自动检测核心技术与仪表优秀课程设计.doc

《自动检测技术和仪表》课程设计
------压电传感器及其应用

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昆明理工大学
1月5日

摘要

压电传感器是利用一些电介质受力后产生压电效应制成传感器。所谓压电效应是指一些电介质在受到某一方向外力作用而发生形变（包含弯曲和伸缩形变）时，因为内部电荷极化现象，会在其表面产生电荷现象。压电材料 它可分为压电单晶、压电多晶和有机压电材料。压电式传感器中用得最多是属于压电多晶各类压电陶瓷和压电单晶中石英晶体。其它压电单晶还有适适用于高温辐射环境铌酸锂和钽酸锂、镓酸锂、锗酸铋等。

关键词：工作原理；组成结构；测量原理图；特征及参数选择；应用；发展趋势

目　录
第一章 引言 4
1.1 背景介绍 4
1.2 目标和意义 4
第二章 压电效应 5
2.1压电效应 5
2.2 压电方程 5
2.2.1电学边界条件 5
2.2.2第一类压电方程 6
2.2.3第二类压电方程 6
2.2.4第三类压电方程 6
2.2.5第四类压电方程 7
第三章 压电材料 8
3.1 石英晶体 8
3.2 新型压电材料 8
第四章 压电传感器测量电路 9
4.1 压电晶片连接方法 9
4.2 压电传感器等效电路 10
4.3 压电式传感器测量电路 11
4.3.1电压放大器（阻抗变换器） 12
4.3.2电荷放大器 13
第五章 压电传感器及其应用 15
5.1 基础应用 15
5.2 加速度传感器 15
5.2.1工作原理 16
5.2.2结构形式 16
5.2.3特征曲线 17
5.2.4加速度计固定方法 17
5.3 实际案例分析 17
5.4 压电传感器发展趋势 18
5.5总结 18
参考文件 19

第一章 引言
1.1 背景介绍
压电陶瓷有属于二元系钛酸钡陶瓷、锆钛酸铅系列陶瓷、铌酸盐系列陶瓷和属于三元系铌镁酸铅陶瓷。压电陶瓷优点是烧制方便、易成型、耐湿、耐高温。缺点是含有热释电性，会对力学量测量造成干扰。有机压电材料有聚二氟乙烯、聚氟乙烯、尼龙等十余种高分子材料。有机压电材料可大量生产和制成较大面积,它和空气声阻匹配含有独特优越性,是很有发展潜力新型电声材料。60年代以来发觉了同时含有半导体特征和压电特征晶体，如硫化锌、氧化锌、硫化钙等。利用这种材料能够制成集敏感元件和电子线路于一体新型压电传感器，很有发展前途。
压电式传感器应用:压电传感器结构简单、体积小、质量小、功耗小、寿命长，尤其是它含有良好动态特征，所以适合有很宽频带周期作用力和高速改变冲击力。
12 目标和意义
课程设计是专业课《自动检测技术及仪表》课程教学中关键组成步骤，其目标是经过课程设计教学实践，使学生对所学基础理论和专业知识得到巩固，并使学生得到利用所学理论知识处理实际问题初步认识和锻炼。掌握相关课题资料搜集、整理；方案设计和对比；提升学生分析、综合能力和工程设计中计算和绘图基础能力，为后续毕业设计和工程实践作必需准备。
课程设计关键任务是使学生掌握相关传感器或检测仪表原理、结构及在工程中实际应用。
同时，在课程设计过程中，能够锻炼同学们处理问题和分析问题能力。在此基础上，能够对所设计传感器或仪表得到更深入地认识和了解，为以后学习更深知识打下扎实基础。

第二章 压电效应
2.1压电效应
一些电介质在沿一定方向上受到外力作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它两个相对表面上出现正负相反电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电状态，这种现象称为正压电效应。看成用力方向改变时，电荷极性也随之改变。相反，当在电介质极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。依据电介质压电效应研制一类传感器称为为压电传感器。
2.2 压电方程
压电材料压电性包含到力学和电学之间相互作用，而压电方程就是描述晶体力学量和电学量之间相互关系表示式。不过因为应用状态和测试条件不一样，压电晶片（振子能够处于不一样电学边界条件和机械边界条件下，即压电方程独立变量能够任意选择，所以依据机械自由和机械夹持机械边界条件和电学短路和电学开路电学边界条件，描述压电材料压电效应方程共有4类，即d型、e型、g型、h型。四类边界条件为：
2.2.1电学边界条件
短路：两电极间外电路电阻比压电陶瓷片内阻小得多，可认为外电路处于短路状态。这时电极面所累积电荷因为短路而流走，电压保持不变。它上标用E表示。
       开路：两电极间外电路电阻比压电陶瓷片内阻大得多，可认为外电路处于开路状态。这时电极上自由电荷保持不变，电位移保持不变。它上标用D表示。
（2）机械边界条件
       自由：用夹具把压电陶瓷片中间夹住，边界上应力为零，即片子边界条件是机械自由，片子能够自由变形。它上标用T表示。
       夹紧：用刚性夹具把压电陶瓷边缘固定，边界上应变为零，即片子边界条件是机械夹紧。它上标用S表示。
       四类边界条件对应四类压电方程，依据不一样边界条件选择不一样压电方程。
2.2.2第一类压电方程
第一类压电方程边界条件为机械自由和电学短路，应力T和电场强度E为自变量，应变S和电位移D为因变量。方程为：

式中，第一个方程叙述了正压电效应，而第二个方程叙述了逆压电效应。
式中d为压电常数，dT—d转置；s—弹性柔顺常数；ε—介电常数。而εT和sE分别表示应力恒定时介电常数和场强恒定时弹性柔顺系数。
2.2.3第二类压电方程
湿敏元件比来表示灵敏度。第二类压电方程边界条件为机械夹持和电学短路，应变S和电场强度E为自变量，应力T和电位移D为因变量（ansys中所应用就是这个方程）：

式中，c—弹性刚度常数；e—压电应力系数；et—e转置。εS为应变恒定时介电常数（夹紧介电常数），cE为场强恒定时（短路）弹性刚度系数。
2.2.4第三类压电方程
第三类压电方程边界条件为机械自由和电学开路，应力T和电位移D为自变量，应变S和电场强度E为因变量：

式中，β—自由倒介电常数；g—压电应变常数；gT—g转置。βT为恒应力作用下介质隔离率。sD为恒电位移（开路）时弹性柔顺系数。
2.2.5第四类压电方程
第四类压电方程边界条件为机械夹持和电学开路，应变S和电位移D为自变量，应力T和电场强度E为因变量：

式中，h—压电应力常数；ht—h转置。βS为恒应变下（夹紧）介质隔离率；cD为恒电位移（开路）时弹性刚度系数。
了解并掌握了压电理论基础知识、熟悉压电陶瓷极化和压电方程等对于全方面了解压电换能器工作原理提供了相关理论基础，所以是十分必需。

第三章 压电材料
3.1 石英晶体
经典石英化学成份为SiO2，晶体属三方晶系氧化物矿物，即低温石英a-石英），是石英族矿物中分布最广一个矿物种。广义石英还包含高温石英（b-石英）。
低温石英常呈带尖顶六方柱状晶体产出，柱面有横纹，类似于六方双锥状尖顶实际上是由两个菱面体单形所形成。石英集合体通常呈粒状、块状或晶簇、晶腺等。纯净石英无色透明，玻璃光泽，贝壳状断口上具油脂光泽，无解理。受压或受热能产生电效应。
3.2 新型压电材料
迄今为止，压电材料使用钛氧锆铅（PZT），而此次开发材料不含铅成份，可实现高性能，对环境无害传感器及换能器制造。这种钛氧钡系列压电材料，是日本物质材料研究机构研究人员任晓兵开发出。压电材料含有增加电压产生伸缩、增加压力产生电压特征，广泛应用于电能和机械能相互转换换能器制造，是蜂鸣器、喷墨印刷机等不可缺乏材料。
压电材料利用正离子和负离子中心移动这一性质，增加电场，使离子轻微移动。但在原理上，最大只能移动0.01%距离。此次研究小组利用新原理开发压电材料正离子和负离子中心移动时产生偶极矩电极化区域，在增加电场以后沿电压方向一齐发生改变，实现了可逆性巨大电致伸缩效应。在理论上可实现最大5%移动。
该材料应用于超声成像（尤其是医用超声成像）、声纳、微驱动器等器件可使其性能有重大提升。

第四章 压电传感器测量电路
4.1 压电晶片连接方法
在实际应用中，因为单片输出电荷很小，所以，组成压电式传感器晶片不止一片，常常将两片或两片以上晶片粘结在一起。粘结方法有两种，即并联和串联。
并联方法两片压电晶片负电荷集中在中间电极上，正电荷集中在两侧电极上，传感器电容量大、输出电荷量大、时间常数也大，故这种传感器适适用于测量缓变信号及电荷量输出信号。

串联方法正电荷集中于上极板，负电荷集中于下极板，传感器本身电容量小、响应快、输出电压大，故这种传感器适适用于测量以电压作输出信号和频率较高信号。

在上述两种接法中，并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，适宜用在测量慢变信号而且以电荷作为输出量场所。 而串联接法输出电压大，本身电容小，适宜用于以电压作输出信号，而且测量电路输入阻抗很高场所。

4.2 压电传感器等效电路
当压电晶体承受应力作用时，在它两个极面上出现极性相反但电量相等电荷。故可把压电传感器看成一个电荷源和一个电容并联电荷发生器。

当两极板聚集异性电荷时，板间就展现出一定电压，其大小为

所以，压电传感器还能够等效为电压源Ua和一个电容器Ca
串联电路，图 (b)。

图4-1压电传感器等效电路
（a） 电压源; （b） 电荷源
实际使用时，压电传感器经过导线和测量仪器相连接连接导线等效电容CC、前置放大器输入电阻Ri、输入电容Ci对电路影响就必需一起考虑进去。当考虑了压电元件绝缘电阻Ra以后，压电传感器完整等效电路可表示成图4-1所表示电压等效电路（a）和电荷等效电路（b）。这两种等效电路是完全等效。

图4-2 压电传感器完整等效电路
（a） 电压源; （b） 电荷源

利用压电式传感器测量静态或准静态量值时，必需采取一定方法，使电荷从压电晶片上经测量电路漏失减小到足够小程度。而在动态力作用下，电荷能够得到不停补充，能够供给测量电路一定电流，故压电传感器适宜作动态测量。
4.3 压电式传感器测量电路
因为压电式传感器输出电信号很微弱，通常先把传感器信号先输入到高输入阻抗前置放大器中，经过阻抗交换以后，方可用通常放大检波电路再将信号输入到指示仪表或统计器中。(其中，测量电路关键在于高阻抗输入前置放大器。）
前置放大器作用：一是将传感器高阻抗输出变换为低阻抗输出；二是放大传感器输出微弱电信号。
前置放大器电路有两种形式：一是用电阻反馈电压放大器，其输出电压和输入电压(即传感器输出)成正比；另一个是用带电容板反馈电荷放大器，其输出电压和输入电荷成正比。因为电荷放大器电路电缆长度改变影响不大，几乎能够忽略不计，故而电荷放大器应用日益广泛。
4.3.1电压放大器（阻抗变换器）

图 4-3 压电传感器接放大器等效电路 
（a） 放大器电路; （b） 等效电路
在图4-3（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 sinωt作用，则其电压为

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Ra电阻值和前置放大器输入电阻Ri全部为无限大，即ω(CaCc+Ci)R>>1，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和频率无关，通常在ω/ω0>3时，就能够认为Uim和ω无关，ω0表示测量电路时间常数之倒数，即

这表明压电传感器有很好高频响应，不过，看成用于压电元件力为静态力（ω=0）时， 前置放大器输出电压等于零， 因为电荷会经过放大器输入电阻和传感器本身漏电阻遗漏， 所以压电传感器不能用于静态力测量。
当ω(Ca+Cc+Ci)R>>1 时，当电缆长度改变时，Cc也将改变，所以Uim也随之改变。所以，压电传感器和前置放大器之间连接电缆不能随意更换， 不然将引入测量误差。
4.3.2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输入电路，由一个反馈电容CF和高增益运算放大器组成。因为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——反馈电容两端电压。

由运算放大器基础特征， 可求出电荷放大器输出电压

通常A=104~108，所以,当满足(1+A)Cf>>Ca+Cc+Ci时，上式可表示为：

由上式知，电荷放大器输出电压Uo只取决于输入电荷和反馈电容CF，和电缆电容Cc无关，且和q成正比，所以，采取电荷放大器时，即使连接电缆长度在百米以上，其灵敏度也无显著改变，这是电荷放大器最大特点。 在实际电路中，CF容量做成可选择，范围通常为100~104pF。
压电式传感器在测量低压力时线性度不好，关键是传感器受力系统中力传输系数非线性所致。 为此， 在力传输系统中加入预加力，称预载。这除了消除低压力使用中非线性外，还能够消除传感器内外接触表面间隙，提升刚度。 尤其是，它只有在加预载后才能用压电传感器测量拉力和拉、压交变力及剪力和扭矩。

第五章 压电传感器及其应用
5.1 基础应用
（1）力测量 压电式传感器关键利用石英晶体纵向和剪切压电效应，因为石英晶体刚度大、滞后小，灵敏度高、线性好，工作频率宽、热释电诳应小。力传感器除可测单向作用力外还可利用不一样切割方向多片晶体 依靠其不一样压电效应测量多方向力，如空间作用力3个方向分力Fx、Fy、Fz
（2）压力测量：压电式压力传感器关键利用弹性元件（膜片、活塞等）搜集压力变成作用于晶体片上力，因为弹性元件所用材料性能对传感器特征有很大影响。
（3）加速度测量：压电式加速度传感器是利用质量块m由预紧力压在晶体片上，娄被测加速度a作用时，晶体处会受到惯性力F=ma,由此产生压电效应，所以质量块质量决定了传感器灵敏度，也影响着传感器高频响应。

5.2 加速度传感器

压电式加速度传感器又称压电加速度计。它也属于惯性式传感器。它是利用一些物质如石英晶体压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上力也随之改变。当被测振动频率远低于加速度计固有频率时，则力改变和被测加速度成正比。

5.2.1工作原理
压电式加速度传感器是基于压电晶体压电效应工作。一些晶体在一定方向上受力变形时，其内部会产生极化现象，同时在它两个表面上产生符号相反电荷；当外力去除后，又重新恢复到不带电状态，这种现象称为“压电效应”，含有“压电效应”晶体称为压电晶体。常见压电晶体有石英、压电陶瓷等

5.2.2结构形式

压电式加速度传感器 压电式加速度计结构和安装压电式加速度计结构形式
常见压电式加速度计结构形式图。S是弹簧，M是质量块，B是基座，P是压电元件，R是夹持环。图a是中央安装压缩型，压电元件—质量块—弹簧系统装在圆形中心支柱上，支柱和基座连接。这种结构有高共振频率。然而基座B和测试对象连接时，假如基座B有变形则将直接影响拾振器输出。另外，测试对象和环境温度改变将影响压电元件，并使预紧力发生改变， 易引发温度漂移。图c为三角剪切形，压电元件由夹持环将其夹牢在三角形中心柱上。加速度计感受轴向振动时，压电元件承 受切应力。这种结构对底座变形和温度改变有极好隔离作用，有较高共振频率和良好线性。图b为环形剪切型，结构简单，能做成极小型、高共振频率加速度计，环形质量块粘到装在中心支柱上环形压电元件上。因为粘结剂会随温度增高而变软，所以最高工作温度受到限制。
5.2.3特征曲线
加速度计使用上限频率取决于幅频曲线中共振频率
通常小阻尼(z<=0.1)加速度计，上限频率若取为共振频率 1/3，便可确保幅值误差低于1dB（即12%）；若取为共振频率1/5，则可确保幅值误差小于0.5dB（即6%），相移小于30。但共振频率和加速度计固定情况相关，加速度计出厂时给出幅频曲线是在刚性连接固定情况下得到。实际使用固定方法往往难于达成刚性连接，所以共振频率和使用上限频率全部会有所下降。
5.2.4加速度计固定方法

其中采取钢螺栓固定，是使共振频率能达成出厂共振频率最好方法。螺栓不得全部拧入基座螺孔，以免引发基座 变形，影响加速度计输出。在安装面上涂一层硅脂可增加不平整安装表面连接可靠性。需要绝缘时可用绝缘螺栓和云母垫片来 固定加速度计,但垫圈应尽可能簿。用一层簿蜡把加速度计粘在试件平整表面上，也可用于低温（40℃以下）场所。手持探针测振方法,在多点测试时使用尤其方便，但测量误差较大，反复性差，使用上限频率通常不高于 1000Hz。用专用永久磁铁固定加速度计，使用方便，多在低频测量中使用。此法也可使加速度计和试件绝缘。用硬性粘接螺栓或粘接剂固定方法也长使用。某种经典加速度计采取上述多种固定方法共振频率分别约为：钢螺栓固定法31kHz，云母垫片28kHz，涂簿蜡层29kHz，手持法2kHz，永久磁铁固定法7kHz。
5.3 实际案例分析
现在最新IBM Thinkpad手提电脑里就内置了加速度传感器，能够动态监测出笔记本在使用中振动，并依据这些振动数据，系统会智能选择关闭硬盘还是让其继续运行，这么能够最大程度保护因为振动，比如颠簸工作环境，或不小心摔了电脑做造成硬盘损害，最大程度保护里面数据。另外一个用处就是现在用数码相机和摄像机里，也有加速度传感器，用来检测拍摄时候手部振动，并依据这些振动，自动调整相机聚焦。 概括起来，加速度传感器可应用在控制，手柄振动和摇摆，仪器仪表，汽车制动开启检测，地震检测，报警系统，玩具，结构物、环境监视，工程测振、地质勘探、铁路、桥梁、大坝振动测试和分析；鼠标，高层建筑结构动态特征和安全保卫振动侦察上。
5.4 压电传感器发展趋势
在工当今世界各国压力传感器研究领域十分广泛，几乎渗透到了各行各业，但归纳起来关键有以下五个趋势：
一、小型化现在市场对小型压力传感器需求越来越大，这种小型传感器能够工作在极端恶劣环境下，而且只需要极少保养和维护，对周围环境影响也很小，能够放置在人体各个关键器官中搜集资料，不影响人正常生活。如美国Entran企业生产量程为2～500PSI传感器，直径仅为1.27mm，能够放置在人体血管中而不会对血液流通产生大影响。
二集成化压力传感器已经越来越多和其它测量用传感器集成以形成测量和控制系统。集成系统在过程控制和工厂自动化中可提升操作速度和效率
三、智能化因为集成化出现，在集成电路中可添加部分微处理器，使得传感器含有自动赔偿、通讯、自诊疗、逻辑判定等功效。
四、广泛化压力传感器另一个发展趋势是正从机械行业向其它领域扩展，比如：汽车元件、医疗仪器和能源环境控制系统。
五、标准化传感器设计和制造已经形成了一定行业标准。如ISO国际质量体系;美国ANSI、ASTM标准、俄罗斯ГOCT、日本JIS标准。
5.5总结
信息处理技术取得进展和微处理器和计算机技术高速发展，全部需要在传感器开发方面有对应进展。微处理器现在已经在测量和控制系统中得到了广泛应用。伴随这些系统能力增强，作为信息采集系统前端单元，传感器作用越来越关键。传感器已成为自动化系统和机器人技术中关键部件，作为系统中一个结构组成，其关键性变得越来越显著。而湿度更是重中之重。
当然，在自动检测技术领域里，传感器占有了举足轻重地位。学校安排这次课程设计是对我们所学知识一个检验和考评，更是对知识巩固和强化。经过这次课程设计，并使我们得到利用所学理论知识处理实际问题初步认识和锻炼。掌握相关课题资料搜集、整理；方案设计和对比；提升学生分析、综合能力和工程设计中计算和绘图基础能力，为后续毕业设计和工程实践作必需准备。
在这次课程设计中，我选择了压电传感器。经过这次设计，我对压电传感器有了初步了解，对其应用范围广泛更是叹为观止。它发展趋势同其它传感器有相同之处，因为伴随社会发展和科技技术进步，大家不再局限于那些最基础传感器，而是朝集成化、智能化发展。除此之外，我知道了设计汇报格式，这为我以后做毕业设计打下了良好基础。
最终，感谢许老师一学期悉心教导！即使我们听课效率全部不是很高，但最终还是对相关检测方面知识了解了一部分。所以，假如以后有机会话，许老师能够教授我们部分其它方面知识。

参考文件
[1] 杨帆，吴晗平编著.传感器技术应用.北京：化学工业出版社，
[2] 卿太全，郭明琼编著.最新传感器选择手册.北京：中国电力出版社，
[3] 王俊杰主编. 检测技术和仪表.武汉：武汉理工大学出版社，
[4] 王亚峰，宋晓辉编著. 新型传感器技术及应用.北京：中国计量出版社，
[6] 李方园编著. 图解传感器和仪表应用.北京：机械工业出版社，