武汉理工大学传感器大作业

1、压电式传感器-缪芸华 0121118700133 物流1101班压电式传感器是一种能量转换型传感。它既可以将机械能转换为电能，又可以将电能转化为机械能。它的工作原理是基于某些晶体受力后，在其表面产生电荷的压电效应。压电式传感器刚度大、固有频率高，一般都在几十千赫以上，配上适当的电荷放大器，能在低至接近0Hz，高达10Hz的范围内工作，尤其适合于测量迅速变化的参数；其测量值可到上百吨力，又能分辨出小到几克力。近年来压电测试技术发展迅速，特别是电子技术的迅速发展，使压电式传感器的应用越来越广泛。一、 工作原理某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表

2、面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。二、 测量的物理量及范围1.测量物理量 压电传感元件是力敏感元件，所以它能测量最终能变换为力的那些物理量，例如力、压力、速度、加速度、振动等许多非电量的测量，可做成力传感器、压力传感器、振动传感器等，在医药、军工、机械、土木等领域都有很多应用。  2测量范围 2.1由于外力作用而在压电材

3、料上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，即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。所以压电传感器主要用于测变压力和加速度。2 / 10 2.2 压电式传感器在测量低压力时线性度不好，这主要是传感器受力系统中力传递系数为非线性所致，即低压力下力的传递损失较大。所以不能用压电传感器测量变化缓慢的应力值。但是，可以在力传递系统中加入预加力，称预载。这除了消除低压力使用中的非线性外，还可以消除传感器内外接触表面的间隙，提高刚度。特别

4、是，它只有在加预载后才能用压电传感器测量拉力和拉、 压交变力及剪力和扭矩。  2.3压电传感器一般有220mA，而且该输出是在变形的瞬间才有的，而且一般阻抗很大，驱动负载能力可想而知，一般用来作传感信号源来用。能否作电源看要给什么样的线路使用 三、具体应用 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。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，

5、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。压电式加速度传感器构成元件       常用的压电式加速度计的结构形式如图所示，是由预压弹簧，质量块，基座，压电元件和外壳组成。图中为环形剪切型，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。四、压电式玻璃破碎报警器 1.压电

6、式玻璃破碎报警器简介 BS-D2压电式传感器是专门用于检测玻璃破碎的一种传感器， 它利用压电元件对振动敏感的特性来感知玻璃受撞击和破碎时产生的振动波。传感器把振动波转换成电压输出，输出电压经放大、滤波、比较等处理后提供给报警系统。BS-D2压电式玻璃破碎传感器的外形及内部电路如图6-14所示。传感器的最小输出电压为100mV，最大输出电压为100V，内阻抗为1520k。  报警器的电路框图如图6-15所示。使用时传感器用胶粘贴在玻璃上，然后通过电缆和报警电路相连。为了提高报警器的灵敏度，信号经放大后，需经带通滤波器进行滤波，要求它对选定的频谱通带的衰减要

7、小，而频带外衰减要尽大。由于玻璃振动的波长在音频和超声波的范围内， 这就使滤波器成为电路中的关键。只有当传感器输出信号高于设定的阈值时，才会输出报警信号，驱动报警执行机构工作。 玻璃破碎报警器可广泛用于文物保管、贵重商品保管及其它商品柜台保管等场合。2玻璃传感器的优缺点及改进方案 2.1缺点：缺点1：压电传感器本身的内阻抗很高，而输出信号微弱。 改进方案：测量电路通常接入一个高输入阻抗前置放大器。 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

8、阻抗输入的前置放大器)。 前置放大器的作用有两点：其一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；其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：一种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。本例采用电压放大器。 缺点2：低频响应范围小 改进方案：提高测量回路的电阻 如果被测物理量是缓慢变化的动态量，而测量回路的时间常数不大，则造成传感器灵敏度下降。 为了扩大传感器的低频响应范围，就必须尽量提高回路的时间常数。不能靠增加测量回路的电容量来提高时

9、间常数，因为传感器的电压灵敏度与电容成反比的，切实可行的办法是提高测量回路的电阻。由于传感器本身的绝缘电阻一般都很大，所以测量回路的电阻主要取决于前置放大器的输入电阻。放大器的输入电阻越大，测量回路的时间常数就越大，传感器的低频响应也就越好。 缺点3：输出电压灵敏度受电缆分布电容影响 改进方案：将放大器装入传感器中，组成一体化传感器。 由于不可避免地存在电荷泄漏，利用压电式传感器测量静态或准静态量值时，必须采取一定措施，使电荷从压电元件经测量电路的漏失减小到足够小的程度 压电式传感器在与电压放大器配合使用时，连接电缆不能太长。电缆长，电缆电容Cc就大，电

10、缆电容增大必然使传感器的电压灵敏度降低。电缆长度对传感器测量精度的影响较大，在一定程度上限制了压电式传感器在某些场合的应用。 2.2优点： （1）电压放大器与电荷放大器相比，电路简单，元件少，价格便宜，工作可靠 （2）体积小，重量轻，刚度，强度，承载能力和测量范围大，动态相应频带宽，动态误差小 （3）易于大量生产，便于选用，使用和校准方便并适于近测，遥测 （4）压电式传感器突出优点：高频响应相当好。  3.技术指标生产厂家及生产价格 3.1基本参数指标 量程指标：量程范围、过载能力等；灵敏度指标；灵敏度、

11、分辨力、满量程输出等；精度有关指标：精度、误差、线性、滞后、重复性、灵敏度误差、稳定性动态性能指标：固有频率、阻尼比、时间常数、频率响应范围、频率特性、临界频率、临界速度、稳定时间等 3.2环境参数指标 温度指标：工作温度范围、温度误差、温度漂移、温度系数、热滞后等抗冲振指标：容许各向抗冲振的频率、振幅及加速度、冲振所引入的误差其它环境参数：抗潮湿、抗介质腐蚀能力、抗电磁场干扰能力等 3.3可靠性标 工作寿命、平均无故障时间、保险期、疲劳性能、绝缘电阻、耐压及抗飞弧等 3.4 其他指标 使用有关指标：供电方式（直流、交流、频

12、率及波形等）、功率。各项分布参数值、电压范围与稳定度等；外形尺寸、重量、壳体材质、结构特点等；安装方式、馈线电缆等 例如压电传感器AW10CT0201-51压电超声传感器,技术指标主要有:额定功率(W): 7.5超声功率计 标准测试环境: T=25+/-5摄氏度  谐振频率kHz 51+/-1.0 4294A 1V 阻抗分析仪  谐振阻抗:100 4294A 1V阻抗分析仪  静电电容PF 1200+/-20% LC

13、R, at 1000Hz/1V  机电耦合系数0.35 4294A 1V 阻抗分析仪  绝缘阻抗M ohms: 1000绝缘阻抗计, DC250V  额定功率(W): 7.5超声功率计  可能生产产家有：金汇盛实业有限公司 ，广州市番禺奥迪威电子有限公，兆福企业有限公司 价格为185￥/个五、对课程教学的建议传感器在我们学习生活中无处不见，涉及到我们生活的各个方面。根据其作用也有许多不同的分类，比如：激光传感器，温度传感器，热敏电阻传感器，谐振式传感器。我觉得这门课需要结合实际的，各项传感器有各自的性能，我希望老师在教会我们理论知识的同时，让我们更多的接触一些传感器，将理论知识运用到实际中。六、参考文献1. 参考教材张洪润.传感器原理及应用. 清华大学出版社.2008. ISBN: 7