传感与检测讲稿

压电传感器应用定义原理简介压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。

压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。

它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。

压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。

压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。

也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。

它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。

压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电传感器的应用就非常广。

我们知道，晶体是各向异性的，非晶体是各向同性的。

某些晶体介质，当沿着一定方向受到机械力作用发生变形时，就产生了极化效应；当机械力撤掉之后，又会重新回到不带电的状态，也就是受到压力的时候，某些晶体可能产生出电的效应，这就是所谓的极化效应。

科学家就是根据这个效应研制出了压力传感器。

压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。

其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温就是所谓的“居里点”）。

由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。

而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。

磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。

压阻传感器除了压电传感器之外，还有利用压阻效应制造出来的压阻传感器，利用应变效应的应变式传感器等，这些不同的压力传感器利用不同的效应和不同的材料，在不同的场合能够发挥它们独特的用途。

半导体压电阻半导体压电阻抗扩散压力传感器是在薄片表面形成半导体变形压力，通过外力（压力）使薄片变形而产生压电阻抗效果，从而使阻抗的变化转换成电信号。

静电容量型压力传感器静电容量型压力传感器，是将玻璃的固定极和硅的可动极相对而形成电容，将通过外力（压力）使可动极变形所产生的静电容量的变化转换成电气信号。

（E8Y的动作原理便是静电容量方式，其他机种采用半导体方式）。

温度传感器压力传感器性能参数压力传感器的种类繁多，其性能也有较大的差异，如何选择较为适用的传感器，做到经济、合理。

1. 额定压力范围额定压力范围是满足标准规定值的压力范围。

也就是在最高和最低温度之间，传感器输出符合规定工作特性的压力范围。

在实际应用时传感器所测压力在该范围之内。

2. 最大压力范围最大压力范围是指传感器能长时间承受的最大压力，且不引起输出特性永久性改变。

特别是半导体压力传感器，为提高线性和温度特性，一般都大幅度减小额定压力范围。

因此，即使在额定压力以上连续使用也不会被损坏。

一般最大压力是额定压力最高值的2－3倍。

3. 损坏压力损坏压力是指能够加工在传感器上且不使传感器元件或传感器外壳损坏的最大压力。

4. 线性度线性度是指在工作压力范围内，传感器输出与压力之间直线关系的最大偏离。

5.压力迟滞为在室温下及工作压力范围内，从最小工作压力和最大工作压力趋近某一压力时，传感器输出之差。

6.温度范围压力传感器的温度范围分为补偿温度范围和工作温度范围。

补偿温度范围是由于施加了温度补偿，精度进入额定范围内的温度范围。

工作温度范围是保证压力传感器能正常工作的温度范围。

选择原则代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。

当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。

测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。

1、根据测量对象与测量环境确定传感器的类型要进行—个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。

因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。

在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。

2、灵敏度的选择通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。

因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。

但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。

因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量减少从外界引入的厂扰信号。

传感器的灵敏度是有方向性的。

当被测量是单向量，而且对其方向性要求较高，则应选择其它方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。

3、频率响应特性传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有—定延迟，希望延迟时间越短越好。

传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低。

在动态测量中，应根据信号的特点(稳态、瞬态、随机等)响应特性，以免产生过火的误差。

4、线性范围传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。

以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。

传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。

在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。

但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。

当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。

5、稳定性传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。

影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。

因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。

在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。

传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后，在使用前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。

在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合，所选用的传感器稳定性要求更严格，要能够经受住长时间的考验。

6、精度精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。

传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。

这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。

如果测量目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。

对某些特殊使用场合，无法选到合适的传感器，则需自行设计制造传感器。

自制传感器的性能应满足使用要求。

发展未来压力检测技术在过去几年因自动化技术市场需求而保持着良好势头。

然而，目前的经济衰退对市场有着负面的影响。

PAM系统以及无线应用技术提出的要求，使得智能化压力变送器的应用有所增加。

自2004年开始多变量的压力变送器销售翻了一番。

智能电网中广泛应用高隔离度的电压、电流、功率等传感器，因为只有感知这些基本信息，电网才有可能进行智能控制。

但目前这些传感器均是采用霍尔敏感头+处理电路+外壳+接插件的传统方式，未能集成化，体积大，生产调试校准工作量大，成本高。

发展瓶颈目前，我国压力传感器市场发展过程中主要受到技术方面及行业内企业能力两大方面因素制约了我国该产业的快速发展的进程。

首先，在技术方面，我国压力传感器所存的技术不足体现在以下几个方面：(1)产品的可靠性较差对基础技术和制造工艺的研究不够，一些影响可靠性的关键技术，如精密加工技术、密封技术、焊接技术等至今还没有得到很好了解，这是导致产品，特别是高档产品的性能不够稳定和可靠的主要原因。

现有国内高档产品的可靠性指标与国外产品相比，大致要相差1-2个数量级。

(2)产品的性能和功能落后，现有国内产品在测量精度上要与外国产品相差1个数量级。

在功能上，目前外国产品的智能化程度已相当高。

它们通过对原始信息的数字处理，更好地排除了外部干扰对信息的影响，从而提高了产品的耐环境性和测量真实性。

而国内现有产品的智能化程度还较低。

另外，产品的网络化在国外已经进入实用阶段，而我国基本上还处在起步阶段。

(3)产品技术更新周期慢，目前国外产品的更新周期大约在2-3年。

新技术的储备往往可以提前到十年。

而我国企业往往通过引进外国技术来实现一代产品的更新，引进后又不能很好地消化吸收，在新产品开发方面原创性成果很少。

一些采用新原理的产品，在我国还处于空白状态。

科研院所在跟踪新技术方面虽然有成果，但与企业结合产品化相当艰难。

(4)缺乏针对使用而开发的专用解决方案。

国外近年的压力传感器的发展趋势是开发与其相关或其应用对象紧密结合的软件产品，并最终向用户提供个性化的解决方案，我国企业在这方面尚未形成产业。

其次，在企业综合实力方面，我国行业内企业存在以下几个方面不足之处：(1)行业规模小，我国的压力传感器行业的总产值较低。

目前，我国压力传感器产业内企业绝大多数是中小企业，行业内缺乏综合实力强的“旗舰”企业。

国内企业的单项产品市场运作力较强，但缺乏综合实力;同时，在人力、财力上都能在市场上与外国跨国集团抗衡。

因此，在市场竞争方面处于弱势。

(2)企业劳动生产率低，由于压力传感器产业属于高科技产业，低劳动力本的作用并不明显。

另外，国内企业管理水平普遍低于国际企业。

因此，生产高技术含量产品的企业，其企业劳动生产率远低于外国企业。

(3)企业技术开发投入普遍不足，由于我国压力传感器产业内企业几乎全部是中、小型企业，人力、财力方面都不能支持足够的、长期的技术创新投入。

因此，在产品研发投入上略显不足。

目前，就全球压力传感器产业范围来看，平均产品研发投入占销售额的10%，而我国仅占3%。

压力传感器发展瓶颈。