《自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)與儀表》課程設(shè)計(jì)---壓電傳感器及其應(yīng)用

1、<p>　　《自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)與儀表》課程設(shè)計(jì)</p><p>　　------壓電傳感器及其應(yīng)用</p><p><b>　　學(xué) 院： </b></p><p><b>　　專 業(yè)： </b></p><p><b>　　年 級(jí)： </b></p

2、><p><b>　　姓 名： </b></p><p><b>　　學(xué) 號(hào)：</b></p><p><b>　　指導(dǎo)教師： </b></p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　壓電傳感器是利用某些電介

3、質(zhì)受力后產(chǎn)生的壓電效應(yīng)制成的傳感器。所謂壓電效應(yīng)是指某些電介質(zhì)在受到某一方向的外力作用而發(fā)生形變（包括彎曲和伸縮形變）時(shí)，由于內(nèi)部電荷的極化現(xiàn)象，會(huì)在其表面產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象。壓電材料 它可分為壓電單晶、壓電多晶和有機(jī)壓電材料。壓電式傳感器中用得最多的是屬于壓電多晶的各類壓電陶瓷和壓電單晶中的石英晶體。其他壓電單晶還有適用于高溫輻射環(huán)境的鈮酸鋰以及鉭酸鋰、鎵酸鋰、鍺酸鉍等。</p><p>　　關(guān)鍵詞：工作原理；組成

4、結(jié)構(gòu)；測(cè)量原理圖；特性及參數(shù)選擇；應(yīng)用；發(fā)展趨勢(shì)</p><p><b>　　目　錄</b></p><p><b>　　第一章 引言4</b></p><p>　　1.1 背景介紹4</p><p>　　1.2 目的和意義4</p><p>　　第二章 壓電效應(yīng)5&

5、lt;/p><p><b>　　2.1壓電效應(yīng)5</b></p><p>　　2.2 壓電方程5</p><p>　　2.2.1電學(xué)邊界條件5</p><p>　　2.2.2第一類壓電方程6</p><p>　　2.2.3第二類壓電方程6</p><p>　　2.2.

6、4第三類壓電方程6</p><p>　　2.2.5第四類壓電方程7</p><p>　　第三章 壓電材料8</p><p>　　3.1 石英晶體8</p><p>　　3.2 新型壓電材料8</p><p>　　第四章 壓電傳感器的測(cè)量電路9</p><p>　　4.1 壓電晶片的連

7、接方式9</p><p>　　4.2 壓電傳感器的等效電路10</p><p>　　4.3 壓電式傳感器的測(cè)量電路11</p><p>　　4.3.1電壓放大器（阻抗變換器）12</p><p>　　4.3.2電荷放大器13</p><p>　　第五章 壓電傳感器及其應(yīng)用15</p><

8、p>　　5.1 基本應(yīng)用15</p><p>　　5.2 加速度傳感器15</p><p>　　5.2.1工作原理16</p><p>　　5.2.2結(jié)構(gòu)形式16</p><p>　　5.2.3特性曲線17</p><p>　　5.2.4加速度計(jì)的固定方法17</p><p>

9、　　5.3 實(shí)際案例分析17</p><p>　　5.4 壓電傳感器的發(fā)展趨勢(shì)18</p><p><b>　　5.5總結(jié)18</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)19</b></p><p><b>　　第一章 引言</b></p><p&

10、gt;<b>　　1.1 背景介紹</b></p><p>　　壓電陶瓷有屬于二元系的鈦酸鋇陶瓷、鋯鈦酸鉛系列陶瓷、鈮酸鹽系列陶瓷和屬于三元系的鈮鎂酸鉛陶瓷。壓電陶瓷的優(yōu)點(diǎn)是燒制方便、易成型、耐濕、耐高溫。缺點(diǎn)是具有熱釋電性，會(huì)對(duì)力學(xué)量測(cè)量造成干擾。有機(jī)壓電材料有聚二氟乙烯、聚氟乙烯、尼龍等十余種高分子材料。有機(jī)壓電材料可大量生產(chǎn)和制成較大的面積,它與空氣的聲阻匹配具有獨(dú)特的優(yōu)越性,是很有發(fā)

11、展?jié)摿Φ男滦碗娐暡牧稀?0年代以來(lái)發(fā)現(xiàn)了同時(shí)具有半導(dǎo)體特性和壓電特性的晶體，如硫化鋅、氧化鋅、硫化鈣等。利用這種材料可以制成集敏感元件和電子線路于一體的新型壓電傳感器，很有發(fā)展前途。</p><p>　　壓電式傳感器的應(yīng)用:壓電傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、質(zhì)量小、功耗小、壽命長(zhǎng)，特別是它具有良好的動(dòng)態(tài)特性，因此適合有很寬頻帶的周期作用力和高速變化的沖擊力。</p><p><b>　

12、　1.2 目的和意義</b></p><p>　　課程設(shè)計(jì)是專業(yè)課《自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)及儀表》課程教學(xué)中的重要組成環(huán)節(jié)，其目的是通過課程設(shè)計(jì)的教學(xué)實(shí)踐，使學(xué)生對(duì)所學(xué)的基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識(shí)得到鞏固，并使學(xué)生得到運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)解決實(shí)際問題的初步認(rèn)識(shí)和鍛煉。掌握相關(guān)課題的資料收集、整理；方案的設(shè)計(jì)和對(duì)比；提高學(xué)生的分析、綜合能力以及工程設(shè)計(jì)中計(jì)算和繪圖的基本能力，為后續(xù)的畢業(yè)設(shè)計(jì)和工程實(shí)踐作必要的準(zhǔn)備。</

13、p><p>　　課程設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是使學(xué)生掌握相關(guān)傳感器或檢測(cè)儀表的原理、結(jié)構(gòu)及在工程中的實(shí)際應(yīng)用。</p><p>　　同時(shí)，在課程設(shè)計(jì)的過程中，能夠鍛煉同學(xué)們解決問題和分析問題的能力。在此基礎(chǔ)上，能夠?qū)λO(shè)計(jì)的傳感器或儀表得到更進(jìn)一步地認(rèn)識(shí)和了解，為以后學(xué)習(xí)更深的知識(shí)打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。</p><p><b>　　第二章 壓電效應(yīng)</b><

14、/p><p><b>　　2.1壓電效應(yīng)</b></p><p>　　某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對(duì)表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會(huì)恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力的方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變。相反，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)也會(huì)發(fā)生變形，電場(chǎng)去掉后，電介質(zhì)的

15、變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)，或稱為電致伸縮現(xiàn)象。依據(jù)電介質(zhì)壓電效應(yīng)研制的一類傳感器稱為為壓電傳感器。</p><p><b>　　2.2 壓電方程</b></p><p>　　壓電材料的壓電性涉及到力學(xué)和電學(xué)之間的相互作用，而壓電方程就是描述晶體的力學(xué)量和電學(xué)量之間的相互關(guān)系的表達(dá)式。但是由于應(yīng)用狀態(tài)和測(cè)試條件的不同，壓電晶片（振子）可以處在不同的電學(xué)邊界條

16、件和機(jī)械邊界條件下，即壓電方程的獨(dú)立變量可以任意選擇，所以根據(jù)機(jī)械自由和機(jī)械夾持的機(jī)械邊界條件與電學(xué)短路和電學(xué)開路的電學(xué)邊界條件，描述壓電材料的壓電效應(yīng)的方程共有4類，即d型、e型、g型、h型。四類邊界條件為：</p><p>　　2.2.1電學(xué)邊界條件</p><p>　　短路：兩電極間外電路的電阻比壓電陶瓷片的內(nèi)阻小得多，可認(rèn)為外電路處于短路狀態(tài)。這時(shí)電極面所累積的電荷由于短路而流走，

17、電壓保持不變。它的上標(biāo)用E表示。       開路：兩電極間外電路的電阻比壓電陶瓷片的內(nèi)阻大得多，可認(rèn)為外電路處于開路狀態(tài)。這時(shí)電極上的自由電荷保持不變，電位移保持不變。它的上標(biāo)用D表示。（2）機(jī)械邊界條件       自由：用夾具把壓電陶瓷片的中間夾住，邊界上的應(yīng)力為零，即片子的邊界條件是機(jī)械自由的，

18、片子可以自由變形。它的上標(biāo)用T表示。       夾緊：用剛性?shī)A具把壓電陶瓷的邊緣固定，邊界上的應(yīng)變?yōu)榱悖雌拥倪吔鐥l件是機(jī)械夾緊的。它的上標(biāo)用S表示。       四類邊界條件對(duì)應(yīng)四類壓電方程，根據(jù)不同的邊界條件選擇不同的壓電方程。</p><p>　　2.2.2第一類壓電方程</

19、p><p>　　第一類壓電方程邊界條件為機(jī)械自由和電學(xué)短路，應(yīng)力T和電場(chǎng)強(qiáng)度E為自變量，應(yīng)變S和電位移D為因變量。方程為：</p><p>　　式中，第一個(gè)方程敘述了正壓電效應(yīng)，而第二個(gè)方程敘述了逆壓電效應(yīng)。式中d為壓電常數(shù)，dT—d的轉(zhuǎn)置；s—彈性柔順常數(shù)；ε—介電常數(shù)。而εT和sE分別表示應(yīng)力恒定時(shí)的介電常數(shù)和場(chǎng)強(qiáng)恒定時(shí)的彈性柔順系數(shù)。</p><p>　　2.2

20、.3第二類壓電方程</p><p>　　濕敏元件比來(lái)表示靈敏度。第二類壓電方程邊界條件為機(jī)械夾持和電學(xué)短路，應(yīng)變S和電場(chǎng)強(qiáng)度E為自變量，應(yīng)力T和電位移D為因變量（ansys中所應(yīng)用的就是這個(gè)方程）：</p><p>　　式中，c—彈性剛度常數(shù)；e—壓電應(yīng)力系數(shù)；et—e的轉(zhuǎn)置。εS為應(yīng)變恒定時(shí)的介電常數(shù)（夾緊介電常數(shù)），cE為場(chǎng)強(qiáng)恒定時(shí)（短路）的彈性剛度系數(shù)。</p><

21、;p>　　2.2.4第三類壓電方程</p><p>　　第三類壓電方程邊界條件為機(jī)械自由和電學(xué)開路，應(yīng)力T和電位移D為自變量，應(yīng)變S和電場(chǎng)強(qiáng)度E為因變量：</p><p>　　式中，β—自由倒介電常數(shù)；g—壓電應(yīng)變常數(shù)；gT—g的轉(zhuǎn)置。βT為恒應(yīng)力作用下的介質(zhì)的隔離率。sD為恒電位移（開路）時(shí)彈性柔順系數(shù)。</p><p>　　2.2.5第四類壓電方程<

22、/p><p>　　第四類壓電方程邊界條件為機(jī)械夾持和電學(xué)開路，應(yīng)變S和電位移D為自變量，應(yīng)力T和電場(chǎng)強(qiáng)度E為因變量：</p><p>　　式中，h—壓電應(yīng)力常數(shù)；ht—h的轉(zhuǎn)置。βS為恒應(yīng)變下（夾緊）的介質(zhì)隔離率；cD為恒電位移（開路）時(shí)彈性剛度系數(shù)。</p><p>　　理解并掌握了壓電理論的基礎(chǔ)知識(shí)、熟悉壓電陶瓷的極化和壓電方程等對(duì)于全面理解壓電換能器的工作原理提供

23、了相關(guān)的理論基礎(chǔ)，因此是十分必要的。</p><p><b>　　第三章 壓電材料</b></p><p><b>　　3.1 石英晶體</b></p><p>　　典型的石英的化學(xué)成分為SiO2，晶體屬三方晶系的氧化物礦物，即低溫石英（a-石英），是石英族礦物中分布最廣的一個(gè)礦物種。廣義的石英還包括高溫石英（b-石英）。

24、 </p><p>　　低溫石英常呈帶尖頂?shù)牧街鶢罹w產(chǎn)出，柱面有橫紋，類似于六方雙錐狀的尖頂實(shí)際上是由兩個(gè)菱面體單形所形成的。石英集合體通常呈粒狀、塊狀或晶簇、晶腺等。純凈的石英無(wú)色透明，玻璃光澤，貝殼狀斷口上具油脂光澤，無(wú)解理。受壓或受熱能產(chǎn)生電效應(yīng)。</p><p>　　3.2 新型壓電材料</p><p>　　迄今為止，壓電材料使用鈦氧鋯鉛（PZT），而此

25、次開發(fā)的材料不含鉛成分，可實(shí)現(xiàn)高性能，對(duì)環(huán)境無(wú)害的傳感器及換能器制造。這種鈦氧鋇系列的壓電材料，是日本物質(zhì)材料研究機(jī)構(gòu)的研究人員任曉兵開發(fā)出的。壓電材料具有增加電壓產(chǎn)生伸縮、增加壓力產(chǎn)生電壓的特性，廣泛應(yīng)用于電能與機(jī)械能互相轉(zhuǎn)換的換能器制造，是蜂鳴器、噴墨印刷機(jī)等不可缺少的材料。 </p><p>　　壓電材料利用正離子與負(fù)離子的中心移動(dòng)這一性質(zhì)，增加電場(chǎng)，使離子輕微移動(dòng)。但在原理上，最大只能移動(dòng)0.01%距離。

26、此次研究小組利用新原理開發(fā)的壓電材料正離子與負(fù)離子中心移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的偶極矩電極化的區(qū)域，在增加電場(chǎng)之后沿電壓方向一齊發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)了可逆性的巨大電致伸縮效應(yīng)。在理論上可實(shí)現(xiàn)最大5%的移動(dòng)。 </p><p>　　該材料應(yīng)用于超聲成像（特別是醫(yī)用超聲成像）、聲納、微驅(qū)動(dòng)器等器件可使其性能有重大提高。 </p><p>　　第四章 壓電傳感器的測(cè)量電路</p><p>　

27、　4.1 壓電晶片的連接方式</p><p>　　在實(shí)際應(yīng)用中，由于單片的輸出電荷很小，因此，組成壓電式傳感器的晶片不止一片，常常將兩片或兩片以上的晶片粘結(jié)在一起。粘結(jié)的方法有兩種，即并聯(lián)和串聯(lián)。</p><p>　　并聯(lián)方法兩片壓電晶片的負(fù)電荷集中在中間電極上，正電荷集中在兩側(cè)的電極上，傳感器的電容量大、輸出電荷量大、時(shí)間常數(shù)也大，故這種傳感器適用于測(cè)量緩變信號(hào)及電荷量輸出信號(hào)。<

28、/p><p>　　串聯(lián)方法正電荷集中于上極板，負(fù)電荷集中于下極板，傳感器本身的電容量小、響應(yīng)快、輸出電壓大，故這種傳感器適用于測(cè)量以電壓作輸出的信號(hào)和頻率較高的信號(hào)。 </p><p>　　在上述兩種接法中，并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大，時(shí)間常數(shù)大，適宜用在測(cè)量慢變信號(hào)并且以電荷作為輸出量的場(chǎng)合。 而串聯(lián)接法輸出電壓大，本身電容小，適宜用于以電壓作輸出信號(hào)，并且測(cè)量電路輸入阻抗很高的場(chǎng)合。

29、 </p><p>　　4.2 壓電傳感器的等效電路</p><p>　　當(dāng)壓電晶體承受應(yīng)力作用時(shí)，在它的兩個(gè)極面上出現(xiàn)極性相反但電量相等的電荷。故可把壓電傳感器看成一個(gè)電荷源與一個(gè)電容并聯(lián)的電荷發(fā)生器。</p><p>　　當(dāng)兩極板聚集異性電荷時(shí)，板間就呈現(xiàn)出一定的電壓，其大小為</p><p>　　因此，壓電傳感器還可以等效為

30、電壓源Ua和一個(gè)電容器Ca的</p><p>　　串聯(lián)電路，如圖 (b)。</p><p>　　圖4-1壓電傳感器的等效電路</p><p>　?。╝） 電壓源; （b） 電荷源 </p><p>　　實(shí)際使用時(shí)，壓電傳感器通過導(dǎo)線與測(cè)量?jī)x器相連接，連接導(dǎo)線的等效電容CC、前置放大器的輸入電阻Ri、輸入電容Ci對(duì)電路的影響就必須一起考慮進(jìn)去。

31、當(dāng)考慮了壓電元件的絕緣電阻Ra以后，壓電傳感器完整的等效電路可表示成圖4-1所示的電壓等效電路（a）和電荷等效電路（b）。這兩種等效電路是完全等效的。</p><p>　　圖4-2 壓電傳感器的完整等效電路 </p><p>　?。╝） 電壓源; （b） 電荷源 </p><p>　　利用壓電式傳感器測(cè)量靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)量值時(shí)，必須采取一定的措施，使電荷從壓電晶片上經(jīng)測(cè)

32、量電路的漏失減小到足夠小程度。而在動(dòng)態(tài)力作用下，電荷可以得到不斷補(bǔ)充，可以供給測(cè)量電路一定的電流，故壓電傳感器適宜作動(dòng)態(tài)測(cè)量。</p><p>　　4.3 壓電式傳感器的測(cè)量電路</p><p>　　由于壓電式傳感器的輸出電信號(hào)很微弱，通常先把傳感器信號(hào)先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經(jīng)過阻抗交換以后，方可用一般的放大檢波電路再將信號(hào)輸入到指示儀表或記錄器中。(其中，測(cè)量電路的關(guān)鍵在于高

33、阻抗輸入的前置放大器。）</p><p>　　前置放大器的作用：一是將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；二是放大傳感器輸出的微弱電信號(hào)。 </p><p>　　前置放大器電路有兩種形式：一是用電阻反饋的電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓(即傳感器的輸出)成正比；另一種是用帶電容板反饋的電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。由于電荷放大器電路的電纜長(zhǎng)度變化的影響不大，幾乎可以忽略不計(jì)，故而

34、電荷放大器應(yīng)用日益廣泛。</p><p>　　4.3.1電壓放大器（阻抗變換器）</p><p>　　圖 4-3 壓電傳感器接放大器的等效電路 </p><p>　?。╝） 放大器電路; （b） 等效電路</p><p>　　在圖4-3（b）中，電阻R=RaRi/(Ra+Ri),電容C=Cc+Ci，而ua=q/Ca，若壓電元件受正弦力f

35、=Fm sinωt的作用，則其電壓為 </p><p>　　式中： Um——壓電元件輸出電壓幅值，</p><p>　　Um=dFm/Ca； </p><p><b>　　d——壓電系數(shù)。 </b></p><p>　　由此可得放大器輸入端電壓Ui，其復(fù)數(shù)形式為 </p><p><b&g

36、t;　　Ui的幅值Uim為</b></p><p>　　輸入電壓和作用力之間相位差為 </p><p>　　在理想情況下，傳感器的Ra電阻值與前置放大器輸入電阻Ri都為無(wú)限大，即ω(Ca+Cc+Ci)R>>1，理想情況下輸入電壓幅值Uim為 </p><p>　　上式表明前置放大器輸入電壓Uim與頻率無(wú)關(guān)，一般在ω/ω0>3時(shí)，就可以認(rèn)

37、為Uim與ω?zé)o關(guān)，ω0表示測(cè)量電路時(shí)間常數(shù)之倒數(shù)，即 </p><p>　　這表明壓電傳感器有很好的高頻響應(yīng)，但是，當(dāng)作用于壓電元件的力為靜態(tài)力（ω=0）時(shí)， 前置放大器的輸出電壓等于零， 因?yàn)殡姾蓵?huì)通過放大器輸入電阻和傳感器本身漏電阻漏掉， 所以壓電傳感器不能用于靜態(tài)力的測(cè)量。</p><p>　　當(dāng)ω(Ca+Cc+Ci)R>>1 時(shí)，當(dāng)電纜長(zhǎng)度改變時(shí)，Cc也將改變，因而Ui

38、m也隨之變化。因此，壓電傳感器與前置放大器之間連接電纜不能隨意更換， 否則將引入測(cè)量誤差。</p><p>　　4.3.2電荷放大器</p><p><b>　　電荷放大器等效電路</b></p><p>　　電荷放大器常作為壓電傳感器的輸入電路，由一個(gè)反饋電容CF和高增益運(yùn)算放大器構(gòu)成。由于運(yùn)算放大器輸入阻抗極高， 放大器輸入端幾乎沒有分流，

39、故可略去Ra和Ri并聯(lián)電阻。</p><p>　　式中 ： Uo——放大器輸出電壓； </p><p>　　Ucf——反饋電容兩端電壓。 </p><p>　　由運(yùn)算放大器基本特性， 可求出電荷放大器的輸出電壓</p><p>　　通常A=104~108，因此,當(dāng)滿足(1+A)Cf>>Ca+Cc+Ci時(shí)，上式可表示為：</

40、p><p>　　由上式知，電荷放大器的輸出電壓Uo只取決于輸入電荷與反饋電容CF，與電纜電容Cc無(wú)關(guān)，且與q成正比，因此，采用電荷放大器時(shí)，即使連接電纜長(zhǎng)度在百米以上，其靈敏度也無(wú)明顯變化，這是電荷放大器的最大特點(diǎn)。 在實(shí)際電路中，CF的容量做成可選擇的，范圍一般為100~104pF。</p><p>　　壓電式傳感器在測(cè)量低壓力時(shí)線性度不好，主要是傳感器受力系統(tǒng)中力傳遞系數(shù)非線性所致。 為此

41、， 在力傳遞系統(tǒng)中加入預(yù)加力，稱預(yù)載。這除了消除低壓力使用中的非線性外，還可以消除傳感器內(nèi)外接觸表面的間隙，提高剛度。 特別是，它只有在加預(yù)載后才能用壓電傳感器測(cè)量拉力和拉、壓交變力及剪力和扭矩。</p><p>　　第五章 壓電傳感器及其應(yīng)用</p><p><b>　　5.1 基本應(yīng)用</b></p><p>　?。?）力測(cè)量 壓電式傳感器

42、主要利用石英晶體的縱向和剪切的壓電效應(yīng)，因?yàn)槭⒕w剛度大、滯后小，靈敏度高、線性好，工作頻率寬、熱釋電誑應(yīng)小。力傳感器除可測(cè)單向作用力外還可利用不同切割方向的多片晶體 依靠其不同的壓電效應(yīng)測(cè)量多方向力，如空間作用力3個(gè)方向的分力Fx、Fy、Fz</p><p>　?。?）壓力測(cè)量：壓電式壓力傳感器主要利用彈性元件（膜片、活塞等）收集壓力變成作用于晶體片上的力，因?yàn)閺椥栽貌牧系男阅軐?duì)傳感器的特性有很大影響。

43、</p><p>　?。?）加速度測(cè)量：壓電式加速度傳感器是利用質(zhì)量塊m由預(yù)緊力壓在晶體片上，婁被測(cè)加速度a作用時(shí)，晶體處會(huì)受到慣性力F=ma,由此產(chǎn)生壓電效應(yīng)，因此質(zhì)量塊的質(zhì)量決定了傳感器的靈敏度，也影響著傳感器的高頻響應(yīng)。</p><p>　　5.2 加速度傳感器</p><p>　　壓電式加速度傳感器又稱壓電加速度計(jì)。它也屬于慣性式傳感器。它是利用某些物質(zhì)如石

44、英晶體的壓電效應(yīng)，在加速度計(jì)受振時(shí)，質(zhì)量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。當(dāng)被測(cè)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于加速度計(jì)的固有頻率時(shí)，則力的變化與被測(cè)加速度成正比。</p><p><b>　　5.2.1工作原理</b></p><p>　　壓電式加速度傳感器是基于壓電晶體的壓電效應(yīng)工作的。某些晶體在一定方向上受力變形時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外

45、力去除后，又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為“壓電效應(yīng)”，具有“壓電效應(yīng)”的晶體稱為壓電晶體。常用的壓電晶體有石英、壓電陶瓷等</p><p><b>　　5.2.2結(jié)構(gòu)形式</b></p><p>　　壓電式加速度傳感器 壓電式加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)和安裝壓電式加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)形式</p><p>　　常用的壓電式加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)形式如圖。S是彈簧，M

46、是質(zhì)量塊，B是基座，P是壓電元件，R是夾持環(huán)。圖a是中央安裝壓縮型，壓電元件—質(zhì)量塊—彈簧系統(tǒng)裝在圓形中心支柱上，支柱與基座連接。這種結(jié)構(gòu)有高的共振頻率。然而基座B與測(cè)試對(duì)象連接時(shí)，如果基座B有變形則將直接影響拾振器輸出。此外，測(cè)試對(duì)象和環(huán)境溫度變化將影響壓電元件，并使預(yù)緊力發(fā)生變化， 易引起溫度漂移。圖c為三角剪切形，壓電元件由夾持環(huán)將其夾牢在三角形中心柱上。加速度計(jì)感受軸向振動(dòng)時(shí)，壓電元件承 受切應(yīng)力。這種結(jié)構(gòu)對(duì)底座變形和溫度變化有

47、極好的隔離作用，有較高的共振頻率和良好的線性。圖b為環(huán)形剪切型，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能做成極小型、高共振頻率的加速度計(jì)，環(huán)形質(zhì)量塊粘到裝在中心支柱上的環(huán)形壓電元件上。由于粘結(jié)劑會(huì)隨溫度增高而變軟，因此最高工作溫度受到限制。</p><p><b>　　5.2.3特性曲線</b></p><p>　　加速度計(jì)的使用上限頻率取決于幅頻曲線中的共振頻率</p><

48、p>　　一般小阻尼(z<=0.1)的加速度計(jì)，上限頻率若取為共振頻率的 1/3，便可保證幅值誤差低于1dB（即12%）；若取為共振頻率的1/5，則可保證幅值誤差小于0.5dB（即6%），相移小于30。但共振頻率與加速度計(jì)的固定狀況有關(guān)，加速度計(jì)出廠時(shí)給出的幅頻曲線是在剛性連接的固定情況下得到的。實(shí)際使用的固定方法往往難于達(dá)到剛性連接，因而共振頻率和使用上限頻率都會(huì)有所下降。</p><p>　　5.2

49、.4加速度計(jì)的固定方法</p><p>　　其中采用鋼螺栓固定，是使共振頻率能達(dá)到出廠共振頻率的最好方法。螺栓不得全部擰入基座螺孔，以免引起基座 變形，影響加速度計(jì)的輸出。在安裝面上涂一層硅脂可增加不平整安裝表面的連接可靠性。需要絕緣時(shí)可用絕緣螺栓和云母墊片來(lái) 固定加速度計(jì),但墊圈應(yīng)盡量簿。用一層簿蠟把加速度計(jì)粘在試件平整表面上，也可用于低溫（40℃以下）的場(chǎng)合。手持探針測(cè)振方法,在多點(diǎn)測(cè)試時(shí)使用特別方便，但測(cè)量

50、誤差較大，重復(fù)性差，使用上限頻率一般不高于 1000Hz。用專用永久磁鐵固定加速度計(jì)，使用方便，多在低頻測(cè)量中使用。此法也可使加速度計(jì)與試件絕緣。用硬性粘接螺栓或粘接劑的固定方法也長(zhǎng)使用。某種典型的加速度計(jì)采用上述各種固定方法的共振頻率分別約為：鋼螺栓固定法31kHz，云母墊片28kHz，涂簿蠟層29kHz，手持法2kHz，永久磁鐵固定法7kHz。</p><p>　　5.3 實(shí)際案例分析</p>

51、<p>　　目前最新IBM Thinkpad手提電腦里就內(nèi)置了加速度傳感器，能夠動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)出筆記本在使用中的振動(dòng)，并根據(jù)這些振動(dòng)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會(huì)智能的選擇關(guān)閉硬盤還是讓其繼續(xù)運(yùn)行，這樣可以最大程度的保護(hù)由于振動(dòng)，比如顛簸的工作環(huán)境，或者不小心摔了電腦做造成的硬盤損害，最大程度的保護(hù)里面的數(shù)據(jù)。另外一個(gè)用處就是目前用的數(shù)碼相機(jī)和攝像機(jī)里，也有加速度傳感器，用來(lái)檢測(cè)拍攝時(shí)候的手部的振動(dòng)，并根據(jù)這些振動(dòng)，自動(dòng)調(diào)節(jié)相機(jī)的聚焦。 概括起來(lái)，

52、加速度傳感器可應(yīng)用在控制，手柄振動(dòng)和搖晃，儀器儀表，汽車制動(dòng)啟動(dòng)檢測(cè)，地震檢測(cè)，報(bào)警系統(tǒng)，玩具，結(jié)構(gòu)物、環(huán)境監(jiān)視，工程測(cè)振、地質(zhì)勘探、鐵路、橋梁、大壩的振動(dòng)測(cè)試與分析；鼠標(biāo)，高層建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性和安全保衛(wèi)振動(dòng)偵察上。</p><p>　　5.4 壓電傳感器的發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　在工當(dāng)今世界各國(guó)壓力傳感器的研究領(lǐng)域十分廣泛，幾乎滲透到了各行各業(yè)，但歸納起來(lái)主要有以下五個(gè)趨勢(shì)：

53、 一、小型化目前市場(chǎng)對(duì)小型壓力傳感器的需求越來(lái)越大，這種小型傳感器可以工作在極端惡劣的環(huán)境下，并且只需要很少的保養(yǎng)和維護(hù)，對(duì)周圍的環(huán)境影響也很小，可以放置在人體的各個(gè)重要器官中收集資料，不影響人的正常生活。如美國(guó)Entran公司生產(chǎn)的量程為2～500PSI的傳感器，直徑僅為1.27mm，可以放置在人體的血管中而不會(huì)對(duì)血液的流通產(chǎn)生大的影響。 二、集成化壓力傳感器已經(jīng)越來(lái)越多的與其它測(cè)量用傳感器集成以形成測(cè)量和控制系統(tǒng)。集成系統(tǒng)

54、在過程控制和工廠自動(dòng)化中可提高操作速度和效率 三、智能化由于集成化的出現(xiàn)，在集成電路中可添加一些微處理器，使得傳感器具有自動(dòng)補(bǔ)償、通訊、自診斷、邏輯判斷等功能。 四、廣泛化壓力傳感器的另一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)是正從機(jī)械行業(yè)向其它領(lǐng)域擴(kuò)展，例如：汽車元件、醫(yī)療儀器和能源環(huán)境控制系統(tǒng)。 五、標(biāo)準(zhǔn)化傳感器的設(shè)計(jì)與制造已經(jīng)形成了一定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。如ISO國(guó)際質(zhì)量體系;美國(guó)的ANSI、ASTM標(biāo)準(zhǔn)、俄羅斯的ГOCT、日本的JIS標(biāo)準(zhǔn)。

55、</p><p><b>　　5.5總結(jié)</b></p><p>　　信息處理技術(shù)取得的進(jìn)展以及微處理器和計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，都需要在傳感器的開發(fā)方面有相應(yīng)的進(jìn)展。微處理器現(xiàn)在已經(jīng)在測(cè)量和控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著這些系統(tǒng)能力的增強(qiáng)，作為信息采集系統(tǒng)的前端單元，傳感器的作用越來(lái)越重要。傳感器已成為自動(dòng)化系統(tǒng)和機(jī)器人技術(shù)中的關(guān)鍵部件，作為系統(tǒng)中的一個(gè)結(jié)構(gòu)組成，其

56、重要性變得越來(lái)越明顯。而濕度更是重中之重。</p><p>　　當(dāng)然，在自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域里，傳感器占有了舉足輕重的地位。學(xué)校安排這次課程設(shè)計(jì)是對(duì)我們所學(xué)知識(shí)的一個(gè)檢驗(yàn)與考核，更是對(duì)知識(shí)的鞏固和強(qiáng)化。通過這次課程設(shè)計(jì)，并使我們得到運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)解決實(shí)際問題的初步認(rèn)識(shí)和鍛煉。掌握相關(guān)課題的資料收集、整理；方案的設(shè)計(jì)和對(duì)比；提高學(xué)生的分析、綜合能力以及工程設(shè)計(jì)中計(jì)算和繪圖的基本能力，為后續(xù)的畢業(yè)設(shè)計(jì)和工程實(shí)踐作必要的

57、準(zhǔn)備。</p><p>　　在這次課程設(shè)計(jì)中，我選擇了壓電傳感器。通過這次設(shè)計(jì)，我對(duì)壓電傳感器有了初步的了解，對(duì)其應(yīng)用范圍的廣泛更是嘆為觀止。它的發(fā)展趨勢(shì)同其他傳感器有相同之處，由于隨著社會(huì)的發(fā)展和科技技術(shù)的進(jìn)步，人們不再局限于那些最基本的傳感器，而是朝集成化、智能化發(fā)展。除此之外，我知道了設(shè)計(jì)報(bào)告的格式，這為我以后做畢業(yè)設(shè)計(jì)打下了良好的基礎(chǔ)。</p><p>　　最后，感謝*老師一學(xué)期的

58、悉心教導(dǎo)！雖然我們聽課效率都不是很高，但最終還是對(duì)有關(guān)檢測(cè)方面的知識(shí)了解了一部分。所以，如果以后有機(jī)會(huì)的話，許老師能夠教授我們一些其他方面的知識(shí)。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 楊帆，吳晗平編著.傳感器技術(shù)應(yīng)用.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010</p><p>　　[2] 卿太全，郭明瓊編著.最新傳感器