简述压电式加速度传感器的工作原理；

压电材料是受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。

材料原理,材料分类,无机压电材料,有机压电材料,材料套用,换能器,驱动器,感测器,机器人,发展现状,细晶粒压电陶瓷,PbTiO3系压电陶瓷,压电复合材料,多元单晶压电体,材料参数, 基本介绍 受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。1880年，法国物理学家P. 居里和J.居里兄弟发现，把重物放在石英晶体上，晶体某些表面会产生电荷，电荷量与压力成比例。这一现象被称为压电效应。随即，居里兄弟又发现了逆压电效应，即在外电场作用下压电体会产生形变。压电效应的机理是：具有压电性的晶体对称性较低，当受到外力作用发生形变时，晶胞中正负离子的相对位移使正负电荷中心不再重合，导致晶体发生巨观极化，而晶体表面电荷面密度等于极化强度在表面法向上的投影，所以压电材料受压力作用形变时两端面会出现异号电荷。反之，压电材料在电场中发生极化时，会因电荷中心的位移导致材料变形。 利用压电材料的这些特性可实现机械振动（声波）和交流电的互相转换。因而压电材料广泛用于感测器元件中，例如地震感测器，力、速度和加速度的测量元件以及电声感测器等。这类材料被广泛运用，举一个很生活化的例子，打火机的火花即运用此技术。 材料原理 压电现象是100多年前居里兄弟研究石英时发现的。那么，什么是压电效应呢？ 当你在点燃煤气灶或热水器时,就有一种压电陶瓷已悄悄地为你服务了一次。生产厂家在这类压电点火装置内，藏着一块压电陶瓷，当用户按下点火装置的弹簧时，传动装置就把压力施加在压电陶瓷上，使它产生很高的电压,进而将电能引向燃气的出口放电。于是，燃气就被电火花点燃了。压电陶瓷的这种功能就叫做压电效应。 压电效应的原理是，如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差（称之为正压电效应），反之施加电压,则产生机械应力（称为逆压电效应）。如果压力是一种高频震动，则产生的就是高频电流。而高频电信号加在压电陶瓷上时，则产生高频声信号（机械震动），这就是我们平常所说的超音波信号。也就是说，压电陶瓷具有机械能与电能之间的转换和逆转换的功能，这种相互对应的关系确实非常有意思。 压电石英晶体材料 压电材料可以因机械变形产生电场，也可以因电场作用产生机械变形，这种固有的机-电耦合效应使得压电材料在工程中得到了广泛的套用。例如，压电材料已被用来制作智慧型结构，此类结构除具有自承载能力外,还具有自诊断性、自适应性和自修复性等功能，在未来的飞行器设计中占有重要的地位。 材料分类 无机压电材料 分为压电晶体和压电陶瓷，压电晶体一般是指压电单晶体；压电陶瓷则泛指压电多晶体。压电陶瓷是指用必要成份的原料进行混合、成型、高温烧结，由粉粒之间的固相反应和烧结过程而获得的微细晶粒无规则集合而成的多晶体。具有压电性的陶瓷称压电陶瓷，实际上也是铁电陶瓷。在这种陶瓷的晶粒之中存在铁电畴，铁电畴由自发极化方向反向平行的180 畴和自发极化方向互相垂直的90畴组成，这些电畴在人工极化（施加强直流电场）条件下，自发极化依外电场方向充分排列并在撤消外电场后保持剩余极化强度，因此具有巨观压电性。如：钛酸钡BT、锆钛酸铅PZT、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸铅钡锂PBLN、改性钛酸铅PT等。这类材料的研制成功，促进了声换能器，压电感测器的各种压电器件性能的改善和提高。 压电材料 压电晶体一般指压电单晶体，是指按晶体空间点阵长程有序生长而成的晶体。这种晶体结构无对称中心，因此具有压电性。如水晶（石英晶体）、镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛以及铁电晶体铌酸锂、钽酸锂等。 相比较而言，压电陶瓷压电性强、介电常数高、可以加工成任意形状，但机械品质因子较低、电损耗较大、稳定性差，因而适合于大功率换能器和宽频滤波器等套用，但对高频、高稳定套用不理想。石英等压电单晶压电性弱，介电常数很低，受切型限制存在尺寸局限，但稳定性很高，机械品质因子高，多用来作标准频率控制的振子、高选择性（多属高频狭带通）的滤波器以及高频、高温超声换能器等。由于铌镁酸铅Pb(Mg1/3Nb2/3)O3单晶体（Kp ≥90%, d33≥900×10-3C/N, ε≥20,000）性能特异，国内外上都开始这种材料的研究，但由于其居里点太低，离使用化尚有一段距离。 有机压电材料 又称压电聚合物，如聚偏氟乙烯（PVDF）（薄膜）及以它为代表的其他有机压电（薄膜）材料。这类材料及其材质柔韧，低密度，低阻抗和高压电电压常数(g)等优点为世人瞩目，且发展十分迅速，水声超声测量，压力感测，引燃引爆等方面获得套用。不足之处是压电应变常数（d）偏低，使之作为有源发射换能器受到很大的限制。第三类是复合压电材料，这类材料是在有机聚合物基底材料中嵌入片状、棒状、杆状、或粉末状压电材料构成的。至今已在水声、电声、超声、医学等领域得到广泛的套用。如果它制成水声换能器，不仅具有高的静水压回响速率，而且耐冲击，不易受损且可用与不同的深度。 换能器 材料套用 压电材料的套用领域可以粗略分为两大类：即振动能和超声振动能-电能换能器套用，包括电声换能器，水声换能器和超声换能器等，以及其它感测器和驱动器套用。 换能器 换能器是将机械振动转变为电信号或在电场驱动下产生机械振动的器件压电聚合物电声器件利用了聚合物的横向压电效应，而换能器设计则利用了聚合物压电双晶片或压电单晶片在外电场驱动下的弯曲振动，利用上述原理可生产电声器件如麦克风、立体声耳机和高频扬声器。对压电聚合物电声器件的研究主要集中在利用压电聚合物的特点，研制运用其它现行技术难以实现的、而且具有特殊电声功能的器件，如抗噪声电话、宽频超声信号发射系统等。 压电聚合物水声换能器研究初期均瞄准军事套用，如用于水下探测的大面积感测器阵列和监视系统等，随后套用领域逐渐拓展到地球物理探测、声波测试设备等方面。为满足特定要求而开发的各种原型水声器件，采用了不同类型和形状的压电聚合物材料，如薄片、薄板、叠片、圆筒和同轴线等，以充分发挥压电聚合物高弹性、低密度、易于制备为大和小不同截面的元件、而且声阻抗与水数量级相同等特点，最后一个特点使得由压电聚合物制备的水听器可以放置在被测声场中，感知声场内的声压，且不致由于其自身存在使被测声场受到扰动。而聚合物的高弹性则可减小水听器件内的瞬态振荡，从而进一步增强压电聚合物水听器的性能。 超音波感测器 压电聚合物换能器在生物医学感测器领域，尤其是超声成像中，获得了最为成功的套用、PVDF薄膜优异的柔韧性和成型性，使其易于套用到许多感测器产品中。 驱动器 压电驱动器利用逆压电效应，将电能转变为机械能或机械运动，聚合物驱动器主要以聚合物双晶片作为基础，包括利用横向效应和纵向效应两种方式，基于聚合物双晶片开展的驱动器套用研究包括显示器件控制、微位移产生系统等。要使这些创造性构想获得实际套用，还需要进行大量研究。电子束辐照P（VDF-TrFE）共聚合物使该材料具备了产生大伸缩应变的能力，从而为研制新型聚合物驱动器创造了有利条件。在潜在国防套用前景的推动下，利用辐照改性共聚物制备全高分子材料水声发射装置的研究，在美国军方的大力支持下正在系统地进行之中。除此之外，利用辐照改性共聚物的优异特性，研究开发其在医学超声、减振降噪等领域套用，还需要进行大量的探索。 感测器 1.压电式压力感测器 压电式压力感测器是利用压电材料所具有的压电效应所制成的。压电式压力感测器的基本结构如右图所示。由于压电材料的电荷量是一定的，所以在连线时要特别注意，避免漏电。压电式压力感测器的优点是具有自生信号，输出信号大，较高的频率回响，体积小，结构坚固。其缺点是只能用于动能测量。需要特殊电缆，在受到突然振动或过大压力时，自我恢复较慢。 2.压电式加速度感测器 压电元件一般由两块压电晶片组成。在压电晶片的两个表面上镀有电极，并引出引线。在压电晶片上放置一个质量块，质量块一般采用比较大的金属钨或高比重的合金制成。然后用一硬弹簧或螺栓，螺帽对质量块预载入荷，整个组件装在一个原基座的金属壳体中。为了隔离试件的任何应变传送到压电元件上去，避免产生假信号输出，所以一般要加厚基座或选用由刚度较大的材料来制造，壳体和基座的重量差不多占感测器重量的一半。 测量时，将感测器基座与试件刚性地固定在一起。当感测器受振动力作用时，由于基座和质量块的刚度相当大，而质量块的质量相对较小，可以认为质量块的惯性很小。因此质量块经受到与基座相同的运动，并受到与加速度方向相反的惯性力的作用。这样，质量块就有一正比于加速度的应变力作用在压电晶片上。由于压电晶片具有压电效应，因此在它的两个表面上就产生交变电荷（电压），当加速度频率远低于感测器的固有频率时，感测器给输出电压与作用力成正比，亦即与试件的加速度成正比，输出电量由感测器输出端引出，输入到前置放大器后就可以用普通的测量仪器测试出试件的加速度；如果在放大器中加进适当的积分电路，就可以测试试件的振动速度或位移。 机器人 机器人安装接近觉感测器主要目的有以下三个：其一，在接触对象物体之前，获得必要的信息，为下一步运动做好准备工作；其二，探测机器人手和足的运动空间中有无障碍物。如发现有障碍，则及时采取一定措施，避免发生碰撞；其三，为获取对象物体表面形状的大致信息。 超音波是人耳听见的一种机械波，频率在20KHZ以上。人耳能听到的声音，振动频率范围只是20HZ－20000HZ。超音波因其波长较短、绕射小，而能成为声波射线并定向传播，机器人采用超声感测器的目的是用来探测周围物体的存在与测量物体的距离。一般用来探测周围环境中较大的物体，不能测量距离小于30mm的物体。 超声感测器包括超声发射器、超声接受器、定时电路和控制电路四个主要部分。它的工作原理大致是这样的：首先由超声发射器向被测物体方向发射脉冲式的超音波。发射器发出一连串超音波后即自行关闭，停止发射。同时超声接受器开始检测回声信号，定时电路也开始计时。当超音波遇到物体后，就被反射回来。等到超声接受器收到回声信号后，定时电路停止计时。此时定时电路所记录的时间，是从发射超音波开始到收到回声波信号的传播时间。 利用传播时间值，可以换算出被测物体到超声感测器之间的距离。这个换算的公式很简单，即声波传播时间的一半与声波在介质中传播速度的乘积。超声感测器整个工作过程都是在控制电路控制下顺序进行的。 压电材料除了以上用途外还有其它相当广泛的套用。如鉴频器、压电震荡器、变压器、滤波器等。 发展现状 下面介绍几种处于发展中的压电陶瓷材料和几种新的套用。 细晶粒压电陶瓷 以往的压电陶瓷是由几微米至几十微米的多畴晶粒组成的多晶材料，尺寸已不能满足需要了。减小粒径至亚微米级，可以改进材料的加工性，可将基片做地更薄，可提高阵列频率，降低换能器阵列的损耗，提高器件的机械强度，减小多层器件每层的厚度，从而降低驱动电压，这对提高叠层变压器、制动器都是有益的。减小粒径有上述如此多的好处，但同时也带来了降低压电效应的影响。为了克服这种影响，人们更改了传统的掺杂工艺，使细晶粒压电陶瓷压电效应增加到与粗晶粒压电陶瓷相当的水平。制作细晶粒材料的成本已可与普通陶瓷竞争了。人们用细晶粒压电陶瓷进行了切割研磨研究，并制作出了一些高频换能器、微制动器及薄型蜂鸣器（瓷片20-30um厚），证明了细晶粒压电陶瓷的优越性。随着纳米技术的发展，细晶粒压电陶瓷材料研究和套用开发仍是热点。 PbTiO3系压电陶瓷 PbTiO3系压电陶瓷具最适合制作高频高温压电陶瓷元件。虽然存在PbTiO3陶瓷烧成难、极化难、制作大尺寸产品难的问题，人们还是在改性方面作了大量工作，改善其烧结性。抑制晶粒长大，从而得到各个晶粒细小、各向异性的改性PbTiO3材料。近几年，改良PbTiO3材料报导较多，在金属探伤、高频器件方面得到了广泛套用。该材料的发展和套用开发仍是许多压电陶瓷工作者关心的课题。 压电复合材料 无机压电陶瓷和有机高分子树脂构成的压电复合材料，兼备无机和有机压电材料的性能，并能产生两相都没有的特性。因此，可以根据需要，综合二相材料的优点，制作良好性能的换能器和感测器。它的接收灵敏度很高，比普通压电陶瓷更适合于水声换能器。在其它超音波换能器和感测器方面，压电复合材料也有较大优势。国内学者对这个领域也颇感兴趣，做了大量的工艺研究，并在复合材料的结构和性能方面做了一些有益的基础研究工作，正致力于压电复合材料产品的开发。 多元单晶压电体 传统的压电陶瓷较其它类型的压电材料压电效应要强，从而得到了广泛套用。但作为大应变，高能换能材料，传统压电陶瓷的压电效应仍不能满足要求。于是近几年来，人们为了研究出具有更优异压电性的新压电材料，做了大量工作，现已发现并研制出了Pb(A1/3B2/3)PbTiO3单晶（A=Zn2+,Mg2+）。这类单晶的d33最高可达2600pc/N(压电陶瓷d33最大为850pc/N),k33可高达0.95（压电陶瓷K33最高达0.8），其应变>1.7%，几乎比压电陶瓷应变高一个数量级。储能密度高达130J/kg，而压电陶瓷储能密度在10J/kg以内。铁电压电学者们称这类材料的出现是压电材料发展的又一次飞跃。美国、日本、俄罗斯和中国已开始进行这类材料的生产工艺研究，它的批量生产的成功必将带来压电材料套用的飞速发展。 材料参数压电系数d33

压电系数是压电体把机械能转变成电能或把电能转变成机械能的转变系数，反应压电材料弹性性能与介电性能之间的耦合关系

自由介电常数εT33（free permittivity）

电介质在应变为零（或常数）时的介电常数，其单位为法拉/米。

相对介电常数εTr3（relative permittivity）

介电常数εT33与真空介电常数ε0之比值，εTr3=εT33/ε0，它是一个无因次的物理量。

介质损耗（dielectric loss）

电介质在电场作用下，由于电极化弛豫过程和漏导等原因在电介质内所损耗的能量。

损耗角正切tgδ（tangent of loss angle）

理想电介质在正弦交变电场作用下流过的电流比电压相位超前90 0，但是在压电陶瓷试样中因有能量损耗，电流超前的相位角ψ小于900，它的余角δ（δ+ψ=900）称为损耗角，它是一个无因次的物理量，人们通常用损耗角正切tgδ来表示介质损耗的大小，它表示了电介质的有功功率（损失功率）P与无功功率Q之比。即： 电学品质因数Qe（electrical quality factor）

电学品质因数的值等于试样的损耗角正切值的倒数，用Qe表示，它是一个无因次的物理量。若用并联等效电路表示交变电场中的压电陶瓷的试样，则 Qe=1/ tgδ=ωCR

机械品质因数Qm（mechanical quanlity factor）

压电振子在谐振时储存的机械能与在一个周期内损耗的机械能之比称为机械品质因数。它与振子参数的关系式为：

泊松比（poissons ratio）

泊松比系指固体在应力作用下的横向相对收缩与纵向相对伸长之比，是一个无因次的物理量，用δ表示： δ= - S 12 /S11

串联谐振频率fs（series resonance frequency）

压电振子等效电路中串联支路的谐振频率称为串联谐振频率，用f s 表示，即

并联谐振频率fp（parallel resonance frequency）

压电振子等效电路中并联支路的谐振频率称为并联谐振频率，用f p 表示，即f p = 谐振频率fr（resonance frequency）

使压电振子的电纳为零的一对频率中较低的一个频率称为谐振频率，用f r 表示。

反谐振频率fa（antiresonance frequency）

使压电振子的电纳为零的一对频率中较高的一个频率称为反谐振频率，用f a 表示。

最大导纳频率fm（maximum admittance frequency）

压电振子导纳最大时的频率称为最大导纳频率，这时振子的阻抗最小，故又称为最小阻抗频率，用f m表示。

最小导纳频率fn（minimum admittance frequency）

压电振子导纳最小时的频率称为最小导纳频率，这时振子的阻抗最大，故又称为最大阻抗频率，用f n表示。

基频（fundamental frequency）

给定的一种振动模式中最低的谐振频率称为基音频率，通常成为基频。

泛音频率（fundamental frequency）

给定的一种振动模式中基频以外的谐振频率称为泛音频率。

温度稳定性（temperature stability）

温度稳定性系指压电陶瓷的性能随温度而变化的特性。

在某一温度下，温度变化1℃时，某频率的数值变化与该温度下频率的数值之比，称为频率的温度系数TKf。

另外，通常还用最大相对漂移来表征某一参数的温度稳定性。

正温最大相对频移=△f s (正温最大)/ f s(25℃)

负温最大相对频移=△f s (负温最大)/ f s(25℃)

机电耦合系数（ELECTRO MECHANICAL COUPLING COEFFICIENT）

机电耦合系数K是弹性一介电相互作用能量密度平方V122与贮存的弹性能密度V1与介电能密度V2乘积之比的平方根。

压电陶瓷常用以下五个基本耦合系数

A、平面机电耦合系数KP（反映薄圆片沿厚度方向极化和电激励，作径向伸缩振动时机电耦合效应的参数。）

B、横向机电耦合系数K31（反映细长条沿厚度方向极化和电激励，作长度伸缩振动的机电耦合效应的参数。）

C、纵向机电耦合系数K33（反映细棒沿长度方向极化和电激励，作长度伸缩振动的机电耦合效应的参数。）

D、厚度伸缩机电耦合系数KT（反映薄片沿厚度方向极化和电激励，作厚度方向伸缩振动的机电效应的参数。）

E、厚度切变机电耦合系数K15（反映矩形板沿长度方向极化，激励电场的方向垂直于极化方向，作厚度切变振动时机电耦合效应的参数。）

压电应变常数D（PIEZOELECTRIC STRAIN CONSTANT）

压电应变常数是在应力T和电场分量EM(M≠I)都为常数的条件下，电场分量E变化所引起的应变分量SI的变化与EI变化之比。

压电电压常数G(PIEZOELECTRIC VOLTAGE CONSTANT)

该常数是在电位移D和应力分量TN（N≠I）都为常数的条件下，应力分量TI的变化所引起的电场强度分量EI的变化与TI的变化之比。

居里温度TC(CURIE TEMPERATURE)

压电陶瓷只在某一温度范围内具有压电效应，它有一临界温度TC，当温度高于TC时，压电陶瓷发生结构相转变，这个临界温度TC称为居里温度。

温度稳定性(TEMPERATURE STABILITY)

指压电陶瓷的性能随着温度变化的特性，一般描述温度稳定性有温度系数或最大相对漂移二种方法。

十倍时间老化率(AGEING RATE PER DECADE) Y表示某一参数

频率常数(FREQUENCY CONSTANT)

对于径向和横向长度伸缩振动模式，其频率常数为串联谐振频率与决定此频率的振子尺寸（直径或长度）的乘积。对于纵向长度厚度和伸缩切变振动模式，其频率常数为并联谐振频率与决定此频率的振子尺寸（长度或厚度）的乘积，其单位：HZ.M

传感器在油泵那里，发动机里也有，缸盖下

拓展资料：

路虎神行者2（Freelander 2）是路虎推出的一款SUV，路虎神行者2代（Freelander 2）在上一代路虎神行者的基础上从各方面都进行了重大的改进和升级，成功的结合了时尚豪华汽车和纯粹SUV所具有的优点。

神行者(Freelander 2)是路虎越野车家族中最年轻、最有活力的一员，它诞生在现代社会，却来自英国最传统的贵族家庭，肩负着带动整个车系与时尚接轨的使命。与路虎家族中的其他三位成员不同，路虎推出Freelander 2的目的就是为了适应人们对现代城市SUV的需求。

楼主需要什么的输出量？

311V01

电压输出型IEPE供电，测量范围：0-25.4mm/s，3Hz-2kHz

312V01

单电源4-20mA，测量范围：0-25.4mm/s，3Hz-2kHz

线加速度计的原理是惯性原理，也就是力的平衡，A(加速度)=F(惯性力)/M(质量)

我们只需要测量F就可以了。怎么测量F？用电磁力去平衡这个力就可以了。就可以得到

F对应于电流的关系。只需要用实验去标定这个比例系数就行了。当然中间的信号传输、放大、滤波就是电路的事了。

多数加速度传感器是根据压电效应的原理来工作的。

所谓的压电效应就是

"对于不存在对称中心的异极晶体加在晶体上的外力除了使晶体发生形变以外，还将改变晶体的极化状态，在晶体内部建立电场，这种由于机械力作用使介质发生极化的现象称为正压电效应

"。

一般加速度传感器就是利用了其内部的由于加速度造成的晶体变形这个特性。由于这个变形会产生电压，只要计算出产生电压和所施加的加速度之间的关系，就可以将加速度转化成电压输出。当然，还有很多其它方法来制作加速度传感器，比如压阻技术，电容效应，热气泡效应，光效应，但是其最基本的原理都是由于加速度产生某个介质产生变形，通过测量其变形量并用相关电路转化成电压输出。

加速度传感器

英文名称：acceleration

transducer

定义：能感受加速度并转换成可用输出信号的传感器

加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力，就好比地球引力，也就是重力。加速力可以是个常量。加速度计有两种：一种是角加速度计，是由陀螺仪（角速度传感器）改进的。另一种就是线加速度计。

1.压电式

压电式加速度传感器又称压电加速度计。它也属于惯性式传感器。压电式加速度传感器的原理是利用压电陶瓷或石英晶体的压电效应，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。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。

2.压阻式

基于世界领先的MEMS硅微加工技术，压阻式加速度传感器具有体积小、低功耗等特点，易于集成在各种模拟和数字电路中，广泛应用于汽车碰撞实验、测试仪器、设备振动监测等领域。加速度传感器网为客户提供压阻式加速度传感器/压阻加速度计各品牌的型号、参数、原理、价格、接线图等信息。

3.电容式

电容式加速度传感器是基于电容原理的极距变化型的电容传感器。电容式加速度传感器/电容式加速度计是对比较通用的加速度传感器。在某些领域无可替代，如安全气囊，手机移动设备等。电容式加速度传感器/电容式加速度计采用了微机电系统（MEMS）工艺，在大量生产时变得经济，从而保证了较低的成本。

4.伺服式

伺服式加速度传感器是一种闭环测试系统，具有动态性

能好、动态范围大和线性度好等特点。其工作原理，传感器的振动系统由

"m-k”系统组成，与一般加速度计相同，但质量m上还接着一个电磁线圈，当基座上有

加速度输入时，质量块偏离平衡位置，该位移大小由位移传感器检测出来，经伺服放大器

放大后转换为电流输出，该电流流过电磁线圈，在永久磁铁的磁场中产生电磁恢复力，力图使质量块保持在仪表壳体中原来的平衡位置上，所以伺服加速度传感器在闭环状态下工作。由于有反馈作用，增强了抗干扰的能力，提高测量精度，扩大了测量范围，伺服加速度

测量技术广泛地应用于惯性导航和惯性制导系统中，在高精度的振动测量和标定中也有应用。

压电式加速度传感器的工作原理：

压电式加速度传感器是基于压电晶体的压电效应工作的。某些晶体在一定方向上受力变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去除后，又重新恢复到不带电状态，这种现象称为“压电效应”，具有“压电效应”的晶体称为压电晶体。常用的压电晶体有石英、压电陶瓷等。

简介：

压电式加速度传感器又称压电加速度计。它也属于惯性式传感器。它是利用某些物质如石英晶体的压电效应，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。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。

电子打火机的基本工作原理是：把一块压电材料块

（晶体结构）一端接上一段细导线，此导线与在打火机

出气口处的金属材料形成一个缺口，通过机械机构使撞

击块的撞击时与气源开启同步。当撞击块以一定的冲击

能量或力撞击压电材料块的另一端时，压电材料的内部

分子就会强烈振动，并将振动能量传递到导线中。由于

导线的截面积与压电材料块的截面积之比悬殊很大，在

导线中分子的振动就有了很大的加强趋势。当导线的端

点分子强烈的振动撞击缺口处的空气分子时，空气分子

也就产生强烈振动。空气分子振动的运动轨迹就是我们

看见的电火星（电弧光）。这些电火星（电弧光）实际

上就是导线分子强烈振动并向打火机出气口处的金属材

料传递能量时空气分子振动的运动轨迹，说明缺口处的

空气分子振动很厉害。按照振动理论的说法振动强烈就

是物质温度很高，当这个温度超过打火机内的液化气的

燃点时，跑出来的气体就会被点燃，形成火焰，火焰就

是剧烈振动着的气体物质分子影象。这就是打火机的基

本工作原理，其他电子打火装置的道理与此相同。

第二

压电材料是受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶

体材料。

目录

基本介绍 材料原理 材料分类 无机压电材料 有机压电材

料

材料应用 换能器 压电驱动器 传感器上的应用 在机器人

接近觉中的应用

发展现状 细晶粒压电陶瓷 PbTiO3系压电材料 压电陶

瓷-高聚物复合材料 压电性特异的多元单晶压电体

基本介绍 材料原理 材料分类 无机压电材料 有机压电材

料

材料应用 换能器 压电驱动器 传感器上的应用 在机器人

接近觉中的应用

发展现状 细晶粒压电陶瓷 PbTiO3系压电材料 压电陶

瓷-高聚物复合材料 压电性特异的多元单晶压电体

展开

编辑本段基本介绍

受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。

1880年，法国物理学家P. 居里和J.居里兄弟发现，把

重物放在石英晶体上，晶体

压电材料

某些表面会产生电荷，电荷量与压力成比例。这一现象

被称为压电效应。随即，居里兄弟又发现了逆压电效

应，即在外电场作用下压电体会产生形变。压电效应的

机理是：具有压电性的晶体对称性较低，当受到外力作

用发生形变时，晶胞中正负离子的相对位移使正负电荷

中心不再重合，导致晶体发生宏观极化，而晶体表面电

荷面密度等于极化强度在表面法向上的投影，所以压电

材料受压力作用形变时两端面会出现异号电荷。反之，

压电材料在电场中发生极化时，会因电荷中心的位移导

致材料变形。

利用压电材料的这些特性可实现机械振动（声波）和交

流电的互相转换。因而压电材料广泛用于传感器元件

中，例如地震传感器，力、速度和加速度的测量元件以

及电声传感器等。现在，这类材料被广泛运用，举一个

很生活化的例子，打火机的火花即运用此技术。

编辑本段材料原理

压电现象是100多年前居里兄弟研究石英时发现的。那

么，什么是压电效应呢？ 当你在点燃煤气灶或热水

器时,就有一种压电陶瓷已悄悄地为你服务了一次。生产

厂家在这类压电点火装置内，藏着一块压电陶瓷，当用

户按下点火装置的弹簧时，传动装置就把压力施加在压

电陶瓷上，使它产生很高的电压,进而将电能引向燃气的

出口放电。于是，燃气就被电火花点燃了。压电陶瓷的

这种功能就叫做压电效应。

压电效应的原理是，如果对压电材料施加压力，它便会

产生电位差（称之为正压电效应），反之施加电压,则产

生机械应力（称为逆压电效应）。如果压力是一种高频

震动，则产生的就是高频电流。而高频电信号加在压电

陶瓷上时，则产生高频声信号（机械震动），这就是我

们平常所说的超声波信号。也就是说，压电陶瓷具有机

械能与电能之间的转换和逆转换的功能，这

压电石英晶体材料

种相互对应的关系确实非常有意思。

压电材料可以因机械变形产生电场，也可以因电场作用

产生机械变形，这种固有的机-电耦合效应使得压电材

料在工程中得到了广泛的应用。例如，压电材料已被用

来制作智能结构，此类结构除具有自承载能力外,还具有

自诊断性、自适应性和自修复性等功能，在未来的飞行

器设计中占有重要的地位。

编辑本段材料分类

无机压电材料

分为压电晶体和压电陶瓷，压电晶体一般是指压电单晶

体；压电陶瓷则泛指压电多晶体。压电陶瓷是指用必要

成份的原料进行混合、成型、高温烧结，由粉粒之间的

固相反应和烧结过程而获得的微细晶粒无规则集合而成

的多晶体。具有压电性的陶瓷称压电陶瓷，实际上也是

铁电陶瓷。在这种陶瓷的晶粒之中存在铁电畴，铁电

畴由自发极化方向反向平行的180 畴和自发极化方向互

相垂直的90畴组成，这些电畴在人工极化（施加强直流

电场）条件下，自发极化依外电场方向充分排列并在撤

消外电场后保持剩余极化强度，因此具有宏观压电性。

如：钛酸钡BT、锆钛酸铅PZT、改性锆钛酸铅、偏铌酸

铅、铌酸铅钡锂PBLN、改性钛酸铅PT等。这类材料的

研制成功，促进了声换能器，压电传

压电材料

感器的各种压电器件性能的改善和提高。

压电晶体一般指压电单晶体，是指按晶体空间点阵长程

有序生长而成的晶体。这种晶体结构无对称中心，因此

具有压电性。如水晶（石英晶体）、镓酸锂、锗酸锂、

锗酸钛以及铁晶体管铌酸锂、钽酸锂等。

相比较而言，压电陶瓷压电性强、介电常数高、可以加

工成任意形状，但机械品质因子较低、电损耗较大、稳

定性差，因而适合于大功率换能器和宽带滤波器等应

用，但对高频、高稳定应用不理想。石英等压电单晶压

电性弱，介电常数很低，受切型限制存在尺寸局限，但

稳定性很高，机械品质因子高，多用来作标准频率控制

的振子、高选择性（多属高频狭带通）的滤波器以及高

频、高温超声换能器等。近来由于铌镁酸铅Pb(Mg1/

3Nb2/3)O3单晶体（Kp ≥90%, d33≥900×10-3C/N,

ε≥20,000）性能特异，国内外上都开始这种材料的研

究，但由于其居里点太低，离使用化尚有一段距离。

有机压电材料

又称压电聚合物，如偏聚氟乙烯（PVDF）（薄膜）及

其它为代表的其他有机压电（薄膜）材料。这类材料及

其材质柔韧，低密度，低阻抗和高压电电压常数(g)等

优点为世人瞩目，且发展十分迅速，现在水声超声测

量，压力传感，引燃引爆等方面获得应用。不足之处是

压电应变常数（d）偏低，使之作为有源发射换能器受

到很大的限制。

换能器

第三类是复合压电材料，这类材料是在有机聚合物基底

材料中嵌入片状、棒状、杆状、或粉末状压电材料构成

的。至今已在水声、电声、超声、医学等领域得到广泛

的应用。如果它制成水声换能器，不仅具有高的静水压

响应速率，而且耐冲击，不易受损且可用与不同的深

度。

编辑本段材料应用

压电材料的应用领域可以粗略分为两大类：即振动能和

超声振动能-电能换能器应用，包括电声换能器，水声

换能器和超声换能器等，以及其它传感器和驱动器应

用。 换能器

换能器是将机械振动转变为电信号或在电场驱动下产生

机械振动的器件压电聚合物电声器件利用了聚合物的横

向压电效应，而换能器设计则利用了聚合物压电双晶片

或压电单晶片在外电场驱动下的弯曲振动，利用上述原

理可生产电声器件如麦克风、立体声耳机和高频扬声

器。目前对压电聚合物电声器件的研究主要集中在利用

压电聚合物的特点，研制运用其它现行技术难以实现

的、而且具有特殊电声功能的器件，如抗噪声电话、宽

带超声信号发射系统等。

压电聚合物水声换能器研究初期

超声波传感器

均瞄准军事应用，如用于水下探测的大面积传感器阵列

和监视系统等，随后应用领域逐渐拓展到地球物理探

测、声波测试设备等方面。为满足特定要求而开发的各

种原型水声器件，采用了不同类型和形状的压电聚合物

材料，如薄片、薄板、叠片、圆筒和同轴线等，以充分

发挥压电聚合物高弹性、低密度、易于制备为大和小不

同截面的元件、而且声阻抗与水数量级相同等特点，最

后一个特点使得由压电聚合物制备的水听器可以放置在

被测声场中，感知声场内的声压，且不致由于其自身存

在使被测声场受到扰动。而聚合物的高弹性则可减小水

听器件内的瞬态振荡，从而进一步增强压电聚合物水听

器的性能。

压电聚合物换能器在生物医学传感器领域，尤其是超声

成像中，获得了最为成功的应用、PVDF薄膜优异的柔

韧性和成型性，使其易于应用到许多传感器产品中。

压电驱动器

压电驱动器利用逆压电效应，将电能转变为机械能或机

械运动，聚合物驱动器主要以聚合物双晶片作为基础，

包括利用横向效应和纵向效应两种方式，基于聚合物双

晶片开展的驱动器应用研究包括显示器件控制、微位移

产生系统等。要使这些创造性设想获得实际应用，还需

要进行大量研究。电子束辐照P（VDF-TrFE）共聚合物

使该材料具备了产生大伸缩应变的能力，从而为研制新

型聚合物驱动器创造了有利条件。在潜在国防应用前景

的推动下，利用辐照改性共聚物制备全高分子材料水声

发射装置的研究，在美国军方的大力支持下正在系统地

进行之中。除此之外，利用辐照改性共聚物的优异特

性，研究开发其在医学超声、减振降噪等领域应用，还

需要进行大量的探索。 传感器上的应用

1.压电式压力传感器

压电式压力传感器是利用压电材料所具有的压电效应所

制成的。压电式压力传感器的基本结构如右图所示。由

于压电材料的电荷量是一定的，所以在连接时要特别注

意，避免漏电。压电式压力传感器的优点是具有自生信

号，输出信号大，较高的频率响应，体积小，结构坚

固。其缺点是只能用于动能测量。需要特殊电缆，在受

到突然振动或过大压力时，自我恢复较慢。

2.压电式加速度传感器

压电元件一般由两块压电晶片组成。在压电晶片的两个

表面上镀有电极，并引出引线。在压电晶片上放置一个

质量块，质量块一般采用比较大的金属钨或高比重的合

金制成。然后用一硬弹簧或螺栓，螺帽对质量块预加载

荷，整个组件装在一个原基座的金属壳体中。为了隔离

试件的任何应变传送到压电元件上去，避免产生假信号

输出，所以一般要加厚基座或选用由刚度较大的材料来

制造，壳体和基座的重量差不多占传感器重量的一半。

测量时，将传感器基座与试件刚性地固定在一起。当传

感器受振动力作用时，由于基座和质量块的刚度相当

大，而质量块的质量相对较小，可以认为质量块的惯性

很小。因此质量块经受到与基座相同的运动，并受到与

加速度方向相反的惯性力的作用。这样，质量块就有一

正比于加速度的应变力作用在压电晶片上。由于压电晶

片具有压电效应，因此在它的两个表面上就产生交变电

荷（电压），当加速度频率远低于传感器的固有频率

时，传感器给输出电压与作用力成正比，亦即与试件的

加速度成正比，输出电量由传感器输出端引出，输入到

前置放大器后就可以用普通的测量仪器测试出试件的加

速度；如果在放大器中加进适当的积分电路，就可以测

试试件的振动速度或位移。 在机器人接近觉中的应用

机器人安装接近觉传感器主要目的有以下三个：其一，

在接触对象物体之前，获得必要的信息，为下一步运动

做好准备工作；其二，探测机器人手和足的运动空间中

有无障碍物。如发现有障碍，则及时采取一定措施，避

免发生碰撞；其三，为获取对象物体表面形状的大致信

息。

超声波是人耳听见的一种机械波，频率在20KHZ以上。

人耳能听到的声音，振动频率范围只是20HZ－

20000HZ。超声波因其波长较短、绕射小，而能成为声

波射线并定向传播，机器人采用超声传感器的目的是用

来探测周围物体的存在与测量物体的距离。一般用来探

测周围环境中较大的物体，不能测量距离小于30mm的

物体。

超声传感器包括超声发射器、超声接受器、定时电路和

控制电路四个主要部分。它的工作原理大致是这样的：

首先由超声发射器向被测物体方向发射脉冲式的超声

波。发射器发出一连串超声波后即自行关闭，停止发

射。同时超声接受器开始检测回声信号，定时电路也开

始计时。当超声波遇到物体后，就被反射回来。等到超

声接受器收到回声信号后，定时电路停止计时。此时定

时电路所记录的时间，是从发射超声波开始到收到回声

波信号的传播时间。

利用传播时间值，可以换算出被测物体到超声传感器之

间的距离。这个换算的公式很简单，即声波传播时间的

一半与声波在介质中传播速度的乘积。超声传感器整个

工作过程都是在控制电路控制下顺序进行的。

压电材料除了以上用途外还有其它相当广泛的应用。如

鉴频器、压电震荡器、变压器、滤波器等。

编辑本段发展现状

下面介绍几种处于发展中的压电陶瓷材料和几种新的应

用。 细晶粒压电陶瓷

以往的压电陶瓷是由几微米至几十微米的多畴晶粒组成

的多晶材料，尺寸已不能满足需要了。减小粒径至亚微

米级，可以改进材料的加工性，可将基片做地更薄，可

提高阵列频率，降低换能器阵列的损耗，提高器件的机

械强度，减小多层器件每层的厚度，从而降低驱动电

压，这对提高叠层变压器、制动器都是有益的。减小粒

径有上述如此多的好处，但同时也带来了降低压电效应

的影响。为了克服这种影响，人们更改了传统的掺杂工

艺，使细晶粒压电陶瓷压电效应增加到与粗晶粒压电陶

瓷相当的水平。现在制作细晶粒材料的成本已可与普通

陶瓷竞争了。近年来，人们用细晶粒压电陶瓷进行了切

割研磨研究，并制作出了一些高频换能器、微制动器及

薄型蜂鸣器（瓷片20-30um厚），证明了细晶粒压电陶

瓷的优越性。随着纳米技术的发展，细晶粒压电陶瓷材

料研究和应用开发仍是近期的热点。 PbTiO3系压电材

料

PbTiO3系压电陶瓷具最适合制作高频高温压电陶瓷元

件。虽然存在PbTiO3陶瓷烧成难、极化难、制作大尺

寸产品难的问题，人们还是在改性方面作了大量工作，

改善其烧结性。抑制晶粒长大，从而得到各个晶粒细

小、各向异性的改性PbTiO3材料。近几年，改良

PbTiO3材料报道较多，在金属探伤、高频器件方面得

到了广泛应用。目前该材料的发展和应用开发仍是许多

压电陶瓷工作者关心的课题。 压电陶瓷-高聚物复合材

料

无机压电陶瓷和有机高分子树脂构成的压电复合材料，

兼备无机和有机压电材料的性能，并能产生两相都没有

的特性。因此，可以根据需要，综合二相材料的优点，

制作良好性能的换能器和传感器。它的接收灵敏度很

高，比普通压电陶瓷更适合于水声换能器。在其它超声

波换能器和传感器方面，压电复合材料也有较大优势。

国内学者对这个领域也颇感兴趣，做了大量的工艺研

究，并在复合材料的结构和性能方面做了一些有益的基

础研究工作，目前正致力于压电复合材料产品的开发。

压电性特异的多元单晶压电体

传统的压电陶瓷较其它类型的压电材料压电效应要强，

从而得到了广泛应用。但作为大应边，高能换能材料，

传统压电陶瓷的压电效应仍不能满足要求。于是近几年

来，人们为了研究出具有更优异压电性的新压电材料，

做了大量工作，现已发现并研制出了Pb(A1/3B2/

3)PbTiO3单晶（A=Zn2+,Mg2+）。这类单晶的d33最高

可达2600pc/N(压电陶瓷d33最大为850pc/N),k33可高

达0.95（压电陶瓷K33最高达0.8），其应变>1.7%，几

乎比压电陶瓷应变高一个数量级。储能密度高达130J/

kg，而压电陶瓷储能密度在10J/kg以内。铁电压电学

者们称这类材料的出现是压电材料发展的又一次飞跃。

现在美国、日本、俄罗斯和中国已开始进行这类材料的

生产工艺研究，它的批量生产的成功必将带来压电材料

应用的飞速发展。

所有准同型相界组分的样品均具有增强的压电效应和较高的铁电居里温度TC，而且随着Sr含量y的增加，其d33，TC和极化强度均减小，而样品中三方相和四方相的晶格畸变在总体上则分别增加和减少。研究结果表明，对于BFO-BTO体系的准同型相界MPB附近的组分中，较大的四方晶格畸变和较小的三方晶格畸变对样品的压电性能起着重要作用。这些结果为设计高性能压电陶瓷提供了一种可能的新策略。 (2)通过采用溶胶凝胶法制备了(1-x)BiFeO3-xBa0.5Sr0.5MnO3(BFO-BSMO)（0≤x≤1）陶瓷，并研究了引入BSMO对BFO其陶瓷结构、铁电、磁性、介电、电阻、压电等结构与物性的影响，并在MPB处研究其压电等电学性能，制备出压电性提升和高TC的BFO基无铅压电陶瓷。室温X射线衍射(XRD)及拉曼实验结果表明，0≤x≤0.1的样品在室温下为三方相（空间群为R3c），x=0.16的样品则为三方相与立方相共存，0.16＜x≤0.5的样品是空间群为Pm3m的立方相，x=0.7的样品则为立方相与六方相共存，0.7＜x≤1.0的样品是空间群为P63/mmc的六方相。进一步的实验结果表明，x≤0.16的样品具有铁电性，其中x=0.1样品同时具有较高的铁电居里温度T～687℃以及压电常数d33～13pC/N。随着BSMO含量x的进一步增加到x=0.16，陶瓷的压电常数d33达到最大值。进一步的分析表明，较高Mn3+离子浓度对BFO-BSMO固溶体的晶体结构、铁电、压电及电阻等性能起着重要的作用。然而该体系虽然居里温度很高，但压电常数仍然较小，且高温电阻亦仍需进一步改善。 (3)我们在BFO-BTO陶瓷中同时引入Cr离子和Mn离子，采用传统的固相反应法制备了(1-y)BiFe1-xCrxO3-yBaTi1-xMnxO3(BFC-BTM)(0≤x≤0.04，0.2≤y≤0.27)陶瓷，系统研究了Cr-Mn共掺BFC-BTM（0≤x≤0.04，0.2≤y≤0.27）固溶体的结构、介电、铁电、电阻和压电性能，并且对其TC提升的可能的原因进行了分析与讨论。随着掺杂的Cr/Mn含量x增加，y=0.2-0.27系列样品出现了三方相到四方相的结构相变，且其中准同型相界组分约为x=0.01-0.02。Cr-Mn共掺的样品同时表现出较高的Td、TC(～580-645℃)以及相对较大的d33(～96-135pC/N)。特别是组分为y=0.24，x=0.02的样品同时表现出较高的退极化温度Td～551℃和较大的压电常数d33～116pC/N，性能优于之前报道的大多数BFO基高温压电陶瓷。此外，相比于母体BFO，Cr-Mn掺杂的样品绝缘性能提升，其中y0.24x0.01和0.24x0.02样品，分别在大约315和270℃以下电阻率ρ高于1MΩ·cm。我们的实验结果表明，构建MPB的同时考虑晶格畸变的作用可能是在BFO压电陶瓷体系中实现优异压电性和高TC的有效途径。

压电效应是某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，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。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。

当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。依据电介质压电效应研制的一类传感器称为压电传感器。

扩展资料：

如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差，反之施加电压，则产生机械应力。如果压力是一种高频震动，则产生的就是高频电流。

测量时，将传感器基座与试件刚性地固定在一起。当传感器受振动力作用时，由于基座和质量块的刚度相当大，而质量块的质量相对较小，可以认为质量块的惯性很小。因此质量块经受到与基座相同的运动，并受到与加速度方向相反的惯性力的作用。

这样，质量块就有一正比于加速度的应变力作用在压电晶片上。由于压电晶片具有压电效应，因此在它的两个表面上就产生交变电荷（电压），当加速度频率远低于传感器的固有频率时，传感器给输出电压与作用力成正比。

亦即与试件的加速度成正比，输出电量由传感器输出端引出，输入到前置放大器后就可以用普通的测量仪器测试出试件的加速度；如果在放大器中加进适当的积分电路，就可以测试试件的振动速度或位移。

104陶瓷电容就是0.1uF的陶瓷电容。测试陶瓷电容器耐压时，可用绝缘电阻表与直流电压表配合的方法进行测量。

它的原理是当摇动绝缘电阻表手柄时，直流发电机就开始工作。对于额定电压为500V的绝缘电阻表，当手摇转速达到每分钟120转时，其应输出500V的直流电压，因为它输出电流很小，所以对电容器无损害。

操作方法如下：

首先将直流电压表（也可用万用表直流电压挡）和被测电容器并联到绝缘电阻表的两个端钮上，接好后缓慢加速摇动绝缘电阻表手柄，察看电压表指示值，如指针不再上升或上升又降低，此时测出的即是该电容器的最高耐压值，也是它的临界击空值。在工作中也可用1000伏绝缘电阻表或2500V的绝缘电阻表及相适应的直流电压表，对耐压值较高的电容器进行测试。

需要注意的是，接线前和测试后都要将电容器作放电处理，而且直流电压表连接时要判断好绝缘电阻表的正、负极性。

速度度和加速度是两个概念，100mv/g=100mv/mm/s2 (那个2是上标) 与你所说的mv/mm/s相差一个s。

能把地震波引起的地面震动转换成电信号，经过模/数转换器转换成二进制数据、进行数据组织、存储、运算处理。加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备，典型应用在手机、笔记本电脑、步程计和运动检测等。

扩展资料：

分类：

压电式：压电式加速度传感器又称压电加速度计。它也属于惯性式传感器。压电式加速度传感器的原理是利用压电陶瓷或石英晶体的压电效应，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。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。

压阻式：基于世界领先的MEMS硅微加工技术，压阻式加速度传感器具有体积小、低功耗等特点，易于集成在各种模拟和数字电路中，广泛应用于汽车碰撞实验、测试仪器、设备振动监测等领域。

参考资料来源：百度百科-加速度传感器