压电式传感器论文.doc

压电式传感器的应用 压电式加速度传感器目录1、 摘要.2、 引言.三、关键词.4、 压电式加速传感器原理.5、 压电式加速传感器构成.6、 压电式加速度传感器的灵敏度.7、 等效电路.8、 应用背景及实例. 九、总结.一、摘要压电式加速传感器是压电式传感器中应用最广泛的传感器之一。近年来压电式加速传感器得到了较大的发展，本文重点讲解了压电式加速传感器的原理及构成元件，并对压电式传感器在实际生产生活中的应用做介绍。2、 引言压电效应（piezo electric effect）是由居里兄弟皮尔（PCurie）与杰克斯（JCurie）在1880年发现的。1880年杰克斯在实验室发现了压电性。起先，皮尔致力于焦电现象（pyroelectriceffect）与晶体对称性关系的研究，后来兄弟俩却发现，在某一类晶体中施以压力会有电性产生。他们又系统的研究了施压方向与电场强度间的关系，及预测某类晶体具有压电效应。经他们实验而发现，具有压电性的材料有：闪锌矿、钠氯酸盐、电气石、石英、酒石酸、蔗糖、方硼石、异极矿、黄晶及若歇尔盐。这些晶体都具有各向异性结构，各向同性材料是不会产生压电性的。（摘自百度百科）3、 关键词压电式加速传感器、压电原理、压电效应、石英、压电陶瓷等。4、 压电式加速传感器原理压电式加速度传感器又称压电加速度计，它也属于惯性式传感器。下图4为压缩式压电加速度传感器的结构原理图。它是利用某些物质如石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。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出到高输入阻抗的前置放大器，经过阻抗变换后，方可用于一般的放大、检测电路将信号输出给指示仪表或记录器。 图4压缩式压电加速度传感器的结构原理图五、压电式加速度传感器构成常用的压电式加速度计的结构形式如图5所示。压电元件由两片压电片(石英晶体片或压电陶瓷片）组成。4是弹簧，3是质块，2是压电元件，1是基座。图5（a）是中央安装压缩型，压电元件质量块弹簧系统装在圆形中心支柱上，支柱与基座连接。这种结构有高的共振频率，然而基座与测试对象连接时，如果基座有变形将直接影响拾振器输出。此外，测试对象和环境温度变化将影响压电元件，并使预紧力发生变化，引起温度漂移。图5(b)为环形剪切型，结构简单，能做成极小型、高共振频率的加速度计，环形质量块粘到装在中心支柱上的环形压电元件上。由于粘结剂会随温度增高而变软，因此最高工作温度受到限制。它的底座向上延伸，如同一根圆柱，管式压电元件（极化方向平行于轴线）套在这根圆柱上，压电元件上再套上惯性质量环。剪切式加速度传感器的工作原理是：如传感器感受向上的振动，由于惯性力的作用使质量环保持滞后。这样，在压电元件中就出现剪切应力，使其产生剪切形变，从而在压电元件的内外表面上就产生电荷，其电场方向垂直于极化方向。如果，某瞬时传感器感受向下的运动，则压电元件的内外表面上的电荷极性相反。这种结构型式的传感器纵向灵敏度大，横向灵敏度小，而且能减小基座应变的影响。由于质量-弹簧系统与外壳隔开，因此，声学噪声和温度冲击等环境影响也比较小。剪切式传感器具有很高的固有频率，所以频响范围很宽，特别是适用于高频振动的测量。此外，由于压电元件与中心柱之间，以及惯性质量环与压电元件之间要用导电胶粘结要求一次装配成功，因此，成品率较低。更主要的是，因为用导电胶粘结，所以在高温环境中使用就有困难了。剪切加速度传感器是一种很有发展前途的传感器。目前，优质的剪切式加速度传感器同压缩式加速度传感器相比，横向灵敏度小一半，灵敏度瞬时温度冲击和基座弯曲应变效应的影响都小得多。因此，剪切式传感器有代替压缩式的趋势。图5（c）为倒装中心配合压缩式，由于中心柱离开基座，所以避免了基座应变引起的误差。但由于壳体是质量弹簧系统的一个组成部分，所以壳体的谐振会使传感器的谐振频率有所降低，以至于减小传感器的频响范围。另外，这种型式的传感器的加工和装配也比较困难在，这是它的主要缺点。 （a）中心安装压缩型 （b）环形剪切型 （c）倒装中心配合压缩型 图5 压缩式加速度计六、压电式加速度传感器的灵敏度 压电式加速度计的灵敏度压电加速度计属发电型传感器，可把它看成电压源或电荷源，故灵敏度有电压灵敏度和电荷灵敏度两种表示方法。前者是加速度计输出电压（mV）与所承受加速度之比；后者是加速度计输出电荷与所承受加速度之比。加速度单位为，但在振动测量中往往用标准重力加速度g做单位,1g=9.80665，这是一种已为大家所知接受的表达式，几乎所有测振仪器都用作为加速度单位并在仪器的版面上和说明书中标出，对给定的压电材料而言，灵敏度随质量块的增大或压电元件的增多而增大。一般来说加速度计尺寸越大，其固有频率越低。因此使用加速度计时应当权衡灵敏度和结构尺寸，附加质量的影响和频率响应特性之间的利弊。1、传感器灵敏度表示方法灵敏度是表征传感器性能的一个重要指标。它有两种表示方法：a)当它与电荷放大器配合使用时，用电荷灵敏度表示，即b)当它与电压放大器配合使用时，用电压灵敏度表示，即 设为传感器内部电容，则=q/ 。所以，电荷灵敏度与电压灵敏度之间有如下关系： = 2、以常用的压电陶瓷加速度传感器为例设压电陶瓷元件受外力后表面上产生的电荷为=，为压电系数（陶瓷的）,因此传感器质量块m的加速度a与作用在质量块上的力有如下关系： 这样，压电式加速度传感器的电荷灵敏度与电压灵敏度表达式如下： 由上面两个式子可知，压电式加速度传感器的灵敏度与压电材料的压电系数成正比，也和质量块的质量成正比。为了提高传感器的灵敏度，应当选用压电系数大的压电材料做压电元件，在一般精度要求的测量中，大多采用以压电陶瓷为敏感元件的传感器。另外，为了提高测量的精确性，传感器的重量要轻，不能为了提高灵敏度而增加质量块的质量，因为增加质量对传感器的高频响应也是不利的。七、等效电路压电元件是压电式传感器的敏感元件。当它受到外力作用时，就会在电极上产生电荷，因此，可以把压电式传感器等效为一个电荷源与一个电容并联的电荷发生器，等效电路如图7（a）所示。由于电容上的（开路）电压:因此压电式传感器也可以等效为一个电压源和一个电容串联的电压源，等效电路如图5（b）所示。 图7 压电加速度传感器的等效电路（a）等效电荷源 （b）等效电压源 当压电式传感器与测量电路配合使用时，方块图如图8所示。这样在等效电路中就必须将前置放大器的输入电阻 、输入电容 ，以及低噪声电缆的电容 包括进去。因此，当考虑了压电元件的绝缘电阻 以后，完整的等效电路可表示成如图9所示的电荷等效电路（a）和电压等效电路（b）。这两种等效电路是完全等效的。图8测量电路方块图 图9完整的等效电路（a）电荷等效电路 （b）电压等效电路八、应用背景及实例压电式加速度传感器具有结构简单、体积小、重量轻、测量的频率范围大、性能稳定、输出线性好等优点。尤其是它没有活动部件，因此维护方便、使用寿命长。它是测量振动和冲击的一种较为理想的传感器。压电式加速度传感器在控制手柄振动和摇晃，仪器仪表，汽车制动启动检测，地震检测，报警系统，玩具，结构物、环境监视，工程测振、地质勘探、铁路、桥梁、大坝的振动测试与分析；鼠标，高层建筑结构动态特性和安全保卫振动侦察上都有广泛应用。尤其是在个人电子产品领域中的应用更有它的特殊地位。例如某些高端型号的IBM Thinkpad笔记本电脑里就内置了加速度传感器，能够动态的检测出笔记本在使用中的振动，并根据这些振动数据，系统会智能的选择关闭硬盘还是让其继续运行，这