壓電式傳感器論文

1、傳感器與檢測(cè)技術(shù) 課程論文2014年6月27日 【摘要】壓電式傳感器的工作原理是基于某些介質(zhì)材料的壓電效應(yīng)，是典型的有源傳感器。當(dāng)材料受力作用而變形時(shí)，其表面會(huì)有電荷產(chǎn)生，從而實(shí)現(xiàn)非電量的測(cè)量。壓電式傳感器具有體積小、重量輕、工作頻帶寬等特點(diǎn)，因此在各種動(dòng)態(tài)力、機(jī)械沖擊與振動(dòng)的測(cè)量，以及聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、宇航等方面都得到了非常廣泛的應(yīng)用。本文介紹了壓電式傳感器的原理、測(cè)量電路并列舉了重要應(yīng)用【關(guān)鍵詞】壓電傳感器，壓電效應(yīng)，測(cè)量電路，應(yīng)用【引言】壓電現(xiàn)象是100多年前居里兄弟研究石英時(shí)發(fā)現(xiàn)的。居里兄弟在研究熱電性與晶體對(duì)稱，發(fā)現(xiàn)正負(fù)電荷，而且電荷密度與壓力大小成正比。居里兄弟所報(bào)道的這些晶體就有

2、后來(lái)廣為研究的鐵電體酒石酸鉀鈉（羅息鹽）。1881年，應(yīng)用熱力學(xué)原理預(yù)言了逆壓電效應(yīng)，即電場(chǎng)可以引起與之成正比的應(yīng)變。很快這一預(yù)言被居了里兄弟用實(shí)驗(yàn)所證實(shí)了。一、壓電原理和基本特性壓電式傳感器的工作原理是基于某些介質(zhì)材料的壓電效應(yīng)，是一種典型的有源傳感器。通過(guò)材料受力作用變形時(shí)，氣表面會(huì)有電荷產(chǎn)生而實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量。 壓電式傳感器是基于壓電效應(yīng)的傳感器。是一種自發(fā)電式和機(jī)電轉(zhuǎn)換式傳感器。它的敏感元件由壓電材料制成。壓電材料受力后表面產(chǎn)生電荷。此電荷經(jīng)電荷放大器和測(cè)量電路放大和變換阻抗后就成為正比于所受外力的電量輸出。壓電式傳感器是以具有壓電效應(yīng)的器件為核心組成的傳感器。由于壓電效應(yīng)具有順、逆兩種

3、效應(yīng)，所以壓電器件是一種典型的雙向有源傳感器?；谶@一特性，壓電器件已被廣泛應(yīng)用于超聲、通信、宇航、雷達(dá)和引爆等領(lǐng)域，并與激光、紅外、微波等技術(shù)相結(jié)合，將成為發(fā)展新技術(shù)和高科技的重要條件”。壓電式傳感器用于測(cè)量力和能變換為力的非電物理量。它的優(yōu)點(diǎn)是頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠和重量輕等。缺點(diǎn)是某些壓電材料需要防潮措施，而且輸出的直流響應(yīng)差，需要采用高輸入阻抗電路或電荷放大器來(lái)克服這一缺陷。二、壓電傳感器的分類按壓電介質(zhì)可分為三類，分別是石英晶體、壓電陶瓷和高分子壓電材料。1.石英晶體石英晶體是一種天然形成的性能極為優(yōu)異的單晶體壓電材料。它具有穩(wěn)定性好、可靠性高、響應(yīng)速度快、壓

4、電常數(shù)自然變化率低(在20-200時(shí)，僅為-0.0001/攝氏度)等特點(diǎn)，廣泛用于制作標(biāo)準(zhǔn)傳感器以及高精度傳感器。2.壓電陶瓷壓電陶瓷是一種人工合成的多晶體壓電材料，內(nèi)部具有大址微觀極化區(qū)。無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí)，各極化區(qū)在晶體中呈雜散狀、極化方向各異。因此壓電陶瓷平時(shí)呈電中性。當(dāng)施加外電場(chǎng)時(shí)，極化方向統(tǒng)一。此時(shí)圍繞原子核的電子獲得動(dòng)能脫離原子核束縛成為自由電子。這些自由電子和失去電子顯正電性的原子核在外電場(chǎng)作用下逐漸形成內(nèi)部微弱勢(shì)壘電場(chǎng)。從電工學(xué)理論可知，微觀上所謂勢(shì)壘電場(chǎng)就是“兩側(cè)堆積電性各異電子組成的作用范圍”，宏觀上表現(xiàn)為壓電陶瓷表面呈現(xiàn)大量電荷。壓電陶瓷不同于自然界其他電介質(zhì)，在外電場(chǎng)失去時(shí)

5、，其內(nèi)部極化區(qū)仍存有很強(qiáng)剩余極化強(qiáng)度，如沿極化方向施加外力，其表面也能產(chǎn)生電荷。換句話說(shuō)，壓電陶瓷也具有壓電效應(yīng)。常用的壓電陶瓷有鉆欽酸鉛系列壓電陶瓷(PZT)、非鉛系壓電陶瓷等。3.高分子壓電材料高分子壓電材料是近年來(lái)發(fā)展較快的一種新型壓電材料。它的特點(diǎn)是壓電常數(shù)較高，如聚偏二氟乙烯(PVF2或PVDF)的壓電常數(shù)比壓電陶瓷高十幾倍，其輸出脈沖電壓可直接驅(qū)動(dòng)CMOS集成門電路。這種材料質(zhì)地柔軟，可以拉伸成薄膜或套管狀。另外，價(jià)格便宜，不易破碎，具有防水性。其測(cè)量范圍可達(dá)80dB,頻響范圍從0.1Hz直至10九次方Hz?？梢?jiàn)它是一種較為理想的電聲材料。高分子壓電材料的工作溢度適用范圍為100以

6、下，機(jī)械強(qiáng)度較低，不耐紫外線照射。 三、原理簡(jiǎn)介壓電傳感器的等效電路（a） 電壓源; （b） 電荷源壓電傳感器的完整等效電路（a） 電壓源; （b） 電荷源壓電式傳感器的測(cè)量電路 （1）電壓放大器（阻抗變換器）壓電傳感器接放大器的等效電路（a） 放大器電路; （b） 等效電路在圖（b）中，電阻R=RaRi/(Ra+Ri),電容C=Cc+Ci，而ua=q/Ca，若壓電元件受正弦力f=Fm sint的作用，則其電壓為 式中： Um壓電元件輸出電壓幅值， Um=dFm/Ca； d壓電系數(shù)。 由此可得放大器輸入端電壓Ui，其復(fù)數(shù)形式為 Ui的幅值Uim為 輸入電壓和作用力之間相位差為 在理想情況下，傳

7、感器的Ra電阻值與前置放大器輸入電阻Ri都為無(wú)限大，即(Ca+Cc+Ci)R1，理想情況下輸入電壓幅值Uim為 上式表明前置放大器輸入電壓Uim與頻率無(wú)關(guān)，一般在/03時(shí)，就可以認(rèn)為Uim與無(wú)關(guān)，0表示測(cè)量電路時(shí)間常數(shù)之倒數(shù)，即 （2）電荷放大器電荷放大器等效電路電荷放大器常作為壓電傳感器的輸入電路，由一個(gè)反饋電容CF和高增益運(yùn)算放大器構(gòu)成。由于運(yùn)算放大器輸入阻抗極高， 放大器輸入端幾乎沒(méi)有分流，故可略去Ra和Ri并聯(lián)電阻。 式中 ： Uo放大器輸出電壓； Ucf反饋電容兩端電壓。 由運(yùn)算放大器基本特性， 可求出電荷放大器的輸出電壓通常A=104108，因此,當(dāng)滿足(1+A)CfCa+Cc+C

8、i時(shí)，上式可表示為： 四、應(yīng)用背景及實(shí)例1、壓電式測(cè)力傳感器壓電式測(cè)力傳感器是利用壓電元件直接實(shí)現(xiàn)力-電轉(zhuǎn)換的傳感器，在拉、壓場(chǎng)合，通常較多采用雙片或多片石英晶體作為壓電元件。其剛度大，測(cè)量范圍寬，線性及穩(wěn)定性高，動(dòng)態(tài)特性好。當(dāng)采用大時(shí)間常數(shù)的電荷放大器時(shí)，可測(cè)量準(zhǔn)靜態(tài)力。按測(cè)力狀態(tài)分，有單向、雙向和三向傳感器，它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)上基本一樣。圖所示為壓電式單向測(cè)力傳感器的結(jié)構(gòu)圖。傳感器用于機(jī)床動(dòng)態(tài)切削力的測(cè)量。絕緣套用來(lái)絕緣和定位?；鶅?nèi)外底面對(duì)其中心線的垂直度、上蓋及晶片、電極的上下底面的平行度與表面光潔度都有極嚴(yán)格的要求，否則會(huì)使橫向靈敏度增加或使片子因應(yīng)力集中而過(guò)早破碎。為提高絕緣阻抗，傳感器裝

9、配前要經(jīng)過(guò)多次凈化（包括超聲波清洗），然后在超凈工作環(huán)境下進(jìn)行裝配，加蓋之后用電子束封焊。壓電式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)類型很多，但它們的基本原理與結(jié)構(gòu)仍與壓電式加速度和力傳感器大同小異。突出的不同點(diǎn)是，它必須通過(guò)彈性膜、盒等，把壓力收集、轉(zhuǎn)換成力，再傳遞給壓電元件。為保證靜態(tài)特性及其穩(wěn)定性，通常多采用石英晶體作為壓電元件。2、壓電式加速度傳感器圖所示為壓縮式壓電加速度傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖，壓電元件一般由兩片壓電片組成。在壓電片的兩個(gè)表面上鍍銀層，并在銀層上焊接輸出引線，或在兩個(gè)壓電片之間夾一片金屬，引線就焊接在金屬片上，輸出端的另一根引線直接與傳感器基座相連。在壓電片上放置一個(gè)比重較大的質(zhì)量塊，然后用

10、一硬彈簧或螺栓、螺帽對(duì)質(zhì)量塊預(yù)加載荷。整個(gè)組件裝在一個(gè)厚基座的金屬殼體中，為了隔離試件的任何應(yīng)變傳遞到壓電元件上去，避免產(chǎn)生假信號(hào)輸出，所以一般要加厚基座或選用剛度較大的材料來(lái)制造。測(cè)量時(shí)，將傳感器基座與試件剛性固定在一起。當(dāng)傳感器感受到振動(dòng)時(shí)，由于彈簧的剛度相當(dāng)大，而質(zhì)量塊的質(zhì)量相對(duì)較小，可以認(rèn)為質(zhì)量塊的慣性很小，因此質(zhì)量塊感受到與傳感器基座相同的振動(dòng)，并受到與加速度方向相反的慣性力作用。這樣，質(zhì)量塊就有一正比于加速度的交變力作用在壓電片上。由于壓電片具有壓電效應(yīng)，因此在它的兩個(gè)表面上就產(chǎn)生了交變電荷（電壓），當(dāng)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于傳感器固有頻率時(shí)，傳感器的輸出電荷（電壓）與作用力成正比，即與試件

11、的加速度成正比。輸出電量由傳感器輸出端引出，輸入到前置放大器后就可以用普通的測(cè)量器測(cè)出試件的加速度，如在放大器中加進(jìn)適當(dāng)?shù)姆e分電路，就可以測(cè)出試件的振動(dòng)加速度或位移。3、壓電式金屬加工切削力測(cè)量4、壓電式玻璃破碎報(bào)警器5、壓電晶體振蕩器壓電晶體振蕩器是將機(jī)械振動(dòng)變?yōu)橥l率的電震蕩的器件。廣泛用于軍事通信和精密電子設(shè)備，小型電子計(jì)算機(jī)，以及石英鐘表內(nèi)。6、壓電高壓發(fā)生器由于壓電陶瓷具有極高的靈敏度，壓電高壓發(fā)生器利用正壓效應(yīng)可以把振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電能，還可以獲得高電壓輸出。這種獲得高電壓的方法可以用來(lái)做引燃裝置，如給汽車火花塞、煤氣灶、打火機(jī)、炮彈的引爆壓電雷管等點(diǎn)火。7電聲換能器電聲換能器利用逆壓電

12、效應(yīng)可以把電能轉(zhuǎn)換成聲能，因此可用壓電晶體制成揚(yáng)聲器、耳機(jī)、蜂鳴器等。特別是超聲發(fā)生器，目前這種超聲波已廣泛應(yīng)用于海洋探測(cè)、固體探傷、醫(yī)療檢查、清洗、治療疾病等方面。8、其它應(yīng)用壓電式加速度傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、測(cè)量的頻率范圍大、性能穩(wěn)定、輸出線性好等優(yōu)點(diǎn)。尤其是它沒(méi)有活動(dòng)部件，因此維護(hù)方便、使用壽命長(zhǎng)。它是測(cè)量振動(dòng)和沖擊的一種較為理想的傳感器。壓電式加速度傳感器在控制手柄振動(dòng)和搖晃，儀器儀表，汽車制動(dòng)啟動(dòng)檢測(cè)，地震檢測(cè)，報(bào)警系統(tǒng)，玩具，結(jié)構(gòu)物、環(huán)境監(jiān)視，工程測(cè)振、地質(zhì)勘探、鐵路、橋梁、大壩的振動(dòng)測(cè)試與分析；鼠標(biāo)，高層建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性和安全保衛(wèi)振動(dòng)偵察上都有廣泛應(yīng)用。尤其是在個(gè)人

13、電子產(chǎn)品領(lǐng)域中的應(yīng)用更有它的特殊地位。 例如某些高端型號(hào)的IBM Thinkpad筆記本電腦里就內(nèi)置了加速度傳感器，能夠動(dòng)態(tài)的檢測(cè)出筆記本在使用中的振動(dòng)，并根據(jù)這些振動(dòng)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會(huì)智能的選擇關(guān)閉硬盤還是讓其繼續(xù)運(yùn)行，這樣可以最大程度的保護(hù)由于振動(dòng)，比如顛簸的工作環(huán)境，或者不小心摔了電腦做造成的硬盤損害，最大程度的保護(hù)里面的數(shù)據(jù)。另外一個(gè)用處就是目前用的數(shù)碼相機(jī)和攝像機(jī)里也有加速度傳感器，用來(lái)檢測(cè)拍攝時(shí)候的手部的振動(dòng)，并根據(jù)這些振動(dòng)，自動(dòng)調(diào)節(jié)相機(jī)的聚焦，來(lái)使照片更加清晰。 五、總結(jié) 壓電式傳感器，作為傳感器的一種，它具有自己鮮明的特點(diǎn)。而且除了一些自然界中的晶體材料外，我們還有人工材料壓電陶瓷。他的應(yīng)用也十分的廣泛，在聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、宇航、振動(dòng)測(cè)量、機(jī)械沖擊都有不錯(cuò)的涉及。而隨著科技的發(fā)展，人工材料會(huì)制作的更加完美，壓電式傳感器就會(huì)更加適合人們的要求。壓電式傳感器和科技互相推動(dòng)互相發(fā)展。【參考文獻(xiàn)】1蔣澤民,高俊啟,季天劍.壓電傳感器測(cè)量路面動(dòng)水壓力研究J.傳感器與微系統(tǒng)，20122陳政,鐘匯才,李慶等.基于PVDF壓電傳感器的車輛動(dòng)態(tài)稱重信號(hào)的研究J.傳感器與微系統(tǒng),2012.3Optim