传感器课程考核论文

1、HEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY传感器原理及应用课程-考 核 论 文题 目 压电式传感器原理及应用-压电加速度传感器 班 级 机械设计制造及其自动化 学 号 姓 名 成 绩 机械与汽车工程学院 机械电子工程系二零一六 年 五 月压电式加速度传感器摘要本文介绍了压电式传感器的原理，及其在生活中的应用。还有压电式加速度传感器的结构和测量电路及JX32传感器相关数据及应用。关键词：压电式传感器 加速度 测量电路绪论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也叫有源传感器（或发电型传感器）。它以某些介质的压电效应为基础，在外力的作用下，在电介质的表面上产生电荷，

2、从而实现非电量电测的目的。它具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、质量轻等优点。因此压电式传感器在生活中有着广泛的应用。1、 压电式传感器（1） 压电式传感器的工作原理压电式传感器的工作原理是以某些物质的压电效应为基础。对这些物质沿其某一方向施加压力或拉力时会产生变形，由于内部电荷的极化现象，此时这种材料的两个表面将产生符号相反的电荷。将外力去掉后，它又重新回到不带电状态，这种现象被称为压电效应。把这种机械能转变为电能的现象称为“正压电效应”。反之，在某些物质的极化方向上施加电场，它会产生机械变形，当去掉外加电场后，该物质的变形随之消失，把这种电能转变为机械能的现象，称为“逆

3、压电效应”。它能实现机一电能量的相互转换。压电效应和逆压电效应：某些物质，当沿着一定方向对其加力而使其变形时，在一定表面上将产生电荷，当外力去掉后，又重新回到不带电状态，这种现象称为 压电效应 。如果在这些物质的极化方向施加电场，这些物质就在一定方向上产生机 械变形或机械应力，当外电场撤去时，这些变形或应力也随之消失，这种现 象称之为逆压电效应，或称之为电致伸缩效应。（2） 压电材料它可分为压电单晶、压电多晶和有机压电材料。压电式传感器中用得最多的是属于压电多晶的各类压电陶瓷和压电单晶中的石英晶体。其他压电单晶还有适用于高温辐 射环境的铌酸锂以及钽酸锂、镓酸锂、锗酸铋等。压电陶瓷有属于二元系的

4、钛酸钡陶瓷、锆钛酸铅系列陶瓷、铌酸盐系列陶瓷和属于三元系的铌镁酸铅陶瓷。压电陶 瓷的优点是烧制方便、易成型、耐湿、耐高温。缺点是具有热释电性，会对力学量测量造成干扰。有机压电材料有聚二氟乙烯、聚氟乙烯、尼龙等十余种高分子材 料。有机压电材料可大量生产和制成较大的面积,它与空气的声阻匹配具有独特的优越性,是很有发展潜力的新型电声材料。60年代以来发现了同时具有半导体特 性和压电特性的晶体，如硫化锌、氧化锌、硫化钙等。利用这种材料可以制成集敏感元件和电子线路于一体的新型压电传感器，很有发展前途。（三）主要参数1.压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数, 它直接关系到压电输出的灵敏度。2.压电材料的弹

5、性常数、 刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。3.对于一定形状、 尺寸的压电元件, 其固有电容与介电常数有关; 而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。4.在压电效应中,机械耦合系数等于转换输出能量(如电能)与输入的能量(如机械能)之比的平方根; 它是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。5.压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏, 从而改善压电传感器的低频特性。6.压电材料开始丧失压电特性的温度称为居里点温度。（四）材料结构1. 石 英 石英(SiO2)晶体结晶形状为六角形晶柱。两端为一对称的棱锥,六棱柱是它的基本组织,纵轴 z-z称作光轴,通过六角棱线而垂直于光轴的轴线 x-x 称作电

6、轴，垂直于棱面的轴线 y-y 称作机械轴。如果从晶体中切下一个平行六面体，并使其晶面分别平行于 z-z 、y-y 、x-x轴线，这个晶片在正常状态下不呈现电性。当施加外力时，将沿 x-x 方向形成电场，其电荷分布在垂直于 x-x 轴的平面上2.压电陶瓷 压电晶体与压电陶瓷的比较: 相同点:都是具有压电效应的压电材料。不同点:石英的优点是它的介电和压电常数的温度稳定性好，适合做工作温度范围很宽的传感器。极化后的压电陶瓷，当受外力变形后，由于电极矩的重新定位而产生电荷，压电陶瓷的压电系数是石英的几十倍甚至几百倍，但稳定性不如石英好，居里点也低。（五）测量电路1.等效电容量当压电传感器受到沿其敏感轴

7、向的外力作用时，就在两电极上产生极性相反的电荷，因此它相当于一个电荷源(静电发生器)。由于压电晶体是绝缘体，当它的两极表 面聚集电荷时，它又相当于一个电容器，其电容量为沿 x 轴方向加力产生纵向压电效应,沿 y 轴加力产生横向压电效应,沿相对两平面加力产生切向压电效应。2.等效电压当压电晶体受外力作用时，两表面产生等量的正、负电荷 Q ，可求出其开路电压(负载电阻为无穷大时)二、压电式加速度传感器（一）结构原理 压电式加速度传感器结构一般有纵向效应型、横向效应型和剪切效应型三种。纵向效应型是最常见的一种结构，如图所示。压电陶瓷和量块为环型，通过螺母对质量块进行预先加载，使之压紧在压电陶瓷上。测

8、量时加工传感器基座与被测对象牢牢的紧固在一起。书橱信号由电极引出。当传感器感受振动时，因为质量块相对被测体质量较小，因此质量块感受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，此力为F=ma。同时惯性力作用在压电陶瓷片上产生电荷为Q=d33F=d33ma此式表明电荷量直接反映加速度大小。它的灵敏度与压电材料压电系数和质量块质量有关。为了提高传感器灵敏度，一般选择压电系数大的压电陶瓷片。若增加质量块的质量会影响被测振动，同时降低振动系统的固有频率，因此一般不用增加质量块质量的方法来提高灵敏度。此外，用增加压电片的数目和采用合理的连接方法也可以提高传感器灵敏度。（二）压电式加速度传感器的

9、构成常用的压电式加速度计的结构形式如下图所示。S是弹簧，M是质块，B是基座，P是压电元件，R是夹持环。图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B与测试对象连接时，如果基座B有变形则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，易引起温度漂移。图c为三角剪切形，压电元件由夹持环将其夹牢在三角形中心柱上。加速度计感受轴向振动时，压电元件承，受切应力。这种结构对底座变形和温度变化有极好的隔离作用，有较高的共振频率和良好的线性。图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，

10、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。由压电元件的工作原理可知，压电式传感器可看作一个电荷发生器。同时，它也是一个电容器，晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板，极板间物质等效于一种介质，则其电容量为:ee=式中S为晶片电极面面积；r为压电材料的相对介电常数；0为真空介电常数。因此，压电传感器可以等效为一个与电容相串联的电荷源。压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此，它的测量电路通常需接入一个高输入阻抗的前置放大器，其作用如下：(1)把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗。 (2)放大传感器输出的微弱信号。本

11、设计中前置放大器采用电荷放大器。 压电传感器在实际使用时与测量仪器或测量电路相连接，因此还需考虑连接电缆的等效电容Cc、放大器的输入电阻Ri、输人电容Ci及压电传感器的泄漏电阻Ra，这样压电传感器在测量系统中的实际等效电路如图3所示。图中，KA为运算放大器增益。由于运算放大器的Ri极高，而Ra=1091014欧姆，所以可认为Ri和Ra是开路的。设运算放大器输人电压为Ui，输出电压为U0，根据运算放大器理论和电路理论得电荷量为Q=Ui(Ca+Cc+Ci)+(Ui-Uo)Cf式中Cf为反馈电容。将Uo=-AkUi代入上式中得Uo=AkQ/(Cc+Ca+Ci+Cf+ACf)若放大器开环增益

12、足够大，满足(1+AkCf)>>Ca+Cc+Ci时，上式可表示为：Uo=-Q/Cf由上可知，在一定情况下，电荷放大器的出电压与传感器的电荷量成正此，并且与电缆分布电容无关。因此，采用电荷放大器时，即使联接电缆长度在百米以上，其灵敏度也无明显变化，这是电荷放大器的突出优点。（三）传感器的选择在现代生产生活中被应用于许许多多的方面，如手提电脑的硬盘抗摔保护，目前用的数码相机和摄像机里，也有加速度传感器，用来检测拍摄时候的手部的振动，并根据这些振动，自动调节相机的聚焦。压电加速度传感器还应用于汽车安全气囊、防抱死系统、牵引控制系统等安全性能方面。压电加速度传感器的敏感芯体一般由压电材料和

13、附加质量块组成，当质量块受到加速度作用后便转换成一个与加速度成正比并加载到压电材料上的力，而压电材料受力后在其表面产生一个与加速度成正比的电荷信号。压电材料的特性决定了作用力可以是受正应力也可以是剪应力，压电材料产生的电荷大小随作用力的方向以及电荷引出表面的位置而变。根据压电材料不同的受力方法，常用传感器敏感芯体的结构一般有以下三种形式：. 压缩形式 压电材料受到压缩或拉伸力而产生电荷的结构形式。压缩式敏感芯体是加速度传感器中最为传统的结构形式。其特点是制造简单方便，能产生较高的自振谐振频率和较宽的频率测量范围。而最大的缺点是不能有效地排除各种干扰对测量信号的影响。.剪切形式 通过对压电材料施

14、加剪切力而产生电荷的结构形式。从理论上分析在剪切力作用下压电材料产生的电荷信号受外界干扰的影响甚小，因此剪切结构形式成为最为广泛使用的加速度传感器敏感芯体。然而在实际制造过程中，确保剪切敏感芯体的加速度计持有较高和稳定的频率测量范围却是传感器制造中工艺中最为困难的一个环节。北智BW-Sensor 采用进口记忆金属材料的紧固件从而保证传感器具有稳定可靠的谐振频率和频率测量范围。.弯曲变形梁形式- 压电材料受到弯曲变形而产生电荷的结构形式。弯曲变形梁结构可产生比较大的电荷输出信号，也较容易实现控制阻尼；但因为其测量频率范围低，更由于此结构不能排除因温度变化而极容易产生的信号漂移，所以此结构在压电型

15、加速度计的设计中很少被采用。（四）传感器的灵敏度与量程范围传感器的灵敏度是传感器的最基本指标之一。灵敏度的大小直接影响到传感器对振动信号的测量。不难理解，传感器的灵敏度应根据被测振动量（加速度值）大小而定，但由于压电加速度传感器是测量振动的加速度值，而在相同的位移幅值条件下加速度值与信号的频率平方成正比，所以不同频段的加速度信号大小相差甚大。大型结构的低频振动其振动量的加速度值可能会相当小，例如当振动位移为 1mm, 频率为1 Hz 的信号其加速度值仅为0.04m/s2(0.004g)；然而对高频振动当位移为0.1mm，频率为10 kHz的信号其加速度值可达4 x 10 5m/s2 (4000

16、0g)。因此尽管压电式加速度传感器具有较大的测量量程范围，但对用于测量高低两端频率的振动信号，选择加速度传感器灵敏度时应对信号有充分的估计。最常用的振动测量压电式加速度计灵敏度，电压输出型（IEPE 型）为50100 mV/g，电荷输出型为10 50 pC/g。1. 传感器的高频测量范围传感器的高频测量指标通常由高频截止频率来确定，而一定截止频率与对应的幅值误差相联系；所以传感器选用时不能只看截至频率，必须了解对应的幅值误差值。传感器的频率幅值误差小不仅是测量精度提高，更重要的是体现了传感器制造过程中控制安装精度偏差地能力。另外由于测量对象的振动信号频率带较宽，或传感器的固有谐振频率不够高，因

17、而被激发的谐振信号波可能会叠加在测量频带内的信号上，造成较大的测量误差。所以在选择传感器的高频测量范围时除高频截至频率外，还应考虑谐振频率对测量信号的影响；当然这种测量频段外的信号也可通过在测量系统中滤波器给予消除。2. 传感器的低频测量范围与传感器高频指标相对应，传感器的低频测量指标通常由低频截止频率来确定，同样一定低频截止频率与对应的幅值误差相关。和高频特性不同，传感器的低频特性与传感器的任何机械参数无关，而仅取决于传感器的电特性参数。当然传感器作为测量系统的某一部分，测量信号的低频特性还将受到与传感器配用的后继仪器电参数的制约。一般情况下传感器的高频截止频率与输出信号的形式（即电荷型或低

18、阻电压型）无关；而与传感器的结构设计，制造以及安装形式和安装质量都密切相关。以下表格是对不同型式加速度传感器的高频响应作一个定性的归类，供用户在选用时对比和（五）传感器的封装形式压电式传感器的工作原理是利用敏感芯体的压电效应，而压电材料产生的是高阻抗的电荷信号。传感器敏感芯体的绝缘阻抗与传感器的低频测量截止频率存在着相互对应的关系。为了保证传感器的低频响应，传感器壳体封装设计应使敏感芯体与外界隔绝，以防止压电陶瓷受到任何污染而导致其绝缘阻抗下降。敏感芯体绝缘阻抗下降对传感器性能造成的直接影响表现为低频响应变差，严重时还将造成传感器灵敏度改变。为保证传感器的密封特性，大多传感器的封装采用激光焊接

19、。同时在当今密封材料品种多样，性能日益完善的情况下，针对不同的使用环境，采用合适的密封材料替代激光焊接也能达到传感器密封的要求。但必须指出不同的密封材料效果差异很大。北智公司采用国外知名品牌的密封材料并经过通过了多年的环境厉行试验验证。在工业现场测试现场，为防止电磁场对传感器信号的影响，对用于工业现场的在线监测传感器往往要求传感器采用双重屏蔽壳封装形式。双层屏蔽结构的传感器输出接头一般采用双芯工业接头或联体电缆输出形式。由于双层屏蔽壳的结构特点和双芯输出电缆，传感器的高频特性一般将受到较大的制约，因此如果用户必须选用双层屏蔽型传感器进行高频振动信号测量，应谨慎考虑。三、应用实例：JX32系列压

20、电式加速度传感器JX32系列压电式加速度传感器是由内置压电式加速度敏感元件及放大、滤波等主要电路组成，它可测量从0.3Hz到最高8kHz的500g 以内的加速度。且输出形式多样，既可以有输出多种电压范围的电压输出型、又有ICP方式输出型以适合不同场合的应用。JX32系列压电式加速度传感器具有频率范围宽、动态范围大、坚固耐用、可靠性强、稳定性好、安装方便以及抗干扰能力强等优点。 (1) 应用范围 1、设备振动测量：JX32系列集成加速度传感器广泛应用于各行业设备运行状态监测。设备运行时的振动量是估量设备运行是否正常的重要指标。 2、冲击测量：大量应用于汽车安全气囊和安全带系统中。撞车时，传感器受到冲击，能在1 ms内输出一个幅度比例于冲击加速度的脉冲信号，当冲击加速度达到一定值时，该信号将使安全气囊爆发或使安全带锁紧，以保护乘车人的生命。   JX32系列集成加速度传感器与本公司生产的JX50系列机壳振动监测器配套使