传感器课程设计压电陶瓷
压电传感器设计
小组成员：
压电陶瓷
压电陶瓷：具有压电效应的功能陶瓷。
正压电效应：在没有对称中心的晶体上施加压
力、张力、切向力时，则发生与应力成比例的 介质极化，且在晶体两端出现正、负电荷； 逆压电效应：在晶体上施加电场引起极化时， 产生与电场强度成比例的变形或机械应力。
演示图
实物图
压电陶瓷的结构
电路原理以及Leabharlann 构机械量压电元件电量
电路图
opA604芯片
在自控系统或一些检测系 统中，常应用压 电器件作为传感器，借以实现将非电量变为电号， 这类传感器等效的信号源具有内阻极高且信号很 微弱的特点，因而也必须配接高输入阻抗的放大 电路，而且放大电路还必须具有精确放大微弱信 号的能力。如图给出了高保真运放OPA604构成 的放大电路。该电路采用同相输入方式后可有效 地提高放大器的输入阻抗，为了防止交流干扰， 压电信号采用屏蔽线输入，该电路的电压放大倍 数为：
A V V0 Vi （ 1 R R1 ）
引脚图
opa604主要参数
设计中存在的不足： 电路比较简单，没显示电路 设计过程中有的问题： 成品传感器比较贵，用了压电陶瓷代替； 本来是做压电加速器的，但是用压电陶瓷不好做加速 器就做压电式压力传感器；
《压电陶瓷》课件
03
压电陶瓷的制造工艺
配料与混合
配料
根据生产需要，将各种原材料按 照配方准确称量，确保原材料的 质量和稳定性。
混合
将称量好的原材料进行充分混合 ，确保各种原材料均匀分布，以 提高产品的性能和稳定性。
预烧与成型
预烧
在一定温度和气氛下，将混合好的原 料进行预烧结，以促进原料的初步反 应和烧结。
易于加工和集成
压电陶瓷可以通过陶瓷工艺进 行加工和集成，与其他电子元
件实现一体化，方便应用。
压电陶瓷的应用领域
传感器
利用压电陶瓷的压电效应，可以制作 出各种压力、加速度、振动等物理量 的传感器。
换能器
驱动器
利用压电陶瓷的逆压电效应，可以制 作出各种微小位移、微小角度的驱动 器，用于精密定位、光路控制等领域。
压电陶瓷的工作模式
工作模式定义
工作模式是指压电陶瓷在受到机 械力作用时，如何将机械能转换
为电能的过程。
工作模式分类
压电陶瓷的工作模式可以分为直 接模式和逆模式。直接模式是指 陶瓷在受到压力时产生电压，逆 模式是指陶瓷在受到电压作用时
产生形变。
工作模式的应用
不同的工作模式适用于不同的应 用场景，如直接模式适用于传感 器，逆模式适用于超声波发生器
压电陶瓷广泛应用于传感 器、换能器等领域，如超 声波探头、电子点火器等。
压电陶瓷的极化
极化定义
极化是指压电陶瓷在制造过程中，通过施加高电 压使其内部电偶极矩定向排列的过程。
极化原理
在极化过程中，陶瓷内部的电偶极矩会沿着一定 的方向整齐排列，形成一个宏观的电场。
极化过程
极化过程需要在高温和高压环境下进行，通常需 要数千至上万伏的电压。
压电陶瓷传感器结构
压电陶瓷传感器结构
压电陶瓷传感器是一种利用压电效应测量压力变化的传感器，它的主要结构包括以下几部分：
1. 压电陶瓷片：压电陶瓷片是压电传感器的核心部件，一般采用具有压电性能的陶瓷材料制成。
当外力施加在陶瓷片上时，会产生电荷积聚，从而产生电压信号。
2. 机械支撑结构：为了使压力能够均匀地传递到压电陶瓷片上，传感器通常会采用机械支撑结构来支撑压力加载区域。
这样可以确保传感器对压力的测量更为准确。
3. 金属壳体：为了保护压电陶瓷片以及其他电子元件，压电传感器常常会采用金属壳体作为外壳。
金属壳体还可以提供电磁屏蔽的功能。
4. 电路板：压电传感器还包括一个电路板，用于放置和连接陶瓷片、信号放大器和数据处理电路。
电路板上的元件可以将陶瓷片产生的微小电荷转化为可用的电压信号。
总体来说，压电陶瓷传感器结构简单，但功能强大，可以广泛应用于压力、力、加速度等物理量的测量。
低温共烧压电陶瓷传感器的结构设计和原理
低温共烧压电陶瓷传感器的结构设计和原理以低温共烧压电陶瓷传感器的结构设计和原理为题，本文将详细介绍该传感器的结构设计和工作原理。
一、结构设计低温共烧压电陶瓷传感器是一种常用的传感器，广泛应用于温度测量和控制的领域。
该传感器主要由压电陶瓷材料、导电膜和金属外壳组成。
1. 压电陶瓷材料：压电陶瓷材料是低温共烧压电陶瓷传感器的核心部分。
压电陶瓷材料具有压电效应，即在受到外力作用时会产生电荷。
常用的压电陶瓷材料有PZT（铅锆钛）系列和PMN-PT（铅镁酸铅）系列等。
这些材料具有良好的温度稳定性和压力灵敏性，可实现精确的温度测量和控制。
2. 导电膜：导电膜是将压电陶瓷材料与电路连接的关键部分。
导电膜通常采用金属薄膜制成，如铜薄膜、银薄膜等。
导电膜的主要作用是将压电陶瓷材料产生的电荷传递到外部电路中，实现电信号的输出。
3. 金属外壳：金属外壳是低温共烧压电陶瓷传感器的保护层，具有良好的机械强度和耐高温性能。
金属外壳能有效地保护传感器内部的压电陶瓷材料和导电膜，防止其受到外界环境的影响。
二、工作原理低温共烧压电陶瓷传感器的工作原理基于压电效应。
当传感器受到外力作用时，压电陶瓷材料会发生形变，从而产生电荷。
具体工作原理如下：1. 压电效应：压电陶瓷材料在受到外力作用时，会产生电荷。
这是由于压电陶瓷材料的晶格结构变化引起的。
当外力作用导致晶格结构变形时，材料内部的正负电荷分布也发生改变，从而产生电荷。
2. 电荷传递：产生的电荷通过导电膜传递到外部电路中。
导电膜与压电陶瓷材料紧密贴合，能够有效地传递电荷。
传感器外部的电路会根据接收到的电荷信号进行相应的处理，从而实现温度的测量和控制。
3. 温度测量和控制：低温共烧压电陶瓷传感器的温度测量和控制原理基于压电陶瓷材料的压力灵敏性。
当温度发生变化时，外界环境对传感器施加的压力也会发生相应的变化，从而引起压电陶瓷材料的形变。
通过测量压电陶瓷材料形变产生的电荷，可以间接地获得温度信息。
压电陶瓷传感器的应用研究
压电陶瓷传感器的应用研究压电陶瓷传感器作为一种新型的传感器，已经被广泛应用于诸多领域，如智能家居、工业自控、医疗卫生等。
本文将从压电陶瓷传感器的原理、特点、应用以及发展前景几个方面进行探讨。
一、压电陶瓷传感器的原理压电陶瓷是一种能够将机械能转化为电能的材料，其基本原理是在外力的作用下，晶体内部会产生一定的电场，使得晶体本身呈现两极性。
当加上外加电场时，晶体会发生相应的变形。
反之，当外力作用于晶体时，晶体也会发生相应的电荷分布。
在压电陶瓷传感器中，压电陶瓷作为感受元件，当受到外力作用时，会产生相应的电荷变化，并输出电信号。
该信号可以被数字电路或模拟电路处理，并转化为实际的物理量，如温度、压力等。
二、压电陶瓷传感器的特点1. 高准确性：由于压电陶瓷传感器具有响应速度快、输出稳定、灵敏度高等特点，因此其测量精度和准确性也得到了保证。
2. 可靠性高：压电陶瓷主要由氧化铁细小晶粒组成，且具有高的硬度和抗酸碱性，因此其耐用性和可靠性非常高。
3. 安装简单：压电陶瓷传感器的安装简单方便，不需要过多的外部设备和引线，具有很好的自适应性和自动补偿功能，可以极大地缩小传感器的尺寸。
三、压电陶瓷传感器的应用压电陶瓷传感器目前已经被广泛应用于各个领域，例如：1. 工业自控领域：包括制造业、航空航天、汽车工业等，可以用于实时监测各种物理状态，如压力、温度、流量等。
2. 医疗卫生领域：应用于医疗设备和医疗器械，如心率监控仪、血压计等，可以监测人体各种指标。
3. 智能家居领域：应用于智能家居系统，如烟雾探测器、光感应器、门窗传感器等，可以实现对家庭环境和设备的智能管理和控制。
四、压电陶瓷传感器的发展前景随着现代科技的快速发展，压电陶瓷传感器的应用前景也越来越广阔。
随着人们对传感器测量精度和准确性的要求不断提高，压电陶瓷传感器的研究和应用也将得到更深入的发展。
同时，随着新型材料和新工艺技术的不断出现，压电陶瓷传感器的性能将进一步提高，应用领域也会更加广泛。
压电陶瓷材料的制备及其在传感器中的应用
压电陶瓷材料的制备及其在传感器中的应用随着现代科技的不断发展，传感器技术已经成为了人们生活中的重要组成部分。
而在优秀传感器的制作过程中，非常关键的一步就是材料的选择。
而适用于传感器制作中的一个材料种类，就是压电陶瓷材料。
它具有压电效应，能将外界压力和变形转化成电信号，从而应用于压位传感器、加速度计、声波振荡器等领域。
本篇文章将介绍压电陶瓷材料的制备方法及其应用。
一、压电陶瓷材料的制备压电陶瓷材料的制备方法通常是由粉末冶金技术加工而成。
在此制备过程中，关键因素包括原材料的选择及其成分比例、加工工艺中的温度、压缩程度、均匀性等多个方面。
首先，研磨原材料。
原材料一般包括铅酸钛和亚铁酸锆等材料。
这些原材料通常需要经过粉碎、筛选等处理过程，使其粒子尺寸均匀并符合生产要求。
其次，按照比例混合原材料。
在混合过程中，要保证各种原材料的成分比例正确，以保证制出的陶瓷材料具有一定的压电性能。
混合后的材料需要进行研磨成细粉末。
然后，将混合的材料研磨成细粉末，以提高其成形性。
在研磨过程中，一般需要添加一定量的有机添加剂，以提高粉末流动性，并降低粉末压缩时的剪切力。
接下来，制备陶瓷坯料。
将加工好的材料放入模具中，并进行初步压缩。
接着，以恰当的温度进行烧成处理，以在高温环境下使陶瓷材料不同程度地结晶，获得所需的物理和化学性质。
这个过程中的温度和时间掌握的好坏，对于陶瓷材料的性能有很大的影响。
最后，通过多次加工和磨削等工序，使其外形尺寸精度和表面质量符合要求。
二、压电陶瓷材料在传感器中的应用在制备好陶瓷材料之后，接下来可以考虑将其应用于传感器领域。
压电陶瓷晶体的压电效应及其高灵敏度和耐热性，使得它在传感器领域中具有广泛应用。
我们将介绍陶瓷材料在压力传感器、加速度计等领域的应用。
1. 压力传感器压电陶瓷材料在压力传感器中主要用于测量压力信号。
压力传感器一般由压电陶瓷片组成，其压电特性能够将受力压缩的信号转化为电信号输出。
由于压电陶瓷材料具有高灵敏度和高温稳定性，因此被广泛应用于汽车制造、火箭、飞机等领域。
压电陶瓷的应用实例
压电陶瓷的应用实例压电陶瓷是一种具有压电效应的陶瓷材料，广泛应用于传感器、换能器、马达和声波器件等领域。
它的压电效应表现为在施加机械应力或者电场时产生电荷，比如压电陶瓷在马达中能够将电能转化为机械能，广泛应用于汽车雨刷器、燃油喷射系统和阻尼器件中。
以下将介绍压电陶瓷在压电传感器、声波器件和医疗设备中的应用实例。
一、压电传感器应用实例1.1 压力传感器压电陶瓷作为一种良好的压电材料，可以应用在压力传感器中。
通过将压电陶瓷固定在传感器结构上，当外部施加压力变化时，压电陶瓷将产生相应的电荷信号。
这种压电传感器可以用于测量汽车发动机的油路压力、液压系统的压力、化工设备的压力等。
在工业自动化控制系统中，通过安装压电陶瓷传感器可以实现对压力的准确测量和监控，保障生产设备的安全运行，并且实现智能化的生产管理。
1.2 加速度传感器压电陶瓷还可以用于制作加速度传感器，通过压电陶瓷的压电效应可以实现对加速度的测量。
加速度传感器在汽车安全系统中应用广泛，例如车载气囊系统、车辆稳定控制系统等，通过安装压电陶瓷传感器可以实现对车辆的加速度变化进行实时监测，从而保障车辆和乘车人员的安全。
二、声波器件应用实例2.1 超声波清洗压电陶瓷作为一种能够产生超声波的材料，可以应用于超声波清洗设备中。
通过在超声波清洗设备中引入压电陶瓷换能器件，其在外加电压的作用下将电能转化为超声波能量，从而实现对工件表面的高效清洗。
超声波清洗广泛应用于电子元件、精密零部件、医疗器械、眼镜等领域，通过使用压电陶瓷换能器件可以实现清洗效果更加彻底、清洗时间更短、清洗效率更高的优势。
2.2 超声波医疗器械压电陶瓷还应用于超声波医疗器械中，例如超声波图像设备、超声波治疗仪器等。
通过在超声波医疗器械中使用压电陶瓷换能器件，可以实现对超声波的产生和控制，从而实现对人体组织的成像和治疗。
超声波成像中通过压电陶瓷换能器件产生的超声波可以实现对内部器官的清晰成像，帮助医生进行准确诊断。
压电式传感器教学案
压电式传感器教学案第一篇：压电式传感器教学案压电传感器教学案使用教材：自动检测与传感器的应用（自动检测与转换技术）课题压电传感器（一）——压电效应及压电材料教材分析《自动检测与传感器应用》是建立在对各类传感器原理分析与检测系统设计的基础之上。
以分析传感器敏感机理、研究传感器信号提取与处理方法为主，侧重对典型传感器的认知及其性能的分析，同时注重将新型传感器、新知识、新概念引入课程教学，以拓宽学生视野。
本章节介绍的压电传感器是经典传感器之一，广泛应用于动态测量领域。
本次课主要介绍压电传感器的工作原理及压电材料部分。
学情分析与教学方法设计由于本课程是自动化专业的一门重要的专业技术主干课，具有极强的综合性，属于多学科交叉的学科，学生虽然在前段时间已经学习了三种经典的传感器，但由于先导基础知识不扎实，因而在教学过程中以教师启发讲授分析讲述为主，辅以PPT，适当引导学生，激发学生的学习兴趣与积极性，使学生能熟悉传感器的工作原理及应用等教学目标压电传感器及其特点（明确）压电式传感器的工作原理（掌握）3、常用压电材料及其性能特点（通过学习会选择应用）重点与难点压电式传感器的工作原理、常用压电材料及其性能特点教学准备通过网络来搜集与本节有关的资料，自制PPT电子教学教案、授课提纲（具体教学内容见PPT 《21压电传感器（一）》）总概述：压电传感器特点及应用工作原理：——压电效应正压电效应（顺压电效应）逆压电效应（电致伸缩效应）压电材料压电材料的特性：压电材料的分类压电晶体（单晶体）：石英晶体经过极化处理的压电陶瓷（多晶体）压电半导体材料新型压电材料：有机高分子压电材料压电材料的选择教学过程（学生完成部分）：过程分配教学内容教学方法复习与引入问：学过哪几种传统的传感器？其对应的敏感元件是哪些？答：式传感器、式传感器及式传感器。
问：家里的燃气灶是如何实现点火的？十字路口的车速测量与闯红灯是如何实现的？中国三大鸣沙山：甘肃敦煌“鸣沙山”、内蒙古达拉特奇“响沙湾”、宁夏中卫“沙坡头”学生回答学生思考新课要点压电式传感器：压电式传感器是一种典型的（属于发电型传感器）。
压电陶瓷实验报告
压电陶瓷实验报告
引言
压电陶瓷作为一种重要的功能材料，在电子、声学、光学等领域有着广泛的应用。本次实验旨在研究压电陶瓷的基本性质和应用，并通过实验验证压电效应的存在。
实验一：压电效应的观察
在这个实验中，我们使用了一块压电陶瓷片，并将其固定在一块金属基座上。通过连接电源，我们可以对陶瓷片施加压力。实验中，我们使用了一个示波器来记录压电陶瓷片的振动情况。
实验结果显示，当施加压பைடு நூலகம்时，压电陶瓷片开始振动，并产生电压信号。这就是压电效应的基本原理。压电陶瓷的晶格结构使其能够将机械能转化为电能，从而产生电压。
实验二：压电陶瓷的应用
在这个实验中，我们探索了压电陶瓷在声学领域的应用。我们将压电陶瓷片固定在一个共振腔内，并通过连接电源施加电压。实验结果显示，当施加电压时，压电陶瓷片开始振动，并产生声波。
这种应用被广泛用于传感器和振动马达等设备中。压电陶瓷可以将机械能转化为电能，并产生电压信号，从而实现电子设备的工作。
结论
通过这次实验，我们深入了解了压电陶瓷的基本性质和应用。压电陶瓷作为一种功能材料，在电子、声学、光学等领域有着广泛的应用前景。压电效应的存在使得压电陶瓷能够将机械能转化为电能，并产生电压信号，从而实现各种设备的工作。
这种应用被广泛用于扬声器和超声波传感器等设备中。压电陶瓷的振动频率可以通过施加的电压来调节，从而实现不同频率的声波产生。
实验三：压电陶瓷的应用
在这个实验中，我们研究了压电陶瓷在电子领域的应用。我们将压电陶瓷片固定在一个电路板上，并通过连接电源施加电压。实验结果显示，当施加电压时，压电陶瓷片产生电压信号。
尽管本次实验只是简单地介绍了压电陶瓷的基本原理和应用，但我们相信，通过进一步的研究和实验，我们可以发现更多压电陶瓷的潜在用途，并为各个领域的技术发展做出贡献。
传感器课程设计-基于压电陶瓷制作声控延时小夜灯
题目基于压电陶瓷制作声控延时小夜灯摘要随着电力电子的蓬勃发展和迅速换代促进了压电陶瓷压电式传感器的发展,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。
压电陶瓷声控延时照明夜灯是采用压电陶瓷片作为声控元件，由数字集成电路和晶闸管等组成的控制电路，电路功能说明图(压电陶瓷声控延时小夜灯电路原理图)所示是光控、声控延时照明楼道灯电路。
该灯白天由于光线的照射，始终处于关闭状态，一到晚上，该灯只要收到猝发声响（如脚步、击掌声等），灯就会自动点亮，延时一段时间后又会自行熄灭。
这是一种十分实用的节能照明灯电路，不仅适用于住宅楼的楼道，也同样适用于其他公共照明场所。
关键词：压电式传感器晶闸管目录一、设计目的------------------------------------------------------- 1二、设计任务与要求 ------------------------------------------------- 12.1设计任务----------------------------------------------------- 32.2设计要求----------------------------------------------------- 4三、设计步骤及原理分析 --------------------------------------------- 53.1设计方法---------------------------------------------------- 103.2设计步骤---------------------------------------------------- 113.3设计原理分析------------------------------------------------ 11四、课程设计小结与体会 -------------------------------------------- 12五、参考文献------------------------------------------------------- 13前言当你夜晚走在大街小巷、上厕所等，是否在为找不到开关而绞尽脑汁？是的，在日常生活中我们可以发现很多时候我们需要灯的时候却没有或者不能够实现智能控制，而声控灯的设计就能够满足人们的需求。
压电传感器 教案
3、利用问题导向法和任务驱动法，引导学生思考讨论，同时进行讲解，带领学生实际操作，使枯燥的知识易于理解、掌握。通过实物、课件、实际操作的有机结合，使学生对知识有了更深刻的认识。
情感与
态度
1．让学生在自主解决问题的过程中培养成就感，为今后学会自主学习打下良好的基础。
2．通过小组协作活动，培养学生合作学习的意识、研究探索的精神和严谨的科学态度，从而调动学生的积极性，激发学生对检测技术的兴趣。
教学重点
1、压电传感器的工作原理；2、压电传感器的识别和应用。
教学难点
1、压电传感器的典型应用电路分析；2、压电传感器的应用。
教学方法
1、问题导向和任务驱动教学法；2、演示教学法；3、协作学习法；4、思考讨论学习法。
教学环境及
资源准备
教学做一体化教室、多媒体课件、压电传感器、主控实验箱、实验模块等。
教学过程
任务驱动
教师活动
学生活动
导入新课
压电传感器测量振动实验
一、创设情景，引入新课
1、通过演示振动实验，提出问题，
2、引导学生思考，并引出学习任务。
教学目标
知识与
技能
1．在观察实物及动手实践的基础上，使学生对压电传感器有直观的认识，了解器件结构，掌握器件特性，并能够分析压电传感器的典型应用电路。
2．培养学生独立思考、合作学习、观察、以及归纳总结的能力。
3.培养学生的动手实践能力，实现概念和实物的对接。
过程与
方法
通过实物演示、任务导向、学生讨论、师生交流、动手实践等形式，培养学生观察、分析和总结的能力。
实际动手操作，理解压电传感器测量振动的原理，并进行验证。
压电陶瓷传感器结构
压电陶瓷传感器结构压电陶瓷传感器是一种常见的传感器类型，由压电陶瓷材料制成。
它广泛应用于各种领域，如声波传感、压力测量以及振动监测等。
压电陶瓷传感器的结构复杂而精密，以下将详细介绍其主要结构。
首先，压电陶瓷传感器的核心组件是压电陶瓷片。
该陶瓷片通常采用铅错钛酸钿(PZT)等材料制成，具有压电效应，即在材料被压缩或扩张时，能够产生电荷。
这种电荷可以用来测量外部力的大小或将压力转化为电信号。
其次，压电陶瓷片常常与金属层堆叠在一起，形成压电复合片。
金属层在传感器的结构中起到连接和支撑的作用。
止匕外，金属层还能够传导从压电陶瓷片中产生的电荷，使之能够流动到传感器的接口部分。
在压电陶瓷片和金属层之间，常常有绝缘层进行隔离。
绝缘层的作用是防止金属层与压电陶瓷片之间发生短路现象，并起到保护传感器内部结构的作用。
常见的绝缘材料包括陶瓷薄膜和聚合物等。
另外，传感器中的导电层和导电线起着将电荷导出的作用。
导电层位于压电陶瓷片和绝缘层之间，负责在压电效应产生电荷后，将电荷传递到导电线上。
导电线则将电荷导出到传感器的接口，以便与外部电路进行连接并进行信号传输和处理。
最后，传感器的外壳是为了保护内部结构以及电路的完整性。
外壳通常采用金属或塑料材料制成，具备耐高温、耐腐蚀和机械强度较高的特点。
外壳还能够将压力均匀传递到压电陶瓷片上，以确保传感器的精度和稳定性。
综上所述，压电陶瓷传感器的结构包括压电陶瓷片、金属层、绝缘层、导电层、导电线和外壳等组件。
这些组件相互配合，共同构成了一个功能完备、高效可靠的传感器。
在实际应用中，我们应根据具体需求选择合适的压电陶瓷传感器，并合理使用和维护，以获得更精确的测量结果和更长久的使用寿命。
低温共烧压电陶瓷传感器的结构设计和原理
低温共烧压电陶瓷传感器的结构设计和原理低温共烧压电陶瓷传感器是一种常见的压力传感器，它具有结构简单、灵敏度高、温度稳定性好等优点，广泛应用于工业自动化控制、医疗设备、环境监测等领域。
本文将从结构设计和工作原理两个方面介绍低温共烧压电陶瓷传感器。
一、结构设计低温共烧压电陶瓷传感器主要由压电陶瓷片、电极、导线、外壳等组成。
1. 压电陶瓷片：压电陶瓷片是传感器的核心部件，它具有压电效应，能够将机械压力转变为电信号。
常见的压电陶瓷材料有PZT（铅锆钛酸钠）、PZT-5H和PZT-5A等。
2. 电极：电极是安装在压电陶瓷片上的金属片，用于提供电场。
通常采用银浆涂覆在陶瓷片的两侧，形成正负极。
3. 导线：导线用于将传感器的电信号传输到外部电路。
通常采用铜线或银线，通过焊接或插接与电极连接。
4. 外壳：外壳用于保护传感器内部结构，通常采用不锈钢或塑料材料制成。
外壳的设计要考虑到传感器的尺寸、密封性和耐腐蚀性等要求。
二、工作原理低温共烧压电陶瓷传感器的工作原理是基于压电效应。
当外界施加压力或力量作用在压电陶瓷片上时，陶瓷片会发生形变，产生电荷。
这是因为压电陶瓷材料在受力作用下会发生极化，使得正负电荷分布不均匀，产生极化电荷。
具体来说，当外界施加压力使压电陶瓷片发生形变时，陶瓷片内部的正负电荷会发生位移，导致表面出现电荷分布不均匀的情况。
这个不均匀的电荷分布会引起电场的变化，从而产生电压信号。
传感器的电极会收集这个电压信号，并通过导线传输到外部电路进行放大、处理和判断。
通过测量电压信号的大小，就可以得知施加在传感器上的压力或力量的大小。
需要注意的是，低温共烧压电陶瓷传感器的工作温度通常在-40℃至+125℃之间，因此在设计和选择材料时要考虑到其温度稳定性和耐热性能。
低温共烧压电陶瓷传感器的结构设计和工作原理是基于压电效应，通过压电陶瓷片的形变产生电荷分布不均匀，从而产生电压信号。
这种传感器结构简单、灵敏度高，广泛应用于各个领域。
Tonpilz型压电陶瓷超声传感器的设计
传感器与微系统(Transducer and Microsystem Technologies) 2008年第27卷第5期Tonpilz型压电陶瓷超声传感器的设计滕 舵,陈 航,朱 宁,杨 虎,诸国磊(西北工业大学航海学院,陕西西安710072)摘 要:超声传感器是一种电声转换器件,其敏感元件压电陶瓷控制传感器的主要性能。
设计了一种谐振频率为140k Hz的Tonpilz型压电陶瓷超声传感器,从压电方程入手,建立了不同的理论模型,对等效网络法和有限元法2种不同的设计方法进行了比较。
相应的试验表明:有限元法的分析结果直观明了、建模快捷、分析准确,其误差可控制在5%以内。
设计研制的Tonpilz型传感器工艺简单、造价低廉、性能稳定。
关键词:传感器;压电陶瓷;超声;等效网络;有限元中图分类号:TB565 文献标识码:A 文章编号:1000-9787(2008)05-0084-03Design of Tonpilz type piezoelectric ceramicultrasonic transducerTEN G Duo,CH EN Hang,ZHU Ning,YAN G Hu,ZHU Guo2lei(College of Marine,N orthw estern Polytechnical U niversity,Xi’an710072,China)Abstract:The ultrasonic transducer is an electroacoustic device.Its performance is determined mainly bythe properties of its sensitive element,namely piezoelectric ceramics.A140k Hz Tonpilz piezoelectricceramic ultrasonic transducer is investigated.Derived f rom the piezoelectric constitutive equation,theequivalent circuit model and finite element model are constructed respectively.The difference between abovetwo models is described.A comparison shows that the method of FEA has a good accuracy,and its analysiserror can be controlled within5%.So FEA is suitable for such type piezoelectric transducer.Sometransducer prototypes are made according to the design result.The corresponding test shows a goodperformance.K ey w ords:transducer;piezoelectric ceramic;ultrasonic;equivalent network;finite element0 引 言压电陶瓷超声传感器是一种可以综合利用压电陶瓷正向和反向压电效应实现电声能量相互转换的器件,其在超声医疗、无损探伤、石油探井以及海洋军事等方面均有重要应用[1]。
压电陶瓷传感器
压电陶瓷传感器
通过控制它的成分和烧结条件等手段，陶瓷的微观结构比较容易调节。
微观结构对陶瓷的所有特性都有重大影响，包括它们的电学、磁性、光学、热学和机械性能。
由于陶瓷材料的耐高温和抗恶劣环境影响能力很强，所以常常将它们用于高温环境下的处理过程。
陶瓷主要是由价格便宜的材料制备而成的，这就是说用它生产的传感器价格也将比较低廉。
1.压电陶瓷传感器工作原理
有自发极化的晶体，通常其表面俘获大气中的电荷而保持电平衡状态。
当温度变化时，处于电平衡状态的晶体，其内部的自发极化发射随温度变化相应地变化。
因为晶体表面电荷的变化跟不上晶体内部自发极化的变化，故可在晶体表面观测到电荷。
若在热释电体的两侧安装电极，并在两电极间接上负载，则因温度变化而释放的表面电荷将通过负载形成热电流。
2.压电陶瓷传感器的特点
能充分吸收人射的红外线。
为了使吸收的单位热能对应大的温度上升幅度，热释电材料体积比热应小，且便于加工成微型或薄膜化元件。
与温度变化相对应的表面电荷变化应大，即热释电系数=dPr/dT 大。
室温的Pr（剩余极化）大，（居里温度）适当高时，λ 变大。
当Tc低，λ 大时，T c低使工作温度受到限制，且的温度变化率大。
与表面电荷变化相应的电容应小，使之能产生大的电压。
3.压电陶瓷传感器应用
压电材料有单晶和多晶两种。
前者以石英晶体为代表，其特点是温度稳定性和老化性能好，且Q值极高；后者以钛锆酸铅压电陶瓷为代表，其特点是容易制作，性能可调，便于批量生产。
压电材料已广泛用于力敏、声敏、热敏、光敏、湿敏和气敏等传感器。
压电陶瓷超声波传感器的工作原理及结构特征
压电陶瓷超声波传感器的工作原理及结构特征
超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器，由于其工作可靠、安装方便、防水型、发射夹角较小、灵敏度高等特点，广泛应用在物位液位监测，机器人防撞，各种超声波接近开关，以及防盗报警等相关领域。
众所周知，压电陶瓷是制作超声波传感器探头的常用材料。
下面就了解一下压电陶瓷超声波传感器的工作原理及结构特征。
当电压作用于压电陶瓷时，压电陶瓷就会随电压和频率的变化产生机械变形。
另一方面，当振动压电陶瓷时，则会产生一个电荷。
利用这一原理，当给由两片压电陶瓷或一片压电陶瓷和一个金属片构成的振动器，所谓叫双压电晶片元件，施加一个电信号时，就会因弯曲振动发射出超声波。
相反，当向双压电晶片元件施加超声振动时，就会产生一个电信号。
基于以上作用，便可以将压电陶瓷用作超声波传感器。
将超声波传感器的一个复合式振动器被灵活地固定在底座上。
该复合式振动器是谐振器以及由一个金属片和一个压电陶瓷片组成的双压电晶片元件振动器的一个结合体。
谐振器呈喇叭形，目的是能有效地辐射由于振动而产生的超声波，并且可以有效地使超声波聚集在振动器的中央部位。
压电陶瓷超声波传感器使用有一点需要注意的是，在高频率探测中，必须使用垂直厚度振动模式的压电陶瓷。
在这种情况下，压电陶瓷的声阻抗与空气的匹配就变得十分重要。
因为压电陶瓷的声阻抗是空气声阻抗的105，这就会导致在压电陶瓷振动辐射表面上的大量损失，这时就需要将一种特殊材料粘附在压电陶瓷超声波传感器上，作为声匹配层，可实现与空气的声阻抗相匹配，这样才能达到测量的目的。
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东北石油大学课程设计2015年7 月8日任务书课程传感器课程设计题目压电陶瓷传感器应用电路设计专业测控技术与仪器姓名王辰学号120601240217主要内容：本课题针对生活安全性能要求日益提高以及新型材料的日益发展设计应用压电陶瓷传感器的原理制成的声传感器，并以此为基础组合成声控报警器件，分析传感器原理及相应辅助电路原理，计算有关参数，并加以总结。
设计内容包括压电陶瓷的原理，压电陶瓷制成声传感器的方式以及进一步对声控报警器的组合。
通过声控报警器可以使个人防盗不仅局限于楼道车库等场所，更趋向于精密化来减小体积使其适用于更有针对性的地方。
基本要求：1．掌握传感器的工作原理及相应辅助电路的设计方法；2．独立设计原理图及相应硬件电路；3．设计格式规范、层次合理、重点突出、并有详细的原理图。
主要参考资料：[1] 谢嘉奎，电子线路[M].北京：高等教育出版社，199 7.10[2]刘润华,刘立山.模拟电子技术[M].山东:石油大学出版社，2003.6[3]阎石.数字电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，1999.7[4] 方大千.实用电子制作精选[M].科学技术文献出版社，2003.1完成期限2015.7.4—2015.7.8指导教师专业负责人2015年7 月1 日摘要压电陶瓷是一种具有压电效应的多晶体，由于它的生产工艺与陶瓷的生产工艺相似因而得名。
压电陶瓷传感器是以压电陶瓷的压电效应为基础，在外力作用下，在其表面上产生电荷，从而实现非电量测量。
压电陶瓷传感器的特点是具有：转换性能、机械性能、电性能、环境适应性和时间稳定性，由于它的压电性以及由此引起的机电性能的多样性获得了广泛应用。
一般可将这些应用分成两大类，即作为压电振子使用和作为换能器使用。
作为压电振子使用时要求压电陶瓷材料有好的频率温度稳定性及较高的机械品质因数（表示振动转换时材料内部能量消耗的程度）；作为换能器使用时要求有较高的机械藕合系数等于机械转变为电能/输入机械能，或电能转变为机械能/输入电能)和较大的相对介电常数，本文将介绍几种压电陶瓷传感器的应用。
关键词：压电陶瓷传感器；声控报警；电子打火；压电变压器目录一、设计要求 (1)1、功能与用途 (1)2、课题研究的意义 (1)3、国内外发展现状 (1)二、设计方案及其特点 (1)1、方案说明 (1)2、方案论证 (2)三、传感器工作原理 (3)四、电路的工作原理 (3)五、单元电路设计、参数计算和器件选择 (4)1、单元电路设计 (4)2、参数计算 (9)3、器件选择 (9)六、总结 (10)参考文献 (12)声控报警器电路设计一、设计要求1、功能与用途声控报警器通过利用压电陶瓷的压电特性，可以将声音即机械波转换为电信号，进而可以声控报警。
声控报警器多应用于住宅、商业区、工业区、以及一些私人场所的防盗。
2、课题研究的意义近年来,电子电器飞速发展，人民生活水平提高，各种高级家电产品和贵重物愈来愈多，那么防盗就成了不可或缺的一不要分，而报警器就可以帮人们解决这一问题。
现市场上大部分报警器价格昂贵，人们难以接受。
若设计一种廉价、性能灵敏可靠的防盗报警器，必将在防盗和保证财产安全方面发挥更加有效的作用。
由于声控报警器体积小，灵敏度高，具有很强的隐蔽性，因此在防盗、警戒等安保装置中得到了广泛应用。
另外价格低廉，性能稳定受到人们的青睐。
在现实生活中，传统的声控报警器有着诸多的缺点，而且造价昂贵，无法做到在生活中通用，本文通过研究以压电陶瓷为核心而制成的声控报警器来改进现有技术，减少使用者所需要的费用，并且使声控报警器更加耐用，灵敏度得到提升，更加平民化，使其应用于更多适用场合。
3、国内外发展现状国内发展较为迅速但是仍然不成熟，目前应用于商业区、工业区的场合较多，私人场合也有部分应用，以国内现有技术的基础上正在向减少成本，提高性能的方向上发展；国外发展趋于成熟，几乎在每个人家中都配有声控报警器并建立有一系列的报警网络，所以国外的主要研究方向为提高声控报警器的灵敏度、性能等方面，在“精”的方面上做工作。
二、设计方案及其特点1、方案说明对于声控报警器的设计可分为下面三种不同的设计方案：方案1：采用压电陶瓷片采集声音信号，采用LM324放大经过反向后输出，输出信号触发单稳态触发器和多谐振荡器工作，触发报警电路；方案2：采用压电陶瓷片采集声音信号，经三极管C9013反向放大后触发一个NE555芯片构成单稳态触发器，驱动蜂鸣器和发光二极管工作，发光二极管和蜂鸣器两端用稳压管使电压稳定；方案3: 在方案1的基础上增加多谐振荡器，再输出到报警部分两端，驱动其工作，仍然采用稳压管使其稳压，稳压管的稳压值不能高于5V，否则就不起作用，电路增加元件；系统框图：图1 方案原理框图2、方案论证方案1：采用压电陶瓷片采集声音信号，采用LM324放大经过反向后输出，输出信号触发单稳态触发器和多谐振荡器工作，触发报警电路，但是使输出反向比较麻烦且元件利用率不高，LM324只利用了其中一部分，并且触发信号没必要太大，不予采用；方案2：采用压电陶瓷片采集声音信号，经三极管C9013反向放大后触发一个NE555芯片构成单稳态触发器，驱动蜂鸣器和发光二极管工作，发光二极管和蜂鸣器两端用稳压管使电压稳定，但是单稳态触发器是低电平触发，时间比较短暂，报警不明显，不易觉察，但是可以通过加入放大元件来改善，予以采用。
方案3: 在方案1的基础上增加多谐振荡器，再输出到报警部分两端，驱动其工作，仍然采用稳压管使其稳压，稳压管的稳压值不能高于5V，否则就不起作用，电路增加元件，使得电路变得复杂，经费增多，不予采用。
三、传感器工作原理压电陶瓷传感器采用特殊材料制成。
某些晶体受一定方向外力作用而发生机械变形时，相应地在一定的晶体表面产生符号相反的电荷（即产生电位差），外力去掉后，电荷消失。
力的方向改变时，电荷的符号也随之改变，这种现象称压电效应（正压电效应）。
反之当晶体带电或处于电场中，则产生机械应力，这种现象称逆压电效应。
具有压电效应的材料称压电元件或压电材料。
压电材料分为两类：其中一类是单晶压材料（如石英晶体）；另一类是极化的多晶压电陶瓷（如钛酸钡、锆钛酸钡等）。
压电陶瓷是人造多晶体，材料内的经历有许多自发极化电畴。
在极化处理之前，各晶粒内电畴任意方向排列，自发极化的作用相互抵消，陶瓷内极化强度为零。
在陶瓷上施加外电场时，电畴自极化方向转至与外电场方向一致，此时拥有一定的极化强度。
当外电场撤出后，各电畴的自发极化方向在一定程度上按原外加电场方向取向，陶瓷极化强度并不立即恢复到零，此时存在剩余极化强度。
同时陶瓷两端出现束缚电荷，一端为正一端为负，由于束缚电荷的作用，两段很快吸附一层外界的自由电子这时束缚电荷与自由电荷数值相等极性相反因此陶瓷片对外不显极性。
如果在压电陶瓷上加上一个与极化方向平行的外力，陶瓷片产生压缩变形，片内自由电荷之间距离减小，电畴发生偏转，极化强度变小，因此吸附在表面的自由电子有一部分被释放呈现放电现象。
当外力撤销时，陶瓷片恢复原状，极化强度增大，又吸附一部分自由电荷，呈现充电现象。
q=d F (1)33四、电路的工作原理本设计利用压电陶瓷片作为声传感器获得电压，经三极管9013反向放大后触发由NE555集成芯片构成的单稳态触发器和多谐振荡器,输出电压驱动蜂鸣器和发光二极管工作。
图2 总原理电路图五、单元电路设计、参数计算和器件选择1、单元电路设计（1）声音采集放大图3 压电陶瓷片的振动方式压电蜂鸣片由压电陶瓷片和金属振动板粘粘而成，由振荡电路激励，通过压电效应，采集声音信号并将其转换为电信号，其振动方式如图3；这部分电路比较简单，由压电陶瓷片采集声音，使其转换为电信号，经过三极管共射反向放大后触发由555构成的单稳态时基电路。
放大倍数只要够大就能够触发后面电路工作。
（2）时钟信号产生电路① NE555NE555时基集成芯片的电路结构和芯片引脚图如图4所示。
他含有两个电压比较器C1、C2，一个基本RS 触发器，一个放电开关管Td ，比较器的参考电压由三只5K 的电阻构成的分压器提供。
图4 NE555内部结构图图5 NE555内部引脚图分压器分别使高电平比较器C1的同相输入端和低电平比较器C2的反相输入端的参考电平为2Vcc/3和Vcc/3。
C1、C2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。
当输入信号从6脚输入并超过参考电平2Vcc/3时，触发器复位，555的输出3脚为低电平，同时放电开关管导通。
当输入信号从2脚输入并低于Vcc/3时，基本RS触发器置位，555的输出V o为高电平，同时放电开关管截止。
4脚是复位脚，当为低电平时，555输出低电平。
平时4脚开路或接Vcc。
5脚是外加控制电压输入端，当5脚外接一个输入电压时，则改变比较器的参考电压，不接外加电压时，5脚通常接一个0.01uF的电容到地，用来消除外来的干扰，以确保参考电平稳定。
Td是放电管，当Td导通时，为放电端7脚提供低阻抗放电通路。
555定时器主要通过电阻R和电容C构成充放电电路，并由两个比较器来检测电容上的电压，以确定输出电平的高低和放电开关管的通断。
利用它可以构成从微秒到数十分钟的延时电路、单稳态触发电路、多谐振荡器、施密特触发器等脉冲产生或波形变换电路。
②由NE555构成的单稳态触发器电路由NE555构成的单稳态触发器如图6所示，将555定时器的2号脚作为外触发信号的输入端，将THR输入端与放电三极管TD的放电端DISC连在一起，并接在RC回路中的VC端。
单稳态触发器的外触发信号的有效电平为低电平，如果没有触发信号，V1处于高电平。
这时，放点三极管导通VC约为0使得VC1=1、VC2=1,基本RS触发器处于保持状态，Q=0,VO=0,这是单稳态触发器的稳态。
图6 由NE555构成的单稳态触发器电路图7 由NE555构成的单稳态触发器工作波形图在输入脉冲下降沿的触发下，V12跳变到VCC/3以下，RS被置1，输出为高电平，电路进入暂稳态，TD截止，VCC开始经过RA对电容充电。
当VC电压上升到VC>2VCC/3时，如果此时输入的触发已消失，V1回到高电平，则RS触发器将被置0，输出返回V0=0状态。
同时TD变为导通状态，电容CA通过TD迅速放电，直到VC约等于0，电路自动恢复到稳态。
在输入触发信号作用下，VC和VO相应的电压波形如图7所示。
③由NE555构成的多谐振荡电路图8 由NE555构成的多谐振荡器用555定时器构成的多谐振荡器电路如图8所示。
R由RA和RB两只电阻组成，两个电阻的中点接到放电三级管Td的放电端7脚。
比较器电压由电源Vcc经三个电阻分压形成。
外接控制电压输入端未用，经0.01uF电容接地，以防干扰。