传感器原理及工程应用-压电式传感器原理及应用(已通过)

1、 传感器原理及工程应用题目：压电式传感器系部：专业：班级：姓名：学号：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。传感器广泛应用于工程测试中，是一种获取信息的装置。在现代科学技术发展中，传感器起着越来越重要的地位。传感器技术是关于传感器

2、设计，制造及应用的综合技术。它是信息技术的三大支柱之一，位于信息技术的最前端。传感器的种类繁多，有力传感器，速度传感器，加速度传感器，温度传感器等等，本文主要就压电式传感器进行探讨。一、压电式传感器特性压电式传感器具有尺寸小、重量轻、工作频率宽，信噪比大等特点，可以测量变化很快的动态压力、加速度、振动等,但不能用于静态参数的测量。在自然界中大多数晶体具有压电效应，但压电效应十分微弱。石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。二、压电式传感器的基本原理1、压电效应压电式传感器是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

3、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。常见有以下几种压电效应模型（见图1）图2 纵向效应（b）横向效应3）切向效应压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。正压电效应是指：当晶体受到某固定方向外力的作用时，内部就产生电极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。逆压电效应是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象，又称电致伸缩效应。用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。压电敏感元

4、件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型5种基本形式（见图2）悴F!塑懵咻id）厚度1e甲面幼变塑圧电歌抽元件曼*吏影的几許羞*带孟 压电晶体是各向异性的，并非所有晶体都能在这5种状态下产生压电效应。例如石英晶体就没有体积变形压电效应，但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。压电式传感器大致可以分为4种，即：压电式测力传感器，压电式压力传感器，压电式加速度传感器及高分子材料压力传感器。2、压电材料（piezoelectricmaterial）选用合适的压电材料是设计高性能传感器的关键。一般应考虑一下几个方面：（1）转换性能：具有较高的耦合系数或具有较大的压电常数

5、。（2）机械性能：压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、机械刚度大。以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。（3）电性能：希望具有高的电阻率和大的介电常数，以期望减弱外部分布电容的影响而获得良好的低率特性。（4）温度和湿度稳定性要好：具有较高的居里点、以期望得到宽的工作温度范围。（5）时间稳定性：压电特性不随时间蜕变。常见的压电材料有：石英、钛酸钡陶瓷、钙钛矿型的铌酸盐等，下面简单介绍两种：钛酸钡压电陶瓷：钛酸钡（BaTiO3）是由碳酸钡（BaCO3）和二氧化钛（TiO2）按1：1分子比例在高温下合成的压电陶瓷。它具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为石英晶体的50倍）。不足之处是居里点

6、温度低（120C）,温度稳定性和机械强度不如石英晶体。高分子压电材料：某些合成高分子聚合物薄膜经延展拉伸和电场极化后，具有一定的压电性能，这类薄膜称为高分子压电薄膜。目前出现的压电薄膜有聚二氟乙烯PVF2、聚氟乙烯PVF、聚氯乙烯PVC、聚y甲基-L谷氨酸脂PMG等。高分子压电材料是一种柔软的压电材料，不易破碎，可以大量生产和制成较大的面积。三、压电式传感器的等效电路测量电路压电传感器具有两种等效电路：电荷等效电路和电压等效电路，因此其测量电路的前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器1、电荷放大器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和高增益运算放大器构成。由于运算放

7、大器输入阻抗极高，放大器输入端几乎没有分流,故可略去Ra和Ri并联电阻。quu_odCf式中：uo放大器输出电压；ucf反馈电容两端电压。电荷放大等效路电荷放大器的输出电压uo只取决于输入电荷与反馈电容Cf，与电缆电容Cc无关，且与q成正比，这是电荷放大器的最大特点。为了得到必要的测量精度,要求反馈电容Cf的温度和时间稳定性都很好，在实际电路中，考虑到不同的量程等因素，Cf的容量做成可选择的，范围一般为100104pF2、电压放大器（阻抗变换器）图6-9（a）、（b）是电压放大器电路原理图及其等效电路。在图6-9（b）中，电阻R=RaRi/（Ra+Ri），电容C=Cc+Ci,而ua=q/Ca，

8、若压电元件受正弦力f=Fmsinet的作用，则其电压为dFsint=Usintm式中：Um压电元件输出电压幅值，Um二dFm/Ca；d压电系数。图电压放大器电路原理及其等效电路图（a）放大器电路；（b）等效电路i四、压电式压力传感器原理和结构压电式压力传感器（piezoelectrietypepressuretransducer）:基于压电效应的压力传感器。它的种类和型号繁多，按弹性敏感元件和受力机构的形式可分为膜片式和活塞式两类。膜片式主要由本体、膜片和压电元件组成（见图4）。压电元件支撑于本体上，由膜片将被测压力传递给压电元件，再由压电元件输出与被测压力成一定关系的电信号。这种传感器的特点

9、是体积小、动态特性好、耐高温等。现代测量技术对传感器的性能出越来越高的要求。例如用压力传感器测量绘制内燃机示功图，在测量中不允许用水冷却，并要求传感器能耐高温和体积小。压电材料最适合于研制这种压力传感器。目前比较有效的办法是选择适合高温条件的石英晶体切割方法，例如XYd（+20。+30）割型的石英晶体可耐350C的高温。而LiNbO3单晶的居里点高达1210C,是制造高温传感器的理想压电材料。图4五、影响压电式传感器精度的因素分析1、非线性压电传感器的幅值线性度是指被测物理量（如力、压力、加速度等）的增加,其灵敏度的变化程度。2、横向灵敏度压电加速度传感器的横向灵敏度是指当加速度传感器感受到与

10、其主轴向（轴向灵敏度方向）垂直的单位加速度振动时的灵敏度，一般用它与主轴向灵敏度的百分比来表示，称为横向灵敏度比。3、环境温度的影响环境温度的变化对压电材料的压电常数和介电常数的影响都很大，它将使传感器灵敏度发生变化，压电材料不同，温度影响的程度也不同。当温度低于400C时，其压电常数和介电常数都很稳定。4、湿度的影响环境湿度对压电式传感器性能的影响也很大。如果传感器长期在高湿度环境下工作，其绝缘电阻将会减小，低频响应变坏。5、接地回路噪音在测试系统中接有多种测量仪器，如果各仪器与传感器分别接地，各接地点又有电位差，这便在测量系统中产生噪音。防止这种噪音的有效办法是整个测量系统在一点接地。而且

11、选择指示器的输入端为接入点。六、测量物理量及范围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1）由于外力作用而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，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）压电式传感器在测量低压力时线性

12、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。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。七、压电式传感器的举例应用1、压电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

13、，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1520kQ。(a)(b)图BS-D2压电式玻璃破碎传感器（a）外形；（b）内部电路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小，而频带外衰减要尽量大。由于玻璃振动的波长在音频和

14、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。压电式玻璃破碎报警器电路框图玻璃传感器的优缺点及改进方案缺点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

15、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

16、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。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。八、结论实践证明，传感器技术开始向高精度化，一体化，小型化，智能化等方向发展。它在我们生活领域中起着非常重要的作用。便于生产与生活，特别有利于我们这个专业以后的生产测量。而上面的玻璃传感器就起着报警防范的作用。压电式传感器可用于力、压力