压电式传感器论文综述

1、压电式传感器论文系部：机电工程系专业：物联网姓名：雷伟班级：1122指导老师：诸跃进时间： 2013.10.25目录摘要 .引言 .关键词 .压电原理 .应用背景及实例 .1. 产品展示 .2. 行业应用 .测量电路 .总结 .摘要本文除了重点讲解压电式传感器的应用和测量电路， 还介绍压电 效应以及一些压电材料。 压电式传感器在测量一些物理量和作为警报 器方面有一些很好的应用。关键词 : 压电原理，压电效应，石英，压电陶瓷引言：压电现象是 100 多年前居里兄弟研究石英时发现的。 居里兄弟在 研究热电性与晶体对称， 发现正负电荷， 而且电荷密度与压力大小成 正比。居里兄弟所报道的这些晶体就有后

2、来广为研究的铁电体酒石酸 钾钠（罗息盐）。 1881 年，应用热力学原理预言了逆压电效应，即 电场可以引起与之成正比的应变。 很快这一预言被居了里兄弟用实验 所证实了。1.压电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， 是一种典型的有源传感器。通过材料受力作用变形时，气表面会有电荷产生而实现非电量测量压电式传感器基于压电效应的传感器。 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

3、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。2.应用背景及实例产品展示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

4、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。

5、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

6、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式金属加工切削力测量主要用于金属加工切削力测量压电式玻璃破碎报警器主要用于璃破碎报警器。应用行业由于压电式传感器具有体积小、 重量轻、工作频带宽、 灵敏度高、 信噪比大、工作可靠等优点，因

7、而在现代科技中有着广泛应用。压电晶体振荡器是将机械振动变为同频率的电震荡的器件。 广泛 用于军事通信和精密电子设备，小型电子计算机，以及石英钟表内。由于压电陶瓷具有极高的灵敏度， 压电高压发生器利用正压效应 可以把振动转换成电能， 还可以获得高电压输出。 这种获得高电压的 方法可以用来做引燃装置，如给汽车火花塞、煤气灶、打火机、炮弹 的引爆压电雷管等点火。电声换能器利用逆压电效应可以把电能转换成声能， 因此可用压 电晶体制成扬声器、耳机、蜂鸣器等。特别是超声发生器，目前这种 超声波已广泛应用于海洋探测、固体探伤、医疗检查、清洗、治疗疾 病等方面。3.测量电路压电传感器的等效电路uaCa（a）压

8、电传感器的等效电路a） 电压源 ;压电传感器的完整等效电路（a） 电压源 ; （b） 电荷源压电式传感器的测量电路（1）电压放大器（阻抗变换器）压电传感器接放大器的等效电路a） 放大器电路 ; （ b） 等效电路在图（ b）中，电阻 R=RaRi/（ Ra+Ri）, 电容 C=Cc+Ci ，而 ua=q/Ca，若压电元件受正弦力 f=Fm sin t 的作用，则其电压为 U U a a dFdFm m sinsin t t U Um m sinsin t t(a)Cab） 电荷源(b)U U i i d d3333F FUi 的幅值 Uim 为jRjR1 j j R(CR(Ca a C C )

9、 )U U imim ( ( ) )U Uimimd d3333F Fm mC Ca a C Cc c C Ci i式中： Um压电元件输出电压幅值， Um=dFm/Ca； d压电系数。由此可得放大器输入端电压 Ui ，其复数形式为d d3333 F Fm m R R12R R2( ( C Ca a C Cc c C Ci i ) )2输入电压和作用力之间相位差为2 arctanarctan (C(Ca a C Cc c C Ci i )R)R 在理想情况下，传感器的 Ra 电阻值与前置放大器输入电阻 Ri 都为无 限大，即 ( Ca+Cc+Ci) R1，理想情况下输入电压幅值 Uim 为上式

10、表明前置放大器输入电压 Uim 与频率无关，一般在 / 03 时，就可以认为 Uim 与无关， 0表示测量电路时间常数之倒数，即1 10 00 0 (C(Ca a C Cc c C Ci i )R)R2)电荷放大器增益运算放大器构成。由于运算放大器输入阻抗极高，放大器输入U U o o U Ud dC Cf fU Uo oC Ca a C Cc c C Ci i ( (1 A)CA)C f fU Uo oC CF F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 和高端几乎没有分流，故可略去 Ra 和 Ri 并联电阻 。式中 ： Uo放大器输出电压；Ucf反馈电容两端电压。由运算放大器基本特性， 可求出电荷放大器的输出电压AqAq通常 A=104108，因此,当满足 (1+A) Cf Ca+Cc+Ci 时，上式可表示为：4.总结压电式传感器，作为传感器的一种，它具有自己鲜明的特点。而且除了一些自然界中的晶体材料外，