1、题目压电式传感器的应用与发展_ 系别：_ 电子系_ 班级：_ 姓名：_ 完成时间：_ 2014 年 6 月 9 日_ 1 压电式传感器的应用与发展 摘要： 压电式传感器是以某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原 理的 传感器。压电式传感器具有体积小、重量轻、频带宽。灵敏度高等优点。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。压电传感元件是力敏感元件，所以它能测量最终能变化为力的 哪些物理量， 例如力、压力、加速度等。另外，压电式传感器在工程力学、生物 医学、石油勘测、 声波测井、电声学等许多技术领域中也获得了广泛的应用。本 文主要重
2、点介绍压电 式传感器的工作原理，应用及其发展趋势。 关键词：压电；传感器；原理；发展；应用 1 目录 1 引言.2 2 压电式传感器的基本原理 .2 2.1 压电效应.2 2.2 压电材料.3 3 压电式传感器在行业中的应用 .4 3.1 在航空航天领域的应用 . 4 3.2 在土木工程领域中的应用 .4 3.3 在医学领域的应用 . 4 4 压 电式传感器运用的基本方法 .5 4.1 传感器的等效电路 . 5 4.2 压电晶片的串联与并联 . 5 4.3 测量电路.5 5 压电式传感器在具体工程中的应用 .6 5.1 压电制动器 .6 5.2 新型声发射传感器 . 6 5.3 压电陀螺.6
3、6 压电式传感器的发展趋势 .7 6.1 向高精度发展 .7 6.2 向高可靠性、宽温度范围发展 .7 6.3 向微型化方向发展. 7 6.4 向智能化数字化发展 . 7 7 参考文献. 8 2 1 引言 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。 压电材料受到力后表面产生电荷。 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
4、，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这 一缺陷。I I 2 压电式传感器的基本原理 2.12.1 压电效应 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。压电敏感元件的受力变形有厚
5、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 5 种基本形式，如下图所示。压电晶体是各 向异性的，并非所 有晶体都能在这 5 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。 3 压电式祐虧器 2.22.2 压电材料 压电式传感器可分为压电单晶、 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 属于二兀系的钛酸钡陶瓷、锆钛酸铅系列陶瓷、铌酸盐系列陶瓷和属于三兀 系的铌镁 酸铅
6、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。6060 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。压电式传感器大致可以分为 4 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。 3 压电式传感器在行业中的
7、应用 3.13.1 在航空航天领域的应用 目前，在太空环境中实现结构的损伤监测普遍采用压电片阵列进行传感，通 4 过传感器所得到的结构动态应变信息对其损伤的程度和位置进行监测，而且可 为太空结构的优化设计和合理制造提供可靠数据。 在航空领域, ,飞机表层采用智 能材 料结构形成智能表层，可以协助飞机结构安全监测、飞机控制系统通信、导 航、雷达 以及光电系统的工作，并有助于电子战争。埋入飞机表层的传感器和处 理单元可以共 用，从而可减少信号源重叠，降低成本，减少动力消耗，减轻重量, ,提 高系统功能与 维护能力。在航天领域, ,空间大型结构需要在地面组装进一较小容 器内, ,到达预定轨道 后再展
8、开成大型结构，因此, ,可利用智能材料结构的自适应技 术，采用传感器测量目 前结构状态偏离希望状态的程度，同时, ,控制驱动器调整 结构，以满足结构展开的精度要求压电智能结构用于空间柔性结构的减振降噪， 研究成果也比较丰富。如波音防御与空间集团公司进行的智能结构抑制直升机旋 翼振 动的研究， 弗吉尼亚理工学院与州立大学从事的降低飞机座舱振动与噪声的 研究， NASNASA A 勺兰立研究中心与麻省理工学院一起在 F/F/ A18E/A18E/ F F 模型上研究用智 能结构控制机翼 的颤振，以及用于飞行器三维封闭空间内部噪声的控制。 3.23.2 在土木工程领域中的应用 采用压电传感器测量结构
9、振动所引起的动态应变，实现结构的振动监测 1818 ;将先进的传感元器件网络嵌入或以其他方式集成在传统的土木结构中， 通过在线实时获取与结构健康状况相关的信息（如，应力、应变、温度等），）， 对结构 的冲击、损伤、缺陷等状态进行实时监测和控制，实现健康自诊断，以 保证工程结构和基础设施的安全可靠及降低维修费用；采用压电传感器和执行器 对刚 架桥梁的螺钉松动情况进行监测；还可以利用压电传感器测量材料破坏时的 声发射信 号，从而得知裂纹的位置，以及通过测量冲击激起的弹性波信号实现 冲击的定位等。 3.33.3 在医学领域的应用 利用 PVDFPVDF 薄膜的压电、热电特性以及柔软性，与人体皮肤匹配
10、性好的特点， 可 制成多种医用传感器。PVDFPVDFffi电薄膜的红外光谱在 7 72020 卩 m m 波长范围有很强 的吸 收, ,而人体的热辐射也基本处于这个范围，因此, ,它可用于人体探测、热电夜 视设备、 激光束探测等方面。 PVPVD D压电薄膜的频率响应范围很宽， 其低限截止频 率约为0.0010.001 Hz,Hz, 因此, ,用 PVDFPVDF 压电薄膜做成松紧性胸带或腰带，通过匹配不同 的电荷放大器可以同时 获取呼吸（约 0.2Hz0.2Hz）和心跳（约 1Hz1Hz）信号，并能长期、实时 监测。 5 4 压电式传感器运用的基本方法 4.14.1 传感器的等效电路 压电
11、晶片受外力作用时，将在两个电极表面产生电荷，这时它相当于一个以 压电 材料为电介质的电容器， 因此， 可以把压电式传感器等效为一个与电容并联 的电荷源， 也可以等效为一个与电容串联的电压源必须指出的是，上述等效电路 及其输出，只有在压电器件本身理想绝缘、无泄漏、输出端开路（即）的条件下 才成 立。在构成传感器时，总要利用电缆将压电器件接入测量线路或仪器。这样 就引入了电缆的分布电容、测量放大器的输入电阻 R R 和电容等形成的负载阻 抗影响。 4.24.2 压电晶片的串联与并联 实际应用中为提高传感器的灵敏度，通常将多个压电晶片组合在一起使用，连接 方法有两种：并联或串联。压电晶片串联时，输出
12、电压比单片时提高一倍， 输出电荷 量则保持不变。压电晶片并联时，输出电压与单片时相同，而输出电荷 量则是单片时 的两倍。 4.34.3 测量电路 压电式传感器的内阻抗很高， 而输出的信号很弱， 因此一般不能直接显示和 记录， 也不能做静态信号的测量。它的测量电路需要一个高输入阻抗的前置放大 器作为阻抗 匹配，这样才能防止电荷迅速泄漏，从而使测量误差减小。压电式传 感器的前置放大 器有两个作用：一是阻抗变换（把压电式传感器的高输出阻抗变 换成低阻抗输出）； 二是放大压电式传感器输出的微弱信号。压电式传感器的输 出信号可以是电压，也可 以是电荷。因此，前置放大器也有两种形式：一种是电 压放大器，它
13、的输出电压与输 入电压（传感器的输出电压）成正比；一种是电荷 放大器，其输出电压与传感器的输出电荷成正比。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，但是，电缆长度对测量精度的影响较 大，而 使用电荷放大器则可以在一定的条件下， 使传感器的灵敏度与电缆长度无 关。 6 5 压电式传感器在具体工程中的应用 5.15.1 压电制动器 当汽车在低速行驶过程中，制动片接触转子会产生振动，有时表现为刺耳的 噪 音。这种噪音虽不影响制动的性能，但却会导致不必要的更换制动片和加装用 于消除 噪音的垫片、消音材料和其他部件。在汽车的制动器活塞里安装一种简单 的压电陶瓷 制动器，向内部
14、制动块的支撑板施加一定的频率 “抖动”，将有效抑制 产生尖利噪 音的振动，从而能在温度、湿度变化和制动系统正常磨损的情况下发 挥作用。由于不 需要安装探测器或逻辑系统以确定适当的控制频率，所以这种装 置结构简单、实用。 5.25.2 新型声发射传感器 除具有固有的机械高通特性外，还有接地绝缘性，可以不考虑工业应用常出 现 的接地屏蔽问题，设计新颖，敏感元件不受外部低频噪声影响，而且外壳焊接 紧密, , 易安装固定。另一种创新的双用传感器是将声发射传感器与三分量测力传 感器合二为 一，将其安装在车床夹具的适当位置，就可以连续监测切削力、进刀力 和被动力的大 小及相关的声发射信号。声发射传感器还可
15、应用于塑料注塑挤塑工 艺、焊接工艺检测 以及电子工业中的其他测控过程等。 5.35.3 压电陀螺 随着汽车的普及，交通拥挤日益严重，智能交通也逐渐提到发展日程上来，其 中,GPSGPS 气车导航是一种有效的实现方案。 然而,目前 GPSGPS 的动态性能较差,导航 卫星 受高层建筑阻挡导致失锁，从而不能准确定位，制约着它的推广。为此，开发 了一种 高精度的 GPS/DRGPS/DR 车载组合导航系统,结合压电陀螺和组合导航系统的 特点, ,提出压电 陀螺动态校零方法，并取得了初步成果。在车载式制动系统中的应 用。车载式汽车制 动系综合测试系统，是在线测试技术在汽车工业领域的典型应 用。采用“压
16、电生物芯 片测试系统”是当前具有代表性的实时测试系统。 7 6 压电式传感器的发展趋势 6.16.1 向高精度发展 由于现在的高精尖设备特别的航空和宇航设备广泛采用压电传感器测量振 动和 冲击，这些被测量都比较小，传感器的精度不高就可能测不出相关的量或者 即使测得 了相关量但是误差比较大，这些都会影响整个系统的正常工作。因此研 制出具有灵敏 度高、精确度高、响应速度快的压电传感器将成为未来研究的一个 重要方向。 6.26.2 向高可靠性、宽温度范围发展 压电传感器的可靠性及温度范围直接影响到电子设备能否正常工作，研制高 可靠性、宽温度范围的传感器将是永久性的方向。提高温度范围是历来需要解决 的
17、课 题， 大部分传感器其工作范围都在-20-20C-70-70C,在军用系统中要求工作温度 在-40-40C-85-85 C范围，而汽车锅炉等场合要求传感器的温度要求更高。 6.36.3 向微型化方向发展 现在的大型精密系统对质量和体积大小都非常的关注， 传统的大块头的压电 传感 器将逐步的失去其市场。随着新材料及新加工技术的开发，利用激光等各种 微细加工 技术制成的硅加速度传感器由于具有体积非常的小、 互换性及可靠性都 很好的吸引 力，正在逐步取代传统的压电传感器。 6.46.4 向智能化数字化发展 随着现代化的发展，压电传感器的功能已经突传统的功能， 其输出不再是一 个 单一的模拟信号，而
18、是经过微电脑处理后的数字信号， 有的压电传感如集成后 的压 电传感器其本身带有控制功能，这就是所说的数字传感器。 现代半导体技术日趋先进和成熟的情况下， 未来的压电加速度传感器会与后 续 处理电路集成在一块，体积更小，性能却更优。 总的来说，压电式加速度传感器具有量程大、频带宽、体积小、重量轻、安 装简 单、适用于各种恶劣环境的优点，因此广泛的应用于航空、航天、兵器、先 造船、纺 织、农机、车辆、电器等各系统的振动冲击测试、机械动态实验、环境 模拟试验、振 动校准、模态分析、故障诊断和优化设计等。 8 7 参考文献 1.1.侯明亮，冯冠平 冷镦机生产过程状态监控技术的研究农业工程学报 2.2.
19、 侯明亮，王树英冷镦机监控用压电式压力传感器机械制造 3.3. 朱蕴璞，孔德仁，王芳传感器原理及应用北京：国防工业出版社 4.4. 樊春玲，李志全，唐旭晖一种新型电荷放大器的设计与研究传感技术学 报 5.5. 高长银，赵辉，马龙梅. .电荷放大器对石英传感器动态特性的影响 6.6. 锻压技术手册 编委会 锻压技术手册。北京：国防工业出版社 7.7.许谊生，丁振荣 自动测试仪表电子电路设计 北京：原子能出版社 8.8. 刘彬，陈先良 一种高精度应力测量电路的实现自动化与仪表 9.9. 过壁君，磁芯设计及应用成都: :电子科技大学出版社 10.10. 李振玉，姚光圻 高效率放大及功率合成技术北京: :中国铁道出版社
