压电式传感器探讨与应用

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、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、3

二、压电式传感器的基本原理、、、、、、、、、、、5

1、压电效应

2、压电材料

3、测量电路

三、压电式压力传感器原理和结构图、、、、、9

四、影响压电式传感器精度的因素分析、、、10

五、压电式传感器的举例应用、、、、、、、、、、11

六、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。

二、压电式传感器的基本原理

1、压电效应

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。

2 、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℃），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γ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量输出。