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1、编号毕业论文题目：压电式传感器探讨与应用学生姓名：胡树风学 号：07655114专业：检测技术与应用班 级：076551指导教师：黎正根老师2010年6月目录一、绪论、八 3二、压电式传感器的基本原理、51、压电效应2、压电材料3、测量电路二、四、五、六、压电式压力传感器原理和结构图9影响压电式传感器精度的因素分析、10压电式传感器的举例应用、11 小结、20一、绪论国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定 的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置， 通常由敏感元件和转换元件组成。传感器是一种检测装置， 能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定 规律变换
2、成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信 息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实 现自动检测和自动控制的首要环节。传感器的作用人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。而单 靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活 动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况，就需要传 感器。因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电 五官。新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。在利用 信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息， 而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种 传感器来监视和控制生产过程中的各个参
3、数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以 说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。现代 科学技术的发展，进入了许多新领域：例如在宏观上要观察 上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到 nm的粒子世界， 纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到瞬间反应。此 外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有 重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、 超高真空、超强磁场、超弱磁砀等等。显然，要获取大量人 类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能 的。许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息
4、的获取 存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现， 往往会导致该领域内的突破。一些传感器的发展，往往是一 些边缘学科开发的先驱。传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探 测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物 保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太 空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个 现代化项目，都离不开各种各样的传感器。由此可见，传感器发展经济、推动社会进步方面的重 要作用，是十分明显的。世界各国都十分重视这一领域的发展。相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到 与其重要地位相称的新水平。:、压电式传感器的基本原理1、压电
5、效应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。常见有以下几种压电效应模型（见图1）图1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
6、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（见图2）图2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。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02、压电材料(piezoelectric material)选用合适的压电材料是设计高性能传感器的关键。一般应考虑一下几个方
7、面：(1) 转换性能：具有较高的耦合系数或具有较大的 压电常数。(2) 机械性能：压电元件作为受力元件，希望它的 机械强度高、机械刚度大。以期获得宽的线性 范围和高的固有振动频率。(3) 电性能：希望具有高的电阻率和大的介电常 数，以期望减弱外部分布电容的影响而获得良 好的低率特性。(4) 温度和湿度稳定性要好：具有较高的居里点、 以期望得到宽的工作温度范围。(5) 时间稳定性：压电特性不随时间蜕变。常见的压电材料有：石英、钛酸钡陶瓷、钙钛矿型的铌 酸盐等，下面简单介绍两种：钛酸钡压电陶瓷：钛酸钡(BaTiO3 )是由碳酸钡(B aCO3 )和二氧化钛(TiO2 )按1: 1分子比例在高温下合
8、成的压电陶瓷。它具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为 石英晶体的50倍）。不足之处是居里点温度低（120 C）, 温度稳定性和机械强度不如石英晶体。高分子压电材料：某些合成高分子聚合物薄膜经延展拉 伸和电场极化后，具有一定的压电性能，这类薄膜称为高分 子压电薄膜。目前出现的压电薄膜有聚二氟乙烯 PVF2、聚氟 乙烯PVF、聚氯乙烯PVC、聚y甲基-L谷氨酸脂PMG等。高分 子压电材料是一种柔软的压电材料，不易破碎，可以大量生 产和制成较大的面积。3、测量电路压电式传感器简单的说就是压电敏感元件的受力变形后 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
9、量输出。电荷放大器由电荷变换级、适调级、低通滤波器、高通滤 波器、末级功放、电源几部分组成。压电传感器接放大器的等效 电路如图3：（。）图3：（a）放大器电路三、压电式压力传感器原理和结构压电式压力传感器(piezoelectric type pressure trans ducer):基于压电效应的压力传感器。它的种类和型号繁多， 按弹性敏感元件和受力机构的形式可分为膜片式和活塞式两 类。膜片式主要由本体、膜片和压电元件组成(见图 4)。压 电元件支撑于本体上，由膜片将被测压力传递给压电元件， 再由压电元件输出与被测压力成一定关系的电信号。这种传 感器的特点是体积小、动态特性好、耐高温等。现
10、代测量技 术对传感器的性能出越来越高的要求。例如用压力传感器测 量绘制内燃机示功图，在测量中不允许用水冷却，并要求传 感器能耐高温和体积小。压电材料最适合于研制这种压力传 感器。目前比较有效的办法是选择适合高温条件的石英晶体 切割方法，例如XY(5 (+20+30)割型的石英晶体可耐350C 的高温。而LiNbO3单晶的居里点高达1210C，是制造高温 传感器的理想压电材料。图4四、影响压电式传感器精度的因素分析1、非线性压电传感器的幅值线性度是指被测物理量（如力、压力、加 速度等）的增加，其灵敏度的变化程度。2、横向灵敏度压电加速度传感器的横向灵敏度是指当加速度传感器感受 到与其主轴向（轴向
11、灵敏度方向）垂直的单位加速度振动时的灵 敏度，一般用它与主轴向灵敏度的百分比来表示，称为横向灵敏 度比。3、环境温度的影响环境温度的变化对压电材料的压电常数和介电常数的影响 都很大，它将使传感器灵敏度发生变化，压电材料不同，温度影 响的程度也不同。当温度低于400 r时，其压电常数和介电常 数都很稳定。4、湿度的影响环境湿度对压电式传感器性能的影响也很大。如果传感器 长期在高湿度环境下工作，其绝缘电阻将会减小，低频响应变坏。5、接地回路噪音在测试系统中接有多种测量仪器，如果各仪器与传感器分别接地，各接地点又有电位差，这便在测量系统中产生噪音。 防止这种噪音的有效办法是整个测量系统在一点接地。而
12、且选择 指示器的输入端为接入点。五、压电式传感器的举例应用1、压电交通传感器在ITS中的应用Intelligent Transport System,简称 ITS智能交通系统将先进的信息技术、数据通讯传输技 术、电子传感技术、电子控制技术以及计算机处理技术 等有效地集成运用于整个交通运输管理体系，而建立起 的一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、 高效的综合运输和管理系统0随着全球智能交通技术（ITS）的发展，与众多的技术 一样，美国 MSI （MICRO STAR INTERNATIONAL :微 星科技）传感器公司研发与生产的压电传感器在过去数年 里取得了长足的发展。它为用户提供的
13、不仅仅是良好的性 能，高度的可靠性，简易的安装方法，还有逐步降低的价 格。它独一无二的特性使其在日益扩展的应用中成为理想 的选择。压电传感器特点电容式传感器：不能检测静止在 传感器上的车辆。只能检测动态信号，内阻很高，在低频 时信号衰减很大，低速时应考虑采用较高的电路输入阻抗， 速度范围取决于电路设计，一般为5公里/小时到200公里 /小时，较成功的系统达到10米/分钟（0.6公里/小时）。无源 传感器：可在前置放大器前长距离传送而不需要供电。寿 命长：超过4千万次ESAL（等效单轴负载）安装质量好可达 一亿次(ESAL)。大信号：200公斤轮载，在55英里速度 行驶时，输出最小250mV信号
14、。动态特性好：可测自行车， 摩托车，小汽车及重型货车。高信噪比：传感器的扁平结 构即宽厚比为6:1使非受力方向的躁声最校包括路面躁声 和相邻车道车辆的躁声最校最小的路面破坏：安装切口仅 为19mmx19mm。并可与路面轮廓一致。易搬运：盘卷在 600mmx600mm的纸盒内，卷曲直径不小于300mm就不 会损坏。一次安装获取多种信号：如轴数，重量，车速， 轴距，与电感线圈配合，从而实现行驶中称重(WIM英文 Microsoft Windows Imaging Format(WIM)的简称是基于 文件的映像格式)，车辆分类统计，车速监测，闯红灯拍照。压 电传感器应用范围压电传感器主要应用于行驶中
15、称重 (WIM),车辆分类统计，计轴数，测轴距，车速监测，闯红 灯拍照，泊车区域监控，收费站地磅，交通信息采集和统 计(道路监控)以及机场滑行道。一。行驶中称重(WIM)在美 国。巴西。德国。日本和韩国有大量应用，其主要用途是 高速公路车辆超重超载监测的预选和桥梁超载警告系统， 既判断正在高速行驶中的车辆，尤其是驶过桥梁的车辆是 否超载，由视频系统拍下车牌号记录在案，然后再由执法 机构用精度较高的低速称重系统判断超载量并根据超载量 罚款。性能符合ASTME1318-94动态称重标准，传感器长 度方向上的输出一致性小于7%，埋设在路面下永久性安 装时，总重精度在 10%以内，适用于ASTME1318-94 标准I类动态称重系统；临时安装在路面时，总重精度在土 15%以内，适用于ASTME1318-94标准II类动态称重系统。 传感器精度与车辆振动和跳动有关，与轮胎压在传感器上 的面积有关，与温度有关，需要温度补偿。尤其是道路质 量对系统精度影响很大，用在水泥路面较好，寿命长于沥 青路面，用于动态称重的道路质量应符合ASTM（American Society for Testing and Materials 系美国材 料与试验协会的英文缩写）的有关规定。通
