压电式传感器的应用与发展资料

合肥学院HefeiUniversity题目：压电式传感器的应用与发展系别：电子系班级：姓名：完成时间：2014年6月9日1压电式传感器的应用与发展摘要：压电式传感器是以某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理的传感器。压电式传感器具有体积小、重量轻、频带宽。灵敏度高等优点。近年来，压电测试技术发展迅速，特别是电子技术的迅速发展，使压电式传感器的应用越来越广泛。压电传感元件是力敏感元件，所以它能测量最终能变化为力的哪些物理量，例如力、压力、加速度等。另外，压电式传感器在工程力学、生物医学、石油勘测、声波测井、电声学等许多技术领域中也获得了广泛的应用。本文主要重点介绍压电式传感器的工作原理，应用及其发展趋势。关键词：压电；传感器；原理；发展；应用1目录1引言........................................................................................................................................22压电式传感器的基本原理....................................................................................................22.1压电效应............................................................................................................................22.2压电材料............................................................................................................................33压电式传感器在行业中的应用............................................................................................43.1在航空航天领域的应用.....................................................................................................43.2在土木工程领域中的应用.................................................................................................43.3在医学领域的应用.............................................................................................................44压电式传感器运用的基本方法............................................................................................54.1传感器的等效电路.............................................................................................................54.2压电晶片的串联与并联.....................................................................................................54.3测量电路.............................................................................................................................55压电式传感器在具体工程中的应用....................................................................................65.1压电制动器.........................................................................................................................65.2新型声发射传感器.............................................................................................................65.3压电陀螺............................................................................................................................66压电式传感器的发展趋势....................................................................................................76.1向高精度发展....................................................................................................................76.2向高可靠性、宽温度范围发展........................................................................................76.3向微型化方向发展............................................................................................................76.4向智能化数字化发展........................................................................................................77参考文献................................................................................................................................821引言压电式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。压电材料受到力后表面产生电荷。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。它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。2压电式传感器的基本原理2.1压电效应压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。正压电效应是指：当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。逆压电效应是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象，又称电致伸缩效应。用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型5种基本形式，如下图所示。压电晶体是各向异性的，并非所有晶体都能在这5种状态下产生压电效应。例如石英晶体就没有体积变形压电效应，但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。32.2压电材料压电式传感器可分为压电单晶、压电多晶和有机压电材料。压电式传感器中用得最多的是属于压电多晶的各类压电陶瓷和压电单晶中的石英晶体。其他压电单晶还有适用于高温辐射环境的铌酸锂以及钽酸锂、镓酸锂、锗酸铋等。压电陶瓷有属于二元系的钛酸钡陶瓷、锆钛酸铅系列陶瓷、铌酸盐系列陶瓷和属于三元系的铌镁酸铅陶瓷。压电陶瓷的优点是烧制方便、易成型、耐湿、耐高温。缺点是具有热释电性，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的面积,它与空气的声阻匹配具有独特的优越性,是很有发展潜力的新型电声材料。60年代以来发现了同时具有半导体特性和压电特性的晶体，如硫化锌、氧化锌、硫化钙等。利用这种材料可以制成集敏感元件和电子线路于一体的新型压电传感器，很有发展前途。压电式传感器大致可以分为4种，即：压电式测力传感器，压电式压力传感器，压电式加速度传感器及高分子材料压力传感器。43压电式传感器在行业中的应用3.1在航空航天领域的应用目前,在太空环境中实现结构的损伤监测普遍采用压电片阵列进行传感,通过传感器所得到的结构动态应变信息对其损伤的程度和位置进行监测,而且可为太空结构的优化设计和合理制造提供可靠数据。在航空领域,飞机表层采用智能材料结构形成智能表层,可以协助飞机结构安全监测、飞机控制系统通信、导航、雷达以及光电系统的工作,并有助于电子战争。埋入飞机表层的传感器和处理单元可以共用,从而可减少信号源重叠,降低成本,减少动力消耗,减轻重量,提高系统功能与维护能力。在航天领域,空间大型结构需要在地面组装进一较小容器内,到达预定轨道后再展开成大型结构,因此,可利用智能材料结构的自适应技术,采用传感器测量目前结构状态偏离希望状态的程度,同时,控制驱动器调整结构,以满足结构展开的精度要求压电智能结构用于空间柔性结构的减振降噪,研究成果也比较丰富。如波音防御与空间集团公司进行的智能结构抑制直升机旋翼振动的研究,弗吉尼亚理工学院与州立大学从事的降低飞机座舱振动与噪声的研究，NASA的兰立研究中心与麻省理工学院一起在F/A18E/F模型上研究用智能结构控制机翼的颤振，以及用于飞行器三维封闭空间内部噪声的控制。3.2在土木工程领域中的应用采用压电传感器测量结构振动所引起的动态应变,实现结构的振动监测[18];将先进的传感元器件网络嵌入或以其他方式集成在传统的土木结构中,通过在线实时获取与结构健康状况相关的信息(如,应力、应变、温度等),对结构的冲击、损伤、缺陷等状态进行实时监测和控制,实现健康自诊断,以保证工程结构和基础设施的安全可靠及降低维修费用;采用压电传感器和执行器对刚架桥梁的螺钉松动情况进行监测;还可以利用压电传感器测量材料破坏时的声发射信号,从而得知裂纹的位置,以及通过测量冲击激起的弹性波信号实现冲击的定位等。3.3在医学领域的应用利用PVDF薄膜的压电、热电特性以及柔软性,与人体皮肤匹配性好的特点,可制成多种医用传感器。PVDF压电薄膜的红外光谱在7～20μm波长范围有很强5的吸收,而人体的热辐射也基本处于这个范围,因此,它可用于人体探测、热电夜视设备、激光束探测等方面。PVD压电薄膜的频率响应范围很宽,其低限截止频率约为0.001Hz,因此,用PVDF压电薄膜做成松紧性胸带或腰带,通过匹配不同的电荷放大器可以同时获取呼吸(约0.2Hz)和心跳(约1Hz)信号,并能长期、实时监测。4压电