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1、压电式传感器论文科 学 研 究 训 练压电传感器 10测二摘要：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报警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1、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。2、压电原理压电式传感器的工作原理是

2、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。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

3、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

4、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图所示为压缩式压电加速度传感器的结构原理图，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

5、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

6、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。电声换能器利用逆

7、压电效应可以把电能转换成声能，因此可用压电晶体制成扬声器、耳机、蜂鸣器等。特别是超声发生器，目前这种超声波已广泛应用于海洋探测、固体探伤、医疗检查、清洗、治疗疾病等方面。3、结果讨论 压电传感器的等效电路 压电传感器的等效电路（a） 电压源; （b） 电荷源压电传感器的完整等效电路（a） 电压源; （b） 电荷源压电式传感器的测量电路 （1）电压放大器（阻抗变换器）压电传感器接放大器的等效电路（a） 放大器电路; （b） 等效电路在图（b）中，电阻R=RaRi/(Ra+Ri),电容C=Cc+Ci，而ua=q/Ca，若压电元件受正弦力f=Fm sint的作用，则其电压为 式中： Um压电元件输出

8、电压幅值， Um=dFm/Ca； d压电系数。 由此可得放大器输入端电压Ui，其复数形式为 Ui的幅值Uim为 输入电压和作用力之间相位差为 在理想情况下，传感器的Ra电阻值与前置放大器输入电阻Ri都为无限大，即(Ca+Cc+Ci)R1，理想情况下输入电压幅值Uim为 上式表明前置放大器输入电压Uim与频率无关，一般在/03时，就可以认为Uim与无关，0表示测量电路时间常数之倒数，即 （2）电荷放大器 电荷放大器等效电路电荷放大器常作为压电传感器的输入电路，由一个反馈电容CF和高增益运算放大器构成。由于运算放大器输入阻抗极高， 放大器输入端几乎没有分流，故可略去Ra和Ri并联电阻。 式中 ：

9、Uo放大器输出电压； Ucf反馈电容两端电压。 由运算放大器基本特性， 可求出电荷放大器的输出电压通常A=104108，因此,当满足(1+A)CfCa+Cc+Ci时，上式可表示为： 4.总结 压电式传感器，作为传感器的一种，它具有自己鲜明的特点。而且除了一些自然界中的晶体材料外，我们还有人工材料压电陶瓷。他的应用也十分的广泛，在声学、医学、力学、宇航、振动测量、机械冲击都有不错的涉及。而随着科技的发展，人工材料会制作的更加完美，压电式传感器就会更加适合人们的要求。压电式传感器和科技互相推动互相发展。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，20122

10、陈政,钟汇才,李庆等.基于PVDF压电传感器的车辆动态称重信号的研究J.传感器与微系统,2012.3OptimalControlofaBeamwithDiscontinuouslyDistributedPiezoelectricSensorsandActuatorsJ.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. 听金海教授报告的体会报告人：金海教授报告时间：2012年1

11、0月31日，下4：00报告简介：2、体会华中科技大学计算机学院院长金海教授莅临我校，应邀在逸夫楼报告二厅做了题为“云计算的安全挑战与实践”的精彩学术报告。 据了解，金海教授是长江学者特聘教授，国家杰出青年基金获得者，华中科技大学计算机学院院长，“服务计算技术与系统教育部重点实验室”主任。他先后110余次担任国际学术会议/程序委员会主席/副主席、380余次担任国际学术会议程序委员会委员，并80余次在国际/国内学术会议上作大会主题演讲或特邀报告。金海在国内外正式发表学术论文450余篇，其中被SCI、EI等权威检索刊物收录500余篇次。获国家发明专利58项、申报国家发明专利88项，申报美国发明专利1

12、项，获国家软件著作版权66项。我不禁越发钦佩他起来。首先，金海教授从当今计算机与通信行业热点及信息产业发展现状切入，为现场师生深入浅出的阐述了“云计算的定义、云计算及其趋势、云计算的服务类型、云计算的核心支撑技术、云计算的安全威胁”等云计算领域的相关概念和问题。在信息高速发展、信息处理技术呈几何增长的今天，计算机现有有的基本模式已经不能应对当前大量的信息处理速度，为了解决这一问题，云计算顺应时代潮流、应运而生。他简述了云计算的概念和特点，结合现实中存在的问题，分析了当前环境下的安全风险，并提出了相应的安全策略。当谈及云计算发展趋势时，金海教授利用Gartner成熟度曲线全面深入得分析了私有云、

13、云终端、混合云等与云计算安全密切相关的研究热点出现的时间节点和发展趋势。云计算（Cloud Computing）已经成为当前最热门的一个话题，各大IT 巨头纷纷推出云计算的服务来吸引用户，中小IT企业也纷纷提出在“云”时代的战略蓝图。云计算不仅仅是一个计算的问题，也不是仅仅将众多计算节点组成超级计算机，它需要融合许许多多的技术与成果。简单的来讲，云计算是分布式计算（Distributed Computing）、网格计算(Grid Computing)、并行计算(Parallel Computing)等发展的基础上提出的一种新型计算模型，它面对的是超大规模的分布式环境，核心是提供数据存储和网络服

14、务。正当云计算概念正如火如荼的发展时云计算的安全问题越来越引起人们的注意，并已经上升到云计算发展的战略已提上来。接着，金海教授就云计算环境下信任关系的多样性等五个云计算安全挑战进行了深入剖析和说明。特权用户接入问题，如果云服务商比用户有更高的访问权去获得这些数据，这样数据的安全性就不能被保证。可审查性，如果服务商拒绝外部审计和安全认证，那么用户自己数据的安全性则无法得到有效的保证。数据位置问题，由于不同国家适用不同的隐私和数据管理法律，敏感信息被“合法”的泄漏恐怕是用户最不想看到的事情。数据完整性问题，存放在云端没有备份是非常危险的，即使经过备份，一些物理灾害或者小概率的同时损坏同样会危害数据

15、的完整性。持久的服务，如果云服务商突然破产或者被收购，庞大的数据如何安全地收回也是一个相当现实的问题。最后，金海教授详细介绍和说明了他团队云计算资源隔离、云计算监控和管理等云安全方面的实践和取得的突出成果。金海教授还结合自身的经验，特别提醒大家在科研过程中树立专利保护意识。报告会结束后，师生们与金海教授进行了互动，就云计算安全中的热点问题进行了热烈讨论。整场报告形象生动，在轻松活跃的气氛中让我受益匪浅，拓宽了我的学术视野，扩宽了我的思维，也增强了我校的学术氛围。我从此次的学术讲座中学得：在我们生活中云计算技术扮演着越来越重要的角色，其安全问题必然也逐渐引起我们的关心，随着相关领域技术的革新，我

16、们最终会将其安全问题控制在对我们影响最小的程度。让云计算技术成为我们生活中的重要工具，也为我们生活带来方便和快捷。听张真诚院士报告的体会报告人：张真诚院士报告时间：2012年9月25日，下午2：30 报告简介： 我有幸在逸夫楼报告二厅聆听了中国台湾逢甲大学张真诚院士以“中国剩余定理在信息科学中的应用”为主题的学术报告。张院士的学术报告非常出色：不仅报告中心明确、重点突出、思路清晰、语言流畅，更让我在短短的的时间里收获了丰富的知识。不仅如此，在这次的学术报告会中，我还深刻地感受到了教育届的老前辈们退而不休，继续为教育事业发挥余热的崇高品质，令我动容，使我从容。张院士用他的实际行动在鞭策着我们这些

17、后辈，激励我们要在知识的园地挥洒汗水，奉献青春。 张院士讲的是计算机领域中非常专业的一个内容，本以为应该很难懂，但没想到张院士用他深入浅出的讲解让我对剩余定理在信息科学中的应用有了一个大概的了解。中国剩余定理堪称数学史上名垂百世的成就,它在数学史上占有光辉的一页,其数学思想一直启发和指引着历代数学家们,在数学领域,特别是计算机领域发挥着重要作用.以上只是它应用的一些例子。同时，在密码学领域，它的作用一样非常重要，现代密码的解密和保密算法都需要中国剩余定理。可见中国剩余定理的应用之广泛,地位之高.这些知识的最妙之处是将讲述中国剩余定理在信息科学领域的应用，让大家一窥我们老祖宗的智慧对于全球信息科

18、学的巨大贡献孙武是中国历史上一位非常出名的将军，在吴王闔廬殿前担任大将，用兵如神。曾助吴王北威齐晋，西破强楚，建立了许多丰功伟业。他也是我国历史上鲜有的伟大数学家，著有孙子算经。然而，却很少有人能想像得到这位已经作古两千五百年的将军所提出的孙子定理（又称中国剩余定理）可以被用来做数据库的数据结构设计，数据库中数据属性的读取控制，以及文档的存取控制。 张院士介绍说，这是由我国获得“第一届国家最高科学技术奖”的当代大数学家吴文俊,在深入研究中国古代数学的基础上,总结出来的。众所周知，中国传统数学具有两大特色:机械化和构造性,在此启发下从事几何定理机器证明的研究,取得了创造性的成就,成为近代数学史上

19、开创新领域的第一人,由此可见,中国传统数学博大精深,是我们取之不竭的宝贵财富,继承中国的数学遗产的远景相当广阔,有待我们的不断努力。由于我对“中国剩余定理在现代密码学中的应用”特别感兴趣，所以回寝后还查了一些相关方面的资料。公开密钥密码算法又称为非对称密码算法,在计算机网络和电子商务中的应用日趋成熟.。Ron Rivest和Adi Shamir以及Leonard Adleman于1978年提出的RSA公钥密码体制至今仍被认为是一个安全性能良好的密码体制.RSA公钥密码体制描述如下：选取两个大素数p和q（保密).；计算n=pq（公开），(n)=(p-1)(q-1)（保密）.；随机选取正整数e,1e(n),满足gcd(e,(n)=1,e是公开的加密密钥；计算d，满足.d是保密的解密密钥；加密变换：对明文，密文为：.；解密变换：对密文，明文为：。张院士的“中国剩余定理在信息科学中的应用”学术报告让我获益匪浅，我不仅获得了丰富的知识，更是陶冶了我的灵魂追求。张院士的“一是书要读厚，书要读薄；二是对工作要锲而不舍”的教诲将会一直鸣响在我的耳侧，激励着我勉励着我发展自己的才能，担任重要的任务，总有一天世界因我而改变。忽略此处.