压电式传感器的应用及发展.docx

1、压电式传感器的应用及发展合 肥 学 院Hefei University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 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

2、获得了广泛的应用。本文主要重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引言 22压电式传感器的基本原理 22.1 压电效应 22.2 压电材料 33压电式传感器在行业中的应用 43.1在航空航天领域的应用 43.2在土木工程领域中的应用 43.3在医学领域的应用 44压电式传感器运用的基本方法 54.1传感器的等效电路 54.2压电晶片的串联与并联 54.3测量电路 55压电式传感器在具体工程中的应用 65.1压电制动器 65.2新型声发射传感器 65.3 压电陀螺 66压电式传感器的发展趋势 76.1 向高精度发展 76.2 向高可靠性、宽温度围

3、发展 76.3 向微型化方向发展 76.4 向智能化数字化发展 77参考文献 81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，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。2压电式传感器的基本原理2.1 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

4、指：当晶体受到某固定方向外力的作用时,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，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

5、有良好的厚度变形和长度变形压电效应。2.2 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。压电瓷有属于二元系的钛酸钡瓷、锆钛酸铅系列瓷、铌酸盐系列瓷和属于三元系的铌镁酸铅瓷。压电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。60年代以

6、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应用3.1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、

7、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,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

8、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部噪声的控制。3.2在土木工程领域中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

9、及通过测量冲击激起的弹性波信号实现冲击的定位等。3.3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720m波长围有很强的吸收,而人体的热辐射也基本处于这个围,因此,它可用于人体探测、热电夜视设备、激光束探测等方面。PVD压电薄膜的频率响应围很宽,其低限截止频率约为0.001 Hz,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。4压电式传感器运用的基本方法4.1传感器的等效电路 压电晶片受外力作用时，将在

10、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和电容等形成的负载阻抗影响。4.2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

11、压与单片时相同，而输出电荷量则是单片时的两倍。4.3测量电路 压电式传感器的阻抗很高，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

12、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。5压电式传感器在具体工程中的应用5.1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瓷制动器,向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

13、定适当的控制频率,所以这种装置结构简单、实用。5.2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。5.3 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, GPS汽车导航是一种有效的实现方案。然而

14、,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。6压电式传感器的发展趋势 6.1 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

15、，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。 6.2 向高可靠性、宽温度围发展 压电传感器的可靠性及温度围直接影响到电子设备能否正常工作，研制高可靠性、宽温度围的传感器将是永久性的方向。提高温度围是历来需要解决的课题，大部分传感器其工作围都在-20-70，在军用系统中要求工作温度在-40-85围，而汽车锅炉等场合要求传感器的温度要求更高。 6.3 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

16、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。 6.4 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

17、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。7参考文献1.侯明亮，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.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.朱蕴璞，孔德仁，王芳 传感器原理及应用:国防工业4.樊春玲，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.高长银，辉，马龙梅. 电荷放大器对石英传感器动态特性的影响 6.锻压技术手册 编委会 锻压技术手册。: 国防工业 7.许谊生，丁振荣 自动测试仪表电子电路设计 : 原子能 8.彬， 先良 一种高精度应力测量电路的实现 自动化与仪表9.过壁君，磁芯设计及应用 :电子科技大学10.振玉 ，光圻 高效率放大及功率合成技术 :中国铁道