压电传感器课程设计

压电式传感器的应用

一：概述

传感器是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受与检出功能, 并使之按照一定规律转换与之对应有用输出信号的元器件或装置，是新技术革命和信息社会的重要技术基础，是现代科技的开路先锋，美国早在80年代就声称世界已进入传感器时代，日本则把传感器技术列为十大技术之创立。

压电式传感器是典型的有源传感器。当压电材料受力作用而变形时，其表面会有电荷产生，从而实现非电量测量。压电式传感器具有体积小，重量轻，工作频带宽等特点，因此在各种动态力，机械冲击与振动的测量，以及声学，医学，力学，宇航，军事等方面都得到了非常广泛的应用。本文就压电传感器的工作原理和应用做相关介绍。 二：基本原理

压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应。是一种自发电式和机电转换式传感器，它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量。它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。 三：应用原理

压电式传感器的应用原理就是利用压电材料的压电效应这个特性，即当有力作用在压电元件上时，传感器就有电荷输出。由于外力作用在压电材料上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，故需要测量回路具有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，因此压电式传感器不能用于静态测量。

压电元件作为压电式传感器的核心，在受外力作用时，其受力和变形方式大

致有厚度变形、长度变形、体积变形和厚度剪切变形等几种形式。最常用的是厚度变形的压缩式和剪切变形的剪切式两种,如图1，图2。压电式传感器本身的阻抗很高，而输出能量较小，为了使压电元件能正常工作，它的测量电路需要接入一个高输入阻抗的前置放大器，主要有两个作用：一是放大压电元件的微弱电信号；二是把高阻抗输入变换为低阻抗输出。

图1厚度变形的压缩式 图2环形剪切型

3.1压电效应

压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。

图3正压电效应 图4逆压电效应 1、正压电效应

当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。

2、负压电效应

对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象。用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型5种基本形式。压电晶体是各向异性的，并非所有晶体都能在这5种状态下产生压电效应。例如石英晶体就没有体积变形压电效应，但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。 3.2压电材料

明显呈现压电效应的敏感功能材料叫压电材料 。压电此案料可以分为三大类：压电晶体、压电陶瓷、新型压电材料主要包括半导体和有机高分子压电材料两种。

压电材料的特性参数主要包括：（1）压电常数，它是衡量材料压电效应强弱的参数，直接关系到压电传感器的灵敏度。（2）弹性常数，它决定压电器件的固有频率和动态特性。（3）介电常数（4）机电祸合系数（5）电阻，压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄露，从而改善压电传感器的低频特性。（6）居里点：压电材料开始丧失压电性的温度。

石英的压电效应电荷产生机理：石英的化学式为SiO2，在一个晶体单元中，有三个硅离子和六个氧离子，后者是成对的，所以一个和两个交替排列。

图5 石英晶体

当没有力作用时，硅离子和氧离子在垂直于晶体Z轴的XY平面上的投影恰好等效为正六边形排列。这时正负离子正好分布在正六边形的顶角上，呈现电中性。如果沿X方向压缩，则硅离子1被挤入氧离子2和6之间，而氧离子4被挤入硅离子3和5之间，结果表面A上呈现负电荷，而在表面B上呈现正电荷。这一现象称为纵向压电效应。若沿Y方向压缩，硅离子3和氧离子2，以及硅离子5和氧离子6都向内移动同样的数值，故在电极C和D上不呈现电荷，而在表面A和B上，即在X轴的端面上又呈现电荷，但与图b的极性正好相反，这时称为横向压电效应。从研究的模型同样可以看出：如果是使其伸长而不是压缩时，则电荷的极性正好相反。总之，石英等单晶体材料是各向异性的物体，在X或Y轴向施力时，在与X轴垂直的面上产生电荷，电场方向与X轴平行，在Z轴方向施力时，不能产生压电效应。

3.3压电传感器测量电路

除在校准用的标准压力传感器或高精度压力传感器中采用石英晶体做压电元件外，一般压电式压力传感器的压电元件材料多为压电陶瓷，也有用高分子材料(如聚偏二氟乙稀)或复合材料的合成膜的。更换压电元件可以改变压力的测量范围；在配用电荷放大器时，可以用将多个压电元件并联的方式提高传感器的灵敏度；在配用电压放大器时，可以用将多个压电元件串联的方式提高传感器的灵敏度。

由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通常先把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗交换以后，方可用一般的放大检波电路再将信号输入到指示仪表或记录器中。(其中，测量电路的关键在于高阻抗输入的前置放大器。）前置放大器的作用：一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；二是放大传感器输出的微弱电信号。前置放大器电路有两种形式：一是用电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压(即传感器的输出)成正比；另一种是用带电容板反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。由于电荷放大器电路的电缆长度变化的影响不大，几乎可以忽略不计，故而电荷放大器应用日益广泛。图6电压等效电路，图7简化电路：

ua Ca+-CcRiCiCaR1uiuaRCRaR2图6 电压等效电路 图7简化电路 RaRiR?其中，ui为放大器输入电压；c?cc?ca ; ; Ra?Riua?q/ca如果压电传感器受力为F = Fmsinωt 则在压电元件上产生的电压为

ua?d?Fmsin?t?Umsin?tCa式中 um－ 压电元件输出电压幅值um d － 压电系数。

?d*fm/ca

R1j?C而在放大器输入端形成的电压为: 1R?j?R j?Cui?ua?dFm11?j?R(C?C)aR 1j?C?j?CaR?1 j?C

ui

的幅值uim为: uim?d?Fm???R1??2R2(Ca?Cc?Ci)2dui?F当 时，放大器的输入电压为: Ci?Cc?Ca?R(Ca?Cc?Ci)??1

电压放大器的功能是将压电传感器的高输出阻抗变为较低阻抗，并将压电式传感器的微弱电压信号放大，因此，也称为阻抗变换器 下图为电荷放大器：

NQCaRaCcRiCiRfCf

图8 电荷放大器

如果忽略电阻Ra、Ri及Rf的影响，则输入到放大器的电荷量为Qi=Q-Qf,

Qf?(Ui?U0)Cf?(?而

U0U?U0)Cf??(1?A)0CfAA式中，A为开环放大系数。

UUU所以有： ?0(Ci?Cc?Ca)?Q?[?(1?A)0Cf]?Q?(1?A)0CfAAA

?AQU0?故放大器的输出电压为 Ci?Cc?Ca?(1?A)Cf

Ci?Cc?Ca时，放大器输出电压可以表示为: 当A>>1，而(1+A)Cf>>

U0??QCf电荷放大器常作为压电传感器的输入电路，由一个反馈电容Cf 和高增益运算放大器构成。在电荷放大器中，输出电压Uo 与连接电缆电容Cc 无关，而与电荷量Q 成正比，这是电荷放大器的突出优点，这对信号的测量很方便，因此，电荷放大器被广泛地应用于压电传感器的测量电路中。

四．总结 4.1工程中应用

压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等优点。因此应用领域广泛：电声学，生物医学和工程力学等等。它能测量发动机里面的内燃压力，也能够应用在军事方面。它可以测量在膛中枪炮子弹在发射的那一刻，膛压的改变量和所受到的冲击波压力。它能够测量很小的压力，也能测量大的压力。由于它的使用寿命长，重量较轻，体积较小，结构简单，因此它所涉及的领域远不止这些。在建筑物、桥、汽车和飞机等的冲击和震动的测量，也是非常广泛的。特别在航空领域里，它有着特殊的地位。

玻璃破碎报警器

该报警器利用压电陶瓷对振动敏感的特性来接收玻璃受撞击和破碎时产生的振动波，并以此来触发报警系统发出“抓贼呀—”喊声，可广泛用在保管文物、贵重金饰和其它商品柜台等场合。 电路原理：

玻璃破碎报警器的电路见图9。压电陶瓷片B将碎发的振动信号或响声转换成电信号，这个极其微弱的电信号经过由三极管VT1和VT2构成的直耦式放大器放大后，利用C2从VT2的集电极上取出放大信号，然后经二极管VD1、VD2倍压整流后使VT3导通。VT3导通后在R4两端产生的压降使单向可控硅VS导通并锁存，于是语言报警喇叭HA通电反复发出“抓贼呀—”喊声。这时，只有按一下SB，方可解除警报声。

图9 玻璃破碎报警器

该装置的电源是由电源变压器T将220V市电降压为12V，经QD全桥整流、C5滤波后供给整机工作。为了防备交流电中断，还增加了12V电池组。这样，当电网停止供电时，G自动续接供电，当电网复电后，G自动停止供电，始终让报警电路处于准备状态，十分实用可靠。 元器件选择与制作：

HA选用LQ46-88D型语言报警喇叭。振动传感器B采用HTD27A-1或FT27型压电陶瓷片（正品），并配用薄形塑料谐振腔即可，它对碎发响声与振动很敏感，而对缓慢变化的声响无效。VS用1A、100V单向可控硅，如MCR 100-1型等。VT1～VT3均用9014或3DG8型硅NPN三极管，要求β>200。VD1～VD3用1N4001型硅二极管。QD用QL-lA/50V整流全桥，亦可用四只1N4001型二极管替代。T选用220V/12V、5W电源变压器，要求长时间轻载运行不发热。G可用普通5号干电池八节串联而成。RP用WH7型微调电阻器。R1～R4均用RTX-1/8W型碳膜电阻器。

C1、C2和C3均用CD11-16V型电解电容器，C4用CT1型瓷介电容器，C5用CD11-25V型电解电容器。SB用普通常闭型自复位按钮开关，亦可用KWX型微动开关代替。B在具体安装时，为了迷惑外人，可在玻璃橱窗内帖上一些装饰画或字，将B用强力胶粘贴在装饰画或字上，使人从外面看不出里面安有报警装置，然后用两根细导线将B接至主机上去。调整RP阻值，可以微调信号放大器的增益，使报警器的灵敏度合乎使用环境要求。 压电式测力传感器

压电式测力传感器是利用压电元件直接实现力-电转换的传感器，在拉、压场合，通常较多采用双片或多片石英晶体作为压电元件。其刚度大，测量范围宽，线性及稳定性高，动态特性好。当采用大时间常数的电荷放大器时，可测量准静态力。按测力状态分，有单向、双向和三向传感器，它们在结构上基本一样。

图10 压电式单向测力传感器的结构图

上图所示为压电式单向测力传感器的结构图。传感器用于机床动态切削力的测量。绝缘套用来绝缘和定位。基座内外底面对其中心线的垂直度、上盖及晶片、电极的上下底面的平行度与表面光洁度都有极严格的要求，否则会使横向灵敏度增加或使片子因应力集中而过早破碎。为提高绝缘阻抗，传感器装配前要经过多次净化（包括超声波清洗），然后在超净工作环境下进行装配，加盖之后用电子束封焊。

压电式压力传感器的结构类型很多，但它们的基本原理与结构仍与压电式加速度

和力传感器大同小异。突出的不同点是，它必须通过弹性膜、盒等，把压力收集、转换成力，再传递给压电元件。为保证静态特性及其稳定性，通常多采用石英晶体作为压电元件。 压电式加速度传感器

图11 压缩式压电加速度传感器的结构原理图

图11所示为压缩式压电加速度传感器的结构原理图，压电元件一般由两片压电片组成。在压电片的两个表面上镀银层，并在银层上焊接输出引线，或在两个压电片之间夹一片金属，引线就焊接在金属片上，输出端的另一根引线直接与传感器基座相连。在压电片上放置一个比重较大的质量块，然后用一硬弹簧或螺栓、螺帽对质量块预加载荷。整个组件装在一个厚基座的金属壳体中，为了隔离试件的任何应变传递到压电元件上去，避免产生假信号输出，所以一般要加厚基座或选用刚度较大的材料来制造。

测量时，将传感器基座与试件刚性固定在一起。当传感器感受到振动时，由于弹簧的刚度相当大，而质量块的质量相对较小，可以认为质量块的惯性很小，因此质量块感受到与传感器基座相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力作用。这样，质量块就有一正比于加速度的交变力作用在压电片上。由于压电片具有压电效应，因此在它的两个表面上就产生了交变电荷（电压），当振动频率远低于传感器固有频率时，传感器的输出电荷（电压）与作用力成正比，即与试件的加速度成正比。输出电量由传感器输出端引出，输入到前置放大器后就可以用普通的测量器测出试件的加速度，如在放大器中加进适当的积分电路，就可以测出试

件的振动加速度或位移。

压电加速度传感器在使用中最主要的三项指标为：a电荷灵敏度（或电压灵敏度）、b谐振频率（工作频率在谐振频率1/3以下）、c最大横向灵敏度比。

由于压电式传感器的输出电信号是微弱的电荷，而且传感器本身有很大内阻，故输出能量甚微，这给后接电路带来一定困难。为此，通常把传感器信号先输到高输入阻抗的前置放大器。经过阻抗变换以后，方可用于一般的放大、检测电路将信号输给指示仪表或记录器。 4.2压电式传感器的发展趋势：

当今世界各国压电式传感器的研究领域十分广泛，归纳起来主要有以下几个趋势。（1）小型化。小型化会带来很多好处，重量轻、体积小、分辨率高，便于安装在很小的地方对周围器件影响小，也利于微型仪器、仪表的配套使用。（2）集成化。压力传感器已经越来越多的与其它测量用传感器集成以形成测量和控制系统，集成系统在过程控制和工厂自动化中可以提高操作速度和效率。（3）智能化。由于集成化的出现，在集成电路中可添加一些微处理器，使得传感器具有自动补偿、通讯、自诊断、逻辑判断等功能。（4）系统化。单一化产品在市场上没有大的竞争力。市场风云突变，一旦失去市场，发展则停滞不前，经济效益差，资金浪费大，产品成本高。（5）标准化。传感器的设计与制造已经形成了一定的行业标准。如 IEC、ISO 国际标准，美国的 ANSIC、ANSC、MIL-T 和 ASTME 标准，日本 JIS 标准，法国 DIN 标准等。

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