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  • 压电式加速度传感器的传感元件为压电晶体。若沿压电晶体的极化方向施加一外力使其变形,则压电晶体内部发生极化,受力的两端面出现极性相反的电荷,若撤去外力,则压电晶体恢复到初始状态,这就是正压电效应。若沿...
  • 工业现场测振传感器,主要是压电式加速度传感器。其工作原理主要利于压电敏感元件的压电效应得到与振动或者压力成正比的电荷量或者电压量。目前工业现场典型采用IEPE型加速度传感器,及内置IC电路压电加速度传感器,...
  • 压电式加速度传感器摘要:近年来压电式加速度传感器得到了较大的发展,本文重点阐述了压电式加速度传感器的原理及其构成元件,分析了其频率特性和灵敏度,探究了其误差形成因素,概述了其在工程控制领域中的实际应用
  • 最常用的振动测量传感器按各自的工作原理可分为压电式、压阻式、电容式、...压电式加速度传感器因为具有测量频率范围宽、量程大、体积小、重量轻、对被测件的影响小以及安装使用方便,所以成为最常用的振动测量传感器。
  • 压电式加速度传感器动态特性

    千次阅读 2020-03-22 10:45:15
    压电式加速度传感器动态特性 压电式加速度传感器工作原理如下图所示: 将加速度传感器壳体位移设为x1(t)x_1(t)x1​(t),质块m运动设为x0(t)x_0(t)x0​(t), 质块相对于壳体的运动设为x01(t)x_{01}(t)x01​(t)。 ...

    压电式加速度传感器动态特性

    压电式加速度传感器工作原理如下图所示:
    在这里插入图片描述
    将加速度传感器壳体位移设为x1(t)x_1(t),质块m运动设为x0(t)x_0(t)

    质块相对于壳体的运动设为x01(t)x_{01}(t)

    压电式加速度传感器的数学模型

    依照传感器的力学模型,有达朗贝尔原理可以有以下运动微分方程:
    md2x0dt2+c(dx0dtdx1dt)+k(x0(t)x1(t)) m\frac{d^2x_0}{dt^2}+c(\frac{dx_0}{dt}-\frac{dx_1}{dt})+k(x_0(t)-x_1(t))
    压电式传感器系统输入为壳体运动x1(t)x_1(t),输出为质块m与壳体的相对运动x01(t)x_{01}(t),此二者的关系为:
    x01(t)=x0(t)x1(t) x_{01}(t)=x_0(t)-x_1(t)
    于是运动微分方程可以写为:
    md2x01dt2+c(dx01dt)+kx01(t)=md2x1dt2 m\frac{d^2x_01}{dt^2}+c(\frac{dx_{01}}{dt})+kx_{01}(t)=-m\frac{d^2x_1}{dt^2}
    设被测振动为为谐波振动,即有:
    x1(t)=X1sin(ωt) x_1(t)=X_1sin({\omega}t)
    于是运动微分方程:
    md2x01dt2+c(dx01dt)+kx01(t)=mX1ω2sin(ωt) m\frac{d^2x_01}{dt^2}+c(\frac{dx_{01}}{dt})+kx_{01}(t)=mX_1{\omega}^2sin({\omega}t)
    将其写为一般形式为:
    d2x01dt2+2ξωn(dx01dt)+ω2x01(t)=X1ω2sin(ωt) \frac{d^2x_01}{dt^2}+2{\xi}{\omega_n}(\frac{dx_{01}}{dt})+{\omega^2}x_{01}(t)=X_1{\omega}^2sin({\omega}t)

    次微分方程的解由通解和特解两部分组成,其中通解反映此系统的固有特性,特解反映其动态特性;

    由于激励为一个正弦信号,因此其响应也为同频率的正弦信号,设其响应为:
    x01(t)=X01sin(ωt+ϕ) x_{01}(t)=X_{01}\sin({\omega}t+\phi)
    于是有:
    dx01dt=ωX01cos(ωt+ϕ)=ωX01sin(ωt+ϕ+π2)dx012dt2=ω2X01sin(ωt+ϕ)=dx012dt2=ω2X01sin(ωt+ϕ+π) \frac{dx_{01}}{dt}={\omega}X_{01}\cos{({\omega}t+\phi)}={\omega}X_{01}\sin{({\omega}t+\phi+\frac{\pi}{2})}\\ \frac{dx^2_{01}}{dt^2}=-{\omega}^2X_{01}\sin{({\omega}t+\phi)}=\frac{dx^2_{01}}{dt^2}={\omega}^2X_{01}\sin{({\omega}t+\phi+\pi)}
    按照旋转向量计算,最终得出其响应为:
    Ax(ω)=X01X1=(ω/ωn)[1(ω/ωn)2]2+[2ξ(ω/ωn)]2ϕ(ω)=arctan(2ξ(ω/ωn)1(ω/ωn)2) A_x(\omega)=\frac{X_01}{X_1}=\frac{({\omega}/{\omega}_n)}{\sqrt{[1-({\omega}/{\omega}_n)^2]^2+[2{\xi}({\omega}/{\omega}_n)]^2}}\\ {\phi}(\omega)=\arctan(\frac{2{\xi}({\omega}/{\omega}_n)}{1-({\omega}/{\omega}_n)^2})

    MATALB绘制幅频特性曲线与相频特性曲线

    由于MATLAB中反三角函数arctanarctan输出默认为[π/2,π/2][-\pi/2,\pi/2],因此需要将自定义函数,将其输出改为[π/2,π/2][-\pi/2,\pi/2],代码为:

    function angle = atandpi(x)
    %将atand输出更改为0-pi
    %   此处显示详细说明
    y=atand(x);
    L=length(y);
    for i=1:L
        if y(i)<0
            y(i)=y(i)+180;
        end
    end
    angle=y;
    end
    

    然后绘制幅频与相频特性曲线,代码为:

    %压电式振动传感器的动态特性
    clear;
    clc;
    r=0:0.01:10;
    xi=[0,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,1,2,5,10];
    %位移幅频特性
    Ax1=(r.^2)./sqrt(((1-(r.^2)).^2)+((2*(xi(1))*(r)).^2));
    Ax2=(r.^2)./sqrt(((1-(r.^2)).^2)+((2*(xi(2))*(r)).^2));
    Ax3=(r.^2)./sqrt(((1-(r.^2)).^2)+((2*(xi(3))*(r)).^2));
    Ax4=(r.^2)./sqrt(((1-(r.^2)).^2)+((2*(xi(4))*(r)).^2));
    Ax5=(r.^2)./sqrt(((1-(r.^2)).^2)+((2*(xi(5))*(r)).^2));
    Ax6=(r.^2)./sqrt(((1-(r.^2)).^2)+((2*(xi(6))*(r)).^2));
    Ax7=(r.^2)./sqrt(((1-(r.^2)).^2)+((2*(xi(7))*(r)).^2));
    Ax8=(r.^2)./sqrt(((1-(r.^2)).^2)+((2*(xi(8))*(r)).^2));
    Ax9=(r.^2)./sqrt(((1-(r.^2)).^2)+((2*(xi(9))*(r)).^2));
    Ax10=(r.^2)./sqrt(((1-(r.^2)).^2)+((2*(xi(10))*(r)).^2));
    subplot(2,1,1);
    plot(r,Ax1,r,Ax2,r,Ax3,r,Ax4,r,Ax5,r,Ax6,r,Ax7,r,Ax8,r,Ax9,r,Ax10);
    title('位移幅频特性曲线');
    xlim([0 5]);
    ylim([0.1 2.5]);
    grid on;
    %相频特性曲线
    phi1=atandpi((2*xi(1)*r)./(1-(r.^2)));
    phi2=atandpi((2*xi(2)*r)./(1-(r.^2)));
    phi3=atandpi((2*xi(3)*r)./(1-(r.^2)));
    phi4=atandpi((2*xi(4)*r)./(1-(r.^2)));
    phi5=atandpi((2*xi(5)*r)./(1-(r.^2)));
    phi6=atandpi((2*xi(6)*r)./(1-(r.^2)));
    phi7=atandpi((2*xi(7)*r)./(1-(r.^2)));
    phi8=atandpi((2*xi(8)*r)./(1-(r.^2)));
    phi9=atandpi((2*xi(9)*r)./(1-(r.^2)));
    phi10=atandpi((2*xi(10)*r)./(1-(r.^2)));
    subplot(2,1,2);
    plot(r,phi1,r,phi2,r,phi3,r,phi4,r,phi5,r,phi6,r,phi7,r,phi8,r,phi9,r,phi10);
    title('相频特性曲线');
    xlim([0 3])
    grid on;
    %速度幅频特性
    

    运行结果如下:
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

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  • 压电式加速度传感器灵敏度校准虚拟仪器设计rar,气体传感器;气敏元件;气体检测仪
  • 压电式加速度传感器的性能和参数与压阻式加速度传感器的性能和参数一样,包括灵敏度、频率响应、精度误差等。但是,两者性能有较大差别,例如压电式加速度传感器是电容性的,高阻抗,而压阻式加速度传感器是电阻性,...
  • 压电效应是压电压力传感器的主要工作原理,压电传感器不能用于静态测量,因为经过外力作用后的电荷,只有在回路具有无限...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,

    压电效应是压电压力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。实际的情况不是这样的,所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。
           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,特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。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。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。
           现在压电效应也应用在多晶体上,比如现在的压电陶瓷,包括钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。
           压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英(二氧化硅)是一种天然晶体,压电效应就是在这种晶体中发现的,在一定的温度范围之内,压电性质一直存在,但温度超过这个范围之后,压电性质完全消失(这个高温就是所谓的“居里点”)。由于随着应力的变化电场变化微小(也就说压电系数比较低),所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数,但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体,能够承受高温和相当高的湿度,所以已经得到了广泛的应用。

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  • 压电式传感器6.1 压电效应和压电材料6.1.1 压电效应6.1.2 压电材料6.2 压电式传感器的测量转换电路6.2.1 压电式传感器的等效电路6.2.2 压电式传感器的测量电路6.3 压电式传感器的应用6.3.1 压电式传感器6.3.2 压电...


    压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应。压电式传感器具有体积小,重量轻,工作频带宽等特点,因此用于测量各种动态力、机械冲击与振动,在声学、医学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用。

    6.1 压电效应和压电材料

    6.1.1 压电效应

    压电效应具有可逆性,它分为正压电效应和逆压电效应。正压电效应是指某些电介质,当沿着一定方向对其施加压力而使其变形时,它的内部就会产生极化的现象,同时在它的两个表面上会产生极性相反的电荷,当施加的压力去掉后,它又重新恢复不带电的状态;当压力的作用方向改变时,它内部的极性也随着改变。电子打火机就是利用正压电效(顺压电效应)应制成的。逆压电效应是指在电介质的极化方向施加电场,这些电介质就会在一定方向上产生机械变形或机械压力,当施加的电场撤去时,这些机械变形或机械压力也随之消失的现象。音乐贺卡的扬声器就是利用逆压电效应(电致伸缩效应)制成的。

    6.1.2 压电材料

    压电材料是具有压电效应的晶体材料,常用的有压电晶体(单晶体)材料、压电陶瓷(多晶半导体)和高分子压电材料。
    1.石英晶体的压电效应
    如图6-1所示,石英的晶体结构为六方晶体系,化学式为SiO2。
    如图6-2所示,在研究石英晶体时,晶体学中可以用三根互相垂直的晶轴来表示。**x轴:两平行柱面内夹角等分线,垂直此轴压电效应最强,称为电轴;y轴:垂直于平行柱面,在电场作用下变形最大,称为机械轴;z轴:无压电效应,中心轴,也称光轴。**石英晶体的化学式为SiO2,石英晶体的压电效应与其内部结构有关,它的每个晶胞由3个硅离子和6个氧离子组成,一个硅离子和两个氧离子交替排列。沿光轴看去,可以等效为正六边形结构,如图6-3(a)所示。
    在这里插入图片描述
    当石英晶体不受外力作用时,硅离子和氧离子在正六边形的六个顶角上,正负电荷的中心重合,所以对外不显电性,见图6-3(a);当石英晶体在x轴方向受力时,正负电荷中心偏移,负电荷中心向下偏移导致晶体的极面A上呈现负电荷,正电荷中心向上偏移导致晶体的极面B上呈现正电荷,见图6-3(b);当石英晶体在y轴方向受力时,正负电荷中心同样发生偏移,晶体的极面A上呈现正电荷,晶体的极面B上呈现负电荷,见图6-3(c);当晶体的光轴(z轴)方向受力时,由于晶格的变形不会引起正负电荷中心的偏移,所以不会产生压电效应。

    在实际应用中,从晶体上沿轴线切下的薄片作为传感器的测量元件,这个薄片被称为“晶体切片”。如图6-4所示是垂直于电轴x切割的石英片,长为a、宽为b、高为c。在与x轴垂直的两个平面上镀上金属材料,此时石英片可以看作是一个电容。沿x方向施加作用力Fx时,在与电轴x垂直的表面上产生电荷Qxx为
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    2.压电陶瓷的压电效应

    压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料,是一种能够将机械能转换为电能的陶瓷材料。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。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷(PZT)及非铅系列压电陶瓷(如BaTiO3等)。

    若让原始的压电陶瓷材料具有压电特性,需在一定温度下对它进行极化处理。压电陶瓷的极化过程如图6-5所示。将这些材料置于外电场作用下,其中的电畴发生转动,使本身自发的极化方向趋向外电场方向并保持一致。极化处理过的压电陶瓷具有良好的压电特性。

    当压电陶瓷在极化面上受到沿着极化方向(即z向)的作用力Fz时(即作用力垂直于极化面),如图6-6(a)所示,则在两个镀有金属的极化面上分别出现正负电荷,电荷量Qzz与力Fz成比例,即
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    压电晶体与压电陶瓷的比较:

    (1)相同点。都是具有压电效应的压电材料。
    (2)不同点。石英的介电常数和压电常数的温度稳定性好,适合做工作温度范围很宽的传感器;极化后的压电陶瓷的压电系数是石英的几十倍甚至几百倍,但稳定性不如石英好,居里点也低。

    在这里插入图片描述

    6.2 压电式传感器的测量转换电路

    6.2.1 压电式传感器的等效电路

    1.压电式晶体的连接方式

    将压电晶片产生电荷的两个晶面镀上金属电极后封装,就构成了压电元件。当压电元件受力时,就会在两个电极上产生电荷,因此压电元件可以看作是一个电荷源。两个电极之间是绝缘的压电介质材料,因此它也可以看作是一个以压电材料为介质的电容器。

    如图6-7所示,压电元件采用不同的连接方式时,其参数变化为如下。

    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    2.压电元件的等效电路

    根据压电元件的特性,可等效为一个与电容相并联的电荷源,也可以等效为一个与电容相串联的电压源,如图6-8所示。压电式传感器的实际等效电路如图6-9所示。

    6.2.2 压电式传感器的测量电路

    压电式传感器不能用于静态测量,压电元件只有在交变力的作用下,电荷才能源源不断地产生,可以供给测量回路一定的电流,故只适用于动态测量。

    压电式传感器本身的输出信号小,内阻抗很高,在它的测量电路中通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器,放大器的作用是:**一是把压电式传感器的高阻抗变换为低阻抗;二是放大传感器的输出信号。**压电式传感器的输出信号可以是电压也可以是电荷,因此前置放大器也就出现了两种形式:电压放大器和电荷放大器。

    1.电荷放大器

    电荷放大器的等效电路如图6-10所示。
    在这里插入图片描述
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    2.电压放大器

    串联输出的压电元件可以等效为电压源,由于压电效应引起的电容量很小,因此其电压源的等效内阻非常大,在连接成电压输出型测量电路时,要求前置放大器要有足够的放大倍数,而且应具备很高的输入阻抗,如图6-11所示。
    在这里插入图片描述

    6.3 压电式传感器的应用

    6.3.1 压电式力传感器

    压电式力传感器是以压电元件为转换元件,输出电荷与作用力成正比,将力的变化转化为电的装置。常用的力传感器的形式为荷重垫圈式,如图6-12 所示,它由基座、上盖、石英晶片、电极以及引出插座等组成。

    压电式力传感器适用于变化频率不太高的动态力的测量,测力范围可以达到几十kN以上,非线性误差小于1%,其固有频率可达数十kHz。在装配时需要注意的是,要有足够的预紧力,用以消除元件之间接触不良导致的非线性误差,使传感器工作在线性的状态。在这里插入图片描述

    6.3.2 压电式加速度传感器

    如图6-13 所示,压电式加速度传感器由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成,整个部件装在外壳内,并用螺栓加以固定。
    在这里插入图片描述

    根据牛顿第二定律可知,F=ma,惯性力是加速度的函数。压电式传感器在测量加速度时,惯性力F作用于压电元件上,压电元件产生电荷Q,在传感器选定的情况下,其输出电荷与加速度a成正比,而加速度a与惯性力F成正比,因此输出电荷可以反映惯性力的变化。

    6.3.3 弯曲式压电加速度传感器

    如图6-14 所示为弯曲式压电加速度传感器的结构,压电元件粘贴在悬臂梁的侧面,悬臂梁的自由端装配质量块,固定端与基座连接。测量时,被测物体运动,质量块由于惯性会产生加速度,质量块带动悬臂梁发生弯曲,使悬臂梁的侧面受到拉伸或压缩,压电元件发生变形,产生电信号输出。
    在这里插入图片描述
    弯曲式压电加速度传感器的优点是固有的共振频率低,灵敏度高,常用于低频测量;缺点是体积大,机械强度较差。

    6.3.4 火炮堂内压力测试

    火炮工作时,发射药在堂内燃烧形成压力完成炮弹的发射。堂内压力的大小,不仅决定着炮弹的飞行速度,而且与火炮、弹丸的设计有着密切关系。

    如图6-15 所示为火炮堂内压力测试电路,当堂内压力作用于压力传感器时,压力传感器中的压电晶体受到力的作用产生电荷,此电荷可以反映火炮堂内压力的大小,从而起到检测压力的作用。
    在这里插入图片描述

    6.3.5 压电式血压传感器

    如图6-15 所示为压电式血压传感器的结构,由双晶片、敏感振膜、塑料块、定位螺栓等组成,采用的是悬臂梁结构。该传感器采用双晶片,两个压电元件极化方向相反,并联后可以增加电荷量输出。在敏感振膜的上下两侧各粘一个半圆塑料块。使用压电式血压传感器时,动脉血压作用在上塑料块,通过敏感振膜传递,再由下塑料块传递到压电陶瓷式悬臂梁的自由端,使压电陶瓷式悬臂梁弯曲变形,产生电荷,该电荷反映动脉血压的大小,从而达到测量目的。
    在这里插入图片描述

    6.3.6 监测结冰状况的冰传感器

    在冬季和温度较低的环境中经常出现结冰现象,其危害很大。铁路电力机车接触网导线上结冰影响机车正常行驶、跑道结冰影响飞机安全飞行等。冰传感器可用来监测是否结冰、冰层厚度为多少。

    如图6-17所示,冰传感器是利用压电效应制成的,在电极1、2间加交变电压,压电晶体产生机械振动,这时系统的谐振频率为
    在这里插入图片描述
    冰层检测原理是:极板1 上无附加物时,以自身的谐振频率作机械振动;极板1 上有冰冻时,冰层增加系统刚度,谐振频率增大;冰层越厚,刚度增加越大,谐振频率越大。通过频率的测量就可以检测出结冰的情况。

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  • 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,同自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...

    压电式加速度计的应用场景
    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,同自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bai有“压电效应”的晶体du称为压电晶体。常用的压电晶体有石英、压电陶瓷等。  
    在这里插入图片描述
    压电加速度传感器可以满足很多场景的应用测量一下六种场景是被广泛应用的领域。  1、振动控制领域  测量机械装置上要求严格的定位器件的振动强度,将检测到的信息返回电路系统中通过控制压电震荡器减少振动强度。  
    2、机械振动  周期性的监测马达、泵、压缩机、涡轮机、电风扇的轴承磨损情况、不平衡及装置断裂等强度的增加,这些机械正常监视不用停下工作可以减少大把时间节约成本。  
    3、地震类监测  测量大型建筑物的地面、小型建筑、桥梁振动和检测因地震、施工、矿场作业、大型传送带运输车所引起的机构变化。  
    4、环境应力检测  因温度循环变化中所引起的产品变化或者部件遭受振动的强度,可以因此检测出不物体潜在的缺陷。  
    5、包装测试材  测量包装好和未包装好产品所承受的冲击力强度以检测包装外壳在运输过程中经受住的振动和冲击。  
    6、结构分析和测试  确定一个结构中不同点振动的相位和幅度的关系,可以模仿形式多得到的模太样式为系统完整性和系统情况提供主要参数资料。  
    在将来的各行各业应用到压电加速度计的方面即将越来越多,而加速度计以为商业、军工业的大力应用开发将会更进一步改进和升级,向着高精度、高性能、高可靠性发展升级。

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  • 加速度传感器的基本组成 ...压电式加速度传感器 压阻式加速度传感器 电容式加速度传感器 电容式加速度传感器 伺服式加速度传感器 加速度传感器,包括由硅膜片、上盖、下盖,膜片处于上盖、下盖之间,键合
  • 加速度传感器是一种能够测量加速度...工业现场测振传感器,主要是压电式加速度传感器。其工作原理主要利于压电敏感元件的压电效应得到与振动或者压力成正比的电荷量或者电压量。目前工业现场典型采用IEPE型加速度传感器
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    千次阅读 2012-04-23 13:39:18
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  • 式传感器用于压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他物理量(如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度)的测量和控制。 式传感器是根据半导体材料的阻效应在半导体材料的基片上经扩散电阻而制成...
  • 压力传感器归纳介绍(原理分类) 1、压电压力传感器: 原理:主要由于压电效应的产生形成的原理情况。压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。...压电式加速度传感器
  • 汽车传感器的分类

    2021-01-19 03:49:28
    另一种 是由非电量转换成电量的传感器,如热电偶温度传感器、压电式加速度传感器等。  (3)按输人量分类  按输人量分类即按被测量分类,可分位移、速度、加速度、角位移、角速度、力、力矩、压力、真空度、 ...

空空如也

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压电式加速度传感器