传感器

传感器简介及压电传感器专业：材料加工工程学号：113119301姓名：王利臣一、传感器的概念传感器的概念，我国国家标准GB7665—1987规定：“传感器(sensor)是能感受规定的测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置”。对于传感器的定义我们可以有如下几点的理解：1、传感器首先是一种测量器件或装置，它的作用体现在测量上。我们常见的发电机，它是一种可以将机械能转变成电能的转换装置，从能量转换的角度看，它是一种发电设备，不能称之为传感器；但从另一个角度看，人们可以通过发电机发电量的大小来测量调速系统的机械转速，这时，发电机就可看成是一种用于测量转速的测量装置，是一种速度传感器，通常称之为测速发电机。2、传感器定义中所谓“可用输出信号”是指便于传输、转换及处理的信号，主要包括光和电等信号，现在一般就是指电信号（如电压、电流、电势及各种电参数等），而“规定的测量量”一般是指非电量信号，主要包括各种物理量、化学量和生物量等，在工程中常需要测量的非电量信号有力、压力、温度、流量、位移、速度、加速度等等。正是由于这类非电量信号不能像电信号那样可由电工仪表和电子仪器直接测量，所以就需要利用传感器技术实现由非电量到电量的转换。3、传感器的输入和输出信号应该具有明确的对应关系，并且应保证一定的精度。4、传感器，目前国外还有许多提法，如变换器（transducer）、转换器（converter）、检测器（detector）和变送器（transmitter）等，而根据我们国家的规定，称为传感器（sensor）。二、传感器的组成及分类1、传感器的组成传感器的种类繁多，其工作原理、性能特点和应用领域各不相同，所以结构、组成差异很大。但总的来说，传感器通常由敏感元件、转换元件及测量电路组成，有时还加上辅助电源,如下图所示。图1传感器的组成框图1)敏感元件（sensingelement)敏感元件是指传感器中能直接感受被测量的变化，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。敏感元件是传感器的核心，也是研究、设计和制作传感器的关键。如图2所示是一气体压力传感器的示意图。膜盒2的下半部与壳体1固定，上半部通过连杆与磁4相连，磁芯4置于两个电感线圈3中，后者接入测量电路5。这里的膜盒就是敏感元件，其外部与大气压力pa相通，内部感受被测压力p。当p变化时，引起膜盒上半部移动，即输出相应的位移量。1—壳体；2—膜盒；3—电感线圈；4—磁芯；5—测量电路2）转换元件（transductionelement）转换元件是指传感器中能将敏感元件输出的物理量转换成适于传输或测量电信号的部分。需要指出的是，并不是所有的传感器都能明显地区分敏感元件和转换元件两部分，有的传感器转换元件不止一个，需要经过若干次的转换；有的则是二者合二为一。3）测量电路（measuringcircuit）测量电路又称转换电路或信号调理电路，它的作用是将转换元件输出的电信号进行进一步的转换和处理，如放大、滤波、线性化、补偿等，以获得更好的品质特性，便于后续电路实现显示、记录、处理及控制等功能。2、传感器的分类通常，一种传感器可以检测多种参数，一种参数又可以用多种传感器测量，所以传感器的分类方法也很多，至今尚无统一规定，归纳起来一般有以下几种。1)按工作原理分类按照传感器工作原理的不同，传感器可分为电参数式传感器(包括电阻式、电感式和电容式传感器)、压电式传感器、光电式传感器(包括一般光电式、光纤式、激光式和红外式传感器等)、热电式传感器、半导体式传感器、波式和辐射式传感器等，这些类型的传感器大部分是分别基于其其各自的物理效应原理命名的。2)按传感器的输入量分类生产厂家往往按输入量分类，以向户提供基本的使用信息。如：位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器、压力传感器、流速传感器、温度传感器、、…。3)按信息能量变换方式分类（1）能量变换型：传感器从被测对象中获取能量，用于直接输出。如：热电偶、光电池、压电式、电磁感应式、固体电解质气敏传感器等。（2）能量控制型：传感器从被测对象中获取能量，用于控制激励源，故又称有源型传感器。如：电阻式、电感式、电容式、霍尔式、…。三、传感器在生活中的应用在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，生产线上设备运行状态关系到整个生产线流程。通常建立24小时在线监测系统。石化企业输油管道、储油罐等压力容器的破损和泄露检测14四、压电传感器主要内容1.压电效应2.压电材料3.压电元件结构4.压电传感器的应用15概述压电式传感器是一种典型的传感器，以电介质的压电效应为基础，外力作用下在电介质表面产生电荷，从而实现非电量测量。压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动进行测量，在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用。压电式传感器具有体积小、质量轻、频响高、信噪比大等特点。由于它没有运动部件，因此结构坚固、可靠性、稳定性高。16压电陶瓷位移器压电陶瓷超声换能器压电秤重浮游计压电加速度计压电警号171压电效应某些电介质（晶体）,当沿着一定方向施加力变形时，内部产生极化现象，同时在它表面会产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又重新恢复不带电状态；当作用力方向改变后，电荷的极性也随之改变；这种现象称压电效应。18压电效应是可逆的在介质极化的方向施加电场时，电介质会产生形变，将电能转化成机械能，这种现象称“逆压电效应”。所以压电元件可以将机械能——转化成电能也可以将电能——转化成机械能。压电元件机械能电能192压电材料1)石英晶体自然界许多晶体具有压电效应，但十分微弱，研究发现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅是优能的压电材料。压电材料可以分为两类：压电晶体、压电陶瓷。天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，使用时用金刚石刀具切割出一片正方形薄片。20天然形成的石英晶体外形21天然形成的石英晶体外形22石英晶体薄片23(a)晶体外形；(b)切割方向；(c)晶片石英晶体各个方向的特性不同。其中纵向轴z称为光轴，经过六面体棱线并垂直于光轴的x称为电轴，与x和z轴同时垂直的轴y称为机械轴。把沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”，把沿机械轴y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”。沿光轴z方向的力作用时不产生压电效应。24石英晶体压电模型25压电效应演示当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。26石英晶体振荡器（晶振）石英晶体在振荡电路中工作时，压电效应与逆压电效应交替作用，从而产生稳定的振荡输出频率。272)压电陶瓷（多晶体）压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成本却较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT锆钛酸铅）及非铅系压电陶瓷（如BaTiO3等）。28压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料，材料的内部晶粒有许多自发极化(取向极化：在外电场作用下，原来无序排列的有极分子转为有序排列，形成合成电矩)的电畴，它有一定的极化方向。无电场作用时，电畴在晶体中分布杂乱分布，极化相互抵消，呈中性。29施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向外电场方向排列。外电场强度达到饱和程度时，所有的电畴与外电场一致。外电场去掉后，电畴极化方向基本不变，剩余极化强度很大。所以，压电陶瓷极化后才具有压电特性，未极化时是非压电体。30压电陶瓷外形31无铅压电陶瓷及其换能器外形（上海硅酸盐研究所研制）323压电元件结构形式单片压电元件产生的电荷量甚微，为了提高压电传感器的输出灵敏度，在实际应用中常采用两片（或两片以上）同型号的压电元件粘结在一起。由于压电材料的电荷是有极性的，因此接法也有两种。2,'2,'CCQQUU+_+_U’电路并联+++++++++++_______________________+++++++++++','2,'2CCUUQQ+_U’_++++++++++++___________++++++++++++____________电路串联33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并且以电荷作为输出量的场合。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，并且测量电路输入阻抗很高的场合。344压电传感器的应用1）玻璃打碎报警装置将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到玻璃破碎时会发出的振动，并将电压信号传送给集中报警系统。粘贴位置35压电传感器只能应用于动态测量由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，因此压电式传感器不能用于静态测量。压电元件在交变力的作用下，电荷可以不断补充，可以供给测量回路以一定的电流，故只适用于动态测量（电流频率一般必须高于100Hz，但在50kHz以上时，灵敏度下降）。362）交通监测将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息（包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）、车速监测、收费站地磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。373）压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用压电式步态分析跑台压电式纵跳训练分析装置压电传感器测量双腿跳的动态力