壓電傳感器課程設(shè)計(jì)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上壓電式傳感器的應(yīng)用 一：概述 傳感器是指那些對(duì)被測(cè)對(duì)象的某一確定的信息具有感受與檢出功能, 并使之按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換與之對(duì)應(yīng)有用輸出信號(hào)的元器件或裝置，是新技術(shù)革命和信息社會(huì)的重要技術(shù)基礎(chǔ)，是現(xiàn)代科技的開路先鋒，美國(guó)早在80年代就聲稱世界已進(jìn)入傳感器時(shí)代，日本則把傳感器技術(shù)列為十大技術(shù)之創(chuàng)立。 壓電式傳感器是典型的有源傳感器。當(dāng)壓電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，軍事等方面都得到了非常廣泛的應(yīng)用。本文就壓電傳感器的工作原理和

2、應(yīng)用做相關(guān)介紹。二：基本原理 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。三：應(yīng)用原理 壓電式傳感器的應(yīng)用原理就是利用壓電材料的壓電效應(yīng)這個(gè)特性，即當(dāng)有力作用在壓電元件上時(shí)，傳感器就有電荷輸出。由

3、于外力作用在壓電材料上產(chǎn)生的電荷只有在無(wú)泄漏的情況下才能保存，故需要測(cè)量回路具有無(wú)限大的輸入阻抗，這實(shí)際上是不可能的，因此壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測(cè)量。   壓電元件作為壓電式傳感器的核心，在受外力作用時(shí)，其受力和變形方式大致有厚度變形、長(zhǎng)度變形、體積變形和厚度剪切變形等幾種形式。最常用的是厚度變形的壓縮式和剪切變形的剪切式兩種,如圖1，圖2。壓電式傳感器本身的阻抗很高，而輸出能量較小，為了使壓電元件能正常工作，它的測(cè)量電路需要接入一個(gè)高輸入阻抗的前置放大器，主要有兩個(gè)作用：一是放大壓電元件的微弱電信號(hào)；二是把高阻抗輸入變換為低阻抗輸出。 圖1厚度變形的壓縮式 圖2環(huán)形剪切

4、型3.1壓電效應(yīng) 壓電效應(yīng)可分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。 圖3正壓電效應(yīng) 圖4逆壓電效應(yīng)1、正壓電效應(yīng)當(dāng)晶體受到某固定方向外力的作用時(shí),內(nèi)部就產(chǎn)生電極化現(xiàn)象,同時(shí)在某兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力撤去后，晶體又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)；當(dāng)外力作用方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。壓電式傳感器大多是利用正壓電效應(yīng)制成的。2、負(fù)壓電效應(yīng)對(duì)晶體施加交變電場(chǎng)引起晶體機(jī)械變形的現(xiàn)象。用逆壓電效應(yīng)制造的變送器可用于電聲和超聲工程。壓電敏感元件的受力變形有厚度變形型、長(zhǎng)度變形型、體積變形型、厚度切變型、平面切變型5種基本形式。壓電晶體是各向異性的，并非所有晶體都能在

5、這5種狀態(tài)下產(chǎn)生壓電效應(yīng)。例如石英晶體就沒(méi)有體積變形壓電效應(yīng)，但具有良好的厚度變形和長(zhǎng)度變形壓電效應(yīng)。3.2壓電材料 明顯呈現(xiàn)壓電效應(yīng)的敏感功能材料叫壓電材料 。壓電此案料可以分為三大類：壓電晶體、壓電陶瓷、新型壓電材料主要包括半導(dǎo)體和有機(jī)高分子壓電材料兩種。  壓電材料的特性參數(shù)主要包括：（1）壓電常數(shù)，它是衡量材料壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù)，直接關(guān)系到壓電傳感器的靈敏度。（2）彈性常數(shù)，它決定壓電器件的固有頻率和動(dòng)態(tài)特性。（3）介電常數(shù)（4）機(jī)電禍合系數(shù)（5）電阻，壓電材料的絕緣電阻將減少電荷泄露，從而改善壓電傳感器的低頻特性。（6）居里點(diǎn)：壓電材料開始喪失

6、壓電性的溫度。 石英的壓電效應(yīng)電荷產(chǎn)生機(jī)理：石英的化學(xué)式為SiO2，在一個(gè)晶體單元中，有三個(gè)硅離子和六個(gè)氧離子，后者是成對(duì)的，所以一個(gè)和兩個(gè)交替排列。 圖5 石英晶體當(dāng)沒(méi)有力作用時(shí)，硅離子和氧離子在垂直于晶體Z軸的XY平面上的投影恰好等效為正六邊形排列。這時(shí)正負(fù)離子正好分布在正六邊形的頂角上，呈現(xiàn)電中性。如果沿X方向壓縮，則硅離子1被擠入氧離子2和6之間，而氧離子4被擠入硅離子3和5之間，結(jié)果表面A上呈現(xiàn)負(fù)電荷，而在表面B上呈現(xiàn)正電荷。這一現(xiàn)象稱為縱向壓電效應(yīng)。若沿Y方向壓縮，硅離子3和氧離子2，以及硅離子5和氧離子6都向內(nèi)移動(dòng)同樣的數(shù)值，故在電極C和D上不呈現(xiàn)電荷，而在表

7、面A和B上，即在X軸的端面上又呈現(xiàn)電荷，但與圖b的極性正好相反，這時(shí)稱為橫向壓電效應(yīng)。從研究的模型同樣可以看出：如果是使其伸長(zhǎng)而不是壓縮時(shí)，則電荷的極性正好相反?？傊⒌葐尉w材料是各向異性的物體，在X或Y軸向施力時(shí)，在與X軸垂直的面上產(chǎn)生電荷，電場(chǎng)方向與X軸平行，在Z軸方向施力時(shí)，不能產(chǎn)生壓電效應(yīng)。3.3壓電傳感器測(cè)量電路 除在校準(zhǔn)用的標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器或高精度壓力傳感器中采用石英晶體做壓電元件外，一般壓電式壓力傳感器的壓電元件材料多為壓電陶瓷，也有用高分子材料(如聚偏二氟乙稀)或復(fù)合材料的合成膜的。更換壓電元件可以改變壓力的測(cè)量范圍；在配用電荷放大器時(shí)，可以用將多個(gè)壓電元件并聯(lián)的方式提高傳

8、感器的靈敏度；在配用電壓放大器時(shí)，可以用將多個(gè)壓電元件串聯(lián)的方式提高傳感器的靈敏度。 由于壓電式傳感器的輸出電信號(hào)很微弱，通常先把傳感器信號(hào)先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經(jīng)過(guò)阻抗交換以后，方可用一般的放大檢波電路再將信號(hào)輸入到指示儀表或記錄器中。(其中，測(cè)量電路的關(guān)鍵在于高阻抗輸入的前置放大器。）前置放大器的作用：一是將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；二是放大傳感器輸出的微弱電信號(hào)。前置放大器電路有兩種形式：一是用電阻反饋的電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓(即傳感器的輸出)成正比；另一種是用帶電容板反饋的電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。由于電荷放大器電路的電纜長(zhǎng)度變化的影響不大

9、，幾乎可以忽略不計(jì)，故而電荷放大器應(yīng)用日益廣泛。圖6電壓等效電路，圖7簡(jiǎn)化電路： 圖6 電壓等效電路 圖7簡(jiǎn)化電路其中，ui為放大器輸入電壓； ; ; 如果壓電傳感器受力為F = Fmsint 則在壓電元件上產(chǎn)生的電壓為 式中 壓電元件輸出電壓幅值 d 壓電系數(shù)。而在放大器輸入端形成的電壓為: 的幅值為:當(dāng) 時(shí)，放大器的輸入電壓為:電壓放大器的功能是將壓電傳感器的高輸出阻抗變?yōu)檩^低阻抗，并將壓電式傳感器的微弱電壓信號(hào)放大，因此，也稱為阻抗變換器下圖為電荷放大器： 圖8 電荷放大器如果忽略電阻Ra、Ri及Rf的影響，則輸入到放大器的電荷量為Qi=Q-Qf,而 式中，A為開環(huán)放大系數(shù)。所以有： 故

10、放大器的輸出電壓為當(dāng)A>>1，而(1+A)Cf>> 時(shí)，放大器輸出電壓可以表示為: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。在電荷放大器中，輸出電壓Uo 與連接電纜電容Cc 無(wú)關(guān)，而與電荷量Q 成正比，這是電荷放大器的突出優(yōu)點(diǎn)，這對(duì)信號(hào)的測(cè)量很方便，因此，電荷放大器被廣泛地應(yīng)用于壓電傳感器的測(cè)量電路中。4 總結(jié)4.1工程中應(yīng)用 壓電式傳感器具有響應(yīng)頻帶寬、靈敏度高、信噪比大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。因此應(yīng)用領(lǐng)域廣泛：電聲學(xué)，生物醫(yī)學(xué)和工程力學(xué)等等。它能測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)里面的內(nèi)燃?jí)毫?，也能夠?yīng)用在軍事方面。它可以測(cè)量在膛中槍炮子

11、彈在發(fā)射的那一刻，膛壓的改變量和所受到的沖擊波壓力。它能夠測(cè)量很小的壓力，也能測(cè)量大的壓力。由于它的使用壽命長(zhǎng)，重量較輕，體積較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此它所涉及的領(lǐng)域遠(yuǎn)不止這些。在建筑物、橋、汽車和飛機(jī)等的沖擊和震動(dòng)的測(cè)量，也是非常廣泛的。特別在航空領(lǐng)域里，它有著特殊的地位。玻璃破碎報(bào)警器 該報(bào)警器利用壓電陶瓷對(duì)振動(dòng)敏感的特性來(lái)接收玻璃受撞擊和破碎時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)波，并以此來(lái)觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)發(fā)出“抓賊呀”喊聲，可廣泛用在保管文物、貴重金飾和其它商品柜臺(tái)等場(chǎng)合。 電路原理： 玻璃破碎報(bào)警器的電路見圖9。壓電陶瓷片B將碎發(fā)的振動(dòng)信號(hào)或響聲轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，這個(gè)極其微弱的電信號(hào)經(jīng)過(guò)由三極管VT1和

12、VT2構(gòu)成的直耦式放大器放大后，利用C2從VT2的集電極上取出放大信號(hào)，然后經(jīng)二極管VD1、VD2倍壓整流后使VT3導(dǎo)通。VT3導(dǎo)通后在R4兩端產(chǎn)生的壓降使單向可控硅VS導(dǎo)通并鎖存，于是語(yǔ)言報(bào)警喇叭HA通電反復(fù)發(fā)出“抓賊呀”喊聲。這時(shí)，只有按一下SB，方可解除警報(bào)聲。    圖9 玻璃破碎報(bào)警器 該裝置的電源是由電源變壓器T將220V市電降壓為12V，經(jīng)QD全橋整流、C5濾波后供給整機(jī)工作。為了防備交流電中斷，還增加了12V電池組。這樣，當(dāng)電網(wǎng)停止供電時(shí)，G自動(dòng)續(xù)接供電，當(dāng)電網(wǎng)復(fù)電后，G自動(dòng)停止供電，始終讓報(bào)警電路處于準(zhǔn)備狀態(tài)，十分實(shí)用可靠。 元器件選擇與制作：&

13、#160; HA選用LQ46-88D型語(yǔ)言報(bào)警喇叭。振動(dòng)傳感器B采用HTD27A-1或FT27型壓電陶瓷片（正品），并配用薄形塑料諧振腔即可，它對(duì)碎發(fā)響聲與振動(dòng)很敏感，而對(duì)緩慢變化的聲響無(wú)效。VS用1A、100V單向可控硅，如MCR 100-1型等。VT1VT3均用9014或3DG8型硅NPN三極管，要求>200。VD1VD3用1N4001型硅二極管。QD用QL-lA/50V整流全橋，亦可用四只1N4001型二極管替代。T選用220V/12V、5W電源變壓器，要求長(zhǎng)時(shí)間輕載運(yùn)行不發(fā)熱。G可用普通5號(hào)干電池八節(jié)串聯(lián)而成。RP用WH7型微調(diào)電阻器。R1R4均用RTX-1/8W型碳膜

14、電阻器。C1、C2和C3均用CD11-16V型電解電容器，C4用CT1型瓷介電容器，C5用CD11-25V型電解電容器。SB用普通常閉型自復(fù)位按鈕開關(guān)，亦可用KWX型微動(dòng)開關(guān)代替。B在具體安裝時(shí)，為了迷惑外人，可在玻璃櫥窗內(nèi)帖上一些裝飾畫或字，將B用強(qiáng)力膠粘貼在裝飾畫或字上，使人從外面看不出里面安有報(bào)警裝置，然后用兩根細(xì)導(dǎo)線將B接至主機(jī)上去。調(diào)整RP阻值，可以微調(diào)信號(hào)放大器的增益，使報(bào)警器的靈敏度合乎使用環(huán)境要求。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

15、。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10 壓電式單向測(cè)力傳感器的結(jié)構(gòu)圖上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。基座內(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

16、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。壓電式加速度傳感器 圖11 壓縮式壓電加速度傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖 圖11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，

17、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

18、可以測(cè)出試件的振動(dòng)加速度或位移。壓電加速度傳感器在使用中最主要的三項(xiàng)指標(biāo)為：a電荷靈敏度（或電壓靈敏度）、b諧振頻率（工作頻率在諧振頻率1/3以下）、c最大橫向靈敏度比。 由于壓電式傳感器的輸出電信號(hào)是微弱的電荷，而且傳感器本身有很大內(nèi)阻，故輸出能量甚微，這給后接電路帶來(lái)一定困難。為此，通常把傳感器信號(hào)先輸?shù)礁咻斎胱杩沟那爸梅糯笃鳌＝?jīng)過(guò)阻抗變換以后，方可用于一般的放大、檢測(cè)電路將信號(hào)輸給指示儀表或記錄器。4.2壓電式傳感器的發(fā)展趨勢(shì)：當(dāng)今世界各國(guó)壓電式傳感器的研究領(lǐng)域十分廣泛，歸納起來(lái)主要有以下幾個(gè)趨勢(shì)。（1）小型化。小型化會(huì)帶來(lái)很多好處，重量輕、體積小、分辨率高，便于安裝在很小的地方對(duì)周圍器件影響小，也利于微型儀器、儀表的配套使用。（2）集成化。壓力傳感器