傳感器課程考核論文

1、HEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY傳感器原理及應(yīng)用課程-考 核 論 文題 目 壓電式傳感器原理及應(yīng)用-壓電加速度傳感器 班 級(jí) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué) 號(hào) 姓 名 成 績 機(jī)械與汽車工程學(xué)院 機(jī)械電子工程系二零一六 年 五 月壓電式加速度傳感器摘要本文介紹了壓電式傳感器的原理，及其在生活中的應(yīng)用。還有壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)和測量電路及JX32傳感器相關(guān)數(shù)據(jù)及應(yīng)用。關(guān)鍵詞：壓電式傳感器 加速度 測量電路緒論基于壓電效應(yīng)的傳感器。是一種自發(fā)電式和機(jī)電轉(zhuǎn)換式傳感器也叫有源傳感器（或發(fā)電型傳感器）。它以某些介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力的作用下，在電介質(zhì)的表面上產(chǎn)生電荷，

2、從而實(shí)現(xiàn)非電量電測的目的。它具有響應(yīng)頻帶寬、靈敏度高、信噪比大、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)。因此壓電式傳感器在生活中有著廣泛的應(yīng)用。1、 壓電式傳感器（1） 壓電式傳感器的工作原理壓電式傳感器的工作原理是以某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)。對這些物質(zhì)沿其某一方向施加壓力或拉力時(shí)會(huì)產(chǎn)生變形，由于內(nèi)部電荷的極化現(xiàn)象，此時(shí)這種材料的兩個(gè)表面將產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷。將外力去掉后，它又重新回到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象被稱為壓電效應(yīng)。把這種機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象稱為“正壓電效應(yīng)”。反之，在某些物質(zhì)的極化方向上施加電場，它會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，當(dāng)去掉外加電場后，該物質(zhì)的變形隨之消失，把這種電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的現(xiàn)象，稱為“逆

3、壓電效應(yīng)”。它能實(shí)現(xiàn)機(jī)一電能量的相互轉(zhuǎn)換。壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)：某些物質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ浼恿Χ蛊渥冃螘r(shí)，在一定表面上將產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新回到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為 壓電效應(yīng) 。如果在這些物質(zhì)的極化方向施加電場，這些物質(zhì)就在一定方向上產(chǎn)生機(jī) 械變形或機(jī)械應(yīng)力，當(dāng)外電場撤去時(shí)，這些變形或應(yīng)力也隨之消失，這種現(xiàn) 象稱之為逆壓電效應(yīng)，或稱之為電致伸縮效應(yīng)。（2） 壓電材料它可分為壓電單晶、壓電多晶和有機(jī)壓電材料。壓電式傳感器中用得最多的是屬于壓電多晶的各類壓電陶瓷和壓電單晶中的石英晶體。其他壓電單晶還有適用于高溫輻 射環(huán)境的鈮酸鋰以及鉭酸鋰、鎵酸鋰、鍺酸鉍等。壓電陶瓷有屬于二元系的

4、鈦酸鋇陶瓷、鋯鈦酸鉛系列陶瓷、鈮酸鹽系列陶瓷和屬于三元系的鈮鎂酸鉛陶瓷。壓電陶 瓷的優(yōu)點(diǎn)是燒制方便、易成型、耐濕、耐高溫。缺點(diǎn)是具有熱釋電性，會(huì)對力學(xué)量測量造成干擾。有機(jī)壓電材料有聚二氟乙烯、聚氟乙烯、尼龍等十余種高分子材 料。有機(jī)壓電材料可大量生產(chǎn)和制成較大的面積,它與空氣的聲阻匹配具有獨(dú)特的優(yōu)越性,是很有發(fā)展?jié)摿Φ男滦碗娐暡牧稀?0年代以來發(fā)現(xiàn)了同時(shí)具有半導(dǎo)體特 性和壓電特性的晶體，如硫化鋅、氧化鋅、硫化鈣等。利用這種材料可以制成集敏感元件和電子線路于一體的新型壓電傳感器，很有發(fā)展前途。（三）主要參數(shù)1.壓電常數(shù)是衡量材料壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù), 它直接關(guān)系到壓電輸出的靈敏度。2.壓電材料的彈

5、性常數(shù)、 剛度決定著壓電器件的固有頻率和動(dòng)態(tài)特性。3.對于一定形狀、 尺寸的壓電元件, 其固有電容與介電常數(shù)有關(guān); 而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限。4.在壓電效應(yīng)中,機(jī)械耦合系數(shù)等于轉(zhuǎn)換輸出能量(如電能)與輸入的能量(如機(jī)械能)之比的平方根; 它是衡量壓電材料機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)重要參數(shù)。5.壓電材料的絕緣電阻將減少電荷泄漏, 從而改善壓電傳感器的低頻特性。6.壓電材料開始喪失壓電特性的溫度稱為居里點(diǎn)溫度。（四）材料結(jié)構(gòu)1. 石 英 石英(SiO2)晶體結(jié)晶形狀為六角形晶柱。兩端為一對稱的棱錐,六棱柱是它的基本組織,縱軸 z-z稱作光軸,通過六角棱線而垂直于光軸的軸線 x-x 稱作電

6、軸，垂直于棱面的軸線 y-y 稱作機(jī)械軸。如果從晶體中切下一個(gè)平行六面體，并使其晶面分別平行于 z-z 、y-y 、x-x軸線，這個(gè)晶片在正常狀態(tài)下不呈現(xiàn)電性。當(dāng)施加外力時(shí)，將沿 x-x 方向形成電場，其電荷分布在垂直于 x-x 軸的平面上2.壓電陶瓷 壓電晶體與壓電陶瓷的比較: 相同點(diǎn):都是具有壓電效應(yīng)的壓電材料。不同點(diǎn):石英的優(yōu)點(diǎn)是它的介電和壓電常數(shù)的溫度穩(wěn)定性好，適合做工作溫度范圍很寬的傳感器。極化后的壓電陶瓷，當(dāng)受外力變形后，由于電極矩的重新定位而產(chǎn)生電荷，壓電陶瓷的壓電系數(shù)是石英的幾十倍甚至幾百倍，但穩(wěn)定性不如石英好，居里點(diǎn)也低。（五）測量電路1.等效電容量當(dāng)壓電傳感器受到沿其敏感軸

7、向的外力作用時(shí)，就在兩電極上產(chǎn)生極性相反的電荷，因此它相當(dāng)于一個(gè)電荷源(靜電發(fā)生器)。由于壓電晶體是絕緣體，當(dāng)它的兩極表 面聚集電荷時(shí)，它又相當(dāng)于一個(gè)電容器，其電容量為沿 x 軸方向加力產(chǎn)生縱向壓電效應(yīng),沿 y 軸加力產(chǎn)生橫向壓電效應(yīng),沿相對兩平面加力產(chǎn)生切向壓電效應(yīng)。2.等效電壓當(dāng)壓電晶體受外力作用時(shí)，兩表面產(chǎn)生等量的正、負(fù)電荷 Q ，可求出其開路電壓(負(fù)載電阻為無窮大時(shí))二、壓電式加速度傳感器（一）結(jié)構(gòu)原理 壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)一般有縱向效應(yīng)型、橫向效應(yīng)型和剪切效應(yīng)型三種?？v向效應(yīng)型是最常見的一種結(jié)構(gòu)，如圖所示。壓電陶瓷和量塊為環(huán)型，通過螺母對質(zhì)量塊進(jìn)行預(yù)先加載，使之壓緊在壓電陶瓷上。測

8、量時(shí)加工傳感器基座與被測對象牢牢的緊固在一起。書櫥信號(hào)由電極引出。當(dāng)傳感器感受振動(dòng)時(shí)，因?yàn)橘|(zhì)量塊相對被測體質(zhì)量較小，因此質(zhì)量塊感受與傳感器基座相同的振動(dòng)，并受到與加速度方向相反的慣性力，此力為F=ma。同時(shí)慣性力作用在壓電陶瓷片上產(chǎn)生電荷為Q=d33F=d33ma此式表明電荷量直接反映加速度大小。它的靈敏度與壓電材料壓電系數(shù)和質(zhì)量塊質(zhì)量有關(guān)。為了提高傳感器靈敏度，一般選擇壓電系數(shù)大的壓電陶瓷片。若增加質(zhì)量塊的質(zhì)量會(huì)影響被測振動(dòng)，同時(shí)降低振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率，因此一般不用增加質(zhì)量塊質(zhì)量的方法來提高靈敏度。此外，用增加壓電片的數(shù)目和采用合理的連接方法也可以提高傳感器靈敏度。（二）壓電式加速度傳感器的

9、構(gòu)成常用的壓電式加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)形式如下圖所示。S是彈簧，M是質(zhì)塊，B是基座，P是壓電元件，R是夾持環(huán)。圖a是中央安裝壓縮型，壓電元件質(zhì)量塊彈簧系統(tǒng)裝在圓形中心支柱上，支柱與基座連接。這種結(jié)構(gòu)有高的共振頻率，然而基座B與測試對象連接時(shí)，如果基座B有變形則將直接影響拾振器輸出。此外，測試對象和環(huán)境溫度變化將影響壓電元件，并使預(yù)緊力發(fā)生變化，易引起溫度漂移。圖c為三角剪切形，壓電元件由夾持環(huán)將其夾牢在三角形中心柱上。加速度計(jì)感受軸向振動(dòng)時(shí)，壓電元件承，受切應(yīng)力。這種結(jié)構(gòu)對底座變形和溫度變化有極好的隔離作用，有較高的共振頻率和良好的線性。圖b為環(huán)形剪切型，結(jié)構(gòu)簡單，能做成極小型、高共振頻率的加速度計(jì)，

10、環(huán)形質(zhì)量塊粘到裝在中心支柱上的環(huán)形壓電元件上。由于粘結(jié)劑會(huì)隨溫度增高而變軟，因此最高工作溫度受到限制。由壓電元件的工作原理可知，壓電式傳感器可看作一個(gè)電荷發(fā)生器。同時(shí)，它也是一個(gè)電容器，晶體上聚集正負(fù)電荷的兩表面相當(dāng)于電容的兩個(gè)極板，極板間物質(zhì)等效于一種介質(zhì)，則其電容量為:ee=式中S為晶片電極面面積；r為壓電材料的相對介電常數(shù)；0為真空介電常數(shù)。因此，壓電傳感器可以等效為一個(gè)與電容相串聯(lián)的電荷源。壓電傳感器本身的內(nèi)阻抗很高，而輸出能量較小，因此，它的測量電路通常需接入一個(gè)高輸入阻抗的前置放大器，其作用如下：(1)把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗。 (2)放大傳感器輸出的微弱信號(hào)。本

11、設(shè)計(jì)中前置放大器采用電荷放大器。 壓電傳感器在實(shí)際使用時(shí)與測量儀器或測量電路相連接，因此還需考慮連接電纜的等效電容Cc、放大器的輸入電阻Ri、輸人電容Ci及壓電傳感器的泄漏電阻Ra，這樣壓電傳感器在測量系統(tǒng)中的實(shí)際等效電路如圖3所示。圖中，KA為運(yùn)算放大器增益。由于運(yùn)算放大器的Ri極高，而Ra=1091014歐姆，所以可認(rèn)為Ri和Ra是開路的。設(shè)運(yùn)算放大器輸人電壓為Ui，輸出電壓為U0，根據(jù)運(yùn)算放大器理論和電路理論得電荷量為Q=Ui(Ca+Cc+Ci)+(Ui-Uo)Cf式中Cf為反饋電容。將Uo=-AkUi代入上式中得Uo=AkQ/(Cc+Ca+Ci+Cf+ACf)若放大器開環(huán)增益

12、足夠大，滿足(1+AkCf)>>Ca+Cc+Ci時(shí)，上式可表示為：Uo=-Q/Cf由上可知，在一定情況下，電荷放大器的出電壓與傳感器的電荷量成正此，并且與電纜分布電容無關(guān)。因此，采用電荷放大器時(shí)，即使聯(lián)接電纜長度在百米以上，其靈敏度也無明顯變化，這是電荷放大器的突出優(yōu)點(diǎn)。（三）傳感器的選擇在現(xiàn)代生產(chǎn)生活中被應(yīng)用于許許多多的方面，如手提電腦的硬盤抗摔保護(hù)，目前用的數(shù)碼相機(jī)和攝像機(jī)里，也有加速度傳感器，用來檢測拍攝時(shí)候的手部的振動(dòng)，并根據(jù)這些振動(dòng)，自動(dòng)調(diào)節(jié)相機(jī)的聚焦。壓電加速度傳感器還應(yīng)用于汽車安全氣囊、防抱死系統(tǒng)、牽引控制系統(tǒng)等安全性能方面。壓電加速度傳感器的敏感芯體一般由壓電材料和

13、附加質(zhì)量塊組成，當(dāng)質(zhì)量塊受到加速度作用后便轉(zhuǎn)換成一個(gè)與加速度成正比并加載到壓電材料上的力，而壓電材料受力后在其表面產(chǎn)生一個(gè)與加速度成正比的電荷信號(hào)。壓電材料的特性決定了作用力可以是受正應(yīng)力也可以是剪應(yīng)力，壓電材料產(chǎn)生的電荷大小隨作用力的方向以及電荷引出表面的位置而變。根據(jù)壓電材料不同的受力方法，常用傳感器敏感芯體的結(jié)構(gòu)一般有以下三種形式：. 壓縮形式 壓電材料受到壓縮或拉伸力而產(chǎn)生電荷的結(jié)構(gòu)形式。壓縮式敏感芯體是加速度傳感器中最為傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。其特點(diǎn)是制造簡單方便，能產(chǎn)生較高的自振諧振頻率和較寬的頻率測量范圍。而最大的缺點(diǎn)是不能有效地排除各種干擾對測量信號(hào)的影響。.剪切形式 通過對壓電材料施

14、加剪切力而產(chǎn)生電荷的結(jié)構(gòu)形式。從理論上分析在剪切力作用下壓電材料產(chǎn)生的電荷信號(hào)受外界干擾的影響甚小，因此剪切結(jié)構(gòu)形式成為最為廣泛使用的加速度傳感器敏感芯體。然而在實(shí)際制造過程中，確保剪切敏感芯體的加速度計(jì)持有較高和穩(wěn)定的頻率測量范圍卻是傳感器制造中工藝中最為困難的一個(gè)環(huán)節(jié)。北智BW-Sensor 采用進(jìn)口記憶金屬材料的緊固件從而保證傳感器具有穩(wěn)定可靠的諧振頻率和頻率測量范圍。.彎曲變形梁形式- 壓電材料受到彎曲變形而產(chǎn)生電荷的結(jié)構(gòu)形式。彎曲變形梁結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生比較大的電荷輸出信號(hào)，也較容易實(shí)現(xiàn)控制阻尼；但因?yàn)槠錅y量頻率范圍低，更由于此結(jié)構(gòu)不能排除因溫度變化而極容易產(chǎn)生的信號(hào)漂移，所以此結(jié)構(gòu)在壓電型

15、加速度計(jì)的設(shè)計(jì)中很少被采用。（四）傳感器的靈敏度與量程范圍傳感器的靈敏度是傳感器的最基本指標(biāo)之一。靈敏度的大小直接影響到傳感器對振動(dòng)信號(hào)的測量。不難理解，傳感器的靈敏度應(yīng)根據(jù)被測振動(dòng)量（加速度值）大小而定，但由于壓電加速度傳感器是測量振動(dòng)的加速度值，而在相同的位移幅值條件下加速度值與信號(hào)的頻率平方成正比，所以不同頻段的加速度信號(hào)大小相差甚大。大型結(jié)構(gòu)的低頻振動(dòng)其振動(dòng)量的加速度值可能會(huì)相當(dāng)小，例如當(dāng)振動(dòng)位移為 1mm, 頻率為1 Hz 的信號(hào)其加速度值僅為0.04m/s2(0.004g)；然而對高頻振動(dòng)當(dāng)位移為0.1mm，頻率為10 kHz的信號(hào)其加速度值可達(dá)4 x 10 5m/s2 (4000

16、0g)。因此盡管壓電式加速度傳感器具有較大的測量量程范圍，但對用于測量高低兩端頻率的振動(dòng)信號(hào)，選擇加速度傳感器靈敏度時(shí)應(yīng)對信號(hào)有充分的估計(jì)。最常用的振動(dòng)測量壓電式加速度計(jì)靈敏度，電壓輸出型（IEPE 型）為50100 mV/g，電荷輸出型為10 50 pC/g。1. 傳感器的高頻測量范圍傳感器的高頻測量指標(biāo)通常由高頻截止頻率來確定，而一定截止頻率與對應(yīng)的幅值誤差相聯(lián)系；所以傳感器選用時(shí)不能只看截至頻率，必須了解對應(yīng)的幅值誤差值。傳感器的頻率幅值誤差小不僅是測量精度提高，更重要的是體現(xiàn)了傳感器制造過程中控制安裝精度偏差地能力。另外由于測量對象的振動(dòng)信號(hào)頻率帶較寬，或傳感器的固有諧振頻率不夠高，因

17、而被激發(fā)的諧振信號(hào)波可能會(huì)疊加在測量頻帶內(nèi)的信號(hào)上，造成較大的測量誤差。所以在選擇傳感器的高頻測量范圍時(shí)除高頻截至頻率外，還應(yīng)考慮諧振頻率對測量信號(hào)的影響；當(dāng)然這種測量頻段外的信號(hào)也可通過在測量系統(tǒng)中濾波器給予消除。2. 傳感器的低頻測量范圍與傳感器高頻指標(biāo)相對應(yīng)，傳感器的低頻測量指標(biāo)通常由低頻截止頻率來確定，同樣一定低頻截止頻率與對應(yīng)的幅值誤差相關(guān)。和高頻特性不同，傳感器的低頻特性與傳感器的任何機(jī)械參數(shù)無關(guān)，而僅取決于傳感器的電特性參數(shù)。當(dāng)然傳感器作為測量系統(tǒng)的某一部分，測量信號(hào)的低頻特性還將受到與傳感器配用的后繼儀器電參數(shù)的制約。一般情況下傳感器的高頻截止頻率與輸出信號(hào)的形式（即電荷型或低

18、阻電壓型）無關(guān)；而與傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，制造以及安裝形式和安裝質(zhì)量都密切相關(guān)。以下表格是對不同型式加速度傳感器的高頻響應(yīng)作一個(gè)定性的歸類，供用戶在選用時(shí)對比和（五）傳感器的封裝形式壓電式傳感器的工作原理是利用敏感芯體的壓電效應(yīng)，而壓電材料產(chǎn)生的是高阻抗的電荷信號(hào)。傳感器敏感芯體的絕緣阻抗與傳感器的低頻測量截止頻率存在著相互對應(yīng)的關(guān)系。為了保證傳感器的低頻響應(yīng)，傳感器殼體封裝設(shè)計(jì)應(yīng)使敏感芯體與外界隔絕，以防止壓電陶瓷受到任何污染而導(dǎo)致其絕緣阻抗下降。敏感芯體絕緣阻抗下降對傳感器性能造成的直接影響表現(xiàn)為低頻響應(yīng)變差，嚴(yán)重時(shí)還將造成傳感器靈敏度改變。為保證傳感器的密封特性，大多傳感器的封裝采用激光焊接

19、。同時(shí)在當(dāng)今密封材料品種多樣，性能日益完善的情況下，針對不同的使用環(huán)境，采用合適的密封材料替代激光焊接也能達(dá)到傳感器密封的要求。但必須指出不同的密封材料效果差異很大。北智公司采用國外知名品牌的密封材料并經(jīng)過通過了多年的環(huán)境厲行試驗(yàn)驗(yàn)證。在工業(yè)現(xiàn)場測試現(xiàn)場，為防止電磁場對傳感器信號(hào)的影響，對用于工業(yè)現(xiàn)場的在線監(jiān)測傳感器往往要求傳感器采用雙重屏蔽殼封裝形式。雙層屏蔽結(jié)構(gòu)的傳感器輸出接頭一般采用雙芯工業(yè)接頭或聯(lián)體電纜輸出形式。由于雙層屏蔽殼的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和雙芯輸出電纜，傳感器的高頻特性一般將受到較大的制約，因此如果用戶必須選用雙層屏蔽型傳感器進(jìn)行高頻振動(dòng)信號(hào)測量，應(yīng)謹(jǐn)慎考慮。三、應(yīng)用實(shí)例：JX32系列壓

20、電式加速度傳感器JX32系列壓電式加速度傳感器是由內(nèi)置壓電式加速度敏感元件及放大、濾波等主要電路組成，它可測量從0.3Hz到最高8kHz的500g 以內(nèi)的加速度。且輸出形式多樣，既可以有輸出多種電壓范圍的電壓輸出型、又有ICP方式輸出型以適合不同場合的應(yīng)用。JX32系列壓電式加速度傳感器具有頻率范圍寬、動(dòng)態(tài)范圍大、堅(jiān)固耐用、可靠性強(qiáng)、穩(wěn)定性好、安裝方便以及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。 (1) 應(yīng)用范圍 1、設(shè)備振動(dòng)測量：JX32系列集成加速度傳感器廣泛應(yīng)用于各行業(yè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測。設(shè)備運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)量是估量設(shè)備運(yùn)行是否正常的重要指標(biāo)。 2、沖擊測量：大量應(yīng)用于汽車安全氣囊和安全帶系統(tǒng)中。撞車時(shí)，傳感器受到?jīng)_擊，能在1 ms內(nèi)輸出一個(gè)幅度比例于沖擊加速度的脈沖信號(hào)，當(dāng)沖擊加速度達(dá)到一定值時(shí)，該信號(hào)將使安全氣囊爆發(fā)或使安全帶鎖緊，以保護(hù)乘車人的生命。   JX32系列集成加速度傳感器與本公司生產(chǎn)的JX50系列機(jī)殼振動(dòng)監(jiān)測器配套使