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1、传感器与检测技术课程论文2014年6月27日【摘要】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，其表面会有电荷产生，从而实现非电量的测 量。压电式传感器具有体积小、重量轻、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、宇航等方面都得到了非常广泛的应用。 本文介绍了压电式传感器的原理、测量电路并列举了重要应用【关键词】压电传感器，压电效应，测量电路，应用【引言】压电现象是100多年前居里兄弟研究石英时发现的。居里 兄弟在研究热电性与晶体对称，发现正负电荷，而且电荷密度与压力 大小成正比。居里兄弟所报道的这些
2、晶体就有后来广为研究的铁电体 酒石酸钾钠（罗息盐）。1881年，应用热力学原理预言了逆压电效 应，即电场可以引起与之成正比的应变。很快这一预言被居了里兄弟 用实验所证实了。一、压电原理和基本特性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，是一种典型 的有源传感器。通过材料受力作用变形时，气表面会有电荷产生而实现非电 量测量。国3甜群式动阙型电荷传感斡原理压电式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。压电式传感器是以具有压电效应
3、的器件为核心组成的传感器。由 于压电效应具有顺、逆两种效应，所以压电器件是一种典型的双向有 源传感器。基于这一特性，压电器件已被广泛应用于超声、通信、宇 航、雷达和引爆等领域，并与激光、红外、微波等技术相结合，将成 为发展新技术和高科技的重要条件”。压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量。它的优点 是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。 缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采 用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。二、压电传感器的分类按压电介质可分为三类，分别是石英晶体、压电陶瓷和高分子压 电材料。1. 石英晶体石英晶体是一种天然形成的
4、性能极为优异的单晶体压电材料。它 具有稳定性好、可靠性高、响应速度快、压电常数自然变化率低（在 20-200C时，仅为-0.0001/摄氏度）等特点，广泛用于制作标准传 感器以及高精度传感器。压电陶瓷是一种人工合成的多晶体压电材料，内部具有大址微观 极化区。无外电场作用时，各极化区在晶体中呈杂散状、极化方向各 异。因此压电陶瓷平时呈电中性。当施加外电场时，极化方向统一。 此时围绕原子核的电子获得动能 脱离原子核束缚成为自由电子。这 些自由电子和失去电子显正电性的原子核在外电场作用下逐渐形成 内部微弱势垒电场。从电工学理论可知，微观上所谓势垒电场就是“两 侧堆积电性各异电子组成的作用范围”，宏观
5、上表现为压电陶瓷表面 呈现大量电荷。压电陶瓷不同于自然界其他电介质，在外电场失去时，其内部极 化区仍存有很强剩余极化强度，如沿极化方向施加外力，其表面也能 产生电荷。换句话说，压电陶瓷也具有压电效应。常用的压电陶瓷有 钻钦酸铅系列压电陶瓷(PZT)、非铅系压电陶瓷等。3.高分子压电材料高分子压电材料是近年来发展较快的一种新型压电材料。它的特 点是压电常数较高，如聚偏二氟乙烯(PVF2或PVDF)的压电常数比压 电陶瓷高十几倍，其输出脉冲电压可直接驱动CMOS集成门电路。 这种材料质地柔软，可以拉伸成薄膜或套管状。另外，价格便宜，不 易破碎，具有防水性。其测量范围可达80dB，频响范围从0.1H
6、z直至 10九次方Hz。可见它是一种较为理想的电声材料。高分子压电材料的工作溢度适用范围为100C以下，机械强度较低，不耐紫外线照 射。三、原理简介（。）泌）压电传感器的等效电路（a）电压源；（b）电荷源(a)(b)压电传感器的完整等效电路（a）电压源；（b）电荷源压电式传感器的测量电路（1）电压放大器（阻抗变换器）压电传感器接放大器的等效电路（a）放大器电路；（b）等效电路在图（b）中，电阻R=RaRi/（Ra+Ri）,电容 C=Cc+Ci，而 ua=q/Ca，若压电元件受正弦力f=Fm sin3t的作用，则其电压为U =-msin 血=U sin ot a Cm式中：Um压电元件输出电压幅
7、值，Um二dFm/Ca；d压电系数。由此可得放大器输入端电压Ui，其复数形式为RU = d FUi 的幅值 Uim为 * 1 + R(Ca + C叩) - 1 + /2R2(C + C + C )2 act输入电压和作用力之间相位差为兀中=-arctan叫C + C + C )R在理想情况下，传感器的Ra电阻值与前置放大器输入电阻Ri都为无 限大，即3(Ca+Cc+Ci)R1，理想情况下输入电压幅值Uim为U =d33Fmtm C + C + C上式表明前置放大器输入电压Uim与频率无关，一般在3/303时， 就可以认为Uim与3无关，30表示测量电路时间常数之倒数，即 =0 (C + C +
8、 C )R(2) 电荷放大器电荷放大器等效电路电荷放大器常作为压电传感器的输入电路，由一个反馈电容CF 和高增益运算放大器构成。由于运算放大器输入阻抗极高，放大器 输入端几乎没有分流，故可略去Ra和Ri并联电阻。U。aUd =-CLf式中：Uo放大器输出电压;Ucf反馈电容两端电压。由运算放大器基本特性，可求出电荷放大器的输出电压Uo C + C + C + (1 + A)Cf通常A=104108,因此,当满足(1+A)CfCa+Cc+Ci时，上式可表示为:U a-g四、应用背景及实例“匕1、压电式测力传感器压电式测力传感器是利用压电元件直接实现力-电转换的传感器，在拉、压场合，通常较多采用双
9、片或多片石英晶体作为压电元件。其刚度大，测量范围宽，线性及稳定性高，动态特性好。当采用大时 间常数的电荷放大器时，可测量准静态力。按测力状态分，有单向、 双向和三向传感器，它们在结构上基本一样。石英晶片图所示为压电式单向测力传感器的结构图。传感器用于机床动态切削 力的测量。绝缘套用来绝缘和定位。基座内外底面对其中心线的垂直 度、上盖及晶片、电极的上下底面的平行度与表面光洁度都有极严格 的要求，否则会使横向灵敏度增加或使片子因应力集中而过早破碎。 为提高绝缘阻抗，传感器装配前要经过多次净化（包括超声波清洗）， 然后在超净工作环境下进行装配，加盖之后用电子束封焊。压电式压力传感器的结构类型很多，但
10、它们的基本原理与结构仍与压 电式加速度和力传感器大同小异。突出的不同点是，它必须通过弹性 膜、盒等，把压力收集、转换成力，再传递给压电元件。为保证静态 特性及其稳定性，通常多采用石英晶体作为压电元件。2、压电式加速度传感器图所示为压缩式压电加速度传感器的结构原理图，压电元件一般 由两片压电片组成。在压电片的两个表面上镀银层，并在银层上焊接 输出引线，或在两个压电片之间夹一片金属，引线就焊接在金属片上， 输出端的另一根引线直接与传感器基座相连。在压电片上放置一个比 重较大的质量块，然后用一硬弹簧或螺栓、螺帽对质量块预加载荷。 整个组件装在一个厚基座的金属壳体中，为了隔离试件的任何应变传 递到压电
11、元件上去，避免产生假信号输出，所以一般要加厚基座或选 用刚度较大的材料来制造。测量时，将传感器基座与试件刚性固定在一起。当传感器感受到 振动时，由于弹簧的刚度相当大，而质量块的质量相对较小，可以认 为质量块的惯性很小，因此质量块感受到与传感器基座相同的振动， 并受到与加速度方向相反的惯性力作用。这样，质量块就有一正比于 加速度的交变力作用在压电片上。由于压电片具有压电效应，因此在 它的两个表面上就产生了交变电荷（电压），当振动频率远低于传感 器固有频率时，传感器的输出电荷（电压）与作用力成正比，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器测出试
12、件的加速度，如在放大器中加进适 当的积分电路，就可以测出试件的振动加速度或位移。3、压电式金属加工切削力测量4、压电式玻璃破碎报警器Cb)5、压电晶体振荡器压电晶体振荡器是将机械振动变为同频率的电震荡的器件。广泛 用于军事通信和精密电子设备，小型电子计算机，以及石英钟表内。6、压电高压发生器由于压电陶瓷具有极高的灵敏度，压电高压发生器利用正压效应 可以把振动转换成电能，还可以获得高电压输出。这种获得高电压的 方法可以用来做引燃装置，如给汽车火花塞、煤气灶、打火机、炮弹 的引爆压电雷管等点火。7电声换能器电声换能器利用逆压电效应可以把电能转换成声能，因此可用压 电晶体制成扬声器、耳机、蜂鸣器等。
13、特别是超声发生器，目前这种 超声波已广泛应用于海洋探测、固体探伤、医疗检查、清洗、治疗疾 病等方面。8、其它应用压电式加速度传感器具有结构简单、体积小、重量轻、测量的频 率范围大、性能稳定、输出线性好等优点。尤其是它没有活动部件， 因此维护方便、使用寿命长。它是测量振动和冲击的一种较为理想的 传感器。压电式加速度传感器在控制手柄振动和摇晃，仪器仪表，汽车制 动启动检测，地震检测，报警系统，玩具，结构物、环境监视，工程 测振、地质勘探、铁路、桥梁、大坝的振动测试与分析；鼠标，高层 建筑结构动态特性和安全保卫振动侦察上都有广泛应用。尤其是在个 人电子产品领域中的应用更有它的特殊地位。例如某些高端型
14、号的 IBM Thinkpad笔记本电脑里就内置了加速度传感器，能够动态的检 测出笔记本在使用中的振动，并根据这些振动数据，系统会智能的选 择关闭硬盘还是让其继续运行，这样可以最大程度的保护由于振动， 比如颠簸的工作环境，或者不小心摔了电脑做造成的硬盘损害，最大 程度的保护里面的数据。另外一个用处就是目前用的数码相机和摄像 机里也有加速度传感器，用来检测拍摄时候的手部的振动，并根据这 些振动，自动调节相机的聚焦，来使照片更加清晰。五、总结压电式传感器，作为传感器的一种，它具有自己鲜明的特点。 而且除了一些自然界中的晶体材料外，我们还有人工材料压电陶瓷。 他的应用也十分的广泛，在声学、医学、力学
15、、宇航、振动测量、机 械冲击都有不错的涉及。而随着科技的发展，人工材料会制作的更加 完美，压电式传感器就会更加适合人们的要求。压电式传感器和科技 互相推动互相发展。【参考文献】1 蒋泽民，高俊启，季天剑.压电传感器测量路面动水压力研究J. 传感器与微系统，20122 陈政，钟汇才,李庆等.基于PVDF压电传感器的车辆动态称重信号 的研究J.传感器与微系统,2012.3 Optimal Control of a Beam with Discontinuously Di stributed Piezoelectric Sensors and ActuatorsJ .船舶与 海洋工程学报，英文版,2012.4 陈海雄，李传江.基于压电传感器的旋转机械振动信号测试技术 J.制造业自动化,2012.5 张忠华.压电传感器与执行器集成一体化方法和发展趋势J.中 国科技博览,2011.6 压电传感器动态特性数字化补偿方法研究J.长沙大学学 报，2011.
