压电式传感器论文.docx

1、压电式传感器论文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指导教师：诸跃进时刻：目录摘要.引言.关键词.压电原理.应用背景及实例. 1.产品展现. 2.行业应用.测量电路.总结.摘要本文除重点讲解压电式传感器的应用和测量电路，还介绍压电效应和一些压电材料。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专门好的应用。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连年前居里兄弟研究石英时发觉的。居里兄弟在研究热电性与晶体对称，发觉正负电荷，而且电荷密度与压力大小成正比。居里兄弟所报导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，

2、应用热力学原理预言了逆压电效应，即电场能够引发与之成正比的应变。专门快这一预言被居了里兄弟用实验所证明了。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。它的灵敏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。它的优势是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作靠得住和重量轻等。缺点是某些压电材料需要防

3、潮方法，而且输出的直流响应差，需要采纳高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺点。2.应用背景及实例产品展现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，通常较多采纳双片或多片石英晶体作为压电元件。其刚度大，测量范围宽，线性及稳固性高，动态特性好。当采纳大时刻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，它们在结构上大体一样。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，不然会使横向灵

4、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，传感器装配前要通过量次净化（包括超声波清洗），然后在超净工作环境下进行装配，加盖以后用电子束封焊。压电式压力传感器的结构类型很多，但它们的大体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，它必需通过弹性膜、盒等，把压力搜集、转换成力，再传递给压电元件。为保证静态特性及其稳固性，通常多采纳石英晶体作为压电元件。压电式加速度传感器图所示为紧缩式压电加速度传感器的结构原理图，压电元件一样由两片压电片组成。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

5、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、螺帽对证量块预加载荷。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，幸免产生假信号输出，因此一样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路。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，能够以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。如此，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

6、有频率时，传感器的输出电荷（电压）与作使劲成正比，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能够够用一般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，就能够够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要紧用于金属加工切削力测量。压电式玻璃破碎报警器要紧用于璃破碎报警器。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、工作靠得住等优势，因此在现代科技中有着普遍应用。压电晶体振荡器是将机械振动变成同频率的电震荡的器件。普遍用于军事通信和周密电子设备，小型电子运算机，和石英钟表内。由于压电陶瓷具有极高的灵敏度，压电高压发

7、生器利用正压效应能够把振动转换成电能，还能够取得高电压输出。这种取得高电压的方式能够用来做引燃装置，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。电声换能器利用逆压电效应能够把电能转换成声能，因此可用压电晶体制成扬声器、耳机、蜂鸣器等。专门是超声发生器，目前这种超声波已普遍应用于海洋探测、固体探伤、医疗检查、清洗、医治疾病等方面。3.测量电路 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）

8、等效电路在图（b）中，电阻R=RaRi/(Ra+Ri),电容C=Cc+Ci，而ua=q/Ca，假设压电元件受正弦力f=Fm sint的作用，那么其电压为 式中： Um压电元件输出电压幅值， 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 输入电压和作使劲之间相位差为 在理想情形下，传感器的Ra电阻值与前置放大器输入电阻Ri都为无穷大，即(Ca+Cc+Ci)R1，理想情形下输入电压幅值Uim为 上式说明前置放大器输入电压Uim与频率无关，一样在/03时，就能够够以为Uim与无关，0表示测量电路时刻常数之倒数，即 （2）电荷放大器 电荷放大器等效

9、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组成。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 ： Uo放大器输出电压； Ucf反馈电容两头电压。 由运算放大器大体特性， 可求出电荷放大器的输出电压通常A=104108，因此,当知足(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。而且除一些自然界中的晶体材料外，咱们还有人工材料压电陶瓷。他的应用也十分的普遍，在声学、医学、力学、宇航、振动测量、机械冲击都有不错的涉及。而随着科技的进展，人工材料会制作的加倍完美，压电式传感器就会加倍适合人们的要求。压电式传感器和科技相互推动相互进展。参考文献：1.传感器原理及工程应用2.XX百科3.和网上的一些资料和文献