壓電式傳感器的應(yīng)用

PAGEPAGE12傳感器網(wǎng)絡(luò)的課程論文課程名稱：傳感器網(wǎng)絡(luò)論文名稱：壓電式傳感器壓電式傳感器的應(yīng)用前言傳感器廣泛應(yīng)用與工程測(cè)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(lái)越重要的地位。傳感器技術(shù)是關(guān)于傳感器設(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。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，信息處理技術(shù)也在不斷完善。但作為提供信息的元件傳感器，它的發(fā)展相對(duì)于計(jì)算機(jī)信息處理功能來(lái)說(shuō)就落后了，這使得自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)受到影響，也直接影響到多種技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展?；谏鲜鲆蛩?，越來(lái)越多的科技工作者對(duì)傳感器技術(shù)予以高度的重視，促使傳感器技術(shù)加速發(fā)展，以適應(yīng)信息處理技術(shù)的需要。本文主要談?wù)摿藟弘娛絺鞲衅鳎褪菍毫鞲衅鬏敵龅碾娦盘?hào)進(jìn)行信息處理后，將壓力顯示出來(lái)。摘要：本文介紹壓電式傳感器的原理及結(jié)構(gòu)；壓電式傳感器的測(cè)量電路的分析；壓電式傳感器的實(shí)例應(yīng)用和研究。側(cè)重在對(duì)一種壓電式傳感器的實(shí)際應(yīng)用與研究上，對(duì)一種實(shí)例進(jìn)行背景、應(yīng)用原理、測(cè)量電路等方面具體介紹。從而加深對(duì)壓電式傳感器的認(rèn)識(shí)，簡(jiǎn)單性的研究，了解壓電式傳感器的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：壓電式傳感器壓電效應(yīng)發(fā)展應(yīng)用目錄TOC\o"1-3"\h\u29194前言 220541摘要 32671．壓電式傳感器的研究 480261.1壓電式傳感器的基本電路 4147101.2壓電式傳感器的結(jié)構(gòu) 4139462.壓電式傳感器的測(cè)量電路 6266263.壓電式傳感器的應(yīng)用 762573.1壓電式傳感器的應(yīng)用分類 8226933.2加速度傳感器 826745參考文獻(xiàn) 12壓電式傳感器的概述：壓電式傳感器是以具有壓電效應(yīng)的壓電器件為敏感元件組成的傳感器，他將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電荷，產(chǎn)生靜電電位差，是一種典型的雙向有源傳感器。壓電效應(yīng)是指某些電介質(zhì)在受到某一方向的外力作用而發(fā)生形變（包括彎曲和伸縮形變）時(shí)，由于內(nèi)部電荷的極化，會(huì)在其表面產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象。壓電式傳感器便是利用其壓電材料的壓電效應(yīng)，當(dāng)有力作用在壓電材料上，傳感器就有電荷（或電壓）輸出。常見(jiàn)的壓電材料有壓電陶瓷和石英晶體等。壓電式傳感器的研究1.1壓電式傳感器的基本原理某些電介質(zhì)的，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí)，其內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面便產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，其又重新恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱壓電效應(yīng)。某些物質(zhì)在沿一定方向受到壓力或拉力作用而發(fā)生形變時(shí)，其表面上會(huì)產(chǎn)生電荷；若將外力去掉時(shí)，它們又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象就稱為正壓電效應(yīng)。（加力變形產(chǎn)生電荷）在壓電材料的兩個(gè)電極面上，如果加以交流電壓，那么壓電片能產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，即壓電片在電極方向上有伸縮的現(xiàn)象。壓電材料的這種現(xiàn)象稱為“電致伸縮效應(yīng)”，也叫“逆壓電效應(yīng)”（施加電場(chǎng)電介質(zhì)產(chǎn)生變形應(yīng)力）1.2壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)兩片（或兩片以上）同型號(hào)的壓電元件粘結(jié)一起。由于壓電材料的電荷是有極性的，因此有兩種接法。一種，從作用力看，元件是串接的，因而每片受到的作用力相同，產(chǎn)生的變形和電荷數(shù)量大小都與單片時(shí)相同。即兩個(gè)壓電片的負(fù)端粘結(jié)在一起，中間插入的金屬電極成為壓電片的負(fù)極，正電極在兩邊的電極上。從電路上看是并聯(lián)接法，類似兩個(gè)電容的并聯(lián)。故，在外力作用下正負(fù)電極上的電荷量增加了1倍，電容量也增加了一倍，輸出電壓與單片時(shí)相同。另一種，兩壓電片不同極性端粘結(jié)在一起，從電路上看是串聯(lián)的，兩壓電片中間粘結(jié)處正負(fù)電荷中和，上、下極板的電荷量與單片時(shí)相同，總電容量為單片的一半，輸入電壓增大了一倍。其次，壓力傳感器在測(cè)量低壓力時(shí)線性度不好。為此，在力傳遞系統(tǒng)中加入預(yù)加力，稱預(yù)載。在壓電式壓力傳感器中常用的壓電材料有石英晶體和壓電陶瓷，其中石英晶體應(yīng)用的最為廣泛。下面是采用石英晶片的膜片式壓電壓力傳感器圖：壓電式傳感器的測(cè)量電路壓電式傳感器本身的內(nèi)阻抗很高，而輸出能量較小，因此它的測(cè)量電路通常需要接入一個(gè)高輸入阻抗前置放大器。其作用為：一是把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗；二是放大傳感器輸出的微弱信號(hào)。壓電傳感器的輸出可以是電壓信號(hào)，也可以是電荷信號(hào)，因此前置放大器也有兩種形式：電壓放大器和電荷放大器。電荷放大器（阻抗變換器）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)算放大器輸入阻抗極高，放大器輸入端幾乎沒(méi)有分流，故可略Ra和Ri并聯(lián)電阻。式中：uo——放大器輸出電壓；ucf——反饋電容兩端電壓。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(wú)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(cè)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100~104pF。電壓放大器（阻抗變換器）圖（a）、(b）是電壓放大器電路原理圖及其等效電路。在圖（b）中，電阻R=RaRi/(Ra+Ri)，電容C=Cc+Ci，而ua=q/Ca，若壓電元件受正弦力f=Fmsinωt的作用，則其電壓為式中：Um——壓電元件輸出電壓幅值，Um=dFm/Ca；d——壓電系數(shù)。圖2電壓放大器電路原理及其等效電路圖（a）放大器電路;（b）等效電路壓電式傳感器的應(yīng)用凡是利用壓電材料各種物理效應(yīng)構(gòu)成的傳感器，都可稱為壓電式傳感器。壓電式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕；各種頻帶寬；靈敏度高；信噪比高；工作可靠；測(cè)量范圍廣。它可以把加速度、壓力、位移、溫度等許多非電量轉(zhuǎn)換為電量。壓電式傳感器主要用于與力相關(guān)的動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試，如力、壓力、速度、加速度、機(jī)械沖擊、振動(dòng)等許多非電量的測(cè)量，課做成力傳感器、壓力傳感器、振動(dòng)傳感器等。目前它們?cè)诠I(yè)、軍事和民用等各個(gè)領(lǐng)域均已得到廣泛的應(yīng)用。3.1壓電式傳感器的應(yīng)用分類壓電式傳感器常見(jiàn)的種類有：壓電式測(cè)力傳感器、壓電式加速度傳感器、壓電式金屬加工切削力測(cè)量和壓電式玻璃破碎報(bào)警器。本文著重講解關(guān)于壓電式加速度傳感器的應(yīng)用。3．2壓電式加速度傳感器3.2.1壓電式加速度傳感器的背景場(chǎng)合在現(xiàn)代生產(chǎn)生活中被應(yīng)用于許許多多的方面，如提電腦的硬盤(pán)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(lái)檢測(cè)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。3.2.2壓電式加速度傳感器的應(yīng)用原理壓電式加速度傳感器又稱為壓電加速度計(jì)，它也屬于慣性式傳感器。它是典型的有源傳感器。利用某些物質(zhì)如石英晶體、人造壓電陶瓷的壓電效應(yīng)，在加速度計(jì)受振時(shí)，質(zhì)量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。壓電敏感元件是力敏元件，在外力作用下，壓電敏感元件的表面上產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)量的目的。壓電加速度傳感器的原理框圖如圖1所示，原理如圖2所示。彈性彈性輔助電源測(cè)量電路轉(zhuǎn)換元件待測(cè)加速度輸出信號(hào)圖1加速度傳感器的組成框圖壓電元件壓電元件質(zhì)量塊輸出引線支座圖2壓電加速度傳感器原理圖實(shí)際測(cè)量時(shí)，將圖中的支座與待測(cè)物剛性地固定在一起。當(dāng)待測(cè)物運(yùn)動(dòng)時(shí)，支座與待測(cè)物以同一加速度運(yùn)動(dòng)，壓電元件受到質(zhì)量塊與加速度相反方向的慣性力的作用，在晶體的兩個(gè)表面上產(chǎn)生交變電荷(電壓)。當(dāng)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于傳感器的固有頻率時(shí)，傳感器的輸出電荷(電壓)與作用力成正比。電信號(hào)經(jīng)前置放大器放大，即可由一般測(cè)量?jī)x器測(cè)試出電荷(電壓)大小，從而得出物體的加速度。壓電加速度傳感器的壓敏元件采用具有壓電效應(yīng)的壓電材料，換能元件是以壓電材料受力后在其表面產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)為轉(zhuǎn)換原理。這些壓電材料，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對(duì)的表面上便產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電的狀態(tài)；當(dāng)作用力的方向改變時(shí)，電荷的極性也隨著改變。其中彈性體是傳感器的核心，其結(jié)構(gòu)決定著傳感器的各種性能和測(cè)量精度，彈性體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣對(duì)加速度傳感器性能的好壞至關(guān)重要。3.2.3壓電式加速度傳感器的測(cè)量電路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（8）式中A為晶片電極面面積；為壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)；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(cè)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(cè)量?jī)x器或測(cè)量電路相連接，因此還需考慮連接電纜的等效電容、放大器的輸入電阻、輸人電容及壓電傳感器的泄漏電阻，這樣壓電傳感器在測(cè)量系統(tǒng)中的實(shí)際等效電路如圖2所示。圖3壓電傳感器測(cè)量等效電路圖圖中，為運(yùn)算放大器增益。由于運(yùn)算放大器的極高，而=109～1014歐姆，所以可認(rèn)為和是開(kāi)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（9）式中為反饋電容。將代入式（9）得（10）若放大器開(kāi)環(huán)增益足夠大，滿足時(shí)，式（10）可表示為