压电式加速度传感器原理及应用电路

压电式压力传感器原理及应用自动化研1302班王民军压电式压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器。

而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也叫压电式压电传感器。

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。

一、压电式传感器的工作原理1、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。

2、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=k*S*p。

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。

二、压电压力传感器等效电路和测量电路在校准用的标准压力传感器或高精度压力传感器中采用石英晶体做压电元件外，一般压电式压力传感器的压电元件材料多为压电陶瓷，也有用高分子材料(如聚偏二氟乙稀)或复合材料的合成膜的。

传感器实验压电式加速度传感器具有动态范围大、频率范围宽、坚固耐用、受外界干扰小以及压电材料受力自产生电荷信号不需要任何外界电源等特点，是被最为广泛使用的振动测量传感器。

虽然压电式加速度传感器的结构简单，商业化使用历史也很长，但因其性能指标与材料特性、设计和加工工艺密切相关，因此在市场上销售的同类传感器性能的实际参数以及其稳定性和一致性差别非常大。

与压阻和电容式相比，其最大的缺点是压电式加速度传感器不能测量零频率的信号。

加速度传感器知识准备1 以上知识点，可参阅<M M A 7660.P D F >讯方公司 传感器实验通过本实验了解加速度传感器的硬件电路和工作原理1．编写一个读取加速度传感器输出信号的程序2． 将X 、Y 、Z 三个轴的加速度值分别做简单的处理显示1． 硬件部分（1） 采集节点一个（2）J-Link 仿真器一个 （3） 显示终端一台 （4） 加速度传感器一个2． 软件部分Keil μVision4 开发环境，J-Link 驱动程序1． 加速度传感器工作原理电路中用到，加速度传感器电路、信号放大电路、单片机系统、状态显示系统构成。

其基本工作原理：经过信号放大电路，加速度传感器电路将感受到X 、Y 、Z 三个轴加速度以数字形式输出至单片机系统, 由状态显示系统进行显示。

加速度传感器工作框图如图5-1：图5-1 电路工作框图2.加速度传感器的硬件电路图电路中，加速度传感器电路如图5-2。

图5-2 加速度传感器原理图3.工作模式:mma7660主要有三种工作模式.(通过设置MODE寄存器)1).Standby(待机)模式此时只有I2C工作,接收主机来的指令. 该模式用来设置寄存器. 也就是说, 要想改变mma7660的任何一个寄存器的值,必须先进入Standby模式. 设置完成后再进入Active或Auto-Sleep模式.2).Active and Auto-Sleep (活动并且Auto-Sleep) 模式mma7660的工作状态分两种, 一种是高频度采样, 一种是低频度采样. 为什么这样分呢, 为了节省功耗,但是在活动时又保持足够的灵敏度. 所以说mma7660的Active模式其实又分两种模式,一种是纯粹的Active模式, 即进了Active模式后一直保持高的采样频率,不变. 还有一种是Active & Auto-Sleep模式, 就是说系统激活后先进入高频率采样,经过一定时间后,如果没检测到有活动,它就进入低频率采样 ,所以就叫做Auto-Sleep, Sleep并不是真的Sleep , 只是说降低采样频率.低频率采样模式又叫Auto-Wake摸式, 即自动唤醒模式.它不是睡眠模式, 它只是降低采样频率.3). Auto-Wake (自动唤醒) 模式Auto-Sleep后就进入低频率采样模式,这种模式就叫做Auto-Wake摸式, 即自动唤醒模式.它不是睡眠模式, 它只是降低采样频率.讯方公司传感器实验6 实验步骤实验基本步骤如下：1．启动Keil μVision4，新建一个项目工程Bank，添加常用组，并添加相应库函数；2．在user文件中建立main.c,SystemInit.c,PublicFuc.c文件；3．新建一个组sensor，在sensor中编写读取加速度传感器数值变化的代码；4．编译链接工程，并生成hex 文件，所有文件如下图6-1所示：图6-1 文件示意图5．将加速度传感器接到传感器接口1；图 6-2 加速度传感器6．将J-Link仿真器、ZigBee路由器接入传感器采集节点,仿真器USB 接口连入PC 机，插好电源，并打开开发实验箱上的电源开关，如图6-3：图6-3 硬件连接示意图7． 将ZigBee 协调器接入智能网关，插好电源，并打开电源启动智能网关系统，运行传感器实验显示程序；图6-4 传感器实验显示程序电源开关电源传感器接口1传感器接口2传感器接口3J-LINK 接口ZigBee_DEBUG复位 节点按键 拨码开关 ZigBee 按键 红外发射天线指示灯ZigBee 复位讯方公司 传感器实验图6-5 智能网关连接示意图8． 选择【Debug 】->【Start/Stop Debug Session 】,启动J-Link 进行仿真调试； 9． 选择【Debug 】->【run 】或者按快捷键“F5”,运行程序； 10． 验证：移动加速度传感器，观察显示屏上数值的变化；11． 验证完毕后，退出J-Link 仿真界面，关闭Keil μVision4软件；关闭硬件电源，整理桌面； 12． 实验完毕。

压电式加速度传感器的工作原理
压电式加速度传感器是一种利用压电效应测量加速度的传感器。

它由一个压电晶体和质量块组成。

工作原理如下：
1. 当加速度传感器受到加速度作用时，质量块会受到力的作用而发生位移。

2. 位移的变化引起压电晶体的压电效应，从而在晶体上产生电荷。

3. 电荷由传感器输出接口传送到外部电路进行信号处理。

4. 根据电荷的大小，可以计算得到加速度的数值。

压电式加速度传感器的工作原理主要基于压电效应，即一些材料在受到力或压力作用时会产生电荷。

这种工作原理具有快速响应、高精度和宽工作频率范围等优点，因此常被应用于振动测量、机械设备监测、运动控制等领域。

压电传感器的等效电路压电传感器是一种常用的传感器，其原理是利用压电材料的压电效应将机械能转换为电能，实现对压力、力、加速度等物理量的测量。

压电传感器的等效电路一般由压电传感元件和相关电路组成。

压电传感元件一般采用压电陶瓷材料，主要由触发板、压电陶瓷片和底座组成。

触发板是用来接受外部压力或力的作用，将机械能转换为压电效应；压电陶瓷片是压电元件的核心部分，负责将机械能转换为电能；底座是固定压电陶瓷片和触发板的支撑结构。

压电传感器的等效电路可分为感应电路和放大电路两部分。

感应电路主要是将压电传感器输出的电荷信号转换为电压信号，常用的感应电路有放大电荷放大器和运算放大器。

放大电荷放大器一般由前置放大电路和后置放大电路组成，前置放大电路用于对由压电陶瓷片产生的微小电荷进行放大，后置放大电路用于对前置放大电路输出的电压信号进行进一步放大。

运算放大器一般采用差分放大电路，通过将压电陶瓷片产生的电压信号与参考电压进行差分放大，得到输出电压信号。

放大电路输出的电压信号一般较小，为了进一步增强信号强度和减小噪声，需要使用放大器进行放大。

常用的放大器有运算放大器和分立元件放大器。

运算放大器是一种常用的放大器，具有高增益、低失真和高输入阻抗等特点，可以将输入信号放大几十倍甚至更多。

分立元件放大器则是通过使用晶体管、场效应管等分立元件构成，具有较高的功率输出和较低的噪声水平。

压电传感器的等效电路还需要包括一些辅助电路，如滤波电路和稳压电路。

滤波电路用于滤除输入信号中的高频噪声，使得输出信号更加清晰和准确。

稳压电路用于稳定电压信号，避免由于电源波动等原因对传感器输出的影响。

总的来说，压电传感器的等效电路主要由压电传感元件、感应电路、放大电路和辅助电路组成。

其中感应电路将压电传感元件输出的电荷信号转换为电压信号，放大电路对输出信号进行进一步放大，辅助电路保证电路的稳定性和准确性。

这些电路的设计和优化将直接影响到压电传感器的测量精度和稳定性。

压电式传感器工作原理
压电式传感器工作原理是基于压电效应的。

压电效应是指某些晶体在受到机械应力或电场作用下，会产生电荷的现象。

压电式传感器通常由压电材料和电极组成。

当外界施加压力或力量作用在压电材料上时，压电材料会发生分子结构的畸变，从而产生电荷的偏移。

这个电荷的偏移量与所施加的压力大小成正比。

压电传感器中的电极会收集这些电荷，产生对应的电压信号。

为了提高传感器的灵敏度和稳定性，常常在压电材料的两侧加上金属电极，形成一个电场。

这个电场可以使压电材料更容易产生电荷的偏移，从而提高传感器的灵敏度。

压电式传感器适用于各种应用领域，比如重量测量、压力检测、加速度测量等。

在重量测量方面，压电式传感器可以通过测量压电材料上产生的电荷量来计算受测物体的重量。

在压力检测方面，传感器可以通过测量压电材料上产生的电压信号来计算作用在传感器上的压力大小。

在加速度测量方面，压电式传感器可以通过测量压电材料上产生的电荷量来计算物体的加速度。

总之，压电式传感器利用压电效应实现对压力、重量以及加速度等物理量的测量。

通过测量压电材料上产生的电荷量或电压信号，可以计算出所测量物理量的值。

压电式加速度传感器摘要：本文介绍了压电式加速度传感器的结构和工作原理，推导了传感器的数学模型，并分析了测量电路，压电传感器的产生零漂现象的各种原因，并针对这些原因提出相应的解决措施。

关键词：压电式；加速度传感器；零漂1 引言现代工业和自动化生产过程中，非电物理量的测量和控制技术会涉及大量的动态测试问题。

所谓动态测试是指量的瞬时值以及它随时间而变化的值的确定，即被测量为变量的连续测量过程。

它以动态信号为特征，研究了测试系统的动态特性问题，而动态测试中振动和冲击的精确测量尤其重要。

振动与冲击测量的核心是传感器，常用压电加速度传感器来获取冲击和振动信号。

压电式传感器是基于某些介质材料的压电效应，当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，质量轻，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、体育、制造业、军事、航空航天等领域都得到了非常广泛的应用。

加速度传感器作为测量物体运动状态的一种重要的传感器，加速度传感器主要分为压阻式、电容式、应变式、压电式、振弦式、挠性摆式、液浮摆式等类型。

压电式加速度传感器是以压电材料为转换元件，将加速度输入转化成与之成正比的电荷或电压输出的装置，具有结构简单、重量轻、体积小、耐高温、固有频率高、输出线性好、测量的动态范围大、安装简单的特点。

2工作原理压电式加速度传感器又称为压电加速度计，它也属于惯性式传感器。

它是典型的有源传感器。

利用某些物质如石英晶体、人造压电陶瓷的压电效应，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。

压电敏感元件是力敏元件，在外力作用下，压电敏感元件的表面上产生电荷，从而实现非电量电测量的目的。

压电加速度传感器的原理框图如图1所示，原理如图2所示。

图1 加速度传感器的组成框图支座图2 压电加速度传感器原理图实际测量时，将图中的支座与待测物刚性地固定在一起。

当待测物运动时，支座与待测物以同一加速度运动，压电元件受到质量块与加速度相反方向的惯性力的作用，在晶体的两个表面上产生交变电荷(电压)。

压电式加速度传感器内部结构1. 引言压电式加速度传感器是一种常用的传感器，用于测量物体的加速度。

它基于压电效应，通过测量压电材料的变形来获取加速度信息。

本文将详细介绍压电式加速度传感器的内部结构，包括主要组成部分和工作原理。

2. 主要组成部分压电式加速度传感器主要由以下几个组成部分构成：2.1 压电材料压电材料是压电式加速度传感器的核心组件，它能够产生电荷或电势差，当受到外力作用时发生形变。

常用的压电材料包括石英、铅锆钛酸钡（PZT）等。

这些材料具有良好的压电性能和稳定性。

2.2 支撑结构支撑结构用于支撑和固定压电材料，确保其正常工作。

通常采用金属或陶瓷材料制成，具有足够的刚性和稳定性。

2.3 惯性质量块惯性质量块是压电式加速度传感器的重要组成部分，它与压电材料相连，并在受到外力时发生相对位移。

惯性质量块的质量和形状会影响传感器的灵敏度和频率响应。

2.4 弹簧系统弹簧系统用于连接惯性质量块和支撑结构，提供恢复力以使传感器恢复到平衡状态。

弹簧的刚度和阻尼特性对传感器的性能有重要影响。

2.5 电极电极用于收集压电材料产生的电荷或电势差，并将其输出为电信号。

通常，压电材料两侧都有电极，通过连接导线将信号传输到外部测量设备。

3. 工作原理压电式加速度传感器的工作原理基于压电效应。

当受到外力作用时，压电材料发生形变并产生相应的电荷或电势差。

这个过程可以分为以下几个步骤：1.外力作用：物体受到加速度时，惯性质量块会受到力的作用。

2.相对位移：惯性质量块相对于支撑结构发生位移，导致压电材料发生形变。

3.电荷产生：压电材料内部的极化会产生电荷，电荷大小与形变程度成正比。

4.电信号输出：电极将产生的电荷收集起来，并通过导线传输到外部测量设备。

通过测量输出的电信号，我们可以计算得到物体的加速度值。

4. 应用领域压电式加速度传感器广泛应用于各个领域，包括但不限于：•汽车工业：用于车辆动态性能测试、碰撞测试等。

•航空航天：用于飞行器姿态控制、振动分析等。