压电传感器的应用

压电传感器的应用

摘要： 传感器是获取自然和生产领域XX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正确状态，并使产品到达最好的质量。 传感器的种类非常广泛，其中压电传感器是基于材料的压电效应而制成的器件，其有较长的开展历史。压电材料的种类由最初的压电晶体开展到压电陶瓷、进而开展到压电聚合物及其复合材料。随着物理学、材料科学与各个学科的穿插开展，压电材料被用以研制成了多种用途的传感器，被广泛应用于工程技术各领域，在测量技术中被用来测量力和加速度。

Abstract: Sensor is the main ways and means to obtain information in the field of natural and production . In modern industrial production, especially automated production process, useing a variety of sensors to monitor and control the production process of various parameters,which enable the device to work in a normal state or the best condition, and to achieve the best quality products. Types of sensors is very broad, of which the piezoelectric sensor is based on the piezoelectric effect devices made of material which has a long history of development. Types of piezoelectric material from the initial development of the piezoelectric ceramic piezoelectric crystal, and thus the development of piezoelectric polymers and their posites. With the development of cross-physics, materials science and various disciplines, piezoelectric materials are used for research into a variety of uses sensors are widely used in various fields of engineering technology, measurement techniques were used to measure the force and acceleration.

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关键字：压电式传感器、工作原理、压电效应、应用

一、压电传感器工作原理——压电效应

压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。

图1正压电效应 图2逆压电效应

1、正压电效应

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,同时在某两个外表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。

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2、负压电效应

对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象。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种根本形式。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。

二、压电传感器工作原理

当压电传感器中的压电晶体承受被测机械应力的作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。

图3压电压电式传感器的等效电路 电容容量计算公式：

压电式传感器简单的说就是压电敏感元件的受力变形后外表产生荷。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。 压电式传感器的前置放大器有两个作用：一是把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；二是把传感器微弱信号进展放大。放大器分为电压放大器与 电荷

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放大器。

图4 电压放大器电路

图5电荷放大器电路

三、压电传感器的应用

1、用于减振降躁

压电智能构造在振动控制中的应用研究开展得最早，研究成果也较丰富，主要集中于大型航天柔性构造的振动控制。控制系统的设计通常有三种方法, 即主动控制、被动控制及主被动混合控制。被动控制系统构造简单、容易实现、本钱低，但缺少控制上的灵活性，对突发性环境变化应变能力差；与被动控制相比，主动控制以现代控制理论为主要工具，具有较大的灵活性，对环境的适应能力强，是当前振开工程中的一个研究热点；被动控制与主动控制相结合形成混合控制策略是当前振开工程的一个新兴方向。压电智能构造的另一个重要应用方向是噪声主动控制。主要用于潜艇、飞行器以及车辆等三维封闭空间内部噪声的控制。与壁板振动主动控制不同之处在于振动控制是控制板的模态，而噪声控制那么主要

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是控制产生声强的局部。 2、用于构造静变形控制

通过控制压电智能构造的变形可以调整构造的几何形状，维护构造准确的外形和位置，这在空间站及其他空间飞行器及柔性机械的控制中具有重要的应用价值。如在空间飞行器中，可通过控制准确构造的变形，以保证空间天线反射器、望远镜等精细仪器正常工作；在机器人中，通过压电元件控制柔性机械臂运动，可提高机械手的运动精度。 3、用于构造损伤监测

应用压电传感元件进展构造损伤监测主要有两种方式，其一是用压电传感器来准确感知构造力学性质的变化，并通过进一步地计算和分析，对构造的损伤进展预测；另一种那么是通过分析构造中传播的振动波来进展损伤预测。这两种方式可以为构造的平安评定与损伤定位提供可靠信息，从而为土木工程构造长期、实时安康检测提供了新的方法。 4、用于加工工艺监测

压电式力、应力、振动及声发射传感器因其具有独特的优点成为现代化自动控制制造业中状态监测的理想选择。对于磨削、钻孔和攻丝，采用最新的遥测技术设计一种新颖的石英多分量力及力矩的传感器，这种新型的旋转切削测力计可以直接安装在轴和刀具之间，直接测量旋转刀具的切削力，对分析方案生产过程和确定用于实际生产中选择最正确切削参数都具有重要的意义。金属加工过程中会产生声发射现象，其中含有丰富的信息，其最重要的价值是对零件所产生的缺陷及初始故障能给出可靠的指示。一种创新的双用传感器将声发射传感器与三分量测力传感器合二为一，将这种双用传感器安装在车床夹具的适当位置，就可

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以连续监测切削力、进刀力和被动力的大小以及相关的声发射信号。 5、用于车辆行驶称重

压电传感技术与网络技术和视频技术相结合可以实现对车轴数、车速、轴距、行驶中车辆载重量的信息进展收集并加以分析，从而在智能交通系统中发挥重大作用。如美国MSI公司研究开发的共聚物压电轴传感器，可获取准确的速度信号、触发信号和分类信息及长期反响交通信息统计数据。巴西、德国、日本和韩国在压电检测的车辆行驶中称重功能方面也有大量的应用。 6、用于压电传感电缆

人们最近开发出一种压电层较厚的同轴电缆形式的PVF2压电材料——PVF2压电电缆。这种压电电缆用连续工艺生产，长度可达几千米，直径为1.5mm。它能把声音、振动、冲击、压力、应力和应变转换为电信号，使用方法非常灵活，它抑制了压电薄膜及压电陶瓷的缺点和使用的局限性，展现出很大的应用前景。它的主要应用领域是：水声学、冲击传感、振动传感、入侵报警和平安防卫、交通流量统计、应变应力测量、工业控制与检测等。 7、用于航空和航海

由Sigma 研究公司研制而成的“便携式自动远程检查系统〞，简称PARIS，专门为对大面积层状构造或复合构造进展原位检查而设计。其关键元件是一个200mm×200mm的可变形PVDF压电薄膜，其中含有1024 个换能器。这种膜的柔韧性很好，能够与曲率半径为4的弯曲外表完全贴合。与它相连的装置还有一个手提控制器、数据采样器和显示装置等。这种接收器的总信噪比达100dB，中心频率为2.5MHz。飞机上的石墨—环氧树脂复合物或舰艇上的大型构造都可以用它来进展很方便的测试。而对于铝和钢的测试，这方面早已获得了令人满意的

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结果。

8、压电式报警器

玻璃破碎报警装置它利用压电元件对振动敏感的特性来感知玻璃受撞击和破碎时产生的振动波。传感器把振动波转换成电压输出，输出电压经放大、滤波、比较等处理后提供给报警系统。传感器的最小输出电压为100 mV，最大输出电压为100 V，内阻抗为15～20 kq。玻璃破碎时会发出几千赫兹至几十千赫兹的振动，使用时将高分子压电薄膜传感器粘贴在玻璃上，感受这一振动，然后通过电缆和报警电路相连，将压电信号传送给集中报警系统。为了提高报警器的灵敏度，信号经放大后，再经带通滤波器进展滤波，要求它对选定的频谱通带的衰减要小，而频带外衰减要尽量大。玻璃振动的波长在音频和超声波的范围内，这就使滤波器成为电路中的关键。只有当传感器输出信号高于设定的阈值时，才会输出报警信号，驱动报警执行机构工作。玻璃破碎报警器可广泛用于文物保管、贵重商品保管及其他商品柜台保管等场合。

四、小结

压电式传感器可用于力、压力、速度、加速度、振动等许多非电量的测量，可做成力传感器、压力传感器、振动传感器等等。由于它的一系列突出优点，在工业生产和自动化控制中得到广泛应用。近年来由于电子技术的开展，随着配套的二次仪表，及低噪音、小电容、高绝缘电阻电缆的出现使压电传感器使用更方便，集成化、智能化的新型压电传感器正被开发出来。

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