压电式传感器的应用和发展正式版

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压电式传感器应用与发展

压电式传感器应用与发展 电子信息与电气工程系 10级自动化（2）班 汪家乐 1005075039 孙修才 1005075044 魏 伟 1005073029 2012年10月27日

目 录

摘要................................................................ 2

关键字.............................................................. 2

第一章 引言......................................................... 2

第二章 基本工作原理................................................. 2

（一）压电效应 .................................................. 3

1、正压电效应................................................ 3

2、负压电效应................................................ 3

（二）压电材料 .................................................. 4

（三）压电传感器测量原理 ........................................ 4

第三章 压电式传感器的应用行业....................................... 5

（一）在电声学中的应用 .......................................... 6

（二）在工程力学中的应用 ........................................ 6

第四章 压电传感器运用的基本方法..................................... 7

第五章 压电式传感器在具体工程中的应用............................... 8

（一）压电式报警器 .............................................. 8

（二）压电式加速度传感器 ........................................ 9

第六章 压电式传感器的发展趋势....................................... 9

参考文献........................................................... 10

（一）网站类参考文献 ........................................... 10

（二）图书类参考文献 ........................................... 10

压电式传感器的应用和发展

摘要

近年来，由于电子技术的飞速发展，随着与之配套的二次仪表以及低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现，使得压电传感器在工程力学、生物医学、石油勘探、声波测井、电声学等许多技术领域中获得了广泛的应用。本文将以压电式传感器的应用与发展为核心，首先对电阻应变的原理进行介绍，紧接着是在行业、具体工程方面的应用以及应用的方法，最后介绍了电阻应变式传感器未来的发展趋势。

关键字：压电式传感器；工作原理；压电效应；应用；发展趋势

第一章 引言

传感器是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受与检出功能, 并使之按照一定规律转换与之对应有用输出信号的元器件或装置，是新技术革命和信息社会的重要技术基础，是现代科技的开路先锋，美国早在80年代就声称世界已进入传感器时代，日本则把传感器技术列为十大技术之创立。

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。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。

第二章 基本工作原理

压电式传感器：基于压电效应的传感器。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。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。

图1 压电式传感器结构

图2 压电式压力传感器 图3 压电式加速度传感器

（一）压电效应

压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。[2]

图4正压电效应 图5逆压电效应

1、正压电效应

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。

2、负压电效应

对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象。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。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。

（二）压电材料

压电材料可以分为两大类：压电晶体和压电陶瓷。前者为晶体，后者为极化处理的多晶体。它们都是具有较好特性：具有较大的压电常数，机械性能优良时间稳定性好，温度稳定性也很好等，所以它们是较理想的压电材料。1．压电晶体，常见压电晶体有天然和人造石英晶体。石英晶体，其化学成分为SiO2(二氧化硅)。在几百度的温度范围内，其压电系数稳定不变，能产生十分稳定的固有频率0f，能承受2/1000~700cmkg的压力，是理想的压电传感器的压电材料。

2．压电陶瓷，压电陶瓷是人造多晶系压电材料。常用的压电陶瓷有钛酸钡、锆钛酸铅、铌酸盐系压电陶瓷。但介电常数、机械性能不如石英好。由于它们品种多，可根据它们各自的特点制作各种不同的压电传感器，这是一种很有发展前途的压电元件。

图6 压电晶体 图7 压电陶瓷

（三）压电传感器测量原理

当压电传感器中的压电晶体承受被测机械应力的作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。

图8 压电压电式传感器的等效电路

电容容量计算公式：

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。

压电式传感器的前置放大器有两个作用：一是把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；二是把传感器微弱信号进行放大。放大器分为电压放大器与 电荷放大器。

图9 电压放大器电路

图10电荷放大器电路

第三章 压电式传感器的应用行业

压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等优点。压电式传感器的应用领域广泛：电声学，生物医学和工程力学等等。它能测量发动机里面的内燃压力，也能够应用在军事方面。它可以测量在膛中枪炮子弹在发射的那一刻，膛压的改变量和所受到的冲击波压力。它能够测量很小的压力，也能测量大的压力。由于它的使用寿命长，重量较轻，体积较小，结构简单，因此它所涉及的领域远不止这些。在建筑物、桥、汽车和飞机等的冲击和震动的测量，也是非常广泛的。特别在航空领域里，它有着特殊的地位。

（一）在电声学中的应用

图11 高强度声学传感器

传感器参数：

（二）在工程力学中的应用

图12压电式传感器

传感器参数：

第四章 压电传感器运用的基本方法

压电式传感器的基本原理就是利用压电材料的压电效应这个特性，即当有力作用在压电元件上时，传感器就有电荷输出。 由于外力作用在压电材料上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，故需要测量回路具有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，因此压电式传感器不能用于静态测量。

压电元件作为压电式传感器的核心，在受外力作用时，其受力和变形方式大致有厚度变形、长度变形、体积变形和厚度剪切变形等几种形式。最常用的是厚度变形的压缩式和剪切变形的剪切式两种。压电式传感器本身的阻抗很高，而输出能量较小，为了使压电元件能正常工作，它的测量电路需要接入一个高输入阻抗的前置放大器，主要有两个作用：一是放大压电元件的 微弱电信号；二是把高阻抗输入变换为低阻抗输出。

[4]

图13厚度变形的压缩式 图14环形剪切型

第五章 压电式传感器在具体工程中的应用

（一）压电式报警器

玻璃破碎报警装置它利用压电元件对振动敏感的特性来感知玻璃受撞击和破碎时产生的振动波。传感器把振动波转换成电压输出，输出电压经放大、滤波、比较等处理后提供给报警系统。压电式玻璃破碎传感器的原理结构如图5-11所示。传感器的最小输出电压为100 mV，最大输出电压为100 V，内阻抗为15～20 kq。

玻璃破碎时会发出几千赫兹至几十千赫兹的振动，使用时将高分子压电薄膜传感器粘贴在玻璃上，感受这一振动，然后通过电缆和报警电路相连，将压电信号传送给集中报警系统。为了提高报警器的灵敏度，信号经放大后，再经带通滤波器进行滤波，要求它对选定的频谱通带的衰减要小，而频带外衰减要尽量大。玻璃振动的波长在音频和超声波的范围内，这就使滤波器成为电路中的关键。只有当传感器输出信号高于设定的阈值时，才会输出报警信号，驱动报警执行机构工作。玻璃破碎报警器可广泛用于文物保管、贵重商品保管及其他商品柜台保管等场合。

图15玻璃破碎报警器

玻璃破碎报警器参数：

◆额定电压:12/24V D.C./220V A.C。

◆功率:10W。

◆常闭／常开触点。

◆２块玻璃片。

◆外形尺寸:87*87*51mm。

◆颜色：红色\绿色常规可选 白色、黄色可订做。

（二）压电式加速度传感器

压电式加速度传感器如图5-10所示，压电元件一般由两块压电晶片组成，在压电晶片的两个表面上镀有电极，并引出引线。在压电晶片上放置一个质量块，质量块一般采用比较大的金属钨或高比重的合金制成。然后用一硬弹簧或螺栓，螺母对质量块预加载荷，整个组件装在一个原基座的金属壳体中。为了隔离试件的任何应变传送到压电元件上去，避免产生假信号输出，一般要加厚基座或选用刚度较大的材料来制造，壳体和基座的重量差不多占传感器重量的一半。

图16压电式加速度传感器

压电式加速度传感器参数：

第六章 压电式传感器的发展趋势

压力传感器的发展趋势：当今世界各国压力传感器的研究领域十分广泛，归 纳起来主要有以下几个趋势。（1）小型化。小型化会带来很多好处，重量轻、体积小、分辨率高，便于安装 在很小的地方对周围器件影响小，也利于微型仪器、仪表的配套使用。（2）集成化。压力传感器已经越 来越多的与其它测量用传感器集成以形成测量 和控制系统，集成系统在过 程控制和工厂自动化中可以提高操作速度和效率。（3）智能化。由于集成化的出现，在集成电 路中可添加一些微处理器，使得传 感器具有自动补偿、通讯、自诊断、逻辑判断等功能。（4）

压电式传感器的应用与发展

系统化。单一化产品在市场上没有大的竞争力。市场风云突变，一旦失去 市场，发展则停滞不前，经济效益差，资金浪费大，产品成本高。（5）标准化。传感器的设计与制造已经形成了一定的行业标准。如 IEC、ISO 国际标准，美国的 ANSIC、ANSC、MIL-T 和 ASTME 标准，日本 JIS 标准，法国 DIN 标准。

参考文献

（一）网站类参考文献

【1】绵阳市奇石缘科技有限公司. 压电式加速度传感器 http://kisyer.wanye68.com/company/newmb/1/cpdetail.asp?tc=huang&id=8778354&userid=kisyer

【2】无锡裕天科技有限公司. 压电式传感器 http://www.wxyutian.com/index.aspx?menuid=4&type=productinfo&lanmuid=6&infoid=147&language=cn

【3】百度文库. 压电式传感器的发展与应用 http://wenku.baidu.com/view/48c902094a7302768e993947.html

【4】百度百科. 压电式传感器 http://baike.baidu.com/view/486062.htm

【5】百度文库. 压电式传感器探讨与应用 http://wenku.baidu.com/view/adadfee49b89680203d82532.html

【6】测试技术.压电测量技术 http://csjs.jpkc.cc/csjs/showindex/254/102

【7】广东深圳玻破开关生产供应商. 破璃破碎开关 玻璃破碎报警 http://www.youboy.com/s39182959.html

（二）图书类参考文献

【1】赵燕，传感器原理及应用 [M]. 北京：北京大学出版社[M]，2009.P125—152

【2】郭冰 王冲，压力传感器的现状与发展，中国石油兰州石化公司（兰 州730060），2009.

【3】黄继昌,徐巧鱼,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.

【4】沈国伟，传感器技术，绍兴文理学院（浙江 绍兴 312000），2003. 10