1、华东交通大学理工学院 论文题目: 压电式加速度传感器 课程：传感器原理及其应用 姓名； 吕 进 专业：通信工程 班级：12通信2班 学 号：2012021042024320120210420243 华东交通大学理工学院 1 压电式加速度传感器 、八 、亠 前言 目前，国内研制的高冲击压电加速度传感器的性能受材料、结构、工艺和安装等因素 的影响，量 程和上限频率难以得到提高，从而导致在高冲击下测量的线性度较差。现在国 内研制的压电传感器样 机可测量的最大冲击加速度为1 00,000g,安装谐振频率约为 9.5kHz,线性度为 10%，还不能完全满足工程使用的要求。因此，为了满足高速碰撞测试和 常
2、规触发 引信用压电加速度传感器的要求，本文研究提高压电加速度传感器的量程和频响 的设计技术,这项技术 可应用在钻地武器试验和深层钻地弹引信中。 在核武器飞行试验中,均要进行触地测试,了解核弹头碰地的状况,测量其触地 加速度,为其 触发引信的设计和验证提供依据。在常规钻地弹、侵彻弹等武器研究中,均 需要大量程高频响的加速度 传感器进行测量。目前国内的传感器难以满足要求,现采用国 外的传感器（如 7270A），但价格昂贵 且对华禁运。 综上所述,本文研究提高压电传感器的量程和频响的设计技术,为改进压电加速 度传感器的 性能奠定基础,为高速触地用测试传感器和深侵彻引信传感器的研究提供技术 华东交通大
3、学理工学院 2 目录 前言 . 1 摘要 . 3 关键词 . 3 国内外现状 . 3 压电式加速度传感器原理 . 4 灵敏度 . 8 误差形成因素分析 . 9 提高传感器频响的措施 . 9 实际应用 . 11 总结 . 12 参考文献 . 12 华东交通大学理工学院 3 摘要 二十一世纪的高效发展中，信息时代已然来临，掌握信息的重要性日益重要，在人们 在日常生活， 生产过程中，主要依靠检测技术对信息经获取、筛选和传输，来实现制动控 制，自动调节，目前我国 已将检测技术列入优先发展的科学技术之一随着社会的进步，科 学技术的发展，特别是近 20 年来， 电子技术日新月异，计算机的普及和应用把人类带
4、到了 信息时代，各种电器设备充满了人们生产和生 活的各个领域，相当大一部分的电器设备都 应用到了传感器件，传感器技术是现代信息技术中主要技 术之一，在国民经济建设中占据 有极其重要的地位。 关键词 传感器 原理 速度 光电效应 光电元件 压电特性 传感器分类 传感器应用 国内外现状 自 1880 年 J 居里和 P 居里发现压电效应以来21，这种类型的压电传感器就广泛应用于 各个领域。经过近半个世纪的发展，压电加速度传感器的材料、结构设计和工艺都有了很 大的进步。这些对改善传感器的性能起到了至关重要的作用。 经过调研，了解到国外几种高冲击压电加速度传感器的主要技术指标，如表 1.1 所 示。
5、表 1.1 国外几种压电加速度传感器的主要技术指标 公司名称 灵敏度(mv/g)频响(Hz)最大冲击加速度 (g) Kistler 8743A10000.05 0.5 一 10k120, 000 （ 士 1%） PCB 350B210.050.3 一10k(t5%)100, 000 华东交通大学理工学院 4 ENDEVC O2225MS A0.0250.5一 8k 100, 000 压电材料性能的改进以及新型压电材料的研制成功极大地推动了压电传感器的 进步。从最开始的石英到 BaTiO3 压电陶瓷，错钦酸铅（PZT 压电陶瓷，再到压电聚合物如聚 偏二氟 乙烯（PVDF 等新型压电材料21。压电
6、材料制备工艺的进展对压电材料的应用及理论研 究具有推动作 用，单晶技术的进展培育了许多实用化的压电材料，薄膜工艺的进展为压电 器件的平面化、集成化创 造了条件。压电材料的这一系列进步为设计大量高性能的压电元 件提供了技术保障。 压电加速度传感器由最初的基座压缩式结构形式，这种结构因易受外界环境影响， 后演变为中心压缩型，然后又改进为性能最佳的各种剪切型设计，如环形剪切型。虽然剪 切型的各种 性能优异，但是剪切型的结构决定了它不能承受较强的冲击。剪切型对工艺的 要求很高，国外的研究 机构（如 B 若取为共振频率的 1/5,则可保证幅值误差小于0.5dB （即 6%）,相移小于 30。但共振频率
7、与加速度计的固定状况有关，加速度计出厂时给出的幅频曲线是在刚性连接的固定情况下 得到的。实 际使用的固定方法往往难于达到刚性连接，因而共振频率和使用上限频率都会 有所下降。加速度计与 试件的各种固定方法见图 13.20。 图 13.20 加速度计的固定方法 其中图 13.20a 采用钢螺栓固定，是使共振频率能达到出厂共振频率的最好方法。螺栓 不得全部拧 入基座螺孔,以免引起基座 变形,影响加速度计的输出。在安装面上涂一层硅 脂可增加不平整安装表面 的连接可靠性。需要绝缘时可用绝缘螺栓和云母垫片来固定加速 度计（图 13.20b），但垫圈应尽量簿。用一层簿蜡把加速度计粘在试件平整表面上（图 13
8、.20c）, 也可用于低温（40C以下）的场合。手持探针测振方法（图 13.20d）在多点测试时使用特 别方便， 但测量误差较大，重复性差，使用上限频率一般不高于1000Hzo用专用永久磁铁 华东交通大学理工学院 8 固定加速度计（图 13.20e）,使用方便，多在低频测量中使用。此法也可使加速度计与试件 绝缘。用硬 性粘接螺栓（图13.20f ）或粘接剂（图 13.20g）的固定方法也长使用。某种典型 的加速度计采用上述各种固定方法的共振频率分别约为：钢螺栓固定法31kH z,云母垫片 28kHz,涂簿蜡层 29kHz,手持法 2kHz,永久磁铁固定法 7kHz。 灵敏度 压电式加速度计的灵
9、敏度 压电加速度计属发电型传感器, 可把它看成电压源或电荷源, 故灵敏度 有电压灵敏度和电荷灵敏度两种表示方法。前者是加速度计输出电压（mV）与所 承受加速度之比；后者是加速度计输出电荷与所承受加速度之比。加速度单位为 m/s2，但 在振动测量中往往用标准重力加速度g 作单位，1g= 9.80665m/s2。这是一种已为大家所接 受的表示方式，几乎所有测振仪器都用 g 作为加速度单位并在仪器的板面上和说明书中标 出。对给定的压电材料而言,灵敏度随质量块的增大或压电元件的增多而增大。一般来说, 加速度计尺 寸越大 ,其固有频率越低。因此选用加速度计时应当权衡灵敏度和结构尺寸、 附加质量的影响和频
10、率 响应特性之间的利弊。 压电晶体加速度计的横向灵敏度表示它对横向（垂直于加速度计轴线）振动的敏感程 度,横向灵敏 度常以主灵敏度（即加速度计的电压灵敏度或电荷灵敏度）的百分比表示。 一般在壳体上用小红点标 出最小横向灵敏度方向,一个优良的加速度计的横向灵敏度应小 于主灵敏度的 3。因此,压电式加速 度计在测试时具有明显的方向性。 压电传感器中的压电元件材料一般有三类：一类是压电晶体,如石英晶体；另一类是 经过极化处理 的压电陶瓷；压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料,它比石英晶体的压电灵 敏度高得多,而制造成品较 低,因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷。 常用的一代女陶瓷材料有锆
11、钛酸铅系列 压电陶瓷（PZT 及非铅系压电陶瓷（BaTiO3 等）第 三类是高分子压电材料。典型的高分子压电材料有聚偏二乙烯（PVF2 或 PVDF）、聚氟乙烯 （PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。它是一种柔软的压电材料，可根据需要支撑薄膜或电缆 套管等 形状。它不易破碎,具有防水性,可以大量连续拉制,制成较大面积或较长的尺度, 价格便宜,频率响应范 围较宽,测量动态范围可达80dB。 华东交通大学理工学院 9 误差形成因素分析 压电加速度计的前置放大器 压电元件受力后产生的电荷量极其微弱,这电荷使压电元 件边界和接 在边界上的导体充电 至 U 电压 U=q/Ca（这里 Ca 是加速度计的内
12、电容）。要测定这 样微弱的电荷（或 电压）的关键是防止导线、测量电路和加速度计本身的电荷泄漏。换句 话讲,压电加速度计所用的前置 放大器应具有极高的输入阻抗,把泄漏减少到测量准确度 所要求的限度以内,压电式传感器的前置放大 器有：电压放大器和电荷放大器。所用电压 放大器就是高输入阻抗的比例放大 器。其电路比较简单, 但输出受连接电缆对地电容的影 响,适用于一般振动测量。 电荷放大器以电容作负反馈, 使用中基本 不受 电缆电容的影响。 在电荷放大器中,通常用高质量的元、器件,输入阻抗高,但价格也比较贵。 从压电式传感器的力学模型看, 它具有“低通”特性, 原可测量极低频的振动。 但实际上 由于低
13、 频尤其小振幅振动时,加速度值小,传感器的灵敏度有限,因此输出的信号将很微 弱,信噪比很低；另外 电荷的泄漏,积分电路的漂移（用于测振动速度和位移）、器件的 噪声都是不可避免的，所以实际低频端也出现截止频率”，约为 0.11Hz 左右。 提高传感器频响的措施 结构选择与设计 1 .结构应选择中心压缩型的结构形式。 2. 为了便于传感器的安装,在基座上设计螺纹头,这还有利于提高基座的刚度。 3. 基座不要太厚,厚基座会降低传感器的固有频率,但要满足安装的刚度要求。 华东交通大学理工学院 10 4.选用较薄的压电片来提高刚度，减轻等效质量，从而提 高固有频率。压电片的面 积可以根据惯性力产生的瞬态
14、应力来计算，一般来说，压电片、质量块、螺母的截面尺寸 相近，面积 对应力的影响较小。 5.螺纹的 确定。压电片面积的大小决定预紧力矩的大小，传感器的预紧力矩23由 下式计算 (3 一 10) 式中，T 为预紧力矩，QP 为作用在螺母安装面（即压电片截面）上的压力（N）, d 为螺纹公 称 直径（mm）。对于石英片，预紧力矩为 0.6N - m（约为 40MPa ）;对于 PZT 8 压电陶瓷片，预紧 力矩 为 0.3N - m（约为 20MPa）。在一定范围内，可以加大预紧力矩来提高传感器各部件之间 的接触刚度， 从而提高传感器的频响。 由预紧力矩计算螺纹牙强度，以确定螺纹牙啮合数量，螺纹牙的
15、强度校核如下 T =- - rr 剪切应力(MPa):=人二 式中 b=0.87P（mm）, p 为螺距（mm）, h 为螺纹牙工作高度（mm）, KZ=5P/d, z 为螺纹牙啮合 数 量。 6. 般质量块和压电片的截面一样，由于加工误差，质量块的截面可能会偏小，为 了充分利用压电片，质量块的截面应稍大一点。也可以不用质量块，因为螺母和压电片的 部分质量是惯性质量的一部分。 7.螺母的设计也要考虑刚度和强度，螺母厚度根据 （3-11）和（3-12）计算的螺纹牙啮合 数量来定。由于部分螺母质量是惯性质量的组成部分，要尽量 弯曲应力（MPa）= a * 丁 Kndb2z 华东交通大学理工学院 1
16、1 减小螺母质量，为保证刚度， 可以把螺母下端设计成较薄的圆环，在上端设计一些加强筋。 8.导电盘 （电极）可用电阻率低的铜箔。因为导电盘是质量一弹簧系统的组成部分, 为了 避免因导电盘的蠕变而降低压电传感器的频响,导电盘要尽量减薄或选用被青铜等导 电性能好、具有高 强度和高弹性的材料。 9.绝缘套做成环状套在 螺杆外面,有绝缘和装配定位的作用,厚度约0.4mm。 材料选择问题 1.为了得到较大的刚度,压 电材料要选择弹性系数高的压电材料,如PZT 8 压电 陶瓷、石英、锗酸秘晶体等。为获得高固有频率,在弹性模量相近时选用选密度较低的压 电材料。 2. 基座要选择弹性模量大的材料。 在对重量没
17、有要求的情况下, 基座要选钢而不选 钦合金 TC4,因为钢基座传感器的固有频率更高， 钦合金 TC4 价格贵且加工有毒。若工作环 境恶劣,则基座和 壳体要选择有良好耐腐蚀性材料。 3.质量块要尽量薄以提高其 刚度，质量块材料选钢和钦合金TC4 较好。 4.绝缘套的常用材料是聚四氟乙烯，对于 200C以上 高温环境中工作的压电传感器，要 采用高温绝缘材料,如聚酞亚胺、陶瓷、电子玻璃等。大量程高频响压电加速度传感器设 计技术研究 实际应用 目前最新 IBM Thinkpad 手提电脑里就内置了加速度传感器,能够动态的监测出笔记本 在使用中的 振动,并根据这些振动数据,系统会智能的选择关闭硬盘还是让
18、其继续运行, 这样可以最大程度的保护由 于振动,比如颠簸的工作环境,或者不小心摔了电脑做造成的 硬盘损害,最大程度的保护里面的数据。另 外一个用处就是目前用的数码相机和摄像机里, 也有加速度传感器,用来检测拍摄时候的手部的振动,并 华东交通大学理工学院 12 根据这些振动,自动调节相机的 聚焦。 概括起来,加速度传感器可应用在控制,手柄振动和摇晃,仪器仪表,汽车制动启动 检测,地震检测,报警系统,玩具,结构物、环境监视,工程测振、地质勘探、铁路、桥 梁、大坝的振动测试与分析；鼠标,高层建筑结构动态特性和安全保卫振动侦察上。 总结 由于微电子技术和微机械加工技术发展,传感器正向微型化、多功能化,
19、智能化方向 发展。微型化 传感器利用微机械的加工技术将微米级的敏感元件、信号调理器、数据处理 装置集成封装在一块芯片 上。这将成为一种趋势。 建立了中心压缩型压电加速度传感器的力学模型和数学模型。运用数学模型和 Ansys 分析了传感器各部件结构、材料对传感器固有频率的影响及其规律，并提出了提高压 电传感器频 响的措施。 用模态叠加法计算了传感器对冲击加速度的响应,分析了压电片受力的影响因素, 提出了提高 压电传感器量程的具体措施。用瞬态动力学分析软件Msc.dytran 对压电传感器 在弹体的碰撞环境下进行了模拟仿真,分析了被测物体和基座的不同材料组合对压电片受 力的影响。理 论计算和有限元
20、模拟仿真的结果接近。 用 0.6mm 厚 PZT 8 压电陶瓷时压电传感器谐振频率达到16.1 kHz;用 0.6mm 厚石英片 时压电传感器量程达到 8 万 g,谐振频率为 10.1kHz，线性度为 7.7%，抗冲击能力达 10 万 g 以上。理 论计算、模拟仿真及实验表明:薄压电片可以提高固有频率 ;合适厚度的基座和压电 片、轻质量螺母及薄质量块 （也可以不用质量块 ）可以提高量程。 安装时基座存在不同程度的变形,变形降低了压电传感器的量程和线性度,导致有 些压电片在 7 万 g 的冲击下断裂以及传感器的线性度不高。如果能减小安装时基座变形的 影响,传感 器的性能会得到明显改善。 参考文献
21、 1李希文 等 传感器与信号调理技术 西安电子科技大学出版社 2008.12 华东交通大学理工学院 13 2吴建平 传感器原理及应用 机械工业出版社 2008.11 3 陈建元 传感器技术 机械工业出版社 2008.10 4 郁有文 传感器原理及工程应用 西安电子科技大学出版社2008.7 5 张洪润 实传感器应用设计 300 例（上册） 北京航空航天大学出版社 2008.10 6 周旭 现代传感器技术 国防工业出版社 2007.1.1 7 范茂军 传感器技术 国防工业出版社 2008.8 8 谢文和 刘蕊 传感器及其应用（第二版） 高等教育出版社 2009.4 9 陈林星 无线传感器网络技术与应用 电子工业出版社 2009.4 10 纪宗南 现代传感器应用技术和实用线路 中国电力出版社 2009.1 11 黄继昌 ,徐巧鱼 ,张海贵 ,等. 传感器工作原理及应用实例M . 北京 :人民邮电出版 社 ,1998. 160. 12 雷玉堂 ,王庆有 . 光电检测技术 M . 北京:中国计量出版社 ,1997. 236 - 238. 13 张国忠 ,赵家贵 . 检测技术 M . 北京 :中国计量出版社 ,1998.378 -382.
