4.6 压电式传感器 - Guangdong University of Technology · 天然结晶形状是六角晶柱，它是一个正六面体，用直角坐标三个轴来表示。 1. 压电材料

广东工业大学机电工程学院

4.6.1 4.6.1 压电效应压电效应

正压电效应：对某些材料沿一定方向施力而使其变形，内部产生极化现象，在其两表面将产生极性相反的电荷，当外力去掉后，表面又回到不带电状态。

压电效应是可逆的，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会变形，这称为逆压电效应或电致伸缩效

应。

dFq

d是材料的压电常数。

第四章常用传感器和敏感元件

4.6 压电式传感器压电式传感器是利用压电材料的压电效应把受力的变

化转换成电压或电流的变化信号。


（1）天然物质：石英晶体

压电效应弱，2.31*10-12C/N，可承受700~1000kg/cm2 ，但稳定，可用作标准的加速度计。

天然结晶形状是六角晶柱，它是一个正六面体，用直角坐标三个轴来表示。

1. 压电材料压电材料主要有压电晶体、压电陶瓷和新型压电材料。

压电晶体一般为单晶体，常用的有石英晶体、铌酸锂、钽酸锂等。自然界中大部分晶体的压电效应比较弱。

压电陶瓷是人造多晶体，常用的有钛酸钡、锆钛酸铅等。

新型压电材料主要有压电半导体和有机高分子压电薄膜。



石英晶体的压电效应

纵向压电效应: 沿电轴x 方向施力，在x轴表面产生电荷。

横向压电效应：沿力轴y 方向施力，在x轴表面产生电荷。

切向压电效应：沿相对平行面加力，在x轴表面产生电荷。

• 沿光轴z 方向施力，表面不产生电荷；

• 若改变受力方向，表面极性也相应改变。


光轴纵轴线z 电轴穿过棱线且z轴的x轴力轴（机械轴）棱面的y轴


（2）压电陶瓷——人造


原始的压电陶瓷材料是没有压电性的，只有经过极化后才具有压电性。

人工制造：压电陶瓷—压电效应强，

1.9*10-9C/N，但稳定性差，用作工作时的加速度计。


沿x轴方向加力Fx，在垂直于x轴的压电晶体表面上积聚的电荷量为

11 —d 压电常数，与材质和切片方向有关

若压电体受到多方向的力，各表面都会积聚电荷

每个表面上的电荷量不仅与作用于该面上的垂直力有

关，还与压电体其他面上所受的力有关。

2.力与电荷的关系



3. 压电式传感器及其等效电路

（1）压电式传感器是在压电晶片两个工作面上镀上金属膜，实质上是一个的电荷源。

（2）也可以当成电容。

晶片相对介电常数

石英为4.5F/m，钛酸钡为1200F/m。

0 真空介电常数

A 工作面面积

晶片厚度


0 AC


（3）双晶片连接形式

通常双晶片连接，总电荷、总电压如下：

并联：用于电荷作为输出量场合，有利于准静态测量。

U＇=U Q ＇ =2Q 则C ＇ =2C

串联：用于电压作为输出量场合。

U ＇=2U Q ＇=Q 则C ＇=（1/2）C

并联输出电荷大，本身电容大（时间常数大一些），允许被测对象变化频率稍低

。

串联输出电压大，本身电容小，要求后续电路有较大的输入阻抗。



（4）两种等效电路：

电荷等效电路：一个电荷源 Q和一个电容器C并联

电压等效电路：一个电压源 U=q/C和一个电容器C串联。


等效电路表明

和普通电容器不同的是极板上的电荷是在外力作用下产生的，若力的作用终止，则电荷也随之消失。

负载无穷大，则力不变，电荷不变，如果负载不是无穷大，出现电荷泄露现象，电路将按指数规律放电，因

此不适合静态长时间测量。

适宜做动态测量。


4. 测量电路

阻抗变换作用：高阻抗低阻抗功率放大作用：放大传感器的微弱信号

电压放大器

— 高内阻的电压源转换成低内阻的电压源

(阻抗变换器) 输出电压输入电压

电荷放大器 — 高内阻的电荷源转换成低内阻的电压源

输出电压输入电荷

前置放大器的作用

前置放大器

压电传感器一般仪器前置放大器输出阻抗很高输出阻抗适当降低

压电式传感器产生的电荷量很微弱，本身内阻很大，输出能量很小。



（（11）电压放大电路）电压放大电路

可近似看作输出电压与作用力频率无关

优点：高频响应相当好

缺点：与电缆电容有关

xSC UCiCcCaR

RCaU

2)]([1

)(1

CiCcCaR

xSC UCiCcCa

CaU



（（22）电荷放大电路）电荷放大电路

当工作频率足够高时

一般Cf （电荷放大器反馈电容）做成可调的，当 (1+A)Cf >>(Ca +Cc +Ci )约10倍以上时，可认为灵敏度

与电缆电容无关。A是开环增益。

优点：与电缆电容无关，灵敏度与电缆长度无关。缺点：电路复杂，价格昂贵

ff CQ

CAAQU

)1(0

fARC1

适合远距离

传输



5. 应用（1）直接测量作用力

测量范围：10-3N~104KN

动态范围：0.1Hz~20kHz(60dB)

方向：单向、或多向

加速度：0.01~100km/s2

特点：

响应速度快，适合于高频动态测量。

因电荷会泄漏，不宜用作低频信号的测量（<1Hz)

横向效应（横向灵敏度）会产生误差

压电常数在环境温度、湿度等变化时会变化，因此需经常校准。



大型加速度计：灵敏度高，分辨率可达10-6g，测量上限小，智能测弱振动。

小型加速度计：质量小，灵敏度低，可达106g。



质量块就有一正比于加速度的交变力作用在压电晶片上。

* 当振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器

的输出电荷与作用力成正比，亦即与被测物体的加速度成正比。

* 输出电荷由传感器输出端引出，输入到前置放大器进行处理之后就可以用普通的测量仪器测出被测物体的振动加速度。如在放大器中加入适当的积分电路，就可以测出被测物体的振动速度或位移。



（2）压电式流体压力传感器工作原理是：先利用弹性元件和受力机构将流体

压力转换为力，再利用压电元件的压电效应进行测量。

这种传感器的特点是体积小、动态特性好、耐高温。



压电传感器总结

原始

输入量

变换

原理

物理

现象

能量

关系输出量

力压电

效应物性型转换型电荷



4.7 磁电式传感器

原理：原理：磁电式传感器是基于电磁感应原理的传感器。

根据电磁感应定律可得：根据电磁感应定律可得：

即回路中产生的感应电势与磁通量的变化律成正比。。

磁通变化率与磁场强度、磁路磁阻、线圈的运动速度有关。

cos ( , , )mdB A B Rdt



分类分类

线圈-磁铁活动型

衔铁活动型

动圈式—线圈移动

动磁式—磁铁移动

磁阻式衔铁移动，磁阻变化



4.7.1 动圈式磁电传感器

导线在磁场中作切割磁力线运动，导线产生的电动势为

sine WBlv

对于线速度型

sindxe WBldt

W 线圈匝数

B 磁场强度

l 单匝线圈有效长度

dx/dt 线圈与磁场的相对运动速度

运动方向与磁场方向夹角

一般=900，则

dtdxe dxe WBl

dt



角速度型

角速度

k 与结构有关的系数（k<1）

A 单匝线圈的截面积

kWBAe

e



4.7.2 动铁式磁电感应传感器



4.7.3 磁阻式磁电传感器

线圈和磁铁不动，由运动着的导磁材料的物体改变磁路的磁阻，引起磁力线增加或减弱，使线圈产生感应电势。



磁阻式传感器工作原理及应用例

60 /n f z 60n f



与电感型测量位移传感器的区别

其变换链：其变换链：

出edtd

dtdR

dttd

dttdxtv M

)()()(

命名：磁电式速度传感器分类：结构型、能量转换型

电压或电流测量电路 LRttx M )()(

命名：电感（变磁阻）式位移传感器分类：结构型、能量控制型磁电式传感器不适合过低转速测量。

电感型



4.7.4 磁电式传感器的应用

1. 振动测量

CD-1型是绝对式传感器：



CD-2型相对式测振传感器：



磁电式传感器与电感式传感器比较

原始输入量

变换原理物理现象能量关系输出量

磁电式

磁通量

变化率电磁感应结构型转换型

感应电势

电感式

电感变化

电磁感应结构型控制型电压或

电流变化



4.8.1 原理与组成

1. 原理：被测量光信号的变化光电元件电信号

2. 组成：光电传感器一般由辐射源、光学通路和光电器件三部分组成。

*光电元件 — 能够将光量转换为电量的一种器件。

3.优点：频谱宽、不受电磁干扰的影响、非接触测量、体积小、重量轻、造价低等。


4.8 4.8 光电式传感器光电式传感器


4.8.2 光电效应

1. 光电效应：是指一些金属、金属氧化物、半导体材料在光的照射下释放电子的现象。

分类：外光电效应和内光电效应。

2. 外光电效应（1）定义：在光的照射下，物体内部的电子吸收了光子的能

量后从物体表面逸出的现象。亦称光电发射效应。多发生在金属或者金属氧化物。


（2）元件组成：外光电效应元件主要由阴极和阳极组成，阴极为外光电效应的材料制成，阳极由金属材料制成，阳极和阴极之间存在有一定的电压差。


（3）光电流：在一定频率的光的照射下，由于外光电效应，阴极就会发射光电子，在阴极和阳极间电压差的作用下，阴极发射的光电子就会被阳极接收，从而在阴极和阳极间形成光电流。

（4）原因：光子具有能量hv，h为普朗克常数，v为光的频率；金属

受到照射时，其内部的电子吸收光子的能量；光子的能量hv 大于电子的逸出功A时，电子就会离开金属表面而逸出。爱因

斯坦光电效应方程：

212

h mu A



（5）光电效应的特点：

0Ah

h A

00

c hcA

光电子逸出的必要条件：

频率一定时，单位时间内逸出的光电子数与入射光的强度成正比。

要使光电流为零，必须加反向截止电压 U0，其大于或等于光电子的动能。

2

0| |2

muUe

红限频率：由于h为常数，对某一种材料，有一个能引起光电子逸出效应的最低频率v0 。与材料有关。

外光电效应瞬时发生，只有10-9秒。



3. 内光电效应

（1）定义：对于某些半导体材料，光电子只会在物体内部运动而使其电特性发生变化。

（2）分类：光电导效应和光生伏特效应。（3）光电导效应

在光照作用下，物体的导电性能（如电阻率）发生改变的现象。多为半导体材料。

原理：半导体材料在光照下禁带中的电子受到能量不低于禁带宽度的光子的激发而跃迁到导带，从而增加电导率的现象。

光导效应器件有光敏电阻和光导管。



（4）光生伏特效应

定义：在光照作用下物体产生一定方向的电动

势；

原理：电子受光子的激发脱离禁带的束缚而产

生电子空穴对，在PN结电场的作用下电子移向 N 区，空穴移向 P区，形成光生电动势。光生伏特效应器件有光电池。



4.8.2 光电元件

1. 1. 光电管光电管具有外光电效应具有外光电效应

光电阴极光电阴极

阳极阳极单根金属丝单根金属丝

或环状或环状

组成组成

光电管光电管

(1) (1) 真空光电管真空光电管和充气光电管和充气光电管



（2）光电管的主要特性包括光照特性、伏安特性、光谱特性。

• 光照特性：光电流与光通量的关系。

• 伏安特性：光电流与两端电压之间的关系。

• 光谱特性：又称频谱特性，是指光电管在工作电压不变的条件下，入射光的波长与其灵敏度的关系。



2. 光电倍增管

光电倍增管特点：灵敏度高，稳定性好，频响很快，且线性好，频率特性好，但体积大，需要高压供电。探测弱光很

好，不适合强光。

倍增极：倍增极上涂有能在电子轰击下能发射出更多电子的材料。光电倍增管可将阴极的光电流放大几万至几百万

倍。



3. 光敏电阻具有内光电效应利用半导体材料的光电导效应即由于光照强弱而导致半导

体阻值变化的现象而工作的，这种具有光导效应的半导体材料就称为光敏电阻。

（1）光敏电阻特性：像一个电阻元件，只是阻值随光照变化。

无光照时，暗电阻很大，暗电流很小。

受一定范围的光照时，亮电阻急剧减小，亮电流迅速增加。

优点：有很高的灵敏度，很好的光谱特性，光谱响应从紫外区到红外区，体积小，重量轻，性能稳定，价格便宜。

缺点：光照特性的非线性大。适合做开关性的传感元件。



（2）光敏电阻的特征参数

暗电阻、亮电阻、暗电流、亮电流、光电流。光电流是亮电流与暗电流之差，大小表征了光敏电阻的灵敏度大小。

光照特性：电压一定时，光电流与光通量之间的关系。呈非线性，与材料有关。

伏安特性：光照一定时，电压与光电流之间的关系。在一定电压范围内，为直线。

光谱特性：对不同波长的入射光，具有不同的灵敏度。

响应时间特性：材料不同，时间常数不同。

光谱温度特性：温度升高，暗电流和灵敏度下降；光谱特性也会变化。



4. 光敏晶体管具有内光电效应

（1）光敏二极管

PN结光敏二极管有光照时，二极管导通；无光照时，二极管截止。

雪崩二极管：雪崩二极管是一种具有内部电流倍增放大作用的光电二极管，它通常工作在几百伏的反向偏压下，放大原理类似于光电倍增管。



（2）光敏晶体管/光电三极管

结构与普通三极管没有本质区别，只不过将集电结做成光电二极管的形式，该集电结既是一个光电二极管，又是三

极管的一个组成部分。将光电流放大数倍。


（3）光敏二极管和光敏晶体管的特点：光敏二极管：灵敏度一般，稳定性好，体积小，频响快

（=10-7s）。光敏三极管：灵敏度比二极管高，线性度比二极管差。


5. 光电池具有阻挡层光电效应

直接将光能转换为电能。实质上是具有光生伏特效应的PN结。

硅光电池适合红外线，硒光电池适合可见光，成熟和价廉但转换效率低。硫化镉电池则用于航空电源。

特点：灵敏度低，稳定性好，频响较慢，受光面积大，不需外加电源，频率特性差。



分类分类

模拟式传感器 — 其测量系统是光电流为被测

光通量的函数。

开关量传感器 — 其测量系统使其输出端工作在

“通”与“断”的开关状态。

4.8.3 光电式传感器的应用



1. 模拟式传感器

（1）辐射能源本身就是被测对象。

（2）光通量通过被测对象部分吸收后到达光电元件。



（3）光源光通量先到被测物，然后再反射到光电元件。

（4）光源发射到光通量途中被被测物体遮蔽了部分光通量，从而改变了到达光电元件的光通量。



（1）脉冲盘式角度-数字编码器

•每转过一个缝隙或圆孔，光敏元件产生一个电脉冲信号。•脉冲数对应圆盘转过的角度。


2. 开关量传感器

这类传感器其测量系统是使其输出端工作在“通”和“断” 的开关状态，大多用于光电继电器式的仪表装置中，如电子

计算机的光电输入器，扩散炉的炉温控制，光电转速表以及自动生产流水线中工件到位检测等。


（2）光电式角度-码盘式数字编码器

存在非单值性误差。改进：循环码盘：任意相邻的两

个代码间只有一位代码有变化。

带判位光电装置的二进制循环码盘



3. 3. 应用应用

（（11）光电式比色计）光电式比色计



（（22）光电式转速传感器）光电式转速传感器

（（33）光电计数）光电计数



（4）自动生产流水线中各类检测



（（55）其它应用）其它应用


广东工业大学机电工程学院第四章常用传感器和敏感元件


负载效应

( )(1 )y

p P

L p

uu x R xx R x

o

后接电阻RL引起负载效应，

当 RP << RL时

yp

xu ux

o


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4.6 压电式传感器 - Guangdong University of Technology · 天然结晶形状是六角晶柱，它是一 个正六面体，用直角坐标三个轴来表 示。 1. 压电材料

4.6 压电式传感器 - Guangdong University of Technology · 天然结晶形状是六角晶柱，它是一个正六面体，用直角坐标三个轴来表示。 1. 压电材料