压电式传感器论文.doc

压电式传感器的应用——压电式加速度传感器目录摘要.......................................引言.......................................三、关键词.....................................压电式加速传感器原理.......................压电式加速传感器构成.......................压电式加速度传感器的灵敏度....................等效电路...................................应用背景及实例.............................九、总结.......................................一、摘要压电式加速传感器是压电式传感器中应用最广泛的传感器之一。近年来压电式加速传感器得到了较大的发展本文重点讲解了压电式加速传感器的原理及构成元件并对压电式传感器在实际生产生活中的应用做介绍。引言压电效应（piezoelectriceffect）是由居里兄弟皮尔（P·Curie）与杰克斯（J·Curie）在1880年发现的。1880年杰克斯在实验室发现了压电性。起先皮尔致力于焦电现象（pyroelectriceffect）与晶体对称性关系的研究后来兄弟俩却发现在某一类晶体中施以压力会有电性产生。他们又系统的研究了施压方向与电场强度间的关系及预测某类晶体具有压电效应。经他们实验而发现具有压电性的材料有：闪锌矿、钠氯酸盐、电气石、石英、酒石酸、蔗糖、方硼石、异极矿、黄晶及若歇尔盐。这些晶体都具有各向异性结构各向同性材料是不会产生压电性的。（摘自百度百科）关键词压电式加速传感器、压电原理、压电效应、石英、压电陶瓷等。压电式加速传感器原理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。下图4为压缩式压电加速度传感器的结构原理图。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。由于压电式传感器的输出电信号是微弱的电荷而且传感器本身有很大内阻故输出能量甚微这给后接电路带来一定困难。为此通常把传感器信号先输出到高输入阻抗的前置放大器经过阻抗变换后方可用于一般的放大、检测电路将信号输出给指示仪表或记录器。图4压缩式压电加速度传感器的结构原理图五、压电式加速度传感器构成常用的压电式加速度计的结构形式如图5所示。压电元件由两片压电片(石英晶体片或压电陶瓷片）组成。4是弹簧3是质块2是压电元件1是基座。图5（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与测试对象连接时如果基座有变形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引起温度漂移。图5(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。它的底座向上延伸如同一根圆柱管式压电元件（极化方向平行于轴线）套在这根圆柱上压电元件上再套上惯性质量环。剪切式加速度传感器的工作原理是：如传感器感受向上的振动由于惯性力的作用使质量环保持滞后。这样在压电元件中就出现剪切应力使其产生剪切形变从而在压电元件的内外表面上就产生电荷其电场方向垂直于极化方向。如果某瞬时传感器感受向下的运动则压电元件的内外表面上的电荷极性相反。这种结构型式的传感器纵向灵敏度大横向灵敏度小而且能减小基座应变的影响。由于质量-弹簧系统与外壳隔开因此声学噪声和温度冲击等环境影响也比较小。剪切式传感器具有很高的固有频率所以频响范围很宽特别是适用于高频振动的测量。此外由于压电元件与中心柱之间以及惯性质量环与压电元件之间要用导电胶粘结要求一次装配成功因此成品率较低。更主要的是因为用导电胶粘结所以在高温环境中使用就有困难了。剪切加速度传感器是一种很有发展前途的传感器。目前优质的剪切式加速度传感器同压缩式加速度传感器相比横向灵敏度小一半灵敏度瞬时温度冲击和基座弯曲应变效应的影响都小得多。因此剪切式传感器有代替压缩式的趋势。图5（c）为倒装中心配合压缩式由于中心柱离开基座所以避免了基座应变引起的误差。但由于壳体是质量—弹簧系统的一个组成部分所以壳体的谐振会使传感器的谐振频率有所降低以至于减小传感器的频响范围。另外这种型式的传感器的加工和装配也比较困难在这是它的主要缺点。（a）中