压电式压力传感器原理及应用.docx
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压电式压力传感器原理及应用
压电式压力传感器原理及应用
自动化研1302班王民军
压电式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式压电传感器。
压电式压力传感器可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。
也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。
它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。
一、压电式传感器的工作原理
1、压电效应
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某些离子型晶体电介质（如石英、酒石酸钾钠、钛酸钡等）沿着某一个方向受力而发生机械变形（压缩或伸长）时，其内部将发生极化现象，而在其某些表面上会产生电荷。
当外力去掉后，它又会重新回到不带电的状态，此现象称为“压电效应”。
压电式传感器的原理是基于某些晶体材料的压电效应。
2、压电式压力传感器的特点
压电式压力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。
压电式压力传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量，如压力、加速度等（见压电式压力传感器、加速度计）。
压电式压力传感器是利用压电材料的压电效应将被测压力转换为电信号的。
由压电材料制成的压电元件受到压力作用时产生的电荷量与作用力之间呈线性关系：
Q=k*S*p。
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式中Q为电荷量；k为压电常数；S为作用面积；p为压力。
通过测量电荷量可知被测压力大小。
压电式压力传感器的工作原理与压电式加速度传感器和力传感器基本相同，不同的是弹性元件是由膜片等把压力转换成集中力，再传给压电元件。
为了保证静态特性及稳定性，通常多采用压电晶片并联。
在压电式压力传感器中常用的压电材料有石英晶体和压电陶瓷，其中石英晶体应用得最为广泛。
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二、压电压力传感器等效电路和测量电路
在校准用的标准压力传感器或高精度压力传感器中采用石英晶体做压电元件外，一般压电式压力传感器的压电元件材料多为压电陶瓷，也有用高分子材料（如聚偏二氟乙稀）或复合材料的合成膜的。
更换压电元件可以改变压力的测量范围；在配用电荷放大器时，可以用将多个压电元件并联的方式提高传感器的灵敏度；在配用电压放大器时，可以用将多个压电元件串联的方式提高传感器的灵敏度。
由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通常先把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗交换以后，方可用一般的放大检波电路再将信号输入到指示仪表或记录器中。
（其中，测量电路的关键在于高阻抗输入的前置放大器。
）前置放大器的作用：
一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；二是放大传感器输出的微弱电信号。
前置放大器电路有两种形式：
一是用电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压（即传感器的输出）成正比；另一种是用带电容板反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。
由于电荷放大器电路的电缆长度变化的影响不大，几乎可以忽略不计，故而电荷放大器应用日益广泛。
图（a）电压等效电路，图（b）简化电路：
（a）（b）
其中，ui为放大器输入电压；
，，
如果压电传感器受力为F=Fm*sinωt，则在压电元件上产生的电压为
式中
－压电元件输出电压，幅值
，
d－压电系数。
而在放大器输入端形成的电压为:
的幅值
为:
当时，放大器的输入电压为:
电压放大器的功能是将压电传感器的高输出阻抗变为较低阻抗，并将压电式传感器的微弱电压信号放大，因此，也称为阻抗变换器。
下图为电荷放大器：
如果忽略电阻Ra、Ri及Rf的影响，则输入到放大器的电荷量为Qi=Q-Qf,
而
式中，A为开环放大系数。
所以有：
故放大器的输出电压为：
当A>>1，而（1+A）Cf>>时，放大器输出电压可以表示为:
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。
在电荷放大器中，输出电压U0与连接电缆电容Cc无关，而与电荷量Q成正比，这是电荷放大器的突出优点，这对信号的测量很方便，因此，电荷放大器被广泛地应用于压电传感器的测量电路中。
三、压电式加速度传感器举例分析
现代工业和自动化生产过程中，非电物理量的测量和控制技术会涉及大量的动态测试问题。
所谓动态测试是指量的瞬时值以及它随时间而变化的值的确定，即被测量为变量的连续测量过程。
它以动态信号为特征，研究了测试系统的动态特性问题，而动态测试中振动和冲击的精确测量尤其重要。
振动与冲击测量的核心是传感器，常用压电加速度传感器来获取冲击和振动信号。
1、测量原理
压电式加速度传感器又称为压电加速度计，它也属于惯性式传感器。
它是典型的有源传感器。
利用某些物质如石英晶体、人造压电陶瓷的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。
压电敏感元件是力敏元件，在外力作用下，压电敏感元件的表面上产生电荷，从而实现非电量电测量的目的。
压电加速度传感器的原理框图如下图所示。
实际测量时，将图中的支座与待测物刚性地固定在一起。
当待测物运动时，支座与待测物以同一加速度运动，压电元件受到质量块与加速度相反方向的惯性力的作用，在晶体的两个表面上产生交变电荷（电压）。
当振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器的输出电荷（电压）与作用力成正比。
电信号经前置放大器放大，即可由一般测量仪器测试出电荷（电压）大小，从而得出物体的加速度。
压电加速度传感器的压敏元件采用具有压电效应的压电材料，换能元件是以压电材料受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理。
这些压电材料，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个相对的表面上便产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又重新恢复不带电的状态；当作用力的方向改变时，电荷的极性也随着改变。
其中弹性体是传感器的核心，其结构决定着传感器的各种性能和测量精度，弹性体结构设计的优劣对加速度传感器性能的好坏至关重要。
压电材料可分为压电晶体和压电陶瓷两大类，因压电陶瓷的压电系数比压电晶体的大，且采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高，故本系统压电元件采用压电陶瓷，极化方向在厚度方向（z方向）。
当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时，压电元件受质量块惯性力的作用，根据牛顿第二定律，此惯性力是加速度的函数。
设质量块作用于压电元件的力为F上，支座作用于压电元件的力为F下，则有
式中M为质量块质量；m为晶片质量；a为物体振动加速度。
由上面两式可得晶片中厚度方向（z方向）任一截面上的力为
式中d为晶片厚度。
则平均力为
因晶片为压电陶瓷，极化方向在厚度方向（z方向），作用力沿着z方向，故此时外加应力只有T3，不等于零，其平均值为
式中A为晶片电极面面积。
选用D型压电常数矩阵，得电荷
式中d33为压电常数。
由于质量块一般采用质量大的金属钨或其他金属制成，而晶片很薄，即有
，故上式通常写为
故可知，压电元件的Q和d33、M成正比，根据测量电荷量就可得到加速度。
2、测量电路
由压电元件的工作原理可知，压电式传感器可看作一个电荷发生器。
同时，它也是一个电容器，晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板，极板间物质等效于一种介质，则其电容量为
式中A为晶片电极面面积；
为压电材料的相对介电常数；
为真空介电常数。
因此，压电传感器可以等效为一个与电容相串联的电荷源。
压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此，它的测量电路通常需接入一个高输入阻抗的前置放大器，其作用如下：
（1）把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗。
（2）放大传感器输出的微弱信号。
本设计中前置放大器采用电荷放大器。
压电传感器在实际使用时与测量仪器或测量电路相连接，因此还需考虑连接电缆的等效电容
、放大器的输入电阻
、输人电容
及压电传感器的泄漏电阻
，这样压电传感器在测量系统中的实际等效电路如图所示。
图中，
为运算放大器增益。
由于运算放大器的
极高，而
=109～1014欧姆，所以可认为
和
是开路的。
设运算放大器输人电压为Ui，输出电压为U0，根据运算放大器理论和电路理论得电荷量为
式中
为反馈电容。
将
代入上式得
若放大器开环增益足够大，满足
时，上式可表示为
故可知，在一定情况下，电荷放大器的出电压与传感器的电荷量成正此，并且与电缆分布电容无关。
因此，采用电荷放大器时，即使联接电缆长度在百米以上，其灵敏度也无明显变化，这是电荷放大器的突出优点。
3、加速度传感器的应用
加速度传感器应用范围广泛，一般来讲它有六种检测感应功能：
倾斜度检测、运动检测、定位检测、震动检测、振动检测和自由落下检测。
（1）倾斜度检测
加速度传感器水平放置时，在重力作用下经激励有一定幅度的输出，当与重力方向有倾角时，传感器信号输出幅度会有所变化，对两种状态下信号输出进行比较计算可推算出倾斜角的大小，应用双轴、三轴加速度传感器就可测出任意倾斜角的大小和方向。
利用加速度传感器测量倾斜度的这种检测感应功能，加速度传感器可应用于倾斜仪、倾斜度侦测电子罗盘、图像旋转、文本滚动浏览／用户界面、LCD投影和物理治疗法等方面。
飞思卡尔半导体公司推出的MMA7260Q三轴加速度传感器是用于倾角测量的典型应用之一，它以重力为输入矢量来决定物体在空间的姿态。
把加速度传感器固定于物体的水平面上，当物体姿态改变时，加速度传感器的敏感轴随之转动一定角度，由于重力的作用，传感器敏感轴上的加速度会发生改变，因此可通过测量加速度的变化来反映物体姿态的变化。
（2）运动检测
在进行运动检测时，需要考虑几个因素：
如何计算它的位移，g值的范围选择及使用量测轴。
首先应确定位移：
计算位移要将加速度进行二重积分，速度部分则需进行一次积分。
利用这种运动检测感应功能，加速度传感器可应用于运动控制、计步器和基本运动检测等。
国外应用加速度传感器进行人体运动检测方面的研究比较广泛，特别是医学临床辅助诊断、体育运动训练、人体运动仿真等方面已取得大量研究成果。
而国内相对来说研究较少。
加速度传感器能获取人体运动时加速度的频率和幅度，且其安装简便、体积小，能满足人体运动评估检测的要求。
CarhjnV．C．Bouten等人采用压阻式三轴加速度传感器测量人体运动加速度与能量消耗的关系。
此三轴加速度传感器是由3个单维压阻式加速度传感器正交地安装在一个很轻的立方体盒中组成，并由弹性绷带系与人体腰背部，实现对人体在坐、行走等日常活动运动中加速度的测量，并获得加速度值与人体运动能量消耗的关系。
运用加速度传感器测量步行运动最为经典的研究是Freedson等人采用Actigraph单轴加速度测量了三种速度下的步行（4．8、6．4、9．7km／h，分别代表正常步速行走、快走和慢跑）。
（3）定位检测
利用定位检测感应功能，加速度传感器可应用于汽车导航、防盗设备和地图跟踪等。
定位的精确程度是衡量系统陛能优劣的重要指标，因为导航系统等功能就是帮助用户确定位置并提供正确的操作指示。
目前，常用的定位手段有惯性导航定位、GPS卫星定位和组合导航定位等。
在车载导航系统中，加速度传感器完成车辆瞬时加速度的数据采集任务，然后根据推算定位法计算出当前位置相对于已知参考位置之间的偏移，从而得到车辆的绝对位置。
在短时间内，利用这种方法得到的定位精度很高，在平均加速度28．4的情况下，l0秒钟内得到的定位误差大约是。
AD公司出品的一款双轴加速度测量系统ADXL202的定位方法是惯性导航定位的一种，虽然按照上述方法在短时间内精度很高，但随着时间增加，误差积累效应越来越大，会严重影响导航精度。
因此，通常用加速度传感器和G／X5一起组合成为组合导航系统，以此提高定位精度，增强系统性能。
GPS系统是通过接收三颗呈120度分布的卫星信号来最终确定物体的方位。
在一些特殊的场合和地貌，比如遂道、高楼林立区和从林地带，GPS信号会变差或完全失去，这种区域叫做死角。
而通过安装加速度传感器和惯性导航，就可以进行系统死区的测量。
对加速度传感器进行一次积分，就变成单位时间内的速度变化量，从而测出在死区内物体的移动。
（4）震动检测
通常，震动检测所需的加速度传感器的规则选取是按照被测量对象的减速度决定的，而且算法将随每种设计的不同而变化。
利用震动检测感应功能，加速度传感器可应用于下降记录、黑匣子／故障记录仪、硬盘驱动器保护、运输和处理监视器。
在马达控制器应用中，通过加速传感器可以将震动量变化为数据，借此数据可判断出震动量的大小，可用作预防性维修和检测电机故障等，能够节省成本。
（5）振动检测
利用振动检测感应功能，加速度传感器可在地震活动监视、智能电机维护、家电平衡和监测等方面有广泛应用。
地震加速度传感器是地震资料野外采集的最前端，是能否获取高信噪比、高分辨率、高保真度的原始地震资料的关键。
近年来，美国I／O（Input／Output）公司已成功开发出以MEMS加速度传感器为基础的新型地震检波器，使地震勘探仪器的性能指标有了大幅度的提高。
同时法国的Sercel公司也在进行以MEMS为核心技术的加速度传感器的研制，用于石油勘探。
国内的威海双丰电子集团有限公司、中科院上海微系统所与中石化南京物探研究所共同承担了国家“八六三”计划，进行研究MEMS加速度传感器在石油勘探领域中的应用。
（6）自由落下检测
利用自由落下检测感应功能，加速度传感器可应用于自由落体保护、下降记录和检测、运动控制和认知等。
在硬盘驱动器保护应用中，自由落下检测是最近出现在消费性电子产品中的一个新的应用，外界的轻微振动就会使硬盘数据丢失，利用此项功能可以保护硬盘驱动器的资料安全。
在硬盘驱动器自由落下撞击地面之前，从加速度传感器所得的数据分析出相应的危机状态，系统可立即令硬盘驱动器读写头做出反应，以防止撞击时读写头将硬盘驱动器资料刮坏。
仅供个人用于学习、研究；不得用于商业用途。
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