傳感器原理及工程應(yīng)用-壓電式傳感器原理及應(yīng)用(已通過)

1、 傳感器原理及工程應(yīng)用題目：壓電式傳感器系部：專業(yè)：班級(jí)：姓名：學(xué)號(hào)：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。它的敏感元件由壓電材料制成。壓電材料受力后表面產(chǎn)生電荷。此電荷經(jīng)電荷放大器和測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。壓電式傳感器用于測量力和能變換為力的非電物理量。它的優(yōu)點(diǎn)是頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠和重量輕等。缺點(diǎn)是某些壓電材料需要防潮措施，而且輸出的直流響應(yīng)差，需要采用高輸入阻抗電路或電荷放大器來克服這一缺陷。傳感器廣泛應(yīng)用于工程測試中，是一種獲取信息的裝置。在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展中，傳感器起著越來越重要的地位。傳感器技術(shù)是關(guān)于傳感器

2、設(shè)計(jì)，制造及應(yīng)用的綜合技術(shù)。它是信息技術(shù)的三大支柱之一，位于信息技術(shù)的最前端。傳感器的種類繁多，有力傳感器，速度傳感器，加速度傳感器，溫度傳感器等等，本文主要就壓電式傳感器進(jìn)行探討。一、壓電式傳感器特性壓電式傳感器具有尺寸小、重量輕、工作頻率寬，信噪比大等特點(diǎn)，可以測量變化很快的動(dòng)態(tài)壓力、加速度、振動(dòng)等,但不能用于靜態(tài)參數(shù)的測量。在自然界中大多數(shù)晶體具有壓電效應(yīng)，但壓電效應(yīng)十分微弱。石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料是性能優(yōu)良的壓電材料。二、壓電式傳感器的基本原理1、壓電效應(yīng)壓電式傳感器是基于壓電效應(yīng)的傳感器。是一種自發(fā)電式和機(jī)電轉(zhuǎn)換式傳感器。它的敏感元件由壓電材料制成。壓電材料受力后表面產(chǎn)生電

3、荷。此電荷經(jīng)電荷放大器和測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。常見有以下幾種壓電效應(yīng)模型（見圖1）圖2 縱向效應(yīng)（b）橫向效應(yīng)3）切向效應(yīng)壓電效應(yīng)可分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。正壓電效應(yīng)是指：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。壓電式傳感器大多是利用正壓電效應(yīng)制成的。逆壓電效應(yīng)是指對晶體施加交變電場引起晶體機(jī)械變形的現(xiàn)象，又稱電致伸縮效應(yīng)。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

4、件的受力變形有厚度變形型、長度變形型、體積變形型、厚度切變型、平面切變型5種基本形式（見圖2）悴F!塑懵咻id）厚度1e甲面幼變塑圧電歌抽元件曼*吏影的幾許羞*帶孟 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)。例如石英晶體就沒有體積變形壓電效應(yīng)，但具有良好的厚度變形和長度變形壓電效應(yīng)。壓電式傳感器大致可以分為4種，即：壓電式測力傳感器，壓電式壓力傳感器，壓電式加速度傳感器及高分子材料壓力傳感器。2、壓電材料（piezoelectricmaterial）選用合適的壓電材料是設(shè)計(jì)高性能傳感器的關(guān)鍵。一般應(yīng)考慮一下幾個(gè)方面：（1）轉(zhuǎn)換性能：具有較高的耦合系數(shù)或具有較大的壓電常數(shù)

5、。（2）機(jī)械性能：壓電元件作為受力元件，希望它的機(jī)械強(qiáng)度高、機(jī)械剛度大。以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動(dòng)頻率。（3）電性能：希望具有高的電阻率和大的介電常數(shù)，以期望減弱外部分布電容的影響而獲得良好的低率特性。（4）溫度和濕度穩(wěn)定性要好：具有較高的居里點(diǎn)、以期望得到寬的工作溫度范圍。（5）時(shí)間穩(wěn)定性：壓電特性不隨時(shí)間蛻變。常見的壓電材料有：石英、鈦酸鋇陶瓷、鈣鈦礦型的鈮酸鹽等，下面簡單介紹兩種：鈦酸鋇壓電陶瓷：鈦酸鋇（BaTiO3）是由碳酸鋇（BaCO3）和二氧化鈦（TiO2）按1：1分子比例在高溫下合成的壓電陶瓷。它具有很高的介電常數(shù)和較大的壓電系數(shù)（約為石英晶體的50倍）。不足之處是居里點(diǎn)

6、溫度低（120C）,溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度不如石英晶體。高分子壓電材料：某些合成高分子聚合物薄膜經(jīng)延展拉伸和電場極化后，具有一定的壓電性能，這類薄膜稱為高分子壓電薄膜。目前出現(xiàn)的壓電薄膜有聚二氟乙烯PVF2、聚氟乙烯PVF、聚氯乙烯PVC、聚y甲基-L谷氨酸脂PMG等。高分子壓電材料是一種柔軟的壓電材料，不易破碎，可以大量生產(chǎn)和制成較大的面積。三、壓電式傳感器的等效電路測量電路壓電傳感器具有兩種等效電路：電荷等效電路和電壓等效電路，因此其測量電路的前置放大器也有兩種形式：電壓放大器和電荷放大器1、電荷放大器電荷放大器常作為壓電傳感器的輸入電路，由一個(gè)反饋電容Cf和高增益運(yùn)算放大器構(gòu)成。由于運(yùn)算放

7、大器輸入阻抗極高，放大器輸入端幾乎沒有分流,故可略去Ra和Ri并聯(lián)電阻。quu_odCf式中：uo放大器輸出電壓；ucf反饋電容兩端電壓。電荷放大等效路電荷放大器的輸出電壓uo只取決于輸入電荷與反饋電容Cf，與電纜電容Cc無關(guān)，且與q成正比，這是電荷放大器的最大特點(diǎn)。為了得到必要的測量精度,要求反饋電容Cf的溫度和時(shí)間穩(wěn)定性都很好，在實(shí)際電路中，考慮到不同的量程等因素，Cf的容量做成可選擇的，范圍一般為100104pF2、電壓放大器（阻抗變換器）圖6-9（a）、（b）是電壓放大器電路原理圖及其等效電路。在圖6-9（b）中，電阻R=RaRi/（Ra+Ri），電容C=Cc+Ci,而ua=q/Ca，

8、若壓電元件受正弦力f=Fmsinet的作用，則其電壓為dFsint=Usintm式中：Um壓電元件輸出電壓幅值，Um二dFm/Ca；d壓電系數(shù)。圖電壓放大器電路原理及其等效電路圖（a）放大器電路；（b）等效電路i四、壓電式壓力傳感器原理和結(jié)構(gòu)壓電式壓力傳感器（piezoelectrietypepressuretransducer）:基于壓電效應(yīng)的壓力傳感器。它的種類和型號(hào)繁多，按彈性敏感元件和受力機(jī)構(gòu)的形式可分為膜片式和活塞式兩類。膜片式主要由本體、膜片和壓電元件組成（見圖4）。壓電元件支撐于本體上，由膜片將被測壓力傳遞給壓電元件，再由壓電元件輸出與被測壓力成一定關(guān)系的電信號(hào)。這種傳感器的特點(diǎn)

9、是體積小、動(dòng)態(tài)特性好、耐高溫等?，F(xiàn)代測量技術(shù)對傳感器的性能出越來越高的要求。例如用壓力傳感器測量繪制內(nèi)燃機(jī)示功圖，在測量中不允許用水冷卻，并要求傳感器能耐高溫和體積小。壓電材料最適合于研制這種壓力傳感器。目前比較有效的辦法是選擇適合高溫條件的石英晶體切割方法，例如XYd（+20。+30）割型的石英晶體可耐350C的高溫。而LiNbO3單晶的居里點(diǎn)高達(dá)1210C,是制造高溫傳感器的理想壓電材料。圖4五、影響壓電式傳感器精度的因素分析1、非線性壓電傳感器的幅值線性度是指被測物理量（如力、壓力、加速度等）的增加,其靈敏度的變化程度。2、橫向靈敏度壓電加速度傳感器的橫向靈敏度是指當(dāng)加速度傳感器感受到與

10、其主軸向（軸向靈敏度方向）垂直的單位加速度振動(dòng)時(shí)的靈敏度，一般用它與主軸向靈敏度的百分比來表示，稱為橫向靈敏度比。3、環(huán)境溫度的影響環(huán)境溫度的變化對壓電材料的壓電常數(shù)和介電常數(shù)的影響都很大，它將使傳感器靈敏度發(fā)生變化，壓電材料不同，溫度影響的程度也不同。當(dāng)溫度低于400C時(shí)，其壓電常數(shù)和介電常數(shù)都很穩(wěn)定。4、濕度的影響環(huán)境濕度對壓電式傳感器性能的影響也很大。如果傳感器長期在高濕度環(huán)境下工作，其絕緣電阻將會(huì)減小，低頻響應(yīng)變壞。5、接地回路噪音在測試系統(tǒng)中接有多種測量儀器，如果各儀器與傳感器分別接地，各接地點(diǎn)又有電位差，這便在測量系統(tǒng)中產(chǎn)生噪音。防止這種噪音的有效辦法是整個(gè)測量系統(tǒng)在一點(diǎn)接地。而且

11、選擇指示器的輸入端為接入點(diǎn)。六、測量物理量及范圍1、測量物理量壓電傳感元件是力敏感元件，所以它能測量最終能變換為力的那些物理量，例如力、壓力、速度、加速度、振動(dòng)等許多非電量的測量，可做成力傳感器、壓力傳感器、振動(dòng)傳感器等，在醫(yī)藥、軍工、機(jī)械、土木等領(lǐng)域都有很多應(yīng)用。2、測量范圍1）由于外力作用而在壓電材料上產(chǎn)生的電荷只有在無泄漏的情況下才能保存，即需要測量回路具有無限大的輸入阻抗，這實(shí)際上是不可能的，因此壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測量。壓電材料在交變力的作用下，電荷可以不斷補(bǔ)充，以供給測量回路一定的電流，故適用于動(dòng)態(tài)測量。所以壓電傳感器主要用于測變壓力和加速度。2）壓電式傳感器在測量低壓力時(shí)線性

12、度不好，這主要是傳感器受力系統(tǒng)中力傳遞系數(shù)為非線性所致，即低壓力下力的傳遞損失較大。所以不能用壓電傳感器測量變化緩慢的應(yīng)力值。但是，可以在力傳遞系統(tǒng)中加入預(yù)加力，稱預(yù)載。這除了消除低壓力使用中的非線性外，還可以消除傳感器內(nèi)外接觸表面的間隙，提高剛度。特別是，它只有在加預(yù)載后才能用壓電傳感器測量拉力和拉、壓交變力及剪力和扭矩。3）壓電傳感器一般有220mA，而且該輸出是在變形的瞬間才有的，而且一般阻抗很大，驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力可想而知，一般用來作傳感信號(hào)源來用。能否作電源看要給什么樣的線路使用。七、壓電式傳感器的舉例應(yīng)用1、壓電式玻璃破碎報(bào)警器簡介BS-D2壓電式傳感器是專門用于檢測玻璃破碎的一種傳感器

13、，它利用壓電元件對振動(dòng)敏感的特性來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)。BS-D2壓電式玻璃破碎傳感器的外形及內(nèi)部電路如圖6-14所示。傳感器的最小輸出電壓為100mV，最大輸出電壓為100V，內(nèi)阻抗為1520kQ。(a)(b)圖BS-D2壓電式玻璃破碎傳感器（a）外形；（b）內(nèi)部電路報(bào)警器的電路框圖如圖6-15所示。使用時(shí)傳感器用膠粘貼在玻璃上，然后通過電纜和報(bào)警電路相連。為了提高報(bào)警器的靈敏度，信號(hào)經(jīng)放大后，需經(jīng)帶通濾波器進(jìn)行濾波，要求它對選定的頻譜通帶的衰減要小，而頻帶外衰減要盡量大。由于玻璃振動(dòng)的波長在音頻和

14、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)構(gòu)工作。玻璃破碎報(bào)警器可廣泛用于文物保管、貴重商品保管及其它商品柜臺(tái)保管等場合。壓電式玻璃破碎報(bào)警器電路框圖玻璃傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)及改進(jìn)方案缺點(diǎn)1：壓電傳感器本身的內(nèi)阻抗很高，而輸出信號(hào)微弱。改進(jìn)方案：測量電路通常接入一個(gè)高輸入阻抗前置放大器。把傳感器信號(hào)先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經(jīng)過阻抗交換以后，方可用一般的放大檢波電路再將信號(hào)輸入到指示儀表或記錄器中（其中，測量電路的關(guān)鍵在于高阻抗輸入的前置放大器）。前置放大器的作用有兩點(diǎn)：其一是將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；其二

15、是放大傳感器輸出的微弱電信號(hào)。前置放大器電路有兩種形式：一種是用電阻反饋的電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓（即傳感器的輸出）成正比;另一種是用帶電容板反饋的電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。本例采用電壓放大器。缺點(diǎn)2：低頻響應(yīng)范圍小。改進(jìn)方案：提高測量回路的電阻如果被測物理量是緩慢變化的動(dòng)態(tài)量，而測量回路的時(shí)間常數(shù)不大，則造成傳感器靈敏度下降。為了擴(kuò)大傳感器的低頻響應(yīng)范圍，就必須盡量提高回路的時(shí)間常數(shù)。不能靠增加測量回路的電容量來提高時(shí)間常數(shù)，因?yàn)閭鞲衅鞯碾妷红`敏度與電容成反比的，切實(shí)可行的辦法是提高測量回路的電阻。由于傳感器本身的絕緣電阻一般都很大，所以測量回路的電阻主要取決于前置放大

16、器的輸入電阻。放大器的輸入電阻越大，測量回路的時(shí)間常數(shù)就越大，傳感器的低頻響應(yīng)也就越好。缺點(diǎn)3：輸出電壓靈敏度受電纜分布電容影響改進(jìn)方案：將放大器裝入傳感器中，組成一體化傳感器。由于不可避免地存在電荷泄漏，利用壓電式傳感器測量靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)量值時(shí)，必須采取一定措施，使電荷從壓電元件經(jīng)測量電路的漏失減小到足夠小的程度壓電式傳感器在與電壓放大器配合使用時(shí)，連接電纜不能太長。電纜長，電纜電容Cc就大，電纜電容增大必然使傳感器的電壓靈敏度降低。電纜長度對傳感器測量精度的影響較大，在一定程度上限制了壓電式傳感器在某些場合的應(yīng)用。優(yōu)點(diǎn)：（1）電壓放大器與電荷放大器相比，電路簡單，元件少，價(jià)格便宜，工作可靠。（2）體積小，重量輕，剛度，強(qiáng)度，承載能力和測量范圍大，動(dòng)態(tài)相應(yīng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)誤差小。（3）易于大量生產(chǎn)，便于選用，使用和校準(zhǔn)方便并適于近測，遙測。（4）壓電式傳感器突出優(yōu)點(diǎn)：高頻響應(yīng)相當(dāng)好。八、結(jié)論實(shí)踐證明，傳感器技術(shù)開始向高精度化，一體化，小型化，智能化等方向發(fā)展。它在我們生活領(lǐng)域中起著非常重要的作用。便于生產(chǎn)與生活，特別有利于我們這個(gè)專業(yè)以后的生產(chǎn)測量。而上面的玻璃傳感器就起著報(bào)警防范的作用。壓電式傳感器可用于力、壓力