壓電式傳感器論文

傳感器與檢測技術(shù)課程論文2014年6月27日【摘要】壓電式傳感器的工作原理是基于某些介質(zhì)材料的壓電效應(yīng)，是典型的有源傳感器。當材料受力作用而變形時，其表面會有電荷產(chǎn)生，從而實現(xiàn)非電量的測量。壓電式傳感器具有體積小、重量輕、工作頻帶寬等特點，因此在各種動態(tài)力、機械沖擊與振動的測量，以及聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、宇航等方面都得到了非常廣泛的應(yīng)用。本文介紹了壓電式傳感器的原理、測量電路并列舉了重要應(yīng)用【關(guān)鍵詞】壓電傳感器，壓電效應(yīng)，測量電路，應(yīng)用【引言】壓電現(xiàn)象是100多年前居里兄弟研究石英時發(fā)現(xiàn)的。居里兄弟在研究熱電性與晶體對稱，發(fā)現(xiàn)正負電荷，而且電荷密度與壓力大小成正比。居里兄弟所報道的這些晶體就有后來廣為研究的鐵電體酒石酸鉀鈉（羅息鹽）。1881年，應(yīng)用熱力學(xué)原理預(yù)言了逆壓電效應(yīng)，即電場可以引起與之成正比的應(yīng)變。很快這一預(yù)言被居了里兄弟用實驗所證實了。一、壓電原理和基本特性壓電式傳感器的工作原理是基于某些介質(zhì)材料的壓電效應(yīng)，是一種典型的有源傳感器。通過材料受力作用變形時，氣表面會有電荷產(chǎn)生而實現(xiàn)非電量測量。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式中：Um——壓電元件輸出電壓幅值，Um=dFm/Ca；d——壓電系數(shù)。由此可得放大器輸入端電壓Ui，其復(fù)數(shù)形式為Ui的幅值Uim為輸入電壓和作用力之間相位差為在理想情況下，傳感器的Ra電阻值與前置放大器輸入電阻Ri都為無限大，即ω(Ca+Cc+Ci)R>>1，理想情況下輸入電壓幅值Uim為上式表明前置放大器輸入電壓Uim與頻率無關(guān)，一般在ω/ω0>3時，就可以認為Uim與ω?zé)o關(guān)，ω0表示測量電路時間常數(shù)之倒數(shù)，即（2）電荷放大器電荷放大器等效電路電荷放大器常作為壓電傳感器的輸入電路，由一個反饋電容CF和高增益運算放大器構(gòu)成。由于運算放大器輸入阻抗極高，放大器輸入端幾乎沒有分流，故可略去Ra和Ri并聯(lián)電阻。式中：Uo——放大器輸出電壓；Ucf——反饋電容兩端電壓。由運算放大器基本特性，可求出電荷放大器的輸出電壓通常A=104~108，因此,當滿足(1+A)Cf>>Ca+Cc+Ci時，上式可表示為：四、應(yīng)用背景及實例1、壓電式測力傳感器壓電式測力傳感器是利用壓電元件直接實現(xiàn)力-電轉(zhuǎn)換的傳感器，在拉、壓場合，通常較多采用雙片或多片石英晶體作為壓電元件。其剛度大，測量范圍寬，線性及穩(wěn)定性高，動態(tài)特性好。當采用大時間常數(shù)的電荷放大器時，可測量準靜態(tài)力。按測力狀態(tài)分，有單向、雙向和三向傳感器，它們在結(jié)構(gòu)上基本一樣。圖所示為壓電式單向測力傳感器的結(jié)構(gòu)圖。傳感器用于機床動態(tài)切削力的測量。絕緣套用來絕緣和定位?；鶅?nèi)外底面對其中心線的垂直度、上蓋及晶片、電極的上下底面的平行度與表面光潔度都有極嚴格的要求，否則會使橫向靈敏度增加或使片子因應(yīng)力集中而過早破碎。為提高絕緣阻抗，傳感器裝配前要經(jīng)過多次凈化（包括超聲波清洗），然后在超凈工作環(huán)境下進行裝配，加蓋之后用電子束封焊。壓電式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)類型很多，但它們的基本原理與結(jié)構(gòu)仍與壓電式加速度和力傳感器大同小異。突出的不同點是，它必須通過彈性膜、盒等，把壓力收集、轉(zhuǎn)換成力，再傳遞給壓電元件。為保證靜態(tài)特性及其穩(wěn)定性，通常多采用石英晶體作為壓電元件。2、壓電式加速度傳感器圖所示為壓縮式壓電加速度傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖，壓電元件一般由兩片壓電片組成。在壓電片的兩個表面上鍍銀層，并在銀層上焊接輸出引線，或在兩個壓電片之間夾一片金屬，引線就焊接在金屬片上，輸出端的另一根引線直接與傳感器基座相連。在壓電片上放置一個比重較大的質(zhì)量塊，然后用一硬彈簧或螺栓、螺帽對質(zhì)量塊預(yù)加載荷。整個組件裝在一個厚基座的金屬殼體中，為了隔離試件的任何應(yīng)變傳遞到壓電元件上去，避免產(chǎn)生假信號輸出，所以一般要加厚基座或選用剛度較大的材料來制造。測量時，將傳感器基座與試件剛性固定在一起。當傳感器感受到振動時，由于彈簧的剛度相當大，而質(zhì)量塊的質(zhì)量相對較小，可以認為質(zhì)量塊的慣性很小，因此質(zhì)量塊感受到與傳感器基座相同的振動，并受到與加速度方向相反的慣性力作用。這樣，質(zhì)量塊就有一正比于加速度的交變力作用在壓電片上。由于壓電片具有壓電效應(yīng)，因此在它的兩個表面上就產(chǎn)生了交變電荷（電壓），當振動頻率遠低于傳感器固有頻率時，傳感器的輸出電荷（電壓）與作用力成正比，即與試件的加速度成正比。輸出電量由傳感器輸出端引出，輸入到前置放大器后就可以用普通的測量器測出試件的加速度，如在放大器中加進適當?shù)姆e分電路，就可以測出試件的振動加速度或位移。3、壓電式金屬加工切削力測量 4、壓電式玻璃破碎報警器5、壓電晶體振蕩器壓電晶體振蕩器是將機械振動變?yōu)橥l率的電震蕩的器件。廣泛用于軍事通信和精密電子設(shè)備，小型電子計算機，以及石英鐘表內(nèi)。6、壓電高壓發(fā)生器由于壓電陶瓷具有極高的靈敏度，壓電高壓發(fā)生器利用正壓效應(yīng)可以把振動轉(zhuǎn)換成電能，還可以獲得高電壓輸出。這種獲得高電壓的方法可以用來做引燃裝置，如給汽車火花塞、煤氣灶、打火機、炮彈的引爆壓電雷管等點火。7電聲換能器電聲換能器利用逆壓電效應(yīng)可以把電能轉(zhuǎn)換成聲能，因此可用壓電晶體制成揚聲器、耳機、蜂鳴器等。特別是超聲發(fā)生器，目前這種超聲波已廣泛應(yīng)用于海洋探測、固體探傷、醫(yī)療檢查、清洗、治療疾病等方面。8、其它應(yīng)用壓電式加速度傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、測量的頻率范圍大、性能穩(wěn)定、輸出線性好等優(yōu)點。尤其是它沒有活動部件，因此維護方便、使用壽命長。它是測量振動和沖擊的一種較為理想的傳感器。壓電式加速度傳感器在控制手柄振動和搖晃，儀器儀表，汽車制動啟動檢測，地震檢測，報警系統(tǒng)，玩具，結(jié)構(gòu)物、環(huán)境監(jiān)視，工程測振、地質(zhì)勘探、鐵路、橋梁、大壩的振動測試與分析；鼠標，高層建筑結(jié)構(gòu)動態(tài)特性和安全保衛(wèi)振動偵察上都有廣泛應(yīng)用。尤其是在個人電子產(chǎn)品領(lǐng)域中的應(yīng)用更有它的特殊地位。例如某些高端型號的IBMThinkpad筆記本電腦里就內(nèi)置了加速度傳感器，能夠動態(tài)的檢測出筆記本在使用中的振動，并根據(jù)這些振動數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會智能的選擇關(guān)閉硬盤還是讓其繼續(xù)運行，這樣可以最大程度的保護由于振動，比如顛簸的工作環(huán)境，或者不小心摔了電腦做造成的硬盤損害，最大程度的保護里面的數(shù)據(jù)。另外一個用處就是目前用的數(shù)碼相機和攝像機里也有加速度傳感器，用來檢測拍攝時候的手部的振動，并根據(jù)這些振動，自動調(diào)節(jié)相機的聚焦，來使照片更加清晰。五、總結(jié)壓電式傳感器，作為傳感器的一種，它具有自己鮮明的特點。而且除了一些自然界中的晶體材料外，我們還有人工材料壓電陶瓷。他的應(yīng)用也十分的廣泛，在聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、宇航、振動測量、機械沖擊都有不錯的涉及。而隨著科技的發(fā)展，人工材料會制作的更加完美，壓電式傳感器就會更加適合人們的要求。壓電式傳感器和科技互相推動互相發(fā)展?！緟⒖嘉墨I】[1]蔣澤民,高俊啟,季天劍.壓電傳感器測量路面動水壓力研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2012[2]陳政,鐘匯才,李慶等.基于PVDF壓電傳感器的車輛動態(tài)稱重信號的研究[J].傳感器與微系統(tǒng),2012.[3]Optimal

Control

of

a

Beam

with

Discontinuously

Distributed

Piezoelectric

Sensors

and

A