压电式传感器的应用和发展

压电式传感器的应用和发展黄张祥09级自动化2班0905075034李阳09级自动化2班0905075012摘要：压电式传感器是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的传感器，它可以测量最终能转化为力的各种物理量。

本文主要讲述压电式传感器的工作原理，它的应用和未来发展前景以及国内外的研究现状。

关键词：压电式传感器压电效应应用发展研究现状一、引言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。

压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量。

它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。

缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。

二、基本工作原理1、压电效应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。

如下图（a），压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。

其电位移D（在MKS单位制中即为电荷密度Q）与外应力张量F成正比：D=d·F或Q=d·F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。

可见具有压电性的压电材料能够实现机械能与电能的相互转化，如下图（b）。

应变ɛ与外电场强度E成正比：ɛ=dtE，式中dt为逆压电常数矩阵。

2、压电材料明显呈现压电效应的敏感功能材料叫压电材料。

压电此案料可以分为三大类：压电晶体、压电陶瓷、新型压电材料主要包括半导体和有机高分子压电材料两种。

压电材料的特性参数主要包括：（1）压电常数，它是衡量材料压电效应强弱的参数，直接关系到压电传感器的灵敏度。

（2）弹性常数，它决定压电器件的固有频率和动态特性。

（3）介电常数（4）机电祸合系数（5）电阻，压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄露，从而改善压电传感器的低频特性。

（6）居里点：压电材料开始丧失压电性的温度。

3、石英的压电效应电荷产生机理：石英的化学式为 SiO2 ，在一个晶体单元中，有三个硅离子和六个氧离子，后者是成对的，所以一个和两个交替排列。

当没有力作用时，硅离子和氧离子在垂直于晶体 Z 轴的 XY 平面上的投影恰好等效为正六边形排列。

这时正负离子正好分布在正六边形的顶角上，呈现电中性。

如果沿 X 方向压缩，则硅离子 1 被挤入氧离子 2 和 6 之间，而氧离子 4 被挤入硅离子 3 和 5 之间，结果表面 A 上呈现负电荷，而在表面 B 上呈现正电荷。

这一现象称为纵向压电效应。

若沿 Y 方向压缩，硅离子 3 和氧离子 2 ，以及硅离子 5 和氧离子 6 都向内移动同样的数值，故在电极 C 和 D 上不呈现电荷，而在表面 A 和 B 上，即在 X 轴的端面上又呈现电荷，但与图 b 的极性正好相反，这时称为横向压电效应。

从研究的模型同样可以看出：如果是使其伸长而不是压缩时，则电荷的极性正好相反。

总之，石英等单晶体材料是各向异性的物体，在 X 或 Y 轴向施力时，在与 X 轴垂直的面上产生电荷，电场方向与 X 轴平行，在 Z 轴方向施力时，不能产生压电效应。

三、国内外的研究现状在我国的压电传感器的研究与应用明显落后于世界先进水平的国家，自20世纪70年代以来，压电传感器的应用主要是为了满足航天技术发展的需要。

改革开放之后，随着引进国外先进技术和管理经验，国民经济进入快速发展阶段，现代测量技术的发展与应用成为必然。

因此，压电传感器技术引起一定的重视。

但是在与国外发达国家相比，起步较晚，技术基础薄弱，直到目前总体的技术水平依然处于上述第一发展阶段。

目前，国内仅有一家产IEPE加速计的厂家，但完全依赖于国外提供的内装电子电路，并不能自主研发。

国内进行智能传感器的研究单位主要有：中科院合肥智能机械研究所传感器技术国家重点实验室；中国科技大学：电子科学自动化系；北京大学计算机科学技术系；华南理工大学机电工程系。

通过几年的努力，这些单位都在智能传感器开发平台的研究中取得了不同程度的成就。

当我们正在致力于经典传感器的开发、研制机器推广应用，以力求缩小与发达国家之间的差距时，信息技术的飞速发展，又在该领域提出了新的课题、新的任务和新的方向，这就是智能传感器的发展。

在美国NI公司的倡导下，目前共有16家全球领先的传感器生产商作为即插即用智能传感器计划项目的合作伙伴，这些成员已经开始向市场供应或研制符合IEEEI451.4传感器电子数据表的传感器。

这种传感器被称为TEDS传感器、即插即用传感器或智能传感器。

智能传感器技术是一门正在蓬勃发展的现代传感器技术，是涉及微机械与微电子技术、计算机技术、信号处理技术、电路与系统、神经网络技术及模糊理论等多种学科的综合性技术。

1983年，美国Honeywell公司研制出第一个智能传感器-----用于过程控制的智能压力传感器。

在此之后，其他公司纷纷效仿，先后研制出各自的智能传感器产品。

这些智能传感器具有反应速度快，能实现非接触测量，精度高、分辨率高河可靠性好等优点，因此在军事、工业检测与控制领域获得广泛应用，也使传感器的智能化备受关注并获得快速发展。

智能传感器过去主要用于过程控制，如今在离散自动化领域和商业领域都有广泛应用。

尤其是近十年，由于半导体技术的迅速发展，是微控制器的功能不断升级，价格不断下降，从而引起工业传感器设计的革命，也使检测技术的发展跃上一个新的台阶。

四、压电传感器的应用分析压电传感器是以具有压电效应的期间为核心组成的传感器。

由于压电效应具有顺、逆两种效应，所以压电器件是一种典型的双向有源传感器。

基于这一特性，压电器件已被广泛用于超声、通信、宇航、雷达和引爆等领域，并与激光、红外、微波等技术结合，将成为发展新技术和高科技的重要条件。

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。

下面具体说明压电式加速度传感器的具体应用。

压电式加速度传感器又称压电加速度计。

它也属于惯性式传感器。

它是利用某些物质如石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。

当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。

常用的压电式加速度计的结构形式如图一所示。

S是弹簧，M是质块，B是基座，P是压电元件，R是夹持环。

图一a是中央安装压缩型，压电元件—质量块—弹簧系统装在圆形中心支柱上，支柱与基座连接。

这种结构有高的共振频率。

然而基座B与测试对象连接时，如果基座B有变形则将直接影响拾振器输出。

此外，测试对象和环境温度变化将影响压电元件，并使预紧力发生变化，易引起温度漂移。

图一c为三角剪切形，压电元件由夹持环将其夹牢在三角形中心柱上。

加速度计感受轴向振动时，压电元件承受切应力。

这种结构对底座变形和温度变化有极好的隔离作用，有较高的共振频率和良好的线性。

图一b为环形剪切型，结构简单，能做成极小型、高共振频率的加速度计，环形质量块粘到装在中心支柱上的环形压电元件上。

由于粘结剂会随温度增高而变软，因此最高工作温度受到限制。

压电式加速度传感器的实际应用：目前最新IBM Thinkpad手提电脑里就内置了加速度传感器，能够动态的监测出笔记本在使用中的振动，并根据这些振动数据，系统会智能的选择关闭硬盘还是让其继续运行，这样可以最大程度的保护由于振动，比如颠簸的工作环境，或者不小心摔了电脑做造成的硬盘损害，最大程度的保护里面的数据。

另外一个用处就是目前用的数码相机和摄像机里，也有加速度传感器，用来检测拍摄时候的手部的振动，并根据这些振动，自动调节相机的聚焦。

概括起来，加速度传感器可应用在控制，手柄振动和摇晃，仪器仪表，汽车制动启动检测，地震检测，报警系统，玩具，结构物、环境监视，工程测振、地质勘探、铁路、桥梁、大坝的振动测试与分析；鼠标，高层建筑结构动态特性和安全保卫振动侦察上。

五、未来发展趋势压力传感器的发展趋势：当今世界各国压力传感器的研究领域十分广泛，归纳起来主要有以下几个趋势。

（1）小型化。

小型化会带来很多好处，重量轻、体积小、分辨率高，便于安装在很小的地方对周围器件影响小，也利于微型仪器、仪表的配套使用。

（2）集成化。

压力传感器已经越来越多的与其它测量用传感器集成以形成测量和控制系统，集成系统在过程控制和工厂自动化中可以提高操作速度和效率。

（3）智能化。

由于集成化的出现，在集成电路中可添加一些微处理器，使得传感器具有自动补偿、通讯、自诊断、逻辑判断等功能。

（4）系统化。

单一化产品在市场上没有大的竞争力。

市场风云突变，一旦失去市场，发展则停滞不前，经济效益差，资金浪费大，产品成本高。

（5）标准化。

传感器的设计与制造已经形成了一定的行业标准。

如IEC、ISO 国际标准，美国的ANSIC、ANSC、MIL-T和ASTME标准，日本JIS标准，法国DIN 标准。

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