时，压电元件的预压缩应力将会发生变化，给输出带来误差。当前102页，总共136页。

为了克服压电元件在预载过程中引起膜片的变形，采取了预紧筒加载结构，如图5.20所示。预紧筒是一个薄臂厚底的金属圆筒。通过拉紧预紧筒对石英晶片组施加预压缩应力。这种传感器在制造时，在加载状态下，用电子束焊将预紧筒与芯体焊成一体。感受压力的薄膜片是后来焊接到壳体上去的，它不会在压电元件的预加载过程中发生变形。图5.20预紧筒加载的压电式当前103页，总共136页。19三月2023高度测量、大气压力、轮胎压力压力传感器当前104页，总共136页。19三月2023当前105页，总共136页。5.4.4压电式加速度传感器以压缩型压电式加速度传感器为例来说明其工作原理。图5.21为这种传感器的结构原理图。压电元件一般由两块压电片（石英晶片或压电陶瓷片）串联或并联组成。在压电片的两个表面上镀银，并在银层上焊接输出引线，或在两压电片之间夹一片金属薄片，引线焊接在金属薄片上。输出端的另一根引线直接与传感器基座相连。图5.21压缩型压电式加速度传感器的结构原理图

质量块放置在压电片上，它一般采用比重较大的金属钨或高比重合金制成，以保证质量且减小体积。当前106页，总共136页。19三月2023

当待测物振动时，由于传感器固接于待测物上，因而也受到同样的振动。此时，惯性质量产生一个与加速度成正比的惯性力F作用在压电片上，因而产生了电荷q。已知压电陶瓷元件受外力作用后表面上产生的电荷q=d33F，又F=ma(m是质量块的质量，在传感器中是一个常数)，所以F与所测加速度a成正比。这样传感器产生的电荷q与所测加速度a成正比，从而可以用电荷量q来表示所测振动体的加速度a。当前107页，总共136页。2.压电引信 压电引信是一种利用钛酸钡或锆钛酸铅压电陶瓷的压电效应制成的军用弹丸启爆装置。它具有瞬发度高、安全可靠、不需要配置电源等特点，常应用于破甲弹上，对提高弹丸的破甲能力起着极其重要的作用。其结构如图5.27所示。整个引信由压电元件和启爆装置两部分组成。压电元件安装在弹丸的头部，启爆装置设置在弹丸的尾部，通过导线互相连接。图5.27破甲弹上的压电引信的结构当前108页，总共136页。图5.28压电引信原理电路

压电引信的原理电路如图5.28所示。平时，电雷管E处于短路保险安全状态，压电元件即使受压，其产生的电荷也会通过电阻R泄放掉，不会使电雷管动作。弹丸一旦发射后，引信启爆装置即解除保险状态，开关S从a处断开与b接通，处于待发状态。当弹丸与装甲目标相遇时，强有力的碰撞力使压电元件产生电荷，经导线传递给电雷管使其启爆，并引起弹丸的爆炸，锥孔炸药爆炸形成的能量使药形罩熔化，形成高温高速的金属流将坚硬的钢甲穿透，起到杀伤作用。当前109页，总共136页。110超声波流量计的原理：流速不同会使超声波在流体中传播的速度发生变化，通过分析计算改变的超声波信号，可以检测到流体的流速，进而可以得到流量值。三.超声波流量计当前110页，总共136页。111当前111页，总共136页。压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用压电式步态分析跑台压电式纵跳训练分析装置压电传感器测量双腿跳的动态力当前112页，总共136页。压电式传感器在测漏中的应用ABO点LALB地面L

如果地面下一均匀的自来水直管道某处O发生漏水，水漏引起的振动从O点向管道两端传播，在管道上A、B两点放两只压电传感器，由从两个传感器接收到的由O点传来的t0时刻发出的振动信号所用时间差可计算出LA或LB。当前113页，总共136页。压电式声传感器压电陶瓷换能器结构图铝头螺钉黄铜尾部压电陶瓷圆环当交变信号加在压电陶瓷片两端面时，由于压电陶瓷的逆压电效应，陶瓷片会在电极方向产生周期性的伸长和缩短.当前114页，总共136页。

当一定频率的声频信号加在换能器上时，换能器上的压电陶瓷片受到外力作用而产生压缩变形，由于压电陶瓷的正压电效应，压电陶瓷上将出现充、放电现象，即将声频信号转换成了交变电信号。这时的声传感器就是声频信号接收器。

如果换能器中压电陶瓷的振荡频率在超声波范围，则其发射或接收的声频信号即为超声波，这样的换能器称为压电超声换能器。当前115页，总共136页。压电声传感器在超声速测量实验中的应用信号发生器S1示波器频率计S2l游标卡尺

当信号发生器产生的正弦交流信号加在压电陶瓷片两端面时，压电陶瓷片将产生机械振动，在空气中激发出声波。所以，换能器S1是声频信号发生器。

当S1发出的声波信号经过空气传播到达换能器