压电式测力传感器压电式测力传感器.doc

压电式测力传感器的原理及应用 摘要：伴随着电子工程、机械工程、物理学及生物学的发展和需求，传感器微电子技术也逐步的成熟起来，成为一个独立的，设计生物、物理、化学、材料、工程学等领域的新学科。它也将延伸到我们生活的各行各业、方方面面。由于传感器技术的空前发展，其应用领域也不断深入，人们对这方面知识的需求愈显迫切，各种特性，功能各异的传感器也应运而生，例如生物传感器，红外传感器，压电式传感器……，对于这形色功能各异的传感器我们怎样去认识、熟悉它也是一个需要解决的难题，本文将带领我们进入这个新奇的世界，…… 关键词：微电子技术，传感器，压电式测力传感器 1引言：生活中的声控开关、商场中的智能大门、时下正热的红外遥感技术，对这一切就时时刻刻发生我们身边和应用到我们生活中的随口拖出的“神秘”东西，对于这些智能的生活用具到底怎样工作的呢？在这之中我们不得不提到一个重要的幕后操纵者——传感器，什么是传感器，传感器的工作原理及其性能是什么，……，本文将通过介绍传感器中的一种压电式传感器带领我们进入这个神秘的世界，并通过实例的解析去认识它 2 传感器的综述 2.1 传感器的专业术语及系统介绍 传感器：（广义）凡能外界信息并按一定规律转换成便于测量和控制的信息的装置；（狭义） 只有将外界信息按一定规律转换成电量的装置。 传感器的总特性：主要指传感器以及被测对象和后接仪器组成的测量系统的输入和输出的匹 配、传感器的机械特性以及其工作特性。 静态特性：表示传感器在被测量各值处于稳定状态时的输入-输出的关系，其指标是灵敏度、线性度、稳定度迟滞等。 动态特性：指输入随时间变化的特性，它表示传感器对随时间变化的输入量的响应特性。它 取决于传感器本身，另外与被测量的形式有关。 传感器的组成：通常，传感器由敏感元件，传感元件和其他辅助件组成，又是也将信号调节与转换电路、辅助电源作为传感器的组成部分。如下图： 图1-1 传感器组成方块图 敏感元件：直接感受被测量（一般为非电量），并输出与被测量成确定关系的其他量（一般 为电量）的元件。如应变式压力传感器的弹性膜片、热电偶等都为敏感元件。 传感元件：又称变换器，它一般情况下不直接感受被测量，而是将敏感元件的输出量转换为 电量输出的元件。如应变式传感器中的应变片等。 信号调节与辅助电路：能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理和控制的有 用电信号的电路。常用的电路有电桥、放大器、振荡器、阻抗变换器等。 传感器的简单分类：1、按被测量分类； 2、按物理量的典型效应分类。 表1-2 被测量分类 分类 被 测 量 机械 长度、厚度、位移、液面、速度、加速度、旋转角、质量、重量、力、 压力、真空度、力矩、旋转力、风速、流速、流量、振动 音响 声压、噪声 频率 频率、时间 电气 电流、电压、电位、功率、电荷、阻抗、电阻、电容、电感、电磁波 磁性 磁通、磁场 温度 温度、热量、热容 光 照度、光度、彩色、紫外线、红外线、光位移 射线 辐照量、剂量 温度 温度、水分 化学 纯度、浓度、成分、PH值、黏度、密度、气、液、固体分析 生理 心音、血压、血流、脉电波、血流冲击、血液养饱和度、血液气体分压、气流量、速度、体温、心电波、脑电波、肌肉电波、网膜电波、心磁波 信息 模拟、数字量、运算、传递、相关值 表1-3 物理量的典型效应 能量控制型 能量转换性 应变式电阻效应 磁阻效应 热阻效应 光阻效应 磁致伸缩效应 霍尔效应 电离效应 约瑟夫效应 压电效应 磁致伸缩效应 热阻效应 光电动势效应 光电放射效应 热电效应 光子滞后效应 热磁效应 热电磁效应 2.2 压电式测力传感器的性能分析及工作原理 2.2.1 压电式测力传感器的介绍及工作原理 压电效应：某些电介质物体，在沿一定方向对其施加压力和拉力而使之变形时，内部会产生极化现象，同时会在其表面产生电荷。当将外力去掉后，它们又重新回到不带电的状态。这种现象就称为压电效应。 正压电效应：人们把这种机械能转化为电能的现象，就称为正压电效应。 逆压电效应：在电介质的极化方向上施加电场，它会产生机械形变；当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失。这种将电能转换为机械能的现象，称为“逆压电效应”。 定义：具有压电特性的电介质称为压电材料，用压电材料制成的传感器叫做压电传感器。 压电式传感器可以看作是电荷发生器，它又是一个电容器，如图1所示。其电容量为 ……………………………………………………………………（2.1） 式中：——压电式材料的相对介电常数，石英晶体=4.5，钛酸钡=1200； ——