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1、高等教育高等教育电气工程与自动化系列规划教材电气工程与自动化系列规划教材传感器与检测技术传感器与检测技术高等教育教材编审委员会高等教育教材编审委员会高等教育教材编审委员会高等教育教材编审委员会 组编组编组编组编主编主编主编主编 邓长辉邓长辉邓长辉邓长辉主审主审主审主审 王福利王福利王福利王福利传感器与检测技术传感器与检测技术第七章第七章 压电式传感器压电式传感器传感器与检测技术传感器与检测技术第七章第七章 压电式传感器压电式传感器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，是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，是典型的有源传感器。当材料受力作用而变形时，其表面会有电荷产
2、典型的有源传感器。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，重量轻，生，从而实现非电量测量。压电式传感器具有体积小，重量轻， 工作频带宽等特点，工作频带宽等特点， 因此在各种动态力、因此在各种动态力、 机械冲击与振动的测量，机械冲击与振动的测量，以及声学、以及声学、 医学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用。医学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用。传感器与检测技术传感器与检测技术7.1 压电效应及压电材料压电效应及压电材料某某些些电电介介质质，当当沿沿着着一一定定方方向向对对其其施施力力而而使使它它变变形形时时，其其内内部部就就产产生生极
3、极化化现现象象， 同同时时在在它它的的两两个个表表面面上上便便产产生生符符号号相相反反的的电电荷荷，当当外外力力去去掉掉后后，其其又又重重新新恢恢复复到到不不带带电电状状态态，这这种种现现象象称称压压电电效效应应。当当作作用用力力方方向向改改变变时时，电电荷荷的的极极性性也也随随之之改改变变。 有有时时人人们们把把这这种种机机械械能能转转为为电电能能的的现现象象，称称为为正正压压电电效效应应。相相反反， 当当在在电电介介质质极极化化方方向向施施加加电电场场，这这些些电电介介质质也也会会产产生生变变形形，这这种种现现象象称称为为逆逆压压电电效效应应（电电致致伸伸缩缩效效应应）。具具有有压压电电效
4、效应应的的材材料料称称为为压压电电材材料料，压压电电材材料料能能实实现现机机电电能能量量的的相相互互转转换换, 如下图所示。如下图所示。 压电效应的可逆性压电效应的可逆性传感器与检测技术传感器与检测技术7.1 压电效应及压电材料压电效应及压电材料在在自自然然界界中中大大多多数数晶晶体体具具有有压压电电效效应应，但但压压电电效效应应十十分分微微弱弱。随随着着对对材材料料的的深深入研究，发现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。入研究，发现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。 压电材料可以分为两大类：压电材料可以分为两大类：压电晶体压电晶体和和压电陶瓷压电陶瓷。压
5、电材料的主要特性参数有：压电材料的主要特性参数有：压电常数压电常数：弹性常数弹性常数：介电常数介电常数：机械耦合机械耦合系数常数系数常数：电阻电阻：居里点居里点：压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数，它直接关系到压电输出的灵敏度。压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数，它直接关系到压电输出的灵敏度。 压电材料的弹性常数、刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。压电材料的弹性常数、刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容与介电常数有关。对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容与介电常数有关。 压电效应中，转换输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平
6、压电效应中，转换输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根，它是衡量压电材料机方根，它是衡量压电材料机-电能量转换效率的一个重要参数。电能量转换效率的一个重要参数。 压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏，从而改善压电传感器的低频特性。压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏，从而改善压电传感器的低频特性。 它是指压电材料开始丧失压电特性的温度。它是指压电材料开始丧失压电特性的温度。 传感器与检测技术传感器与检测技术7.1 压电效应及压电材料压电效应及压电材料常用压电材料的性能参数常用压电材料的性能参数 传感器与检测技术传感器与检测技术7.1.1 石英晶体石英晶体 石石英英晶晶体体化化学学式式为
7、为SiO2，是是单单晶晶体体结结构构。下下图图（a）表表示示了了天天然然结结构构的的石石英英晶晶体体外外形形，它它是是一一个个正正六六面面体体。石石英英晶晶体体各各个个方方向向的的特特性性是是不不同同的的。其其中中纵纵向向轴轴z称称为为光光轴轴，经经过过六六面面体体棱棱线线并并垂垂直直于于光光轴轴的的x称称为为电电轴轴，与与 x 和和 z 轴轴同同时时垂垂直直的的轴轴 y 称称为为机机械械轴轴。通通常常把把沿沿电电轴轴x 方方向向的的力力作作用用下下产产生生电电荷荷的的压压电电效效应应称称为为纵纵向向压压电电效效应应。而而把把沿沿机机械械轴轴y 方方向向的的作作用用下下产产生生电电荷荷的的压压
8、电电效效应应称称为为横横向向压压电电效效应应。而而沿沿光光轴轴z 方方向受力时不产生压电效应。向受力时不产生压电效应。 石英晶体石英晶体传感器与检测技术传感器与检测技术7.1.1 石英晶体石英晶体若若从从晶晶体体上上沿沿 y 方方向向切切下下一一块块如如上上图图 （c）所所示示晶晶片片，当当在在电电轴轴方方向向施施加加作作用用力时，在与电轴力时，在与电轴 x 垂直的平面上将产生电荷，其大小为垂直的平面上将产生电荷，其大小为 ： qx = d11 fx 若若在在同同一一切切片片上上，沿沿机机械械轴轴y方方向向施施加加作作用用力力fy，则则仍仍在在与与x轴轴垂垂直直的的平平面面上上产产生电荷生电荷
9、qy， 其大小为其大小为 ： qy = d12 fy 电荷电荷qx和和qy 的符号由所受力的性质决定。的符号由所受力的性质决定。 石石英英晶晶体体的的上上述述特特性性与与其其内内部部分分子子结结构构有有关关。上上图图是是一一个个单单元元组组体体中中构构成成石石英英晶晶体的硅离子和氧离子，在垂直于体的硅离子和氧离子，在垂直于z轴的轴的xy平面上的投影，等效为一个正六边形排列。平面上的投影，等效为一个正六边形排列。传感器与检测技术传感器与检测技术图中图中“+”代表代表Si4+离子，离子，“-”代表氧离子代表氧离子O2-。 当当石石英英晶晶体体未未受受外外力力作作用用时时，正正、负负离离子子正正好好
10、分分布布在在正正六六边边形形的的顶顶角角上上，形形成成三三个互成个互成120夹角的电偶极矩夹角的电偶极矩P1、P2、P3。 如下图所示。如下图所示。 7.1.1 石英晶体石英晶体石英晶体的压电模型石英晶体的压电模型因因为为P = qL，q为为电电荷荷量量，L为为正正负负电电荷荷之之间间距距离离。此此时时正正负负电电荷荷重重心心重重合合，电电偶极矩的矢量和等于零，即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，即呈中性。，所以晶体表面不产生电荷，即呈中性。 传感器与检测技术传感器与检测技术7.1.1 石英晶体石英晶体当当石石英英晶晶体体受受到到沿沿x轴轴方方向向的的压
11、压力力作作用用时时，晶晶体体沿沿x方方向向将将产产生生压压缩缩变变形形， 正正负负离离子子的的相相对对位位置置也也随随之之变变动动。如如上上图图 （b）所所示示，此此时时正正负负电电荷荷重重心心不不再再重重合合，电电偶偶极极 矩矩 在在 x方方 向向 上上 的的 分分 量量 由由 于于 P1的的 减减 小小 和和 P2、 P3的的 增增 加加 而而 不不 等等 于于 零零 ， 即即（P1+P2+P3）x 0 。在在x轴轴的的正正方方向向出出现现正正电电荷荷，电电偶偶极极矩矩在在y方方向向上上的的分分量量仍仍为为零，不出现电荷。零，不出现电荷。 当当晶晶体体受受到到沿沿y轴轴方方向向的的压压力力
12、作作用用时时，晶晶体体的的变变形形如如上上图图（c）所所示示，与与上上图图（b）情情况况相相似似，P1增增大大，P2、P3 减减小小。在在x轴轴上上出出现现电电荷荷，它它的的极极性性为为x轴轴正正向向为为负电荷。负电荷。 在在y轴方向上不出现电荷。轴方向上不出现电荷。 如如果果沿沿z轴轴方方向向施施加加作作用用力力，因因为为晶晶体体在在x方方向向和和y方方向向所所产产生生的的形形变变完完全全相相同同，所所以以正正负负电电荷荷重重心心保保持持重重合合，电电偶偶极极矩矩矢矢量量和和等等于于零零。这这表表明明沿沿z轴轴方方向向施施加加作作用用力力，晶体不会产生压电效应。晶体不会产生压电效应。 传感器
13、与检测技术传感器与检测技术7.1.2 压电陶瓷压电陶瓷压压电电陶陶瓷瓷是是人人工工制制造造的的多多晶晶体体压压电电材材料料。材材料料内内部部的的晶晶粒粒有有许许多多自自发发极极化化的的电电畴畴，它它有有一一定定的的极极化化方方向向，从从而而存存在在电电场场。在在无无外外电电场场作作用用时时，电电畴畴在在晶晶体体中中杂杂乱乱分分布布，它它们们的的极极化化效效应应被被相相互互抵抵消消，压压电电陶陶瓷瓷内内极极化化强强度度为为零零。因因此此原原始始的的压压电电陶陶瓷瓷呈呈中中性性，不具有压电性质。如下图不具有压电性质。如下图 所示。所示。 压电陶瓷的极化压电陶瓷的极化极极化化处处理理后后陶陶瓷瓷材材
14、料料内内部部仍仍存存在在有有很很强强的的剩剩余余极极化化，当当陶陶瓷瓷材材料料受受到到外外力力作作用用时时，电畴的界限发生移动，电畴发生偏转，从而引起剩余极化强度的变化，因而在电畴的界限发生移动，电畴发生偏转，从而引起剩余极化强度的变化，因而在传感器与检测技术传感器与检测技术垂垂直直于于极极化化方方向向的的平平面面上上将将出出现现极极化化电电荷荷的的变变化化。这这种种因因受受力力而而产产生生的的由由机机械械效效应应转转变变为为电电效效应应，将将机机械械能能转转变变为为电电能能的的现现象象，就就是是压压电电陶陶瓷瓷的的正正压压电电效效应应。电电荷荷量量的的大大小与外力成正比关系：小与外力成正比关
15、系： q = d33F 7.1.2 压电陶瓷压电陶瓷压压电电陶陶瓷瓷的的压压电电系系数数比比石石英英晶晶体体的的大大得得多多，所所以以采采用用压压电电陶陶瓷瓷制制作作的的压压电电式式传传感感器器的的灵灵敏敏度度较较高高。极极化化处处理理后后的的压压电电陶陶瓷瓷材材料料的的剩剩余余极极化化强强度度和和特特性性与与温温度度有有关关，它它的参数也随时间变化，从而使其压电特性减弱。的参数也随时间变化，从而使其压电特性减弱。传感器与检测技术传感器与检测技术最最早早使使用用的的压压电电陶陶瓷瓷材材料料是是钛钛酸酸钡钡（BaTiO3）。它它是是由由碳碳酸酸钡钡和和二二氧氧化化钛钛按按一一定定比比例例混混合合
16、后后烧烧结结而而成成的的。它它的的压压电电系系数数约约为为石石英英的的50倍倍，但但使使用用温温度度较较低低， 最最高高只有只有70，温度稳定性和机械强度都不如石英。，温度稳定性和机械强度都不如石英。 目目前前使使用用较较多多的的压压电电陶陶瓷瓷材材料料是是锆锆钛钛酸酸铅铅（PZT）系系列列，它它是是钛钛酸酸钡钡（BaTiO3)和和锆酸铅（锆酸铅（PbZrO3）组成的）组成的(Pb(ZrTi)O3)。 7.1.2 压电陶瓷压电陶瓷C语言程序设计案例教程大连理工大学出版社7.1 压电效应及压电材料压电效应及压电材料7.2.1 压电式传感器的等效电路压电式传感器的等效电路由由压压电电元元件件的的工
17、工作作原原理理可可知知，压压电电式式传传感感器器可可以以看看作作一一个个电电荷荷发发生生器器。同同时时，它它也也是是一一个个电电容容器器，晶晶体体上上聚聚集集正正负负电电荷荷的的两两表表面面相相当当于于电电容容的的两两个个极极板板，极极板板间间物物质质等效于一种介质，则其电容量为等效于一种介质，则其电容量为 ： 因因此此，压压电电传传感感器器可可以以等等效效为为一一个个与与电电容容相相并并联联的的电电压压源源。如如图图7-5（a）所所示示，电容器上的电压电容器上的电压Ua、电荷量、电荷量q和电容量和电容量Ca三者关系为：三者关系为： 传感器与检测技术传感器与检测技术7.2.1 压电式传感器的等
18、效电路压电式传感器的等效电路压电传感器也可以等效为一个电荷源。如下图（压电传感器也可以等效为一个电荷源。如下图（b）所示。）所示。压压电电传传感感器器在在实实际际使使用用时时总总要要与与测测量量仪仪器器或或测测量量电电路路相相连连接接，因因此此还还须须考考虑虑连连接接电电缆缆的的等等效效电电容容Cc，放放大大器器的的输输入入电电阻阻Ri，输输入入电电容容Ci以以及及压压电电传传感感器器的的泄泄漏漏电电阻阻Ra，这样压电传感器在测量系统中的实际等效电路，如下图所示。，这样压电传感器在测量系统中的实际等效电路，如下图所示。 压电式传感器的等效电路压电式传感器的等效电路传感器与检测技术传感器与检测技
19、术7.2.1 压电式传感器的等效电路压电式传感器的等效电路压电式传感器的实际等效电路压电式传感器的实际等效电路传感器与检测技术传感器与检测技术7.2.1 压电式传感器的等效电路压电式传感器的等效电路压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此它的压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器，其作用为：测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器，其作用为：一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；二是放大传感器输出一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；二是放大传感器输出的微弱信号。压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷的微弱信号。压
20、电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，因此前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。信号，因此前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。传感器与检测技术传感器与检测技术7.2.2 压电式传感器的测量电路压电式传感器的测量电路下图是电压放大器电路原理图及其等效电路。下图是电压放大器电路原理图及其等效电路。 电压放大器的电路原理及其等效电路电压放大器的电路原理及其等效电路在在图图（b）中中，电电阻阻R = RaRi/(Ra+Ri)，电电容容C = Ca+Cc+Ci，而而Ua = q/Ca，若压电元件受正弦力若压电元件受正弦力f = Fmsint的作用，则其电压为：的作用，则其
21、电压为： 传感器与检测技术传感器与检测技术7.2.2 压电式传感器的测量电路压电式传感器的测量电路由由此此可可得得放放大大器器输输入入端端电电压压Ui，其其复复数数形形式式为为 ：Ui 的幅值为的幅值为 ：输入电压和作用力之间相位差为输入电压和作用力之间相位差为 ：在在理理想想情情况况下下，传传感感器器的的Ra电电阻阻值值与与前前置置放放大大器器输输入入电电阻阻Ri都都为为无无限限大大， 即即（Ca +Cc+Ci）R 1，那那么么由由上上面面的的式式可可知知，理理想想情情况况下下输输入入电电压压幅幅值值Uim为为 ：传感器与检测技术传感器与检测技术7.2.2 压电式传感器的测量电路压电式传感器
22、的测量电路上上式式表表明明前前置置放放大大器器输输入入电电压压Uim与与频频率率无无关关。一一般般认认为为/03时时，就就可可以以认认为为Uim与与无无关关，0表表示示测测量量电电路路时时间间常常数数之之倒倒数数，即即0=1/R（Ca + Cc + Ci）。）。 这这表表明明压压电电传传感感器器有有很很好好的的高高频频响响应应，但但是是，当当作作用用于于压压电电元元件件力力为为静静态态力力（=0）时时，则则前前置置放放大大器器的的输输入入电电压压等等于于零零，因因为为电电荷荷会会通通过过放放大大器器输输入入电电阻阻和和传传感器本身漏电阻漏掉，所以压电传感器不能用于静态力测量。感器本身漏电阻漏掉
23、，所以压电传感器不能用于静态力测量。 当当R（Ca+ Cc+Ci） 1 时时，放放大大器器输输入入电电压压Uim如如上上式式所所示示。式式中中Cc为为连连接接电电缆缆电电容容，当当电电缆缆长长度度改改变变时时，Cc也也将将改改变变，因因而而Uim也也随随之之变变化化。因因此此，压压电电传感器与前置放大器之间连接电缆不能随意更换，否则将引入测量误差。传感器与前置放大器之间连接电缆不能随意更换，否则将引入测量误差。 传感器与检测技术传感器与检测技术7.2.2 压电式传感器的测量电路压电式传感器的测量电路电电荷荷放放大大器器常常作作为为压压电电传传感感器器的的输输入入电电路路，由由一一个个反反馈馈电
24、电容容Cf和和高高增增益益运运算算放放大器构成，当略去大器构成，当略去Ra和和Ri并联电阻后，电荷放大器可用下图并联电阻后，电荷放大器可用下图 所示等效电路，所示等效电路， 电荷放大器等效电路电荷放大器等效电路A为为运运算算放放大大器器增增益益。由由于于运运算算放放大大器器输输入入阻阻抗抗极极高高，放放大大器器输输入入端端几几乎乎没没有有分流，其输出电压分流，其输出电压Uo为为 ：传感器与检测技术传感器与检测技术7.2.2 压电式传感器的测量电路压电式传感器的测量电路由运算放大器基本特性，可求出电荷放大器的输出电压由运算放大器基本特性，可求出电荷放大器的输出电压 ：通常通常A=104106，因
25、此若满足，因此若满足（1+A）Cf Ca+c+Ci时，上式可表示为：时，上式可表示为：由由上上式式可可见见，电电荷荷放放大大器器的的输输出出电电压压Uo与与电电缆缆电电容容Cc无无关关，且且与与q成成正正比比，这这是是电荷放大器的最大特点。电荷放大器的最大特点。 传感器与检测技术传感器与检测技术7.3 压电式传感器的应用压电式传感器的应用7.3.1 压电式测力传感器压电式测力传感器 下下图图是是压压电电式式单单向向测测力力传传感感器器的的结结构构图图，它它主主要要由由石石英英晶晶片片、绝绝缘缘套套、电电极极、上上盖及基座等组成。盖及基座等组成。 压电式单向测力传感器的结构压电式单向测力传感器的
26、结构传传感感器器上上盖盖为为传传力力元元件件，它它的的外外缘缘壁壁厚厚为为0.10.5mm，当当外外力力作作用用时时，它它将将产产生生弹弹性性变变形形，将将力力传传递递到到石石英英晶晶片片上上。石石英英晶晶片片采采用用xy切切型型，利利用用其其纵纵向向压压电电效效应应，通通过过d11实实现现力力电电转转换换。石石英英晶晶片片的的尺尺寸寸为为81 mm。该该传传感感器器的的测测力力范范围围为为050 N，最小分辨率为，最小分辨率为0.01，固有频率为，固有频率为5060 kHz，整个传感器重，整个传感器重10g。 传感器与检测技术传感器与检测技术7.3.2 压电式加速度传感器压电式加速度传感器下
27、下图图是是一一种种压压电电式式加加速速度度传传感感器器的的结结构构图图。 它它主主要要由由压压电电元元件件、质质量量块块、预预压压弹弹簧、基座及外壳等组成。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。整个部件装在外壳内，并用螺栓加以固定。 压电式加速度传感器的结构压电式加速度传感器的结构当当加加速速度度传传感感器器和和被被测测物物一一起起受受到到冲冲击击振振动动时时，压压电电元元件件受受质质量量块块惯惯性性力力的的作作用用，根据牛顿第二定律，此惯性力是加速度的函数，即根据牛顿第二定律，此惯性力是加速度的函数，即 ：传感器与检测技术传感器与检测技术7.3.2 压电式加速度传感器
28、压电式加速度传感器此此时时惯惯性性力力F作作用用于于压压电电元元件件上上，因因而而产产生生电电荷荷q，当当传传感感器器选选定定后后，m为为常常数数，则传感器输出电荷为则传感器输出电荷为 ： q=d11F=d11ma 与加速度与加速度a成正比。因此，测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。成正比。因此，测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。 传感器与检测技术传感器与检测技术7.3.3 压电式金属加工切削力的测量压电式金属加工切削力的测量下下图图是是利利用用压压电电陶陶瓷瓷传传感感器器测测量量刀刀具具切切削削力力的的示示意意图图。 由由于于压压电电陶陶瓷瓷元元件件的的自自振振频频率率
29、高高，特特别别适适合合测测量量变变化化剧剧烈烈的的载载荷荷。图图中中压压电电传传感感器器位位于于车车刀刀前前部部的的下下方方，当当进进行行切切削削加加工工时时，切切削削力力通通过过刀刀具具传传给给压压电电传传感感器器，压压电电传传感感器器将将切切削削力力转转换换为为电电信信号号输出，记录下电信号的变化便测得切削力的变化。输出，记录下电信号的变化便测得切削力的变化。 测量刀具切削力示意图测量刀具切削力示意图传感器与检测技术传感器与检测技术7.3.4 压电式玻璃破碎报警器压电式玻璃破碎报警器BSD2压压电电式式传传感感器器是是专专门门用用于于检检测测玻玻璃璃破破碎碎的的一一种种传传感感器器，它它利
30、利用用压压电电元元件件对对振振动动敏敏感感的的特特性性来来感感知知玻玻璃璃受受撞撞击击和和破破碎碎时时产产生生的的振振动动波波。传传感感器器把把振振动动波波转转换换成成电压输出。电压输出。 BSD2压压电电式式玻玻璃璃破破碎碎传传感感器器的的外外形形及及内内部部电电路路见见下下图图所所示示。传传感感器器的的最最小小输输出电压为出电压为 100 mV，最大输出电压为，最大输出电压为 100 V，内阻抗为，内阻抗为 1520 k。 BS-D2压电式玻璃破碎传感器压电式玻璃破碎传感器传感器与检测技术传感器与检测技术7.3.4 压电式玻璃破碎报警器压电式玻璃破碎报警器报报警警器器的的电电路路框框图图见
31、见下下图图。使使用用时时传传感感器器用用胶胶粘粘贴贴在在玻玻璃璃上上，然然后后通通过过电电缆缆和和报报警警电电路路相相连连。为为了了提提高高报报警警器器的的灵灵敏敏度度，信信号号经经放放大大后后，需需经经带带通通滤滤波波器器进进行行滤滤波波，要要求求它它对对选选定定的的频频谱谱通通带带的的衰衰减减要要小小，而而带带外外衰衰减减要要尽尽量量大大。 由由于于玻玻璃璃振振动动的的波波长长在在音音频频和和超超声声波波的的范范围围内内，这这就就使使滤滤波波器器成成为为电电路路中中的的关关键键。当当传传感感器器输输出出信信号号高高于于设设定的阈值时，才会输出报警信号，驱动报警执行机构工作。定的阈值时，才会输出报警信号，驱动报警执行机构工作。 压电式玻璃破碎报警器的电路框图压电式玻璃破碎报警器的电路框图传感器与检测技术传感器与检测技术第七章第七章 压电式传感器压电式传感器
