压电式传感器探讨与应用.docx
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压电式传感器探讨与应用
编号
毕 业 论 文
题目：
压电式传感器探讨与应用
学生姓名：
胡树风
学 号：
07655114
专 业：
检测技术与应用
班 级：
076551
指导教师：
黎正根老师
2010年 6 月
目录
一、绪论、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、3
二、压电式传感器的基本原理、、、、、、、、、、、5
1、压电效应
2、压电材料
3、测量电路
三、压电式压力传感器原理和结构图、、、、、9
四、影响压电式传感器精度的因素分析、、、10
五、压电式传感器的举例应用、、、、、、、、、、11
六、小结、、、、、、、、、、、、、、、、20
！
一、绪论
国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：
“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
传感器的作用
人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。
而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。
为适应这种情况，就需要传感器。
因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。
• 新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。
在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。
• 在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。
因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。
•在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。
现代科学技术的发展，进入了许多新领域：
例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到nm的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到瞬间反应。
此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁砀等等。
显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。
许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。
一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。
• 传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。
可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。
• 由此可见，传感器发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。
世界各国都十分重视这一领域的发展。
相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。
二、压电式传感器的基本原理
1、压电效应
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。
常见有以下几种压电效应模型（见图1）
图1
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种基本形式（见图2）
。
图2
压电晶体是各向异性的，并非所有晶体都能在这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。
压电式传感器大致可以分为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。
2、压电材料（piezoelectricmaterial）
选用合适的压电材料是设计高性能传感器的关键。
一般应考虑一下几个方面：
（1）转换性能：
具有较高的耦合系数或具有较大的压电常数。
（2）机械性能：
压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、机械刚度大。
以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。
（3）电性能：
希望具有高的电阻率和大的介电常数，以期望减弱外部分布电容的影响而获得良好的低率特性。
（4）温度和湿度稳定性要好：
具有较高的居里点、以期望得到宽的工作温度范围。
（5）时间稳定性：
压电特性不随时间蜕变。
常见的压电材料有：
石英、钛酸钡陶瓷、钙钛矿型的铌酸盐等，下面简单介绍两种：
钛酸钡压电陶瓷：
钛酸钡（BaTiO3）是由碳酸钡（BaCO3）和二氧化钛（TiO2）按1：
1分子比例在高温下合成的压电陶瓷。
它具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为石英晶体的50倍）。
不足之处是居里点温度低（120℃），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。
高分子压电材料：
某些合成高分子聚合物薄膜经延展拉伸和电场极化后，具有一定的压电性能，这类薄膜称为高分子压电薄膜。
目前出现的压电薄膜有聚二氟乙烯PVF2、聚氟乙烯PVF、聚氯乙烯PVC、聚γ甲基-L谷氨酸脂PMG等。
高分子压电材料是一种柔软的压电材料，不易破碎，可以大量生产和制成较大的面积。
3、测量电路
压电式传感器简单的说就是压电敏感元件的受力变形后表面产生电荷。
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。
电荷放大器由电荷变换级、适调级、低通滤波器、高通滤波器、末级功放、电源几部分组成。
压电传感器接放大器的等效电路如图3：
图3：
（a）放大器电路（b）等效电路
三、压电式压力传感器原理和结构
压电式压力传感器（piezoelectrictypepressuretransducer）：
基于压电效应的压力传感器。
它的种类和型号繁多，按弹性敏感元件和受力机构的形式可分为膜片式和活塞式两类。
膜片式主要由本体、膜片和压电元件组成（见图4）。
压电元件支撑于本体上，由膜片将被测压力传递给压电元件，再由压电元件输出与被测压力成一定关系的电信号。
这种传感器的特点是体积小、动态特性好、耐高温等。
现代测量技术对传感器的性能出越来越高的要求。
例如用压力传感器测量绘制内燃机示功图，在测量中不允许用水冷却，并要求传感器能耐高温和体积小。
压电材料最适合于研制这种压力传感器。
目前比较有效的办法是选择适合高温条件的石英晶体切割方法,例如XYδ（+20°～+30°）割型的石英晶体可耐350℃的高温。
而LiNbO3单晶的居里点高达1210℃，是制造高温传感器的理想压电材料。
图4
四、影响压电式传感器精度的因素分析
1、非线性
压电传感器的幅值线性度是指被测物理量（如力、压力、加速度等）的增加，其灵敏度的变化程度。
2、横向灵敏度
压电加速度传感器的横向灵敏度是指当加速度传感器感受到与其主轴向（轴向灵敏度方向）垂直的单位加速度振动时的灵敏度，一般用它与主轴向灵敏度的百分比来表示，称为横向灵敏度比。
3、环境温度的影响
环境温度的变化对压电材料的压电常数和介电常数的影响都很大，它将使传感器灵敏度发生变化，压电材料不同，温度影响的程度也不同。
当温度低于400℃时，其压电常数和介电常数都很稳定。
4、湿度的影响
环境湿度对压电式传感器性能的影响也很大。
如果传感器长期在高湿度环境下工作，其绝缘电阻将会减小，低频响应变坏。
5、接地回路噪音
在测试系统中接有多种测量仪器，如果各仪器与传感器分别接地，各接地点又有电位差，这便在测量系统中产生噪音。
防止这种噪音的有效办法是整个测量系统在一点接地。
而且选择指示器的输入端为接入点。
五、压电式传感器的举例应用
1、压电交通传感器在ITS中的应用
IntelligentTransportSystem,简称ITS
智能交通系统将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子传感技术、电子控制技术以及计算机处理技术等有效地集成运用于整个交通运输管理体系，而建立起的一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合运输和管理系统。
随着全球智能交通技术（ITS）的发展，与众多的技术一样，美国MSI（MICROSTARINTERNATIONAL：
微星科技）传感器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。
它为用户提供的不仅仅是良好的性能，高度的可靠性，简易的安装方法，还有逐步降低的价格。
它独一无二的特性使其在日益扩展的应用中成为理想的选择。
压电传感器特点电容式传感器：
不能检测静止在传感器上的车辆。
只能检测动态信号，内阻很高，在低频时信号衰减很大，低速时应考虑采用较高的电路输入阻抗，速度范围取决于电路设计，一般为5公里/小时到200公里/小时，较成功的系统达到10米/分钟（0.6公里/小时）。
无源传感器：
可在前置放大器前长距离传送而不需要供电。
寿命长：
超过4千万次ESAL（等效单轴负载）安装质量好可达一亿次（ESAL）。
大信号：
200公斤轮载，在55英里速度行驶时，输出最小250mV信号。
动态特性好：
可测自行车，摩托车，小汽车及重型货车。
高信噪比：
传感器的扁平结构即宽厚比为6:
1使非受力方向的躁声最校包括路面躁声和相邻车道车辆的躁声最校最小的路面破坏：
安装切口仅为19mmx19mm。
并可与路面轮廓一致。
易搬运：
盘卷在600mmx600mm的纸盒内，卷曲直径不小于300mm就不会损坏。
一次安装获取多种信号：
如轴数，重量，车速，轴距，与电感线圈配合，从而实现行驶中称重（WIM英文MicrosoftWindowsImagingFormat（WIM）的简称是基于文件的映像格式）,车辆分类统计，车速监测，闯红灯拍照。
压电传感器应用范围压电传感器主要应用于行驶中称重（WIM）,车辆分类统计，计轴数，测轴距，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）以及机场滑行道。
一。
行驶中称重（WIM）在美国。
巴西。
德国。
日本和韩国有大量应用，其主要用途是高速公路车辆超重超载监测的预选和桥梁超载警告系统，既判断正在高速行驶中的车辆，尤其是驶过桥梁的车辆是否超载，由视频系统拍下车牌号记录在案，然后再由执法机构用精度较高的低速称重系统判断超载量并根据超载量罚款。
性能符合ASTME1318-94动态称重标准，传感器长度方向上的输出一致性小于±7％，埋设在路面下永久性安装时，总重精度在±10％以内，适用于ASTM—E1318-94标准I类动态称重系统；临时安装在路面时，总重精度在±15％以内，适用于ASTMEl318-94标准II类动态称重系统。
传感器精度与车辆振动和跳动有关，与轮胎压在传感器上的面积有关，与温度有关，需要温度补偿。
尤其是道路质量对系统精度影响很大，用在水泥路面较好，寿命长于沥青路面，用于动态称重的道路质量应符合ASTM（AmericanSocietyforTestingandMaterials系美国材料与试验协会的英文缩写）的有关规定。
通常可以保证的精度是±10％，个别成功的系统精度可达1-2％。
速度范围可以从5公里／小时到200公里／小时，较成功的系统在低速端达到10米／分钟（0.6公里／小时）。
重量下限是自行车，上限经受了50万次60KN单轮胎实验，等效于70吨（美国标准的9类车辆）,实测中水泥实验路段被压坏。
二。
车辆分类统计压电传感器的主要用途是车型分类，车速数据可被转换为可靠的分类数据。
不同的国家使用不同的分类表对车辆分类。
在美国，FHWA（FederalHighwayAdministration：
联邦汽车运输安全管理局）把车辆定义为从摩托车到多用途拖车的13种类型（见高速公路动态称重（WIM）系统的标准规范及用户要求与试验方法ASTMl318-94）。
车辆的类型是根据轴数和轴距确定的。
轴距：
由于车速在3米或小于3米的距离内基本上是均速，用车轴经过传感器时建立的信号时间差乘以车速，就得出轴距。
轴数：
由于传感器是检测压过轮胎的力，因此即使在车量靠得很近时也很容易测出轴数，但在车流密集。
低速及车型相似时，不能区分所计轴数是同一辆车还是两辆车，而电感线圈不能计轴数，因而用电感线圈+压电传感器的方案既可测得轴数又可测得车数。
配置方案既可以是传感器+线圈+传感器，也可以是线圈十传感器十线圈，为获取车速信号芹进行其它计算，两个方案都可以，但前一个配置较好。
轮距：
有些国家如南韩，车辆的分类需要检测轮距，我国车辆的种类很多，存在同轴距不同轮距的问题，如解放车和黄河车，其载重能力的差别很大。
如果检测器能分辨轮距，将增加系统的覆盖率和准确性。
将传感器以一定角度斜埋就可解决这个问题。
轮胎数：
其他国家车辆分类的标准，如巴西是以双轮胎作为等级划分标准的。
为了探测双轮胎，通常在与车流方向成一定角度（一般是30度到45度）再加装一个传感器。
当双轮胎经过斜埋的传感器时，会产生一个双峰脉冲，通过电路的处理可识别双轮胎信号。
垂直车流安装的传感器仍用来正常探测车速，轴数，并与斜埋传感器计数进行比较。
根据交通部发布的“超限运输车辆行驶公路管理规定”，动态称重系统应具备识别单。
双轮胎的能力，通过斜埋压电轴传感器就可解决这个问题。
由于车流量的快速增长，ETC（ ETC=ElectronicTollCollection电子不停车收费系统）成为业内人士关注的焦点。
我国一直采用的是按吨位和按客车座位数分类，现在国内行驶的车辆种类复杂，按这种分类法在ETC系统中引入自动分类十分困难。
按轴距和轴数分类，再考虑载重，应是比较合理的方法。
建立合理的分类标准是解决ETC问题的关键。
制定标准的基础是检测手段。
应结合视频技术，压电轴传感器及网络技术针对车辆的轴数。
轴距。
轮数。
长。
宽。
高等物理特性设计车型识别系统。
这需要管理部门，系统集成商及器件供应商的有机组合才能实现。
三。
车速监测通常在每条车道上安装两条传感器，这便于分别地采集每条车道的数据。
使用两个传感器可计算出车辆的速度。
当轮胎经过传感器A时，启动电子时钟，当轮胎经过传感器B时，时钟停止。
两个传感器之间的距离一般是3米，或比3米短一些（可根据需要确定）。
传感器之间的距离已知，将两个传感器之间的距离除以两个传感器信号的时间周期，就可得出车速。
根据德国PTB的报告，在汽车以200公里／小时的匀速行驶时，测量精度可达到1％。
压电传感器可以区分差别很小的车辆，这一点使其可与速度相机触发器在固定地点一同使用。
通常都安装2条传感器作为一组，有的国家也安装3条（增加了校验）。
当轮胎经过传感器时，根据从A到B,再从B到C,最终从A到C的时间，计算出车速。
然后对这几个车速进行对比，它们都应在规定的范围内，通常不超过2％。
如果车辆超过了规定的时速，前轮经过最后一个传感器时，立刻给车辆拍照，并计算出车速。
在第一张照片拍摄后的固定时间进行第二次拍照，这样观测仪可以校验车速。
即使在车流量很高的情况下，也可得到各个车道的信息。
传感器可以交错安装，以便照相机有稳定的焦点，从而使得照片清晰可读。
通过车速监测既可以对超速车辆罚款，又可以根据车流量建立可变限速标志和可变情报板。
在车流量较高时，设置较低的限速；流量较低时，设置较高的限速，建立动态的管理系统，从而实现路面管理智能化。
四。
收费站地磅压电轴传感器的一个应用就是收费站地磅。
传感器可以记录高速行驶中车辆的数据。
车速较低时，轴传感器与电路的接口很关键，压电传感器对低频信号会衰减，低频衰减由传感器的电容和电路输入阻抗决定。
压电轴传感器电路部分的另一个改进就是允许传感器在10米／分钟（0.6公里／小时）的速度时应用。
尽管压电轴传感器能探测出压上传感器然后从传感器上移开的轮胎，但它不能检测静止在传感器上的车辆。
在一个非常小的距离内可以同时应用多个传感器。
以防止错误的计数，芹改善计数的校验。
压电传感器十分适合在收费站自动分类车道上使用，因为在那里车速的变化很大。
压电轴传感器为收费站地磅提供了一个非常有效的优势，压电轴传感器的寿命比普通的电阻式地磅要长得多。
由于传感器的固态结构，压电轴传感器没有可移动部分。
传感器中可见的变形在微米（um）范围内，而电阻式地磅通常在橡胶套中有几毫米的变形，因此而引入了一个疲劳元件。
电阻式传感器寿命为100-500万轴次，而压电传感器却超过1亿轴次。
五。
闯红灯拍照压电轴传感器也可作为闯红灯照相机的触发器。
在交叉路口的红灯线前安装两个传感器，传感器与红灯线的最小距离一般为2米。
两条传感器的间距为1米或小于1米，可安装在地感线圈的上方，所有数据由前轮采集，在车辆移动6’’（150mm）以前完成信号采集，信号采集与速度无关，与车辆类型无关，可在高密度交通流量时使用，照相机控制器与红绿灯控制器相连，以便只在红灯时完成动作。
用两条传感器确定停车线前的车速，如果红灯亮并且车速大于预置值，就会自动拍下第一张照片。
第一张照片证明红灯已亮，而且车辆在红灯亮时未超越停车线，并可证明车速及已亮红灯的时间。
第二张照片根据车速在这以后固定的时间内拍出，一般来说为1至2秒。
第二张照片证明事实上车辆越过了停车线进入交叉路口并闯了红灯。
在美国，因为隐私的缘故，大部分照片都是在汽车尾部拍摄的，然后给车辆开罚单，方式与停车罚单类似。
注册的车主会收到罚单，其中包括两张照片，并把车牌照号的部分放大。
虽然数码相机已被接受，但大部分系统还是采用35毫米或更大规格的湿胶片来拍摄的。
初步证据在采用湿胶片或一次写入多次读取的数码影像方式时对违章者是不利的。
这样就防止了对证据进行数码串改。
在美国的马里兰州霍华德县，由于安装了采用压电轴传感器的闯红灯拍照系统，在一年内闯红灯事件减少了53％，只有3.2％提出由法庭审判，90％的法庭审判证明事主违章。
在有一个像机的第一个交叉路口，冲突由1992年的15次／年减少到1998年的8次／年。
20台像机，发出21000次罚款通知。
六。
触发器选择压电传感器作闯红灯照相机触发器的原因与它们在速度照相机中的应用相同。
在照片中可以看到车辆仍在传感器的上方。
传感器以有线方式连接到照相机上，将信息具体到某一车道。
即使在两条相邻车道上，两辆车紧挨着，传到照相机控制器的数据将是该传感器所在车道的数据。
传感器不象固定的雷达装置那样很难区分相邻车辆，因此，压电传感器适用于多车道。
收到罚单的人被再确认他们确实是闯了红灯或违反了车速规定，因为他们可以很清楚地看到展现在他们眼前的证据。
七。
交通信息采集和统计（道路监控）压电轴传感器的应用已扩展成一门技术，并更可靠，价格合理。
这项技术起源于美国的联邦高速公路署（FHWA）长期道路性能工程（LTPP）。
在这个项目下，部分道路的交通负载，类型和重量被监控，以确定道路的磨损。
类型和等级。
在这种方式下，通常采用的是周期信息采集，而几乎没有实时的数据采集。
目前，由于我国的高速公路建设尚在起步阶段，有些路段由于超载严重，在设计使用年限之前就过早损坏，造成养护费用上升，多数管理部门将主要精力集中在收费（尤其是不停车收费）标准的制定和系统的技术问题方面。
这在目前是必需的，但是随着车流量的增加，道路负荷的加重，交通事故将增加，道路的塞车时间将加长，对道路的破损修复期将缩短，次数将增加，对道路状态的监测将变得越来越重要。
如果将网络技术。
视频技术及埋在路面下的地感线圈和压电轴传感器相结合，实现交通信息的短周期采集，将车流量。
车轴数。
车速。
轴距。
分类信息，载重量等信息收集并加以分析，由自动化交通信息调查系统对路面负荷给业主提供维护方案，同时也为公路规划。
设计。
维护和决策提供可靠。
全面的数据，加拿大多伦多401高速公路交通管理系统就是一个典型的例子。
在最近五年里，压电轴传感器在性能方面显著地提高，而价格却不断降低。
以安装价格来说，它只比感应线圈稍高一些，却比感应线圈多提供许多有效信息，诸如改善了的速度信息，车辆分类等。
另外增加了行驶中称重能力以确定和监控车辆的重量。
它与感应线圈相结合，将使交通信息的采集更精确更全面。
显然，压电轴传感器作为一种技术，应该考虑将其广泛应用于智能运输系统（ITS）
六、小结
压电式传感器可用于力、压力、速度、加速度、振动等许多非电量的测量，可做成力传感器、压力传感器、振动传感器等等。
由于它的一系列突出优点，在工业生产和自动化控制中得到广泛应用。
近年来由于电子技术的发展，随着配套的二次仪表，及低噪音、小电容、高绝缘电阻电缆的出现使压电传感器使用更方便，集成化、智能化的新型压电传感器正被开发出来。
致谢：
此次毕业论文设计在2个月时间准备完成。
肯定有许多的不足之处，希望老师给以指导，相信在老师的帮助下肯定会有进步的。
通过这次论文的设计，我发现了我们专科生的不足，搞技术的要创新、要有自己的东西，专科生是高不高低不低的，要改变这样，就得脚踏实地的学习，肯吃苦钻研，保持一颗上进的心面对挫折！
参考资料：
传感器与检测技术----------宋文绪、杨帆
检测技术与仪器-------------沈中城
压电石英晶体----------------秦自楷
2010年6月
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