压电式传感器发展史

1、压电式传感器的国内外现状及发展趋势压电效应(piezoelectric effect)是指某些介质在施加外力造成本体变形而产生带电状态 或施加电场而产生变形的双向物理现象，是正压电效应和逆压电效应的总称，一般习惯上压 电效应指正压电效应。当某些电介质沿一定方向受外力作用而变形时，在其一定的两个表面 上产生异号电荷，当外力去除后，又恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应(positive piezodielectric effect)。其中电荷大小与外力大小成正比，极性取决于变形是压缩还是伸长， 比例系数为压电常数，它与形变方向有关，在材料的确定方向上为常量。它属于将机械能转 化为电能的一种

2、效应。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。当在电介质的极化方向 施加电场，某些电介质在一定方向上将产生机械变形或机械应力，当外电场撤去后，变形或 应力也随之消失，这种物理现象称为逆压电效应(reverse piezodielectric effect)，又称电致伸 缩效应，其应变的大小与电场强度的大小成正比，方向随电场方向变化而变化。它属于将电 能转化为机械能的一种效应。用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。1880-1881 年，雅克(Jacques)和皮埃尔居里(Piere Curie)发现了这两种效应。压电式传感器的特点及发展历程压电式传感器是一种典型的自发电式传感器。它以某

3、些晶体受力后在其表面 产生电荷的压电效应为转换原理，压电品体是机电转化元件，它可以测量最终转 化为电的那些非电学物理量。例如力、压力、加速度等。压电式传感器具有灵敏 度高、使用频带宽、信噪比高、结构简量轻、工作可靠等优点。发展历程(分为三个阶段)第一个阶段是6070年代，传感器以电荷输出为主，测量系统包括压电传感 器和以电荷放大器为主的信号适调装置。第二阶段：到了 8090 年代中期，出现了 IEPE (InElectronics Piezoelectricity) 传感器，也被称为低阻抗电压输出传感器，它主要解决了压电信号以高阻抗传输 带来的一系列问题。第三阶段：90年代中期至今，即插即用智

4、能TEDS混合模式接口传感器。压电式传感器的发展趋势在我国压电传感器的研究与应用明显落后于世界先进水平。当我们正在致力 于经典传感器的开发、研制及其推广应用，以力求缩小与发达国家之间的差距之 时，信息技术的飞速发展，又在该领域结提出了新的课题、新的任务和新的方向， 这就是智能传感器的发展。智能传感器的发展是信息技术、知识经济在这一发展的必然产物和自然趋势。压电式传感器的应用1) PDVF压电式传感器.PDVF压电薄膜压电方程D = d T +e tEi ip PijijT是应力，E是电场强度，D是电位移，T是介电常数矩阵的转置矩阵，d 是压电应变常数矩阵，i,j=l、2、3，P=1、2、3、4

5、、5、6。PVDF拉伸极化后具有4mm点群的对称性。常选取x轴为拉伸方向，z 轴垂直于膜面平行于极化方向，Y轴右手定则选取。如下图所示计出正弦形状和余弦形状传感器，并推导出在远场，简谐波情况下，正弦形状和余弦形状传感器可以测量振动梁的可以 测量位移、角位移、速度、加速度、应变、应力、弯矩、剪 力。2）压电式加速传感器压电式加速度传感器由于具有良好的频率特性，以及量程大、结构简单、 工作可靠、安装方便等一系列优点，目前已经成为振动与冲击测试技术中使用最 为广泛的一种传感器。在各种冲击、振动传感器中，它约占总数的80%以上。目前世界各国用 做加速度传递标准的高频和中频标准加速度传感器都是压电式的。

6、工作原理在压电元件上，以一定的预紧力安装一个质量块，质量块上有一个弹簧 片，这是典型的惯性式传感器，如下左图所示；其简化的单自由度二阶力学系统 如右图所示。式中m质量块的质量；c一阻尼系数；k弹性系数；x一弹性块相对于传感器基座的位移：y一基座相对于大地的位移；, . 一、 一、）一振动物体的加速度，即传感器基座的振动加速度设 y = y sinw t 则有 mx + cx + kx = my 2 sin t 00c / 2 km式中：& 一无因次阻尼比n传感器的无阻尼谐振频率，即固有频率3物体的振动频率压电式加速度传感器的&非常小，一般为0.04，可以忽略不计。在设计 加速度传感器时，要尽量

7、提高加速度传感器的无阻尼谐振频率。在n 3即加速度传感器的无阻尼谐振频率远远大于物体的振动频率时，有：X = y/ n这就说明，质量块的相对位移X与物体振动加速度 成正比。压电元件在质量块的惯性力作用下，输出的电荷量对同一个加速度传感器而言，其dij和m均为常数。所以传感器输出的电荷Q与物体被测振动加速度成正比，这样就达到了压电式传感器测加速度的目的。在振动测量中应用压电式加速传感器被测对象的振动加速度信号经传感器拾振，由传感器电缆将加速度信号送入该系统电荷放大器，电荷放大器将信号转换为电压信号并放 大，通过数据采集测试仪采样，便实现了对信号的采集。采集得到的信号可以通 过计算机实时显示、分析

8、和处理，也可以保存以便二次处理。测试系统如图3-4 所示。测试系统各部分的作用：压电式加速度计把振动量转换成相应的电信号。为准确地进行测量，对加速度计有如下的基 本要求：（1）具有较宽的动态范围，即对非常低和非常高的振动都能精确地响应； （2）具有较宽的频率响应范围；（3）在其频率响应范围内具有良好的线性度；（4）对 环境干扰具有最低的灵敏度；（5）结构坚固，工作可靠，能够长时间保持稳定的 特性。电荷放大器压电加速度计产生的电荷量很小，输出阻抗很高，因此与它相连的仪器输入 阻抗的大小将对测量系统的性能产生重大影响。电荷放大器的作用就是：放大从 传感器输出的微弱信号，或者把它的电荷变成电压信号；输出电压归一化。即它 与不同灵