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壓電傳感器傳感器技術(shù)論文篇一

壓電傳感器

摘要：壓力傳感器是工業(yè)實(shí)踐中最為常用的一種傳感器。而我們通常使用的壓力傳感器主要是利用壓電效應(yīng)制造而成的，這樣的傳感器也叫壓電傳感器。本文主要介紹壓電效應(yīng)及壓電傳感器的測(cè)量原理，綜述當(dāng)前壓電傳感器的分類(lèi)，討論壓電傳感器在進(jìn)一步實(shí)用化過(guò)程中面臨的困難和需要解決的問(wèn)題，并對(duì)其應(yīng)用前景做的展望。

關(guān)鍵詞：壓電傳感器 壓電效應(yīng) 分類(lèi) 前景展望

一、壓電原理

1.壓電效應(yīng)

一些離子型晶體的電介質(zhì)(如石英、酒石酸鉀鈉、鈦酸鋇等)不僅在電場(chǎng)力作用下，而且在機(jī)械力作用下，都會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象。即：在這些電介質(zhì)的一定方向上施加機(jī)械力而產(chǎn)生變形時(shí)，就會(huì)引起它內(nèi)部正負(fù)電荷中心相對(duì)轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生電的極化，從而導(dǎo)致其兩個(gè)相對(duì)表面(極化面)上出現(xiàn)符號(hào)相反的束縛電荷，且其電位移D(在MKS單位制中即電荷密度σ)與外應(yīng)力張量T成正比;當(dāng)外力消失，又恢復(fù)不帶電原狀;當(dāng)外力變向，電荷極性隨之而變。這種現(xiàn)象稱(chēng)為正壓電效應(yīng)，或簡(jiǎn)稱(chēng)壓電效應(yīng)。

2.壓電傳感器原理

基于壓電效應(yīng)的傳感器，是一種自發(fā)電式和機(jī)電轉(zhuǎn)換式傳感器。它的敏感元件由壓電材料制成。壓電材料受力后表面產(chǎn)生電荷。此電荷經(jīng)電荷放大器和測(cè)量電路放大和變換阻抗后就成為正比于所受外力的電量輸出。壓電式傳感器用于測(cè)量力和能變換為力的非電物理量。壓電效應(yīng)是壓電傳感器的主要工作原理，壓電傳感器不能用于靜態(tài)測(cè)量，因?yàn)榻?jīng)過(guò)外力作用后的電荷，只有在回路具有無(wú)限大的輸入阻抗時(shí)才得到保存。實(shí)際的情況不是這樣的，所以這決定了壓電傳感器只能夠測(cè)量動(dòng)態(tài)的應(yīng)力。

二、壓電傳感器分類(lèi)

壓電介質(zhì)可分為三類(lèi)，分別是石英晶體、壓電陶瓷和高分子壓電材料。

1.石英晶體

石英晶體是一種天然形成的性能極為優(yōu)異的單晶體壓電材料。它具有穩(wěn)定性好、可靠性高、響應(yīng)速度快、壓電常數(shù)自然變化率低(在20-200℃時(shí)，僅為-0.0001/攝氏度 )等特點(diǎn)，廣泛用于制作標(biāo)準(zhǔn)傳感器以及高精度傳感器。

2.壓電陶瓷

壓電陶瓷是一種人工合成的多晶體壓電材料，內(nèi)部具有大址微觀極化區(qū)。無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí)，各極化區(qū)在晶體中呈雜散狀、極化方向各異。因此壓電陶瓷平時(shí)呈電中性。當(dāng)施加外電場(chǎng)時(shí)，極化方向統(tǒng)一。此時(shí)圍繞原子核的電子獲得動(dòng)能脫離原子核束縛成為自由電子。這些自由電子和失去電子顯正電性的原子核在外

電場(chǎng)作用下逐漸形成內(nèi)部微弱勢(shì)壘電場(chǎng)。從電工學(xué)理論可知，微觀上所謂勢(shì)壘電場(chǎng)就是“兩側(cè)堆積電性各異電子組成的作用范圍”，宏觀上表現(xiàn)為壓電陶瓷表面呈現(xiàn)大量電荷。

壓電陶瓷不同于自然界其他電介質(zhì)，在外電場(chǎng)失去時(shí)，其內(nèi)部極化區(qū)仍存有很強(qiáng)剩余極化強(qiáng)度，如沿極化方向施加外力，其表面也能產(chǎn)生電荷。換句話說(shuō)，壓電陶瓷也具有壓電效應(yīng)。常用的壓電陶瓷有鉆欽酸鉛系列壓電陶瓷(PZT)、非鉛系壓電陶瓷等。

3.高分子壓電材料

高分子壓電材料是近年來(lái)發(fā)展較快的一種新型壓電材料。它的特點(diǎn)是壓電常數(shù)較高，如聚偏二氟乙烯(PVF2或PVDF)的壓電常數(shù)比壓電陶瓷高十幾倍，其輸出脈沖電壓可直接驅(qū)動(dòng) CMOS集成門(mén)電路。這種材料質(zhì)地柔軟，可以拉伸成薄膜或套管狀。另外，價(jià)格便宜，不易破碎，具有防水性。其測(cè)量范圍可達(dá)80dB,頻響范圍從0.1Hz直至10九次方Hz?？梢?jiàn)它是一種較為理想的電聲材料。 高分子壓電材料的工作溢度適用范圍為100℃以下，機(jī)械強(qiáng)度較低，不耐紫外線照射。

三、總結(jié)

不可否認(rèn)，壓電傳感器在擁有眾多優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也存在著許多缺點(diǎn)，展望今后的研究重點(diǎn)，可能會(huì)有以下幾個(gè)方面：(1)從研究的成果來(lái)看，理論研究離工程實(shí)用還有一定的差距，工程實(shí)用化方面研究也相當(dāng)薄弱，具體表現(xiàn)在理論及仿真研究較多，而實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相對(duì)較少，研究對(duì)象以簡(jiǎn)單的梁板結(jié)構(gòu)較多，對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的研究還相當(dāng)欠缺。 (2)壓電元件非線性特性的研究。由于壓電材料的極化特性，壓電系統(tǒng)只能在一定范圍內(nèi)滿足近似的線性要求，并容易受外界多種環(huán)境的影響。非線性特性的存在使壓電元件重復(fù)性差、檢測(cè)精度低，瞬態(tài)位置響應(yīng)速度慢，可控性變差，成為壓電元件進(jìn)一步工程應(yīng)用的主要障礙之一。為減小這種非線性特性所造成的不良影響，更好地發(fā)揮壓電元件的性能，國(guó)內(nèi)外很多科研機(jī)構(gòu)從壓電元件非線性特性形成機(jī)理、外環(huán)及內(nèi)環(huán)非線性特性及控制方法等方面開(kāi)展了相關(guān)研究。 (3)壓電材料的壓電特性有待于進(jìn)一步提高，這使得壓電材料的應(yīng)用受到極大限制。各國(guó)學(xué)者正在努力開(kāi)發(fā)，一旦找到一種優(yōu)異的壓電材料，相信將會(huì)取代傳統(tǒng)的、笨重的機(jī)電換能設(shè)備，如電動(dòng)機(jī)、馬達(dá)等。到那時(shí)，壓電研究將會(huì)全方位地發(fā)展，甚至可能影響到我們生活的各個(gè)方面。

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壓電傳感器傳感器技術(shù)論文篇二

壓電式傳感器論文

系部：機(jī)電工程系 專(zhuān)業(yè)：物聯(lián)網(wǎng) 姓名：雷偉 班級(jí)：1122 指導(dǎo)老師：諸躍進(jìn)

2013.10.25 時(shí)間

目錄

摘要.....................................

引言.....................................

關(guān)鍵詞...................................

壓電原理.................................

應(yīng)用背景及實(shí)例...........................

1.產(chǎn)品展示.............................

2.行業(yè)應(yīng)用.............................

測(cè)量電路.................................

總結(jié).....................................

摘要

本文除了重點(diǎn)講解壓電式傳感器的應(yīng)用和測(cè)量電路，還介紹壓電效應(yīng)以及一些壓電材料。壓電式傳感器在測(cè)量一些物理量和作為警報(bào)器方面有一些很好的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞:壓電原理，壓電效應(yīng)，石英，壓電陶瓷

引言：

壓電現(xiàn)象是100多年前居里兄弟研究石英時(shí)發(fā)現(xiàn)的。居里兄弟在研究熱電性與晶體對(duì)稱(chēng)，發(fā)現(xiàn)正負(fù)電荷，而且電荷密度與壓力大小成正比。居里兄弟所報(bào)道的這些晶體就有后來(lái)廣為研究的鐵電體酒石酸鉀鈉(羅息鹽)。1881年，應(yīng)用熱力學(xué)原理預(yù)言了逆壓電效應(yīng)，即電場(chǎng)可以引起與之成正比的應(yīng)變。很快這一預(yù)言被居了里兄弟用實(shí)驗(yàn)所證實(shí)了。

1. 壓電原理

壓電式傳感器的工作原理是基于某些介質(zhì)材料的壓電效應(yīng)，是一種典型的有源傳感器。通過(guò)材料受力作用變形時(shí)，氣表面會(huì)有電荷產(chǎn)生而實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量。

壓電式傳感器

基于壓電效應(yīng)的傳感器。是一種自發(fā)電式和機(jī)電轉(zhuǎn)換式傳感器。它的敏感元件由壓電材料制成。壓電材料受力后表面產(chǎn)生電荷。此電荷經(jīng)電荷放大器和測(cè)量電路放大和變換阻抗后就成為正比于所受外力的電量輸出。壓電式傳感器用于測(cè)量力和能變換為力的非電物理量。它的優(yōu)點(diǎn)是頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠和重量輕等。缺點(diǎn)是某些壓電材料需要防潮措施，而且輸出的直流響應(yīng)差，需要采用高輸入阻抗電路或電荷放大器來(lái)克服這一缺陷。

2. 應(yīng)用背景及實(shí)例

產(chǎn)品展示 壓電式測(cè)力傳感器

壓電式測(cè)力傳感器是利用壓電元件直接實(shí)現(xiàn)力-電轉(zhuǎn)換的傳感器，在拉、壓場(chǎng)合，通常較多采用雙片或多片石英晶體作為壓電元件。其剛度大，測(cè)量范圍寬，線性及穩(wěn)定性高，動(dòng)態(tài)特性好。當(dāng)采用大時(shí)

間常數(shù)的電荷放大器時(shí)，可測(cè)量準(zhǔn)靜態(tài)力。按測(cè)力狀態(tài)分，有單向、雙向和三向傳感器，它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)上基本一樣。

圖所示為壓電式單向測(cè)力傳感器的結(jié)構(gòu)圖。傳感器用于機(jī)床動(dòng)態(tài)切削力的測(cè)量。絕緣套用來(lái)絕緣和定位?；鶅?nèi)外底面對(duì)其中心線的垂直度、上蓋及晶片、電極的上下底面的平行度與表面光潔度都有極嚴(yán)格的要求，否則會(huì)使橫向靈敏度增加或使片子因應(yīng)力集中而過(guò)早破碎。為提高絕緣阻抗，傳感器裝配前要經(jīng)過(guò)多次凈化(包括超聲波清洗)，然后在超凈工作環(huán)境下進(jìn)行裝配，加蓋之后用電子束封焊。

壓電式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)類(lèi)型很多，但它們的基本原理與結(jié)構(gòu)仍與壓電式加速度和力傳感器大同小異。突出的不同點(diǎn)是，它必須通過(guò)彈性膜、盒等，把壓力收集、轉(zhuǎn)換成力，再傳遞給壓電元件。為保證靜態(tài)特性及其穩(wěn)定性，通常多采用石英晶體作為壓電元件。

壓電式加速度傳感器

壓電元件一般由兩片壓電片組成。在壓電片的兩個(gè)表面上鍍銀層，并在銀層上焊接輸出引線，或在兩個(gè)壓電片之間夾一片金屬，引線就焊接在金屬片上，輸出端的另一根引線直接與傳感器基座相連。在壓電片上放置一個(gè)比重較大的質(zhì)量塊，然后用一硬彈簧或螺栓、螺帽對(duì)質(zhì)量塊預(yù)加載荷。整個(gè)組件裝在一個(gè)厚基座的金屬殼體中，為了隔離試件的任何應(yīng)變傳遞到壓電元件上去，避免產(chǎn)生假信號(hào)輸出，所以一般要加厚基座或選用剛度較大的材料來(lái)制造。

測(cè)量時(shí)，將傳感器基座與試件剛性固定在一起。當(dāng)傳感器感受到振動(dòng)時(shí)，由于彈簧的剛度相當(dāng)大，而質(zhì)量塊的質(zhì)量相對(duì)較小，可以認(rèn)為質(zhì)量塊的慣性很小，因此質(zhì)量塊感受到與傳感器基座相同的振動(dòng)，并受到與加速度方向相反的慣性力作用。這樣，質(zhì)量塊就有一正比于加速度的交變力作用在壓電片上。由于壓電片具有壓電效應(yīng)，因此在它的兩個(gè)表面上就產(chǎn)生了交變電荷(電壓)，當(dāng)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于傳感器固有頻率時(shí)，傳感器的輸出電荷(電壓)與作用力成正比，即與試件的加速度成正比。輸出電量由傳感器輸出端引出，輸入到前置放大

器后就可以用普通的測(cè)量器測(cè)出試件的加速度，如在放大器中加進(jìn)適當(dāng)?shù)姆e分電路，就可以測(cè)出試件的振動(dòng)加速度或位移。

壓電式金屬加工切削力測(cè)量

主要用于金屬加工切削力測(cè)量。

壓電式玻璃破碎報(bào)警器

主要用于璃破碎報(bào)警器。

應(yīng)用行業(yè)

由于壓電式傳感器具有體積小、重量輕、工作頻帶寬、靈敏度高、信噪比大、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，因而在現(xiàn)代科技中有著廣泛應(yīng)用。

壓電晶體振蕩器是將機(jī)械振動(dòng)變?yōu)橥l率的電震蕩的器件。廣泛用于軍事通信和精密電子設(shè)備，小型電子計(jì)算機(jī)，以及石英鐘表內(nèi)。

由于壓電陶瓷具有極高的靈敏度，壓電高壓發(fā)生器利用正壓效應(yīng)可以把振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電能，還可以獲得高電壓輸出。這種獲得高電壓的方法可以用來(lái)做引燃裝置，如給汽車(chē)火花塞、煤氣灶、打火機(jī)、炮彈的引爆壓電雷管等點(diǎn)火。

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