壓電傳感器的應(yīng)用

1、 壓電傳感器的應(yīng)用 摘要： 傳感器是獲取自然和生產(chǎn)領(lǐng)域中信息的主要途徑與手段。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)尤其是自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，要用各種傳感器來(lái)監(jiān)視和控制生產(chǎn)過(guò)程中的各個(gè)參數(shù)，使設(shè)備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)，并使產(chǎn)品達(dá)到最好的質(zhì)量。 傳感器的種類(lèi)非常廣泛，其中壓電傳感器是基于材料的壓電效應(yīng)而制成的器件，其有較長(zhǎng)的發(fā)展歷史。壓電材料的種類(lèi)由最初的壓電晶體發(fā)展到壓電陶瓷、進(jìn)而發(fā)展到壓電聚合物及其復(fù)合材料。隨著物理學(xué)、材料科學(xué)與各個(gè)學(xué)科的交叉發(fā)展，壓電材料被用以研制成了多種用途的傳感器，被廣泛應(yīng)用于工程技術(shù)各領(lǐng)域，在測(cè)量技術(shù)中被用來(lái)測(cè)量力和加速度。Abstract: Sensor is the main way

2、s and means to obtain information in the field of natural and production . In modern industrial production, especially automated production process, useing a variety of sensors to monitor and control the production process of various parameters,which enable the device to work in a normal state or th

3、e best condition, and to achieve the best quality products. Types of sensors is very broad, of which the piezoelectric sensor is based on the piezoelectric effect devices made of material which has a long history of development. Types of piezoelectric material from the initial development of the pie

4、zoelectric ceramic piezoelectric crystal, and thus the development of piezoelectric polymers and their composites. With the development of cross-physics, materials science and various disciplines, piezoelectric materials are used for research into a variety of uses sensors are widely used in various

5、 fields of engineering technology, measurement techniques were used to measure the force and acceleration.關(guān)鍵字：壓電式傳感器、工作原理、壓電效應(yīng)、應(yīng)用1、 壓電傳感器工作原理壓電效應(yīng) 壓電效應(yīng)可分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。 圖1正壓電效應(yīng) 圖2逆壓電效應(yīng)1、正壓電效應(yīng)當(dāng)晶體受到某固定方向外力的作用時(shí),內(nèi)部就產(chǎn)生電極化現(xiàn)象,同時(shí)在某兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力撤去后，晶體又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)；當(dāng)外力作用方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。壓電

6、式傳感器大多是利用正壓電效應(yīng)制成的。2、負(fù)壓電效應(yīng)對(duì)晶體施加交變電場(chǎng)引起晶體機(jī)械變形的現(xiàn)象。用逆壓電效應(yīng)制造的變送器可用于電聲和超聲工程。壓電敏感元件的受力變形有厚度變形型、長(zhǎng)度變形型、體積變形型、厚度切變型、平面切變型5種基本形式。壓電晶體是各向異性的，并非所有晶體都能在這5種狀態(tài)下產(chǎn)生壓電效應(yīng)。例如石英晶體就沒(méi)有體積變形壓電效應(yīng)，但具有良好的厚度變形和長(zhǎng)度變形壓電效應(yīng)。二、壓電傳感器工作原理當(dāng)壓電傳感器中的壓電晶體承受被測(cè)機(jī)械應(yīng)力的作用時(shí)，在它的兩個(gè)極面上出現(xiàn)極性相反但電量相等的電荷。 圖3 壓電壓電式傳感器的等效電路電容容量計(jì)算公式：壓電式傳感器簡(jiǎn)單的說(shuō)就是壓電敏感元件的受力變形后表面產(chǎn)

7、生荷。此電荷經(jīng)電荷放大器和測(cè)量電路放大和變換阻抗后就成為正比于所受外力的電量輸出。 壓電式傳感器的前置放大器有兩個(gè)作用：一是把傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；二是把傳感器微弱信號(hào)進(jìn)行放大。放大器分為電壓放大器與 電荷放大器。圖4 電壓放大器電路 圖5電荷放大器電路三、壓電傳感器的應(yīng)用1、用于減振降躁壓電智能結(jié)構(gòu)在振動(dòng)控制中的應(yīng)用研究開(kāi)展得最早，研究成果也較豐富，主要集中于大型航天柔性結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計(jì)通常有三種方法, 即主動(dòng)控制、被動(dòng)控制及主被動(dòng)混合控制。被動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)、成本低，但缺少控制上的靈活性，對(duì)突發(fā)性環(huán)境變化應(yīng)變能力差；與被動(dòng)控制相比，主動(dòng)控制以現(xiàn)代控制

8、理論為主要工具，具有較大的靈活性，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng)，是當(dāng)前振動(dòng)工程中的一個(gè)研究熱點(diǎn)；被動(dòng)控制與主動(dòng)控制相結(jié)合形成混合控制策略是當(dāng)前振動(dòng)工程的一個(gè)新興方向。壓電智能結(jié)構(gòu)的另一個(gè)重要應(yīng)用方向是噪聲主動(dòng)控制。主要用于潛艇、飛行器以及車(chē)輛等三維封閉空間內(nèi)部噪聲的控制。與壁板振動(dòng)主動(dòng)控制不同之處在于振動(dòng)控制是控制板的模態(tài)，而噪聲控制則主要是控制產(chǎn)生聲強(qiáng)的部分。2、用于結(jié)構(gòu)靜變形控制 通過(guò)控制壓電智能結(jié)構(gòu)的變形可以調(diào)整結(jié)構(gòu)的幾何形狀，維護(hù)結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確的外形和位置，這在空間站及其他空間飛行器及柔性機(jī)械的控制中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。如在空間飛行器中，可通過(guò)控制精確結(jié)構(gòu)的變形，以保證空間天線反射器、望遠(yuǎn)鏡等精密儀器

9、正常工作；在機(jī)器人中，通過(guò)壓電元件控制柔性機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)，可提高機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)精度。3、用于結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè) 應(yīng)用壓電傳感元件進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)主要有兩種方式，其一是用壓電傳感器來(lái)精確感知結(jié)構(gòu)力學(xué)性質(zhì)的變化，并通過(guò)進(jìn)一步地計(jì)算和分析，對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷進(jìn)行預(yù)測(cè)；另一種則是通過(guò)分析結(jié)構(gòu)中傳播的振動(dòng)波來(lái)進(jìn)行損傷預(yù)測(cè)。這兩種方式可以為結(jié)構(gòu)的安全評(píng)定與損傷定位提供可靠信息，從而為土木工程結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期、實(shí)時(shí)健康檢測(cè)提供了新的方法。4、 用于加工工藝監(jiān)測(cè) 壓電式力、應(yīng)力、振動(dòng)及聲發(fā)射傳感器因其具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)成為現(xiàn)代化自動(dòng)控制制造業(yè)中狀態(tài)監(jiān)測(cè)的理想選擇。對(duì)于磨削、鉆孔和攻絲，采用最新的遙測(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)一種新穎的石英多分量力及力矩的傳

10、感器，這種新型的旋轉(zhuǎn)切削測(cè)力計(jì)可以直接安裝在軸和刀具之間，直接測(cè)量旋轉(zhuǎn)刀具的切削力，對(duì)分析計(jì)劃生產(chǎn)過(guò)程和確定用于實(shí)際生產(chǎn)中選擇最佳切削參數(shù)都具有重要的意義。金屬加工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象，其中含有豐富的信息，其最重要的價(jià)值是對(duì)零件所產(chǎn)生的缺陷及初始故障能給出可靠的指示。一種創(chuàng)新的雙用傳感器將聲發(fā)射傳感器與三分量測(cè)力傳感器合二為一，將這種雙用傳感器安裝在車(chē)床夾具的適當(dāng)位置，就可以連續(xù)監(jiān)測(cè)切削力、進(jìn)刀力和被動(dòng)力的大小以及相關(guān)的聲發(fā)射信號(hào)。5、 用于車(chē)輛行駛稱(chēng)重 壓電傳感技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和視頻技術(shù)相結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)軸數(shù)、車(chē)速、軸距、行駛中車(chē)輛載重量的信息進(jìn)行收集并加以分析，從而在智能交通系統(tǒng)中發(fā)揮重大

11、作用。如美國(guó)MSI公司研究開(kāi)發(fā)的共聚物壓電軸傳感器，可獲取精確的速度信號(hào)、觸發(fā)信號(hào)和分類(lèi)信息及長(zhǎng)期反饋交通信息統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。巴西、德國(guó)、日本和韓國(guó)在壓電檢測(cè)的車(chē)輛行駛中稱(chēng)重功能方面也有大量的應(yīng)用。6、 用于壓電傳感電纜 人們最近開(kāi)發(fā)出一種壓電層較厚的同軸電纜形式的PVF2壓電材料PVF2壓電電纜。這種壓電電纜用連續(xù)工藝生產(chǎn)，長(zhǎng)度可達(dá)幾千米，直徑為1.5mm。它能把聲音、振動(dòng)、沖擊、壓力、應(yīng)力和應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，使用方法非常靈活，它克服了壓電薄膜及壓電陶瓷的缺點(diǎn)和使用的局限性，展現(xiàn)出很大的應(yīng)用前景。它的主要應(yīng)用領(lǐng)域是：水聲學(xué)、沖擊傳感、振動(dòng)傳感、入侵報(bào)警和安全防衛(wèi)、交通流量統(tǒng)計(jì)、應(yīng)變應(yīng)力測(cè)量、工業(yè)控

12、制與檢測(cè)等。7、 用于航空和航海 由Sigma 研究公司研制而成的“便攜式自動(dòng)遠(yuǎn)程檢查系統(tǒng)”，簡(jiǎn)稱(chēng)PARIS，專(zhuān)門(mén)為對(duì)大面積層狀結(jié)構(gòu)或復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行原位檢查而設(shè)計(jì)。其關(guān)鍵元件是一個(gè)200mm×200mm的可變形PVDF壓電薄膜，其中含有1024 個(gè)換能器。這種膜的柔韌性很好，能夠與曲率半徑為4的彎曲表面完全貼合。與它相連的裝置還有一個(gè)手提控制器、數(shù)據(jù)采樣器和顯示裝置等。這種接收器的總信噪比達(dá)100dB，中心頻率為2.5MHz。飛機(jī)上的石墨環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合物或艦艇上的大型結(jié)構(gòu)都可以用它來(lái)進(jìn)行很方便的測(cè)試。而對(duì)于鋁和鋼的測(cè)試，這方面早已獲得了令人滿意的結(jié)果。8、 壓電式報(bào)警器 玻璃破碎報(bào)警裝置

13、它利用壓電元件對(duì)振動(dòng)敏感的特性來(lái)感知玻璃受撞擊和破碎時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)波。傳感器把振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成電壓輸出，輸出電壓經(jīng)放大、濾波、比較等處理后提供給報(bào)警系統(tǒng)。傳感器的最小輸出電壓為100 mV，最大輸出電壓為100 V，內(nèi)阻抗為1520 kq。玻璃破碎時(shí)會(huì)發(fā)出幾千赫茲至幾十千赫茲的振動(dòng)，使用時(shí)將高分子壓電薄膜傳感器粘貼在玻璃上，感受這一振動(dòng)，然后通過(guò)電纜和報(bào)警電路相連，將壓電信號(hào)傳送給集中報(bào)警系統(tǒng)。為了提高報(bào)警器的靈敏度，信號(hào)經(jīng)放大后，再經(jīng)帶通濾波器進(jìn)行濾波，要求它對(duì)選定的頻譜通帶的衰減要小，而頻帶外衰減要盡量大。玻璃振動(dòng)的波長(zhǎng)在音頻和超聲波的范圍內(nèi)，這就使濾波器成為電路中的關(guān)鍵。只有當(dāng)傳感器輸出信號(hào)高于設(shè)定的閾值時(shí)，才會(huì)輸出報(bào)警信號(hào)，驅(qū)動(dòng)報(bào)警執(zhí)行機(jī)