压电式微压力传感器

天津工业大学理学院传感器课程设计设计题目：压电式微压力传感器的设计设计者(学号)：AAA(07……)AAA(07……)AAA(07……)联系方式：E-MAILTEL200 年月日目录一、序言二、方案设计及论证三、设计图纸四、总结心得或体会五、主要参考文献一、序言1.压电式传感器简介压电式传感器是一种典型的自发电式传感器。

它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，压电晶体是机电转化元件，从而实现非电量的电测量。

近年来，由于电子技术的飞速发展，随着与之配套的二次仪表以及低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现，使压电传感器的使用更为方便。

因此，在通讯、超声、雷达、宇航、雷达等许多技术领域中，压电式传感器都获得了广泛的应用。

压电传感元件是力敏元件，它能测量最终能变换为力的那些物理量，典型的有如下几种：（1）力测量：压电式力传感器主要利用石英晶体的纵向和剪切的压电效应，因为石英晶体刚度大、滞后小，热释电效应小等优点，力传感器除可测单向作用力外还可利用不同切割方向的多片晶体，依靠其不同的压电效应测量多方向力，如空间作用力3个方向的分力Fx 、Fy、Fz。

（2）压力测量：压电式压力传感器主要利用弹性元件（膜片、活塞等）收集压力变成作用于晶体片上的力，因为弹性元件所用材料的性能对传感器的特性有很大影响。

（3）加速度测量：压电式加速度传感器是利用质量块m，由预紧力压在晶体片上，当质量块受被测加速度a作用时，晶体片处会受到惯性力F=ma，由此产生压电效应，因此质量块的质量决定了传感器的灵敏度，也影响着传感器的高频响应。

压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、质量轻、功耗小、寿命长，特别是它具有良好的动态特性，因此适合有很宽频带的周期作用力和高速变化的冲击力。

2.压电式压力传感器的发展现状采用压电原理进行压力检测的常用的传感器有压电爆震传感器、振梁式压电压力传感器、检测切削状态的压电压力传感器、振筒式压电压力传感器、音叉式压电压力传感器等。

分析现行压电式压力传感器可看出，目前的传感器主要为中、大量程，高精度传感器，成本高，价格昂贵，而小量程，低成本，中低精度的压电压力传感器较少，而这类传感器又有广泛用途，如脉搏、各种微小动态力检测，因此我们选择压电微压力传感器为研究对象，目的在于设计一种小量程、低成本、高灵敏度的测量动态微小压力的传感器，可满足市场对中低精度、小体积、低成本的微压传感器的需求。

压电式微压传感器适应了市场的需求。

这种传感器广泛用于工业控制中的振动和加速度信号检测，医疗保健中的心音，检测脉博，管壁油压波动，振动加速度，各种振动、冲击、碰撞报警，以及其他动态压力检测。

二、方案设计及论证1.压电式压力传感器的工作原理压电微压传感器属于压电式压力传感器。

最简单的压电式传感器的工作原理如图1所示。

在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，构成两个电极。

当压电晶片受到压力F的作用时，分别在两个极板上积聚数量相等而极性相反的电荷，形成电场。

因此，压电传感器可以看作是一个电荷发生器，也可以看成是一个电容器。

图1 压电式传感器的工作原理如果施加于压电晶片的外力不变，积聚在极板上的电荷又无泄漏，那么在外力继续作用时，电荷量将保持不变。

这时在极板上积聚的电荷与力的关系为q=DF （1）式中：q——为电荷量；F——为作用力(N)；D——为压电常数(C/N)，与材质及切片的方向有关。

上式表明，电荷量与作用力成正比。

当然，在作用力终止时，电荷就随之消失。

显然，若要测得力值F，主要问题是如何测得电荷值。

值得注意的是，利用压电式传感器测量静态或准静态量值时，必须采取一定的措施，使电荷从压电晶片上经测量电路的漏失减小到足够小程度。

而在动态力作用下，电荷可以得到不断补充，可以供给测量电路一定的电流，故压电传感器适宜作动态测量。

2.传感器的结构压电式微压传感器结构包括:传感器的外壳，塑料支架，弹性垫圈，敏感元件的信号引线，放大器，电路盖板，如图2所示（见图纸）。

敏感元件由压电陶瓷单晶片粘贴在直径较大的金属衬片上构成。

金属衬片既作为压电陶瓷单晶片的背衬，又作为敏感元件的接地极。

敏感元件的信号输出极，通过压电陶瓷单晶片表面焊接导线接至放大器的输入端。

金属衬片边缘通过塑料支架封压在金属外壳的底部，金属外壳底端开孔，使敏感面外露，直接接触压力信号，同时外壳与内置放大器的地线连通，形成一屏蔽回路，将整个传感器包封在屏蔽腔内，可有效地敏感微小压力，去除一干扰信号。

作为敏感元件的压电陶瓷单晶片表面被有金属电极，电极引线细而软，并包覆绝缘层，压电陶瓷单晶片表面处于自由状态，有利于压电陶瓷单晶片产生自由弯曲振动，从而提高敏感元件的灵敏度。

传感器内的放大器为一高输入、低输出阻抗的电荷放大器，它不仅将压电陶瓷单晶片表面产生的电荷放大并转换成电压输出，而且提高了传感器携带负载的能力。

图2中的放大器应使用高输入低输出阻抗的电荷放大器和场效应放大器，此压电微压传感器选用J型场效应放大器。

图2中传感器的金属外壳为一底端开孔的圆桶结构，孔径小于金属衬片的压电微压传感器的设计与制作直径0.5mm~1.5mm，外壳采用软性金属如铝或铜制作，以防在加工和压边中断裂，壳壁厚0.3mm~lmm。

压电微压传感器属于压电式压力传感器。

3.敏感元件敏感元件如图3所示(见图纸)，压电陶瓷单晶片4粘贴在金属衬片3上，衬片应选取软性金属如铜、铝等金属或金属合金制作，以便在压力作用下产生较大形变。

压电陶瓷单晶片表面被有电极，其上接有细软的引线6，压电陶瓷单晶片表面处于自由状态，以充分实现自由弯曲振动，引线接至放大器的输入端，压力作用到金属衬片上，衬片带动压电陶瓷片变形，产生形变，继而产生电荷，再经放大器放大，并转换成电压信号输出。

此压电微压传感器中金属衬片为铜片，厚度0.1mm~0.3mm，压电陶瓷单晶片用压电陶瓷PZ-T5制作，厚50μm~0.2mm。

敏感元件压电陶瓷单晶片的直径应小于金属衬片，衬片留有封装边缘。

敏感元件由塑料支架，垫圈、电路盖板，通过卷压外壳上边缘封装在外壳底部，金属衬片作为敏感元件的接地极与外壳连通，同时外壳接至放大器的接地脚7b，形成一屏蔽回路，将整个传感器封装在屏蔽腔中，可有效的提取微小信号，去除其他干扰。

塑料支架为一圆桶结构，如图4所示(见图纸)，桶底开有两个小孔2a 及2b，分别与盖板的过孔8a、8b对应。

盖板上的布线图如图5所示(见图纸)，斜线部分布有导电层。

放大器的输出管脚7a通过塑料支架底面孔2a 和盖板的过孔8a引出，接地管脚7b通过2b和8b引出，两引出脚分别焊接到盖板的过孔上。

外壳上边缘卷压盖板外缘导电层，使放大器的地端与外壳连通，形成一屏蔽回路。

4.传感器工作电路由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通常应把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗交换以后，方可用一般的放大检波电路再将信号输入到指示仪表或记录器中(其中测量电路的关键在于高阻抗输入的前置放大器) 。

前置放大器的作用有两点：其一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；其二是放大传感器输出的微弱电信号。

传感器的工作电路如图6所示(见图纸)。

其中场效应管的输入阻抗大于200MΩ，输出阻抗小于100Ω，频率范围2Hz~20Hz，电源电压3~15VDC，电阻R为可调电阻，调节范围：2kΩ~15kΩ，传感器输出端接有隔直电容，以剔除直流信号。

调节电阻R可调节输出灵敏度。

压电元件的容抗很高造成电缆的分布电容和噪声信号干扰较大，影响输出特性。

因此设计引入了前置放大器来进行高阻抗向低阻抗的转换。

传感器的电路如图6所示。

前置放大器主要由J型场效应管和二极管组成。

二极管抑制了场效应管输入端的反向电流，对场效应管起保护作用。

在图6中，E表示电源电压，R表示与场效应管连接的负载电阻。

传感器的输入电压几乎与电缆的分布电容无关，因此能减轻外部干扰的影响。

输出电压能通过改变电阻R的阻值来调整。

5. 压力测量误差分析压力的测量误差因素有以下几方面:(1) 压力传感器引起的误差压力传感器的安装好坏直接影响测量精度,故应按要求使用密封圈、隔热帽和保护罩。

在压力超过350 MPa时, 不使用密封圈、隔热帽和保护罩会带来5%左右的误差。

另外, 当测量孔深度过长(大于5 mm) 时, 测量孔本身会成为低通滤波器, 从而导致测量曲线失真。

(2) 传输线引起的误差由于压电传感器输出的是电荷, 如果传输电缆绝缘电阻低或过长, 都会造成电荷泄漏, 影响测量结果。

如使用1 m长的低噪声电缆作为传输线, 其绝缘电阻大于1012 Ω, 可最大限度地减小由传输线引起的误差。

(3) 热干扰产生的误差在温度升高时, 而压电晶体又具有热电效应, 这会使热电效应产生的电荷与压电效应产生的电荷混叠在一起, 从而导致测量结果失真。

因此, 在压电式压力传感器前端应安装隔热帽和保护罩, 以减小热电效应引起的误差。

6. 测压系统的标定进行测压系统的标定可以有效减少测量误差。

整个测压系统标定可通过压力传感器标定和压力测试通路标定两个步骤进行。

压力传感器的标定分为静态标定和动态标定两种, 具体可依据其使用场合来确定。

本文的压力传感器标定采用静态标定方法。

静态标定就是标准的和被标定的压力传感器都固定不动, 同时进行测定某个瞬变压力峰值, 以此来确定被测压力传感器的灵敏度。

因此, 静态标定可在一定程度上减少压力测量的动态误差。

压力测试通路标定是用标准的电荷校准仪代替压力传感器, 来对整个压力测试通路进行标定, 从而得到测试通路的相对误差, 以减小由测试通路带来的影响。

三、设计图纸(机械图用cad绘制,电路图用protel绘制)图6 压电压力传感器工作电路图图7场效应管电路图四、总结心得或体会…………..五、主要参考文献[1]王化祥，张淑英，传感器原理及应用，天津：天津大学出版社，1999，1~ 2 [3]张福学，王丽坤，现代压电学(下册)，北京：科学出版社，2002，400~403[3]朱同淑，压电微压传感器. 北京邮电大学硕士学位论文. 2006[4]田慧，栗保明，压电式压力传感器的测量与标定系统. 新特器件应用. 2009，10 (9) 3~6。