封压电传感器的应用.doc

压电传感器的应用压电式传感器是一种典型的自发电型传感器。它以某些电介质的电压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量电测的目的。压电传感器具有体积小，质量轻，响应频带宽，灵敏度高，信噪比大等特点，由于它没有运动部件，因此结构坚固，可靠性，稳定性高，近年来，由于电子技术的飞速发展，与之配套的二次仪表以及低噪声，小电容，高绝缘电阻电缆的出现，是压电式传感器的使用更方便，集成化，智能化的新型压电式传感器也正在被开发出来。压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英(二氧化硅)是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失(这个高温就是所谓的“居里点”)。由于随着应力的变化电场变化微小(也就说压电系数比较低)，所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。 压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器。我们知道，晶体是各向异性的，非晶体是各向同性的。某些晶体介质，当沿着一定方向受到机械力作用发生变形时，就产生了极化效应；当机械力撤掉之后，又会重新回到不带电的状态，也就是受到压力的时候，某些晶体可能产生出电的效应，这就是所谓的极化效应。科学家就是根据这个效应研制出了压力传感器。压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电传感器的应用就非常广。除了压电传感器之外，还有利用压阻效应制造出来的压阻传感器，利用应变效应的应变式传感器等，这些不同的压力传感器利用不同的效应和不同的材料，在不同的场合能够发挥它们独特的用途。编辑本段工作原理。半导体压电阻抗扩散压力传感器是在薄片表面形成半导体变形压力，通过外力（压力）使薄片变形而产生压电阻抗效果，从而使阻抗的变化转换成电信号。静电容量型压力传感器，是将玻璃的固定极和硅的可动极相对而形成电容，将通过外力（压力）使可动极变形所产生的静电容量的变化转换成电气信号。 （E8Y的动作原理便是静电容量方式，其他机种采用半导体方式）。 现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。 压电式传感器是基于某些介质材料的压电效应原理工作的，是一种典型的有源传感器。压电效应是材料受到应力作用时所产生的电极化现象，是一种可逆效应，因此，当在材料两侧之间施加电压时，材料便产生应变。18801881年，雅克(Jacques)和皮埃尔*居里(PiereCurie)发现了这两种效应。 这里主要介绍压电式传感器的工作原理、压电式传感器的等效电路、测量电路以及压电式传感器的应用。1。压电效应及压电材料 某些电介质物体在某方向受压力或拉力作用产生形变时，表面会产生电荷；外力撤销后，又回到不带电状态，这种现象称为压电效应。当作用力方向改变时，电荷极性随之改变，把这种机械能转化为电能的现象，称为“正压电效应”，反之，当在电介质极化方向施加电场，这些电介质会产生几何变形，这种现象称为“逆压电效应”。具有压电效应的物体称为压电材料，如天然的石英晶体、人造压电陶瓷等。具有明显呈现压电效应的敏感功能材料称为压电材料。由于它是物性型的，因此选用合适的压电材料是构成高性能传感器的关键，因此应考虑以下几个方面：压电常数：衡量材料压电效应强弱的参数。弹性常数：决定压电元件的固有频率和动态特性。介电常数：一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容特性与介电常数有关，影响压电传感器的频率下限。电阻：压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄露，改善传感器的低频特性。 居里点温度：指压电材料开始失去压电特性的温度。压电材料可以分为压电晶体和压电陶瓷两大类。压电式传感器的基本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(或电压)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。如果压电材料在交变力的作用下，电荷可以不断补充，以供给测量回路一定的电流，故适用于动态测量。考虑到单片压电元件产生的电荷量甚微，输出电量很少，因此在实际使用中常采用两片(或两片以上)同型号的压电元件组合在一起。因为压电材料产生的电荷是有极性的，所以压电元件的接法有两种两个压电片的负端粘接在一起，中间插入的金属电极成为压电片的负极，正电极在两边的电极上，从电路上看，这是并联接法，适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的场合；而串联接法输出电压大，本身电容小，适宜用于以电压作输出信号，并且测量电路输入阻抗很高的场合。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。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。 根据压电式传感器的等效电路，它的输出信号可以是电压也可以是电荷，因此，前置放大器有两种形式：一种是电压放大器，其输出电压与输入电压(压电元件的输出电压)成正比；另一种是电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。 以上主要介绍了压电式传感器的检测原理、压电元件、测量电路和传感器的应用。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，是一种典型的有源传感器，主要应用于压力、加速度和振动等参数的测量。压电效应是指某些电介质，沿一定方向施力而使它变形时，内部产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电符，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态；而当在电介质极化方向施加电场，电介质会产生几何变形，称为逆压电效应。常用的压电材料有压电晶体和压电陶瓷，压电晶体有：石英晶体、水溶性压电晶体和铌酸锂晶体；压电陶瓷有：钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷和铌镁酸铅压电陶瓷。压电式传感器主要是由压电元件和测量电路组成，由于压电元件可以等效成电压源与电容的串联，也可以等效成电荷源与电容并联，因此其测量电路有电压放大器和电荷放大器两种。为了提高测量的灵敏度，可将多个压电片进行串联或并联使用，测量电路应引入前置放大器，作用一是把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信号。压电式传感器在工业参数检测中，也用于液位、流量、压力和振动等方面。更多的传感器尽在环贸奥美以及现代豪方称重传感器销售基地！力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。在了解压阻式力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片