《压电传感器在工业中的应用》-公开DOC·毕业论文

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1、精品 压电传感器在工业中的应用精品摘 要压电传感器以其独特的性能在减振降噪、 健康监测、 形状自适应控制、 损伤监测等方面发挥着重要作用 ,综述了压电传感测试技术在航空航天、 土木、 机械、 交通工程、 铁路行车安全监测等领域的研究进展 ,并指出了今后有待进一步研究的问题。目前 ,压电传感测试技术主要用于柔性结构的振动控制 ,可考虑将其应用到其他领域的振动监测与控制中 ,如列车行驶中蛇行运动轮轨形成的噪声与振动 ,通过快速获取振动的动态信号和提取噪声源 ,达到对高速重载铁路行车安全进行实时监测的目的。压电元件的非线性是影响其使用性能进一步提高的主要因素之一。为减小这种非线性特性所造成的不良影响

2、 ,应从压电元件非线性特性形成机理、 外环与内环非线性特性及控制方法等方面开展了相关研究。关键词: 压电传感测试; 健康监测; 应用目 录摘 要I引 言11 压电传感测试技术应用研究现状21. 1 在航空航天领域的应用21. 2 在机械工程领域的应用21. 3 在土木工程领域的应用41. 4 在铁路行车安全监测中的应用41. 5 在交通领域的应用51. 6 在医学领域的应用51. 7 压电材料在汽车技术中的应用51.7.1压电式压力传感器51.7.2压电制动器51.7.3压电喷油器61.7.4压电负离子空气净化器61.8 其他应用62压电式加速度计72.1测振原理72.2结构型式72.3技术指

3、标72.3.1灵敏度72.3.2频响范围82.3.3最大横向灵敏度比82.3.4其他性能83加速度传感器使用技术要素93.1传感器的选用原则93.2与后续测量元件的匹配103.3加速度传感器应用手册103.3.1加速度传感器的测量103.4加速度传感器优化设计参数113.5加速度传感器测试参数的校准114 压电传感器的构造及测量系统124.1 压电传感器的构造124.2 压电传感器的测量系统135 压电传感器的应用135.1 电子鼻145.1.1电子鼻技术发展历史165.2.2电子鼻技术研究现状与发展趋势165.2.3 电子鼻技术应用前景175.2内置集成电路的压电传感器18总 结18致 谢2

4、0参考文献21精品引 言自 1880 年 ,法国两位科学家 Curie J 和 Curie P在研究英晶体时发现材料的压电现象以后 ,在材料学界便引发一场压电材料研究热。经过 100 多年的发展 ,压电材料种类已经由最初的压电晶体发展到压电陶瓷、 进而发展压电聚合物及其复合材料。随着物理学、 材料科学与各学科的交叉发展 ,压电材料被用以研制成了多种用途的感器 ,与其他传感器相比 ,压电传感器具有独特的优点:作频率范围宽(可从几十赫到几百兆赫) 、 动态范围大、 频时间快、 灵敏度高、 温度稳定性好( - 20150 ) 、 质量、 结构简单 ,既可以粘贴在结构表面还可以通过一定的工措施耦合到结

5、构之中。在应变、 加速度、 振动、 冲击载荷、波等物理量的测量方面显示出优异的传感特性。近年压电传感测试技术在航空航天、 土木、 机械、 交通以及能化工、 医学等领域得到了广泛的应用。1 压电传感测试技术应用研究现状1. 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1 ,2 ,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。

6、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3 7 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

7、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。1. 2 在机械工程领域的应用1)灵巧开关美国 MSI公司推出的用于振动测试的压电薄膜传感器。它的主要部分是以 PVDF薄膜敏感元件( PFS)贴于片状不锈钢悬臂上 ,并附有匹配、 放大电路。这种开关可作为冲击/振动传感器或瞬态开关使用 ,可输出数字信号 ,有结构简单、 响应平稳、 无行程、 厚度薄、 可靠性高 ,且不需调整的特点 ,已经用于面板开关、 装配线计数、 齿轮计数器和弹子游戏机的碰撞检测计数等方面。2)加速度计它以 PVDF薄膜为敏感元件 ,在直角相交的 3

8、 个方向上分别安置了传感元件 ,可测量 X , Y , Z 3 个方向的加速度 ,外形与贴装式集成电路相当 ,频率响应范围为0. 5 Hz5 kHz ,已经在动态信号测试、 系统控制、 振动开关、 货运监控和计算机外设等方面得到大量的应用。3)压电电缆这种压电电缆外表与一般的同轴电缆相似 ,但它的芯线与屏蔽层之间的绝缘材料由 PVDP 薄膜制成 ,这样 ,既是电缆 ,又是传感器 ,灵活、 结实、 防水 ,且可做得很长。既可埋设于地下或置于水下 ,也可以安装于栅栏或围墙。一般用作机场等需要保卫或隔离场地的侵人探测器、 运动计分器/隔离线、 汽车保险杠触发开关和水声探测器等。4)测量内部应变的新型

9、压电传感器当测量大型、 重型结构的极小应变或大的测量范围时 ,传统应变计的应用受到限制 ,采用新型压电传感器8 可用于内部应变的测量。将应变传感器安装在机械结构的小孔内 ,可在优选位置上(直接在力的作用线上或中心轴上)测量应变 ,以便消除弯曲应变 ,而且 ,传感器不受外界影响 ,得到很好的保护 ,这在工业应用中十分重要。5)旋转切削测力计在制造加工工艺监测中的应用实践证明:压电传感器以其独特的优点而格外胜任切削加工监测。在切削过程中 ,刀具是不旋转的 ,传感器可以直接安装到夹具内部。对于磨削、 钻孔和攻丝 ,在旋转刀具上安装传感器的研究 ,至今尚未完全成功。采用最新的遥测技术 ,第一个适合工业

10、生产应用的旋转切削测力计9 已经设计成功 ,它是一种新颖的石英多分量力与力矩传感器 , 内置微型电荷放大器的电源与信号输出均由无线电遥测、用标准锥固定。这种新型旋转切削测力计可以直接安装在轴和刀具之间。目前 ,直接测量旋转刀具的切削力 ,甚至生产机床中测量切削力均已成为可能 ,这对生产过程确定选择最佳切削参数具有重要的意义。6)新型声发射传感器与应用新型声发射传感器10 除具有固有的机械高通特性外 ,还有接地绝缘性 ,可以不考虑工业应用常出现的接地屏蔽问题 ,设计新颖 ,敏感元件不受外部低频噪声影响 ,而且 ,外壳焊接紧密 ,易安装固定。另一种创新的双用传感器是将声发射传感器与三分量测力传感器

11、合二为一 ,将其安装在车床夹具的适当位置 ,就可以连续监测切削力、 进刀力和被动力的大小及相关的声发射信号。声发射传感器还可应用于塑料注塑挤塑工艺、 焊接工艺检测以及电子工业中的其他测控过程等。7)在碰撞动力学中的应用在碰撞(声速以下)与高速碰撞(声速以上)动力学的研究中 ,应力波和冲击波在结构中的传播、 界面与界面之间压力、 撞击载荷随时间的变化等的测试一直是一个难题。这些物理量在多数情况下 ,由于测点的局限性和结构的复杂性 ,难以通过所测得的应变进行换算 ,需要采取一定的手段进行直接测试。PVDF 压电特性的发现为解决这一难题提供了可能。利用 PVDF压电薄膜进行动态压力测试开始于 20

12、世纪 80 年代中期 ,目前 ,在国外已经达到了实用化阶段 ,利用 PVDF 薄膜制作的压力传感器已经商品化 ,广泛应用于动压测试 ,如 , SHPB ( split hopkin2son pressure bar)中的压力测量、 激光诱导的冲击压力测量、 平面撞击下产生的平面冲击波导致的纵向和横向应力的测量、 水下冲击波测量以及软 X射线诱导的冲击压力测量等。1. 3 在土木工程领域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

13、) ,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。1. 4 在铁路行车安全监测中的应用1)在列车动力学性能监测系统中的应用目前 ,欧洲和日本在转向架上装有传感器实时记录和监测车辆在高速运行过程中是否出现蛇行及其他动力学参数的变化情况 ,其中 ,英国 AEA 在客车上安装传感器监测车辆的振动状况 ,法国Bombardi正在研究在构架上安装传感器

14、监测车辆是不是出现蛇行运动。我国西安交通大学胥永刚等人以美国 DALLAS公司生产的数字式温度传感器 DS1820 为基础 ,开发研制了高速机车轴温监测系统 ,在 SS7D型机车上得到应用。天津大学李智慧等人利用压电效应研制的新型加速度传感器经车辆轴承动态监测系统实际运行结果表明:可以代替人工 ,实现了列车轴承实时监测的自动化。2)在轨道状态监测中的应用国外采用压电加速度传感器测量转向架轴箱加速度 ,进行轨道不平顺检测。如果轨道的平顺状态满足要求 ,高速列车的振动和动作用力都不太大 ,行车安全和平稳舒适性就能得到保证 ,轨道和机车车辆部件的使用周期和维修周期也会得到延长。3)在车轮踏面擦伤检测

15、中的应用我国的西南交通大学研制了一种在线式踏面擦伤检测装置。通过在钢轨底部安装压电加速度传感器 ,捕捉车轮和钢轨接触发生碰撞时所产生的振动加速度。加速度信号的强弱和变化反映了轮对踏面的几何参数 ,也即反映出损伤情况。4)制动装置传感器制动装置是对制动缸内压力进行控制 ,进而控制闸瓦对车轮踏面的压紧力或是制动片对制动盘的压紧力。通过压力传感器检测空气弹簧的压力 ,然后 ,算出车辆的重量。最近 ,随着制动装置的高精度化和以监控装置、 车载试验装置为基础的免维修化的进程 ,压力传感器已经逐步用于对制动缸内压力、 总风管压力和 SAP 管(用于与装备了风控制动装置的车辆进行连接时读出控制指令) 压力的检测。大多采用在膜片上安装压电元件的方式 ,其动作原理是利用元件的压电电阻效应 ,将压力转换为电信号。5)平稳性指标仪乘坐舒适度是衡量车辆运行品质好坏的一项主要性能指标 ,日本采用新型压电式三维加速度传感器所研制的平稳性指标仪 ,可实时测量、 显示及打印加速度与平稳性指标 ,进行舒适度