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压电传感器传感器技术论文篇一
压电传感器
摘要：压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器。而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也叫压电传感器。本文主要介绍压电效应及压电传感器的测量原理，综述当前压电传感器的分类，讨论压电传感器在进一步实用化过程中面临的困难和需要解决的问题，并对其应用前景做的展望。
关键词：压电传感器 压电效应 分类 前景展望
一、压电原理
1.压电效应
一些离子型晶体的电介质(如石英、酒石酸钾钠、钛酸钡等)不仅在电场力作用下，而且在机械力作用下，都会产生极化现象。即：在这些电介质的一定方向上施加机械力而产生变形时，就会引起它内部正负电荷中心相对转移而产生电的极化，从而导致其两个相对表面(极化面)上出现符号相反的束缚电荷，且其电位移D(在MKS单位制中即电荷密度σ)与外应力张量T成正比;当外力消失，又恢复不带电原状;当外力变向，电荷极性随之而变。这种现象称为正压电效应，或简称压电效应。
2.压电传感器原理
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。压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为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。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。
二、压电传感器分类
压电介质可分为三类，分别是石英晶体、压电陶瓷和高分子压电材料。
1.石英晶体
石英晶体是一种天然形成的性能极为优异的单晶体压电材料。它具有稳定性好、可靠性高、响应速度快、压电常数自然变化率低(在20-200℃时，仅为-0.0001/摄氏度 )等特点，广泛用于制作标准传感器以及高精度传感器。
2.压电陶瓷
压电陶瓷是一种人工合成的多晶体压电材料，内部具有大址微观极化区。无外电场作用时，各极化区在晶体中呈杂散状、极化方向各异。因此压电陶瓷平时呈电中性。当施加外电场时，极化方向统一。此时围绕原子核的电子获得动能脱离原子核束缚成为自由电子。这些自由电子和失去电子显正电性的原子核在外
电场作用下逐渐形成内部微弱势垒电场。从电工学理论可知，微观上所谓势垒电场就是“两侧堆积电性各异电子组成的作用范围”，宏观上表现为压电陶瓷表面呈现大量电荷。
压电陶瓷不同于自然界其他电介质，在外电场失去时，其内部极化区仍存有很强剩余极化强度，如沿极化方向施加外力，其表面也能产生电荷。换句话说，压电陶瓷也具有压电效应。常用的压电陶瓷有钻钦酸铅系列压电陶瓷(PZT)、非铅系压电陶瓷等。
3.高分子压电材料
高分子压电材料是近年来发展较快的一种新型压电材料。它的特点是压电常数较高，如聚偏二氟乙烯(PVF2或PVDF)的压电常数比压电陶瓷高十几倍，其输出脉冲电压可直接驱动 CMOS集成门电路。这种材料质地柔软，可以拉伸成薄膜或套管状。另外，价格便宜，不易破碎，具有防水性。其测量范围可达80dB,频响范围从0.1Hz直至10九次方Hz。可见它是一种较为理想的电声材料。 高分子压电材料的工作溢度适用范围为100℃以下，机械强度较低，不耐紫外线照射。
三、总结
不可否认，压电传感器在拥有众多优点的同时，也存在着许多缺点，展望今后的研究重点，可能会有以下几个方面：(1)从研究的成果来看，理论研究离工程实用还有一定的差距，工程实用化方面研究也相当薄弱，具体表现在理论及仿真研究较多，而实验验证相对较少，研究对象以简单的梁板结构较多，对复杂结构的研究还相当欠缺。 (2)压电元件非线性特性的研究。由于压电材料的极化特性，压电系统只能在一定范围内满足近似的线性要求，并容易受外界多种环境的影响。非线性特性的存在使压电元件重复性差、检测精度低，瞬态位置响应速度慢，可控性变差，成为压电元件进一步工程应用的主要障碍之一。为减小这种非线性特性所造成的不良影响，更好地发挥压电元件的性能，国内外很多科研机构从压电元件非线性特性形成机理、外环及内环非线性特性及控制方法等方面开展了相关研究。 (3)压电材料的压电特性有待于进一步提高，这使得压电材料的应用受到极大限制。各国学者正在努力开发，一旦找到一种优异的压电材料，相信将会取代传统的、笨重的机电换能设备，如电动机、马达等。到那时，压电研究将会全方位地发展，甚至可能影响到我们生活的各个方面。
参考文献：
[1]蒋泽民,高俊启,季天剑.压电传感器测量路面动水压力研究[J].传感器与微系统，2012.
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[3]Optimal Control of a Beam with Discontinuously Distributed Piezoelectric Sensors and Actuators[J].船舶与海洋工程学报，英文版,2012.
[4]陈海雄,李传江.基于压电传感器的旋转机械振动信号测试技术[J].制造业自动化,2012.
[5]张忠华.压电传感器与执行器集成一体化方法和发展趋势[J].中国科技博览,2011.
[6]压电传感器动态特性数字化补偿方法研究[J].长沙大学学报,2011.
压电传感器传感器技术论文篇二
压电式传感器论文
系部：机电工程系 专业：物联网 姓名：雷伟 班级：1122 指导老师：诸跃进
2013.10.25 时间
目录
摘要.....................................
引言.....................................
关键词...................................
压电原理.................................
应用背景及实例...........................
1.产品展示.............................
2.行业应用.............................
测量电路.................................
总结.....................................
摘要
本文除了重点讲解压电式传感器的应用和测量电路，还介绍压电效应以及一些压电材料。压电式传感器在测量一些物理量和作为警报器方面有一些很好的应用。
关键词:压电原理，压电效应，石英，压电陶瓷
引言：
压电现象是100多年前居里兄弟研究石英时发现的。居里兄弟在研究热电性与晶体对称，发现正负电荷，而且电荷密度与压力大小成正比。居里兄弟所报道的这些晶体就有后来广为研究的铁电体酒石酸钾钠(罗息盐)。1881年，应用热力学原理预言了逆压电效应，即电场可以引起与之成正比的应变。很快这一预言被居了里兄弟用实验所证实了。
1. 压电原理
压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应，是一种典型的有源传感器。通过材料受力作用变形时，气表面会有电荷产生而实现非电量测量。
压电式传感器
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。
2. 应用背景及实例
产品展示 压电式测力传感器
压电式测力传感器是利用压电元件直接实现力-电转换的传感器，在拉、压场合，通常较多采用双片或多片石英晶体作为压电元件。其刚度大，测量范围宽，线性及稳定性高，动态特性好。当采用大时
间常数的电荷放大器时，可测量准静态力。按测力状态分，有单向、双向和三向传感器，它们在结构上基本一样。
图所示为压电式单向测力传感器的结构图。传感器用于机床动态切削力的测量。绝缘套用来绝缘和定位。基座内外底面对其中心线的垂直度、上盖及晶片、电极的上下底面的平行度与表面光洁度都有极严格的要求，否则会使横向灵敏度增加或使片子因应力集中而过早破碎。为提高绝缘阻抗，传感器装配前要经过多次净化(包括超声波清洗)，然后在超净工作环境下进行装配，加盖之后用电子束封焊。
压电式压力传感器的结构类型很多，但它们的基本原理与结构仍与压电式加速度和力传感器大同小异。突出的不同点是，它必须通过弹性膜、盒等，把压力收集、转换成力，再传递给压电元件。为保证静态特性及其稳定性，通常多采用石英晶体作为压电元件。
压电式加速度传感器
压电元件一般由两片压电片组成。在压电片的两个表面上镀银层，并在银层上焊接输出引线，或在两个压电片之间夹一片金属，引线就焊接在金属片上，输出端的另一根引线直接与传感器基座相连。在压电片上放置一个比重较大的质量块，然后用一硬弹簧或螺栓、螺帽对质量块预加载荷。整个组件装在一个厚基座的金属壳体中，为了隔离试件的任何应变传递到压电元件上去，避免产生假信号输出，所以一般要加厚基座或选用刚度较大的材料来制造。
测量时，将传感器基座与试件刚性固定在一起。当传感器感受到振动时，由于弹簧的刚度相当大，而质量块的质量相对较小，可以认为质量块的惯性很小，因此质量块感受到与传感器基座相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力作用。这样，质量块就有一正比于加速度的交变力作用在压电片上。由于压电片具有压电效应，因此在它的两个表面上就产生了交变电荷(电压)，当振动频率远低于传感器固有频率时，传感器的输出电荷(电压)与作用力成正比，即与试件的加速度成正比。输出电量由传感器输出端引出，输入到前置放大
器后就可以用普通的测量器测出试件的加速度，如在放大器中加进适当的积分电路，就可以测出试件的振动加速度或位移。
压电式金属加工切削力测量
主要用于金属加工切削力测量。
压电式玻璃破碎报警器
主要用于璃破碎报警器。
应用行业
由于压电式传感器具有体积小、重量轻、工作频带宽、灵敏度高、信噪比大、工作可靠等优点，因而在现代科技中有着广泛应用。
压电晶体振荡器是将机械振动变为同频率的电震荡的器件。广泛用于军事通信和精密电子设备，小型电子计算机，以及石英钟表内。
由于压电陶瓷具有极高的灵敏度，压电高压发生器利用正压效应可以把振动转换成电能，还可以获得高电压输出。这种获得高电压的方法可以用来做引燃装置，如给汽车火花塞、煤气灶、打火机、炮弹的引爆压电雷管等点火。
