压电传感器在工业中的应用Word文档格式.docx

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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[3～7]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;

NASA的兰立研究中心与麻省理工学院一起在F/A18E/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。

1.2　在机械工程领域的应用

1）灵巧开关

美国MSI公司推出的用于振动测试的压电薄膜传感器。

它的主要部分是以PVDF薄膜敏感元件（PFS）贴于片状不锈钢悬臂上,并附有匹配、放大电路。

这种开关可作为冲击/振动传感器或瞬态开关使用,可输出数字信号,有结构简单、响应平稳、无行程、厚度薄、可靠性高,且不需调整的特点,已经用于面板开关、装配线计数、齿轮计数器和弹子游戏机的碰撞检测计数等方面。

2）加速度计

它以PVDF薄膜为敏感元件,在直角相交的3个方向上分别安置了传感元件,可测量X,Y,Z3个方向的加速度,外形与贴装式集成电路相当,频率响应范围为0.5Hz～5kHz,已经在动态信号测试、系统控制、振动开关、货运监控和计算机外设等方面得到大量的应用。

3）压电电缆

这种压电电缆外表与一般的同轴电缆相似,但它的芯线与屏蔽层之间的绝缘材料由PVDP薄膜制成,这样,既是电缆,又是传感器,灵活、结实、防水,且可做得很长。

既可埋设于地下或置于水下,也可以安装于栅栏或围墙。

一般用作机场等需要保卫或隔离场地的侵人探测器、运动计分器/隔离线、汽车保险杠触发开关和水声探测器等。

4）测量内部应变的新型压电传感器

当测量大型、重型结构的极小应变或大的测量范围时,传统应变计的应用受到限制,采用新型压电传感器[8]可用于内部应变的测量。

将应变传感器安装在机械结构的小孔内,可在优选位置上（直接在力的作用线上或中心轴上）测量应变,以便消除弯曲应变,而且,传感器不受外界影响,得到很好的保护,这在工业应用中十分重要。

5）旋转切削测力计在制造加工工艺监测中的应用

实践证明:

压电传感器以其独特的优点而格外胜任切削加工监测。

在切削过程中,刀具是不旋转的,传感器可以直接安装到夹具内部。

对于磨削、钻孔和攻丝,在旋转刀具上安装传感器的研究,至今尚未完全成功。

采用最新的遥测技术,第一个适合工业生产应用的旋转切削测力计[9]已经设计成功,它是一种新颖的石英多分量力与力矩传感器,内置微型电荷放大器的电源与信号输出均由无线电遥测、用标准锥固定。

这种新型旋转切削测力计可以直接安装在轴和刀具之间。

目前,直接测量旋转刀具的切削力,甚至生产机床中测量切削力均已成为可能,这对生产过程确定选择最佳切削参数具有重要的意义。

6）新型声发射传感器与应用

新型声发射传感器[10]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。

7）在碰撞动力学中的应用

在碰撞（声速以下）与高速碰撞（声速以上）动力学的研究中,应力波和冲击波在结构中的传播、界面与界面之间压力、撞击载荷随时间的变化等的测试一直是一个难题。

这些物理量在多数情况下,由于测点的局限性和结构的复杂性,难以通过所测得的应变进行换算,需要采取一定的手段进行直接测试。

PVDF压电特性的发现为解决这一难题提供了可能。

利用PVDF压电薄膜进行动态压力测试开始于20世纪80年代中期,目前,在国外已经达到了实用化阶段,利用PVDF薄膜制作的压力传感器已经商品化,广泛应用于动压测试,如,SHPB（splithopkin2sonpressurebar）中的压力测量、激光诱导的冲击压力测量、平面撞击下产生的平面冲击波导致的纵向和横向应力的测量、水下冲击波测量以及软X射线诱导的冲击压力测量等。

1.3　在土木工程领域的应用

采用压电传感器测量结构振动所引起的动态应变,实现结构的振动监测[18];

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。

1.4　在铁路行车安全监测中的应用

1）在列车动力学性能监测系统中的应用

目前,欧洲和日本在转向架上装有传感器实时记录和监测车辆在高速运行过程中是否出现蛇行及其他动力学参数的变化情况,其中,英国AEA在客车上安装传感器监测车辆的振动状况,法国Bombardi正在研究在构架上安装传感器监测车辆是不是出现蛇行运动。

我国西安交通大学胥永刚等人以美国DALLAS公司生产的数字式温度传感器DS1820为基础,开发研制了高速机车轴温监测系统,在SS7D型机车上得到应用。

天津大学李智慧等人利用压电效应研制的新型加速度传感器经车辆轴承动态监测系统实际运行结果表明:

可以代替人工,实现了列车轴承实时监测的自动化。

2）在轨道状态监测中的应用

国外采用压电加速度传感器测量转向架轴箱加速度,进行轨道不平顺检测。

如果轨道的平顺状态满足要求,高速列车的振动和动作用力都不太大,行车安全和平稳舒适性就能得到保证,轨道和机车车辆部件的使用周期和维修周期也会得到延长。

3）在车轮踏面擦伤检测中的应用

我国的西南交通大学研制了一种在线式踏面擦伤检测装置。

通过在钢轨底部安装压电加速度传感器,捕捉车轮和钢轨接触发生碰撞时所产生的振动加速度。

加速度信号的强弱和变化反映了轮对踏面的几何参数,也即反映出损伤情况。

4）制动装置传感器

制动装置是对制动缸内压力进行控制,进而控制闸瓦对车轮踏面的压紧力或是制动片对制动盘的压紧力。

通过压力传感器检测空气弹簧的压力,然后,算出车辆的重量。

最近,随着制动装置的高精度化和以监控装置、车载试验装置为基础的免维修化的进程,压力传感器已经逐步用于对制动缸内压力、总风管压力和SAP管（用于与装备了风控制动装置的车辆进行连接时读出控制指令）压力的检测。

大多采用在膜片上安装压电元件的方式,其动作原理是利用元件的压电电阻效应,将压力转换为电信号。

5）平稳性指标仪

乘坐舒适度是衡量车辆运行品质好坏的一项主要性能指标,日本采用新型压电式三维加速度传感器所研制的平稳性指标仪,可实时测量、显示及打印加速度与平稳性指标,进行舒适度计算,衡量车辆运行品质的优劣。

1.5　在交通领域的应用

随着全球智能交通技术（ITS）的发展,美国MSI公司研发与生产的压电传感器在过去数年里取得了长足的发展。

主要应用于行驶中称重、计轴数、测轴距、车辆分类统计、车速监测、闯红灯拍照、泊车区域监控、收费站地磅、交通信息采集和统计（道路监控）及机场滑行道。

1.6在医学领域的应用

利用PVDF薄膜的压电、热电特性以及柔软性,与人体皮肤匹配性好的特点,可制成多种医用传感器。

PVDF压电薄膜的红外光谱在7～20μm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。

PVDF压电薄膜的频率响应范围很宽,其低限截止频率约为0.001Hz,因此,用PVDF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0.2Hz）和心跳（约1Hz）信号,并能长期、实时监测。

1.7压电材料在汽车技术中的应用

1.7.1压电式压力传感器

压电式压力传感器主要应于压力和力等的测量中,也可以用于发动机内部燃烧压力及真空度的测量,既能测量大的压力,也能测量微小的压力,如:

进气歧管绝对压力传感器、爆震传感器。

由于压电式压力传感器经过外力作用后的电荷,只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存,所以这决定了它只能测量动态的应力,而不能用于静态测量。

由于它能够承受高温和相当高的湿度,所以在汽车等领域中得到了广泛的应用。

1.7.2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。

1.7.3压电喷油器

目前先进的柴油喷射技术是电子共轨喷射系统它采用压电晶体取代喷油器电磁执行器,喷油嘴针阀运动件的数量由4个减少到1个,运动质量减少75%。

压电执行器采用数百个非常小的薄晶体,启闭速度小于万分之一秒,比电磁开关所需要的时间少50%。

喷油系统的喷射压力已从160MPa提高到180MPa,并进一步将喷射压力提高到200MPa。

但喷射过程完全可调,可以实现任意次分段喷射,每次循环最多可实现5～7次分段喷射。

采用这种压电控制技术的喷油器之后,具有反映灵敏、控制自由度高的优点,燃油喷射量的控制精度可大大提高,同时针阀的开启、关闭速度也大大加快。

其缺点是成本较高。

由汉诺威大学燃烧技术研究所开发的、供研究用的直接作用式压电喷油器中使用的压电执行器相对较大,约15cm长的压电堆直接控制喷油嘴针阀,因此能够精确控制针阀的开启特性曲线,从而实现喷油规律曲线的造型。

在压力调制单元中,借助于直接控制压电阀能在喷油过程中高动态地调制喷油压力。

1.7.4压电负离子空气净化器

汽车用负离子空气净化器,采用国际领先的压电技术及IC控制专利技术。

它释放高浓度的负离子和微量活性氧,可杀菌、除烟、除尘、除静电、去异味,具有显著的杀菌除烟效果,能有效净化车内的环境,使人在汽车里能享受森林般清新空气,舒缓压力,振奋精神,提神醒脑,驾驶更安全。

在汽车上使用时,采用点烟器-USB转换器,可便利实用。

1.8其他应用

压电陀螺。

随着汽车的普及,交通拥挤日益严重,智能交通逐渐提到发展日程上来,其中,GPS汽车导航是一种有效的实现方案。

然而,目前GPS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/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“压电生物芯片测试系统”是当前具有代表性的实时测试系统。

2压电式加速度计

2.1测振原理

压电式传感器是一种机电换能器,所用的压电元件如天然石英、人工极化陶瓷等在承受一定方向的应力或形变时,极化面会产生与应力相应的电荷。

预压弹簧压电元件质量块奥结构原理力学模型图压电式加速度计的结构原理和力学模型其实现原理如图,

当与被测物固定在一起的加速度传感器受到振动时,压电元件在受被测物惯性力的作用下,产生相应的加速度,即二。

其中,为被测物产生的惯性力为被测物的质量为加速度。

同时,惯性力作用于传感器上,其内部的压电元件表面产生的电荷正比于作用力,亦即与试件的加速度成正比,因此有二二为压电元件的压电常数

2.2结构型式

加速度传感器的结构可分为两大类压缩型和学其实现原理如图,当与被测物固定在一起的加速度传感器受到振动时,压电元件在受被测物惯性力的作用下,产生相应的加速度,即二。

同时,惯性力作用于传感器上,其内部的压电元件表面产生的电荷正比于作用力,亦即与试件的加速度成正比,因此有二二为压电元件的压电常数结构型式加速度传感器的结构可分为两大类压缩型和剪切型川。

压缩型结构的晶体片是与基座平行放置的,剪切型结构的晶体片是与基座垂直放置的,因此剪切式结构受基座应变的影响小,在温度稳定性、弹性安装的谐振频率衰减、低频测试稳定性方面均明显优于压缩型。

2.3技术指标

2.3.1灵敏度

灵敏度是传感器的一项重要指标,是指在一定机械量作用下,传感器输出的电荷电压数。

传感器的灵敏度有两种表现方式电荷灵敏度和电压灵敏度。

电荷灵敏度、电压灵敏度。

二输出电荷输人加速度输出电压输人加速度含一二,一,以上两种灵敏度的选用取决于所使用的测量仪器。

若与电荷放大器联接使用,则选用电荷灵敏度若与电压放大器联用,则选电压灵敏度。

2.3.2频响范围

频响范围是指传感器接收到的不衰减信号的频率范围。

普通的加速度计因其结构、体积、重量、材料的不同,其自身的频率响应各不相同。

一般来讲,压电类加速度计的频响与体积成反比,即体积、重量越大,频响越低,灵敏度越高。

因此,刚性好、体积小的传感器的频响就高,适合高振、大冲击场合铝质材料或大体积的传感器的频响低,适用于低振的大结构测量。

实测时可参照传感器所附频响曲线图,根据具体的测试对象来选型。

通常,选择加速度计的频率应高于被测物的振动频率,有倍频分析要求的加速度计频响应更高。

2.3.3最大横向灵敏度比

理想的加速度传感器只对主轴方向的振动量敏感,而对该轴垂直的、方向的振动无反应,即二二,但实际情况并非如此,加速度传感器对、平面内的振动也有一定灵敏度,即横向灵敏度比,并且这个现象不可克服。

一只性能好的压电式传感器,最大横向灵敏度比不大于。

横向灵敏度比横向灵敏度主轴灵敏度.

2.3.4其他性能

由于传感器是在各种环境条件下使用的,因此要求其对使用环境条件有较强的适应性。

环境条件包括温度、湿度、电磁场、噪声、腐蚀和辐射等。

现场测量过程中,需充分考虑这些因素对测量结果和仪器本身的影响。

2.4采用压电式加速度传感器的振动测试方案

2.4.1　整体方案设计

典型的振动测试系统由压电式加速度计、电荷放大器、动态信号分析仪组成,如图2所示。

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、分析和处理,也可以保存以便二次处理。

2.5振动测试的要求

压电式加速度计测试系统中,压电式加速度计的作用是把振动量转换成应的电信号。

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。

在使用加速度计时,应特别注意灵敏度性能指标。

灵敏度是指在一定机械量作用下,传感器输出的电荷（电压）数。

灵敏度有2种表现方式:

电荷灵敏度和电压灵敏度。

由于系统加速度计是与电荷放大器连接使用,因此选用电荷灵敏度;

3加速度传感器使用技术要素

3.1传感器的选用原则

压电式加速度传感器型号很多,每种型号都对应有特别适用的某些用途,为获得高保真的测试数据,必须根据测试的使用要求,选择最适合的压电式加速度传感器。

明确被测对象重量,传感器作为被测物的附加质量,通常会使被测物的振动加速度降低,其降低的加速度可用下式估算如果加速度传感器的质量接近于被测物的动态质量,被测物的振动就会受到显著影响。

因此,要求所选用的传感器其质量。

远小于被测物体的动态质量。

各参数的综合考虑。

目前,市场上传感器的各种产品,都明确给出了频率响应、量程范围、灵敏度、重量等性能参数。

通常,传感器灵敏度越高,质量越大,系统的信噪比越高,抗干扰能力和分辨率也越强,但量程和谐振频率却越低,稳定性越差即灵敏度、重量、频率相应和量程等参数是互相制约,互札影响的。

（1）具体选用时考虑到与后续测量电路的匹配应仗…被测加速度尽量远离传感器量程范围内最小值。

另外,还需估算被测物最大测量极限时加速度计所对应的最大输出电压,以保证估算所得电量值不得赶过后续配套仪器的最大输人电荷电压,同时考虑传感器本身非线性影响。

具体估算方法为最大输出电压二最大被测加速度电荷或电压灵敏度测试现场环境的影响。

（2）常见的恶劣环境有三种高温、潮湿、电磁场。

处于这些场合下的加速度计如不采取措施,则会给测量带来极大的误差。

测试现场潮湿或油污严重时如大型机组上渗油严二重,现场水蒸气较大等,加速度接头部分易受潮或受污染,而使绝缘电阻下降,大大影响测试精度,因此加速度计接头处需用热缩套管或用硅橡胶密封起来保证其绝缘性。

高温环境的测试,易改变通用型加速度计的电荷灵敏度,使得测试数据不准确,可采用降温等措施。

对传感器安装位置易受碰撞的场合,需考虑选择在加速度计外加装防护罩,这也可以同时其绝缘、防尘的作用为有效的消除强磁电场对测试的影响,可对加速度计进行二次屏蔽。

针对这些环境较为恶劣的测试现场,除需选用特殊设计的加速度计外,还需采取一些防护措施。

3.2与后续测量元件的匹配

压电式加速度传感器主要有两大类别电荷型压电式传感器和内置电路加速度计简称类型传感器。

电荷型压电式传感器其输出阻抗较大,因此与电荷型传感器连接的测量电路其输出阻抗都要求很高,一般都在兆欧以上。

通常,压电式加速度传感器可与高阻输人的电荷放大器或具有电荷前置功能的采集器相配。

而对于型内置式加速度计通常其后接恒流适配器,其功能可以给传感器供电和产生放大的作用。

另外,部分自带恒流功能的数据采集仪器,也可直接与传感器配用。

3.3加速度传感器应用手册

　通过测量由于重力引起的加速度，你可以计算出设备相对于水平面的倾斜角度。

通过分析动态加速度，你可以分析出设备移动的方式。

但是刚开始的时候，你会发现光测量倾角和加速度好像不是很有用。

但是，现在工程师们已经想出了很多方法获得更多的有用的信息。

　　加速度传感器可以帮助你的机器人了解它现在身处的环境。

是在爬山？

还是在走下坡，摔倒了没有？

或者对于飞行类的机器人来说，对于控制姿态也是至关重要的。

更要确保的是，你的机器人没有带着炸弹自己前往人群密集处。

一个好的程序员能够使用加速度传感器来回答所有上述问题。

加速度传感器甚至可以用来分析发动机的振动。

　　3.3.1加速度传感器的测量

　　目前最新IBMThinkpad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。

美国ICSensors加速度传感器，3031,3022,3052,3035,1210,1220,1230,1240等。

适用于地震监测，低频应用，测试仪器，机械控制等。

3.4加速度传感器优化设计参数

针对高过载的加速度传感器,期望在得到较高可靠性的同时,尽可能灵敏度,同时为了保证结构稳定性,设计时还要保证足够的带宽和适当的阻尼比。

根据设计指标要求确定以下性能约束。

考虑在加工过程中选用的硅片厚度为在梁宽度与质量块宽度相等的前提下,为保证经腐蚀后形成的质量块背部的完整性,质量块尺寸不易小于林。

若质量块太小,由于腐蚀的各向异性,经腐蚀深度越大,质量块背部越容易形成倒锥形,难以得到理想的质量块若减小背腔腐蚀深度,则会使梁的厚度增大,对梁结构释放时的刻蚀造成困难。