第五章 压电传感器及其应用5.1 基本应用(1)力测量 压电式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,灵敏度高、线性好,工作频率宽、热释电诳应小。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[1][1]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,娄被测加速度a作用时,晶体处会受到惯性力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。5.2 加速度传感器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。5.2.1工作原理压电式加速度传感器是基于压电晶体的压电效应工作的。某些晶体在一定方向上受力变形时,其内部会产生极化现象,同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷;当外力去除后,又重新恢复到不带电状态,这种现象称为“压电效应”,具有“压电效应”的晶体称为压电晶体。常用的压电晶体有石英、压电陶瓷等5.2.2结构形式压电式加速度传感器 压电式加速度计的结构和安装压电式加速度计的结构形式常用的压电式加速度计的结构形式如。S是弹簧,M是质量块,B是基座,P是压电元件,R是夹持环。a是中央安装压缩型,压电元件—质量块—弹簧系统[2][2]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。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。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[3][3]受到限制。5.2.3特性曲线加速度计的使用上限频率取决于幅频曲线中的共振频率一般小阻尼(z<=0.1)的加速度计,上限频率若取为共振频率的 1/3,便可保证幅值误差低于1dB(即12%);若取为共振频率的1/5,则可保证幅值误差小于0.5dB(即6%),相移小于30。但共振频率与加速度计的固定状况有关,加速度计出厂时给出的幅频曲线是在刚性连接的固定情况下得到的。实际使用的固定方法往往难于达到刚性连接,因而共振频率和使用上限频率都会有所下降。5.2.4加速度计的固定方法其中采用钢螺栓固定,是使共振频率能达到出厂共振频率的最好方法。螺栓不得全部拧入基座螺孔,以免引起基座 变形,影响加速度计的输出。在安装面上涂一层硅脂可增加不平整安装表面的连接可靠性。需要绝缘时可用绝缘螺栓和云母垫片来 固定加速度计,但垫圈应尽量簿。用一层簿蜡把加速度计粘在试件平整表面上,也可用于低温(40℃以下)的场合。手持探针测振方法,在多点测试时使用特别方便,但测量误差较大,重复性差,使用上限频率一般不高于 1000Hz。用专用永久磁铁固定加速度计,使用方便,多在低频测量中使用。此法也可使加速度计与试件绝缘。用硬性粘接螺栓或粘接剂的固定方法也长使用。某种典型的加速度计采用上述各种固定方法的共振频率分别约为:钢螺栓固定法31kHz,云母垫片28kHz,涂簿蜡层29kHz,手持法2kHz,永久磁铁固定法7kHz。5.3 实际案例分目前最新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[4][4]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;鼠标,高层建筑结构动态特性和安全保卫振动侦察上。5.4 压电传感器的发展趋势在工当今世界各国压力传感器[5][5]的研究领域十分广泛,几乎渗透[6][6]到了各行各业,但归纳起来主要有以下五个趋势: 一、小型化目前市场对小型压力传感器的需求越来越大,这种小型传感器可以工作在极端恶劣的环境下,并且只需要很少的保养和维护,对周围的环境影响也很小,可以放置在人体的各个重要器官中收集资料,不影响人的正常生活。如美国Entran公司生产的量程为2~500PSI的传感器,直径仅为1.27mm,可以放置在人体的血管中而不会对血液的流通产生大的影响。 二、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提高操作速度和效率 三、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。 四、广泛化压力传感器的另一个发展趋势是正从机械行业向其它领域扩展,例如:汽车元件、医疗仪器和能源环境控制系统。 五、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ISO国际质量体系;美国的ANSI、ASTM标准、俄罗斯的ГOCT、日本的JIS标准。5.5总结信息处理技术取得的进展以及微处理器和计算机技术的高速发展,都需要在传感器的开发方面有相应的进展。微处理器现在已经在测量和控制系统中得到了广泛的应用。随着这些系统能力的增强,作为信息采集系统的前端单元,传感器的作用越来越重要。传感器已成为自动化系统和机器人技术中的关键部件,作为系统中的一个结构组成,其重要性变得越来越明显。而湿度更是重中之重。当然,在自动检测技术领域里,传感器占有了举足轻重的地位。学校安排这次课程设计是对我们所学知识的一个检验与考核,更是对知识的巩固和强化。通过这次课程设计,并使我们得到运用所学理论知识决实际问题的初步认识和锻炼。掌握相关课题的资料收集、整理;方案的设计和对比;提高学生的分、综合能力以及工程设计中计算和绘的基本能力,为后续的毕业设计和工程实践作必要的准备。在这次课程设计中,我选择了压电传感器。通过这次设计,我对压电传感器有了初步的了,对其应用范围的广泛更是叹为观止。它的发展趋势同其他传感器有相同之处,由于随着社会的发展和科技技术的进步,人们不再局限于那些最基本的传感器,而是朝集成化、智能化发展。除此之外,我知道了设计报告的格式,这为我以后做毕业设计打下了良好的基础。最后,感谢许老师一学期的悉心教导!虽然我们听课效率都不是很高,但最终还是对有关检测方面的知识了了一部分。所以,如果以后有机会的话,许老师能够教授我们一些其他方面的知识。

第五章 压电传感器及其应用

5.1 基本应用

(1)力测量 压电式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,灵敏度高、线性好,工作频率宽、热释电诳应小。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^[1][1]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,娄被测加速度a作用时,晶体处会受到惯性力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。

5.2 加速度传感器

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。

5.2.1工作原理

压电式加速度传感器是基于压电晶体的压电效应工作的。某些晶体在一定方向上受力变形时,其内部会产生极化现象,同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷;当外力去除后,又重新恢复到不带电状态,这种现象称为“压电效应”,具有“压电效应”的晶体称为压电晶体。常用的压电晶体有石英、压电陶瓷等

5.2.2结构形式

压电式加速度传感器 压电式加速度计的结构和安装压电式加速度计的结构形式

常用的压电式加速度计的结构形式如。S是弹簧,M是质量块,B是基座,P是压电元件,R是夹持环。a是中央安装压缩型,压电元件—质量块—弹簧系统^[2][2]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。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。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^[3][3]受到限制。

5.2.3特性曲线

加速度计的使用上限频率取决于幅频曲线中的共振频率

一般小阻尼(z<=0.1)的加速度计,上限频率若取为共振频率的 1/3,便可保证幅值误差低于1dB(即12%);若取为共振频率的1/5,则可保证幅值误差小于0.5dB(即6%),相移小于30。但共振频率与加速度计的固定状况有关,加速度计出厂时给出的幅频曲线是在刚性连接的固定情况下得到的。实际使用的固定方法往往难于达到刚性连接,因而共振频率和使用上限频率都会有所下降。

5.2.4加速度计的固定方法

其中采用钢螺栓固定,是使共振频率能达到出厂共振频率的最好方法。螺栓不得全部拧入基座螺孔,以免引起基座 变形,影响加速度计的输出。在安装面上涂一层硅脂可增加不平整安装表面的连接可靠性。需要绝缘时可用绝缘螺栓和云母垫片来 固定加速度计,但垫圈应尽量簿。用一层簿蜡把加速度计粘在试件平整表面上,也可用于低温(40℃以下)的场合。手持探针测振方法,在多点测试时使用特别方便,但测量误差较大,重复性差,使用上限频率一般不高于 1000Hz。用专用永久磁铁固定加速度计,使用方便,多在低频测量中使用。此法也可使加速度计与试件绝缘。用硬性粘接螺栓或粘接剂的固定方法也长使用。某种典型的加速度计采用上述各种固定方法的共振频率分别约为:钢螺栓固定法31kHz,云母垫片28kHz,涂簿蜡层29kHz,手持法2kHz,永久磁铁固定法7kHz。

5.3 实际案例分

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^[4][4]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;鼠标,高层建筑结构动态特性和安全保卫振动侦察上。

5.4 压电传感器的发展趋势

在工当今世界各国压力传感器^[5][5]的研究领域十分广泛,几乎渗透^[6][6]到了各行各业,但归纳起来主要有以下五个趋势: 一、小型化目前市场对小型压力传感器的需求越来越大,这种小型传感器可以工作在极端恶劣的环境下,并且只需要很少的保养和维护,对周围的环境影响也很小,可以放置在人体的各个重要器官中收集资料,不影响人的正常生活。如美国Entran公司生产的量程为2~500PSI的传感器,直径仅为1.27mm,可以放置在人体的血管中而不会对血液的流通产生大的影响。 二、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提高操作速度和效率 三、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。 四、广泛化压力传感器的另一个发展趋势是正从机械行业向其它领域扩展,例如:汽车元件、医疗仪器和能源环境控制系统。 五、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ISO国际质量体系;美国的ANSI、ASTM标准、俄罗斯的ГOCT、日本的JIS标准。

5.5总结

信息处理技术取得的进展以及微处理器和计算机技术的高速发展,都需要在传感器的开发方面有相应的进展。微处理器现在已经在测量和控制系统中得到了广泛的应用。随着这些系统能力的增强,作为信息采集系统的前端单元,传感器的作用越来越重要。传感器已成为自动化系统和机器人技术中的关键部件,作为系统中的一个结构组成,其重要性变得越来越明显。而湿度更是重中之重。

当然,在自动检测技术领域里,传感器占有了举足轻重的地位。学校安排这次课程设计是对我们所学知识的一个检验与考核,更是对知识的巩固和强化。通过这次课程设计,并使我们得到运用所学理论知识决实际问题的初步认识和锻炼。掌握相关课题的资料收集、整理;方案的设计和对比;提高学生的分、综合能力以及工程设计中计算和绘的基本能力,为后续的毕业设计和工程实践作必要的准备。

在这次课程设计中,我选择了压电传感器。通过这次设计,我对压电传感器有了初步的了,对其应用范围的广泛更是叹为观止。它的发展趋势同其他传感器有相同之处,由于随着社会的发展和科技技术的进步,人们不再局限于那些最基本的传感器,而是朝集成化、智能化发展。除此之外,我知道了设计报告的格式,这为我以后做毕业设计打下了良好的基础。

最后,感谢许老师一学期的悉心教导!虽然我们听课效率都不是很高,但最终还是对有关检测方面的知识了了一部分。所以,如果以后有机会的话,许老师能够教授我们一些其他方面的知识。