第一篇：振動傳感器的原理和應(yīng)用

振動傳感器的種類豐富，按照工作原理的不同，能分為電渦流式振動傳感器、電感式振動傳感器、電容式振動傳感器、壓電式振動傳感器和電阻應(yīng)變式振動傳感器等。以下是這幾種振動傳感器的工作原理和用途。

1、電渦流式振動傳感器

電渦流式振動傳感器是渦流效應(yīng)為工作原理的振動式傳感器，它屬于非接觸式傳感器。電渦流式振動傳感器是通過傳感器的端部和被測對象之間距離上的變化，來測量物體振動參數(shù)的。電渦流式振動傳感器主要用于振動位移的測量。

2、電感式振動傳感器

電感式振動傳感器是依據(jù)電磁感應(yīng)原理設(shè)計的一種振動傳感器。電感式振動傳感器設(shè)置有磁鐵和導(dǎo)磁體，對物體進行振動測量時，能將機械振動參數(shù)轉(zhuǎn)化為電參量信號。電感式振動傳感器能應(yīng)用于振動速度、加速度等參數(shù)的測量。

3、電容式振動傳感器

電容式振動傳感器是通過間隙或公共面積的改變來獲得可變電容，再對電容量進行測定而后得到機械振動參數(shù)的。電容式振動傳感器可以分為可變間隙式和可變公共面積式兩種，前者可以用來測量直線振動位移，后者可用于扭轉(zhuǎn)振動的角位移測定。

4、壓電式振動傳感器

壓電式振動傳感器是利用晶體的壓電效應(yīng)來完成振動測量的，當(dāng)被測物體的振動對壓電式振動傳感器形成壓力后，晶體元件就會產(chǎn)生相應(yīng)的電荷，電荷數(shù)即可換算為振動參數(shù)。壓電式振動傳感器還可以分為壓電式加速度傳感器、壓電式力傳感器和阻抗頭。

5、電阻應(yīng)變式振動傳感器

電阻應(yīng)變式振動傳感器是以電阻變化量來表達被測物體機械振動量的一種振動傳感器。電阻應(yīng)變式振動傳感器的實現(xiàn)方式很多，可以應(yīng)用各種傳感元件，其中較為常見的是電阻應(yīng)變片。

第二篇：振動傳感器原理與應(yīng)用

振動傳感器原理與應(yīng)用

在高度發(fā)展的現(xiàn)代工業(yè)中，現(xiàn)代測試技術(shù)向數(shù)字化、信息化方向發(fā)展已成必然發(fā)展趨勢，而測試系統(tǒng)的最前端是傳感器，它是整個測試系統(tǒng)的靈魂，被世界各國列為尖端技術(shù)，特別是近幾年快速發(fā)展的IC技術(shù)和計算機技術(shù)，為傳感器的發(fā)展提供了良好與可靠的科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)。使傳感器的發(fā)展日新月益，且數(shù)字化、多功能與智能化是現(xiàn)代傳感器發(fā)展的重要特征。

一、工程振動測試方法

在工程振動測試領(lǐng)域中，測試手段與方法多種多樣，但是按各種參數(shù)的測量方法及測量過程的物理性質(zhì)來分，可以分成三類。

1、機械式測量方法

將工程振動的參量轉(zhuǎn)換成機械信號，再經(jīng)機械系統(tǒng)放大后，進行測量、記錄，常用的儀器有杠桿式測振儀和蓋格爾測振儀，它能測量的頻率較低，精度也較差。但在現(xiàn)場測試時較為簡單方便。

2、光學(xué)式測量方法

將工程振動的參量轉(zhuǎn)換為光學(xué)信號，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)放大后顯示和記錄。如讀數(shù)顯微鏡和激光測振儀等。

3、電測方法

將工程振動的參量轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)電子線路放大后顯示和記錄。電測法的要點在于先將機械振動量轉(zhuǎn)換為電量（電動勢、電荷、及其它電量），然后再對電量進行測量，從而得到所要測量的機械量。這是目前應(yīng)用得最廣泛的測量方法。

上述三種測量方法的物理性質(zhì)雖然各不相同，但是，組成的測量系統(tǒng)基本相同，它們都包含拾振、測量放大線路和顯示記錄三個環(huán)節(jié)。

1、拾振環(huán)節(jié)。把被測的機械振動量轉(zhuǎn)換為機械的、光學(xué)的或電的信號，完成這項轉(zhuǎn)換工作的器件叫傳感器。

2、測量線路。測量線路的種類甚多，它們都是針對各種傳感器的變換原理而設(shè)計的。比如，專配壓電式傳感器的測量線路有電壓放大器、電荷放大器等；此外，還有積分線路、微分線路、濾波線路、歸一化裝置等等。

3、信號分析及顯示、記錄環(huán)節(jié)。從測量線路輸出的電壓信號，可按測量的要求輸入給信號分析儀或輸送給顯示儀器（如電子電壓表、示波器、相位計等）、記錄設(shè)備（如光線示波器、磁帶記錄儀、X—Y 記錄儀等）等。也可在必要時記錄在磁帶上，然后再輸入到信號分析儀進行各種分析處理，從而得到最終結(jié)果。

二、傳感器的機械接收原理

振動傳感器在測試技術(shù)中是關(guān)鍵部件之一，它的作用主要是將機械量接收下來，并轉(zhuǎn)換為與之成比例的電量。由于它也是一種機電轉(zhuǎn)換裝置。所以我們有時也稱它為換能器、拾振器等。

振動傳感器并不是直接將原始要測的機械量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏浚菍⒃家獪y的機械量做為振動傳感器的輸入量，然后由機械接收部分加以接收，形成另一個適合于變換的機械量，最后由機電變換部分再將變換為電量。因此一個傳感器的工作性能是由機械接收部分和機電變換部分的工作性能來決定的。

1、相對式機械接收原理

由于機械運動是物質(zhì)運動的最簡單的形式，因此人們最先想到的是用機械方法測量振動，從而制造出了機械式測振儀（如蓋格爾測振儀等）。傳感器的機械接收原理就是建立在此基礎(chǔ)上的。相對式測振儀的工作接收原理是在測量時，把儀器固定在不動的支架上，使觸桿與被測物體的振動方向一致，并借彈簧的彈性力與被測物體表面相接觸，當(dāng)物體振動時，觸桿就跟隨它一起運動，并推動記錄筆桿在移動的紙帶上描繪出振動物體的位移隨時間的變化曲線，根據(jù)這個記錄曲線可以計算出位移的大小及頻率等參數(shù)。

由此可知，相對式機械接收部分所測得的結(jié)果是被測物體相對于參考體的相對振動，只有當(dāng)參考體絕對不動時，才能測得被測物體的絕對振動。這樣，就發(fā)生一個問題，當(dāng)需要測的是絕對振動，但又找不到不動的參考點時，這類儀器就無用武之地。例如：在行駛的內(nèi)燃機車上測試內(nèi)燃機車的振動，在地震時測量地面及樓房的振動??，都不存在一個不動的參考點。在這種情況下，我們必須用另一種測量方式的測振儀進行測量，即利用慣性式測振儀。

2、慣性式機械接收原理

慣性式機械測振儀測振時，是將測振儀直接固定在被測振動物體的測點上，當(dāng)傳感器外殼隨被測振動物體運動時，由彈性支承的慣性質(zhì)量塊將與外殼發(fā)生相對運動，則裝在質(zhì)量塊上的記錄筆就可記錄下質(zhì)量元件與外殼的相對振動位移幅值，然后利用慣性質(zhì)量塊與外殼的相對振動位移的關(guān)系式，即可求出被測物體的絕對振動位移波形。

三、振動傳感器的機電變換原理

一般來說，振動傳感器在機械接收原理方面，只有相對式、慣性式兩種，但在機電變換方面，由于變換方法和性質(zhì)不同，其種類繁多，應(yīng)用范圍也極其廣泛。

在現(xiàn)代振動測量中所用的傳感器，已不是傳統(tǒng)概念上獨立的機械測量裝置，它僅是整個測量系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，且與后續(xù)的電子線路緊密相關(guān)。

由于傳感器內(nèi)部機電變換原理的不同，輸出的電量也各不相同。有的是將機械量的變化變換為電動勢、電荷的變化，有的是將機械振動量的變化變換為電阻、電感等電參量的變化。一般說來，這些電量并不能直接被后續(xù)的顯示、記錄、分析儀器所接受。因此針對不同機電變換原理的傳感器，必須附以專配的測量線路。測量線路的作用是將傳感器的輸出電量最后變?yōu)楹罄m(xù)顯示、分析儀器所能接受的一般電壓信號。因此，振動傳感器按其功能可有以下幾種分類方法：

按機械接收原理分：相對式、慣性式；

按機電變換原理分：電動式、壓電式、電渦流式、電感式、電容式、電阻式、光電式；

按所測機械量分：位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、力傳感器、應(yīng)變傳感器、扭振傳感器、扭矩傳感器。

以上三種分類法中的傳感器是相容的。

1、相對式電動傳感器

電動式傳感器基于電磁感應(yīng)原理，即當(dāng)運動的導(dǎo)體在固定的磁場里切割磁力線時，導(dǎo)體兩端就感生出電動勢，因此利用這一原理而生產(chǎn)的傳感器稱為電動式傳感器。

相對式電動傳感器從機械接收原理來說，是一個位移傳感器，由于在機電變換原理中應(yīng)用的是電磁感應(yīng)電律，其產(chǎn)生的電動勢同被測振動速度成正比，所以它實際上是一個速度傳感器。

2、電渦流式傳感器

電渦流傳感器是一種相對式非接觸式傳感器，它是通過傳感器端部與被測物體之間的距離變化來測量物體的振動位移或幅值的。電渦流傳感器具有頻率范圍寬（0～10 kHZ），線性工作范圍大、靈敏度高以及非接觸式測量等優(yōu)點，主要應(yīng)用于靜位移的測量、振動位移的測量、旋轉(zhuǎn)機械中監(jiān)測轉(zhuǎn)軸的振動測量。

3、電感式傳感器

依據(jù)傳感器的相對式機械接收原理，電感式傳感器能把被測的機械振動參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換成為電參量信號的變化。因此，電感傳感器有二種形式，一是可變間隙，二是可變導(dǎo)磁面積。

4、電容式傳感器

電容式傳感器一般分為兩種類型。即可變間隙式和可變公共面積式?？勺冮g隙式可以測量直線振動的位移?？勺兠娣e式可以測量扭轉(zhuǎn)振動的角位移。

5、慣性式電動傳感器

慣性式電動傳感器由固定部分、可動部分以及支承彈簧部分所組成。為了使傳感器工作在位移傳感器狀態(tài)，其可動部分的質(zhì)量應(yīng)該足夠的大，而支承彈簧的剛度應(yīng)該足夠的小，也就是讓傳感器具有足夠低的固有頻率。

根據(jù)電磁感應(yīng)定律，感應(yīng)電動勢為：u=Blx&r

式中B為磁通密度，l為線圈在磁場內(nèi)的有效長度，r x&為線圈在磁場中的相對速度。

從傳感器的結(jié)構(gòu)上來說，慣性式電動傳感器是一個位移傳感器。然而由于其輸出的電信號是由電磁感應(yīng)產(chǎn)生，根據(jù)電磁感應(yīng)電律，當(dāng)線圈在磁場中作相對運動時，所感生的電動勢與線圈切

割磁力線的速度成正比。因此就傳感器的輸出信號來說，感應(yīng)電動勢是同被測振動速度成正比的，所以它實際上是一個速度傳感器。

6、壓電式加速度傳感器

壓電式加速度傳感器的機械接收部分是慣性式加速度機械接收原理，機電部分利用的是壓電晶體的正壓電效應(yīng)。其原理是某些晶體（如人工極化陶瓷、壓電石英晶體等，不同的壓電材料具有不同的壓電系數(shù)，一般都可以在壓電材料性能表中查到。）在一定方向的外力作用下或承受變形時，它的晶體面或極化面上將有電荷產(chǎn)生，這種從機械能（力，變形）到電能（電荷，電場）的變換稱為正壓電效應(yīng)。而從電能（電場，電壓）到機械能（變形，力）的變換稱為逆壓電效應(yīng)。

因此利用晶體的壓電效應(yīng)，可以制成測力傳感器，在振動測量中，由于壓電晶體所受的力是慣性質(zhì)量塊的牽連慣性力，所產(chǎn)生的電荷數(shù)與加速度大小成正比，所以壓電式傳感器是加速度傳感器。

7、壓電式力傳感器

在振動試驗中，除了測量振動，還經(jīng)常需要測量對試件施加的動態(tài)激振力。壓電式力傳感器具有頻率范圍寬、動態(tài)范圍大、體積小和重量輕等優(yōu)點，因而獲得廣泛應(yīng)用。壓電式力傳感器的工作原理是利用壓電晶體的壓電效應(yīng)，即壓電式力傳感器的輸出電荷信號與外力成正比。

8、阻抗頭

阻抗頭是一種綜合性傳感器。它集壓電式力傳感器和壓電式加速度傳感器于一體，其作用是在力傳遞點測量激振力的同時測量該點的運動響應(yīng)。因此阻抗頭由兩部分組成，一部分是力傳感器，另一部分是加速度傳感器，它的優(yōu)點是，保證測量點的響應(yīng)就是激振點的響應(yīng)。使用時將小頭（測力端）連向結(jié)構(gòu)，大頭（測量加速度）與激振器的施力桿相連。從“力信號輸出端”測量激振力的信號，從“加速度信號輸出端”測量加速度的響應(yīng)信號。

注意，阻抗頭一般只能承受輕載荷，因而只可以用于輕型的結(jié)構(gòu)、機械部件以及材料試樣的測量。無論是力傳感器還是阻抗頭，其信號轉(zhuǎn)換元件都是壓電晶體，因而其測量線路均應(yīng)是電壓放大器或電荷放大器。

9、電阻應(yīng)變式傳感器

電阻式應(yīng)變式傳感器是將被測的機械振動量轉(zhuǎn)換成傳感元件電阻的變化量。實現(xiàn)這種機電轉(zhuǎn)換的傳感元件有多種形式，其中最常見的是電阻應(yīng)變式的傳感器。

電阻應(yīng)變片的工作原理為：應(yīng)變片粘貼在某試件上時，試件受力變形，應(yīng)變片原長變化，從而應(yīng)變片阻值變化，實驗證明，在試件的彈性變化范圍內(nèi)，應(yīng)變片電阻的相對變化和其長度的相對變化成正比。

第三篇：傳感器原理與應(yīng)用

傳感器原理與應(yīng)用（專業(yè)限選課）

Principle and Application of Sensor

【課程編號】XZ260111

【學(xué)分?jǐn)?shù)】2

【學(xué)時數(shù)】24+6+9（實驗課時）【課程類別】專業(yè)限選 【編寫日期】2010.3.30 【先修課程】電路分析、模電、數(shù)電

【適用專業(yè)】電子信息工程類

一、教學(xué)目的、任務(wù)

《傳感器原理和應(yīng)用》是電子及自動化專業(yè)的一門專業(yè)課。它有較強的實際應(yīng)用價值。通過學(xué)習(xí)本課程使學(xué)生掌握各類傳感器的基本原理、主要性能及其結(jié)構(gòu)特點；能合理地選擇和使用傳感器； 掌握常用傳感器的工程設(shè)計方法和實驗研究方法；了解傳感器的發(fā)展動向。

二、課程教學(xué)的基本要求

現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱是傳感器技術(shù)﹑通信技術(shù)和計算機技術(shù)，它們分別構(gòu)成了信息系統(tǒng)的“感官”、“神經(jīng)”和“大腦”。在機械工程中,傳感器對于機械電子、測量、控制、計量等領(lǐng)域都是必不可少的獲取信息的關(guān)鍵部件。

鑒于上述認(rèn)識并考慮學(xué)科特色,在本課程有限學(xué)時內(nèi),要求學(xué)生重點掌握下列幾方面的知識：⑴傳感器的基本概念﹑術(shù)語和特性；⑵常用傳感器的原理、結(jié)構(gòu)和應(yīng)用；⑶傳感器測量電路；⑷傳感器的典型應(yīng)用。

三、教學(xué)內(nèi)容和學(xué)時分配

第1章 傳感與檢測技術(shù)的理論基礎(chǔ)自學(xué)

主要內(nèi)容：

1.1測量概論

1.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理

教學(xué)要求：

了解測量的基本概念，測量系統(tǒng)的特性，測量誤差及數(shù)據(jù)處理的各種方法。

第2章 傳感器概述2學(xué)時

2.1傳感器的組成與分類

2.2傳感器的基本特性

教學(xué)要求：

熟悉傳感器的輸出--輸入特性與內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)的外部特性，掌握其靜態(tài)特性，動態(tài)特性的分析方法。

第3章 應(yīng)變式傳感器4學(xué)時

主要內(nèi)容：

3.1 工作原理

3.2 應(yīng)變片的種類、材料及粘貼

3.3 電阻應(yīng)變片的特性

3.4 電阻應(yīng)變片的測量電路

3.5 應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用

教學(xué)要求：

熟悉應(yīng)變片傳感器的工作原理及外部特性，了解其應(yīng)用范圍，掌握測量電路的分析方法。其它教學(xué)環(huán)節(jié)：實驗一應(yīng)變片性能測試實驗3學(xué)時

實驗性質(zhì)：驗證性實驗

實驗內(nèi)容：金屬箔式應(yīng)變片性能——單臂電橋、半橋和全橋。

實驗?zāi)康呐c要求：掌握使用金屬箔式應(yīng)變片組成單臂電橋、半橋和全橋的方法，了解在不同電路

形式時電路的輸出特性。

注意要點：確保接線正確，電源電壓不能用錯。

第4章 電感式傳感器3 學(xué)時

主要內(nèi)容：

4.1自感式電感傳感器

4.2差動變壓器式傳感器

4.3電渦流式傳感器

教學(xué)要求：

了解電感式傳感器的應(yīng)用范圍，工作特點，掌握其組成的各種測量電路的分析方法及組成特點。其它教學(xué)環(huán)節(jié)：實驗二電渦流式傳感器的靜態(tài)位移性能3學(xué)時

實驗性質(zhì)：設(shè)計性實驗

實驗內(nèi)容：電渦流式傳感器的工作原理和工作情況，動手自制一個渦流探頭，利用實驗室放大器

及振蕩器對不同被測材料（即混料）進行分選。

實驗?zāi)康呐c要求：研究電渦流傳感器特性，被測材料（物質(zhì)）對傳感器的特性的影響以及電渦流

傳感器的應(yīng)用。

注意要點：確保接線正確，激勵、響應(yīng)線圈不能用錯。

第5章電容式傳感器3 學(xué)時

主要內(nèi)容：

5.1電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)

5.2電容式傳感器的靈敏度及非線性

5.3電容式傳感器的等效電路

5.4電容式傳感器的測量電路

5.5電容式傳感器的應(yīng)用

教學(xué)要求：

熟悉電容式傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)，掌握其在非電量測量與自動檢測中的應(yīng)用。

其它教學(xué)環(huán)節(jié)：實驗三 變面積式電容傳感器的性能1學(xué)時

實驗性質(zhì)：驗證性實驗

實驗內(nèi)容：變面積式電容傳感器的工作原理和工作情況。

實驗?zāi)康呐c要求：熟悉變面積式電容傳感器的工作原理和工作情況；研究差動式電容傳感器特性。注意要點：確保接線正確，電源電壓不能用錯。

第6章 壓電式傳感器3 學(xué)時

主要內(nèi)容：

6.1壓電效應(yīng)及壓電材料

6.2 壓電式傳感器測量電路

6.3 壓電式傳感器的應(yīng)用

教學(xué)要求：

了解壓電式傳感器具有的特點及其應(yīng)用范圍，掌握其組成的測量電路分析及應(yīng)用。

第7章 磁電式傳感器4學(xué)時

主要內(nèi)容：

7.1磁電感應(yīng)式傳感器

7.2 霍爾式傳感器

教學(xué)要求：

掌握磁電式傳感器的各種不同類型及應(yīng)用范圍。

其它教學(xué)環(huán)節(jié)：實驗四 霍爾傳感器特性研究及應(yīng)用2學(xué)時

實驗性質(zhì)：驗證性實驗

實驗內(nèi)容：霍爾傳感器在交、直流信號激勵下的特性。

實驗?zāi)康呐c要求：了解霍爾傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理；實驗研究霍爾傳感器在交、直流信號激勵

下的特性；掌握霍爾傳感器測量振幅和稱重應(yīng)用的實驗方法。

注意要點：確保接線正確，電源電壓不能超出規(guī)定值。

第8章 光電式傳感器3 學(xué)時

主要內(nèi)容：

8.1光電器件

8.2光纖傳感器

教學(xué)要求：

熟悉典型的光電器件的特性和應(yīng)用，了解光纖傳感器及其技術(shù)發(fā)展方向，掌握紅外傳感器的應(yīng)用。

第9章 半導(dǎo)體傳感器2學(xué)時

主要內(nèi)容：

9.1半導(dǎo)體氣敏傳感器

9.2濕敏傳感器

9.3色敏傳感器

9.4半導(dǎo)體式傳感器的應(yīng)用

教學(xué)要求：

了解以半導(dǎo)體材料組成的各種傳感器及其它們的工作原理，掌握氣敏、濕敏、色敏傳感器在測量電路中的應(yīng)用及其電路分析。

第10章 超聲波傳感器2學(xué)時

主要內(nèi)容：

10.1超聲波及其物理性質(zhì)

10.2超聲波傳感器

10.3超聲波傳感器應(yīng)用用

教學(xué)要求：

熟悉超聲波傳感器的工作原理及其物理性質(zhì)，掌握超聲波傳感器的應(yīng)用。

第11章 微波傳感器1學(xué)時

主要內(nèi)容：

11.1微波概述

11.2微波傳感器的原理和組成11．3微波傳感器的應(yīng)用

教學(xué)要求：

了解壓電式傳感器具有的特點及其應(yīng)用范圍，掌握其組成的測量電路分析及應(yīng)用。

第12章 輻射式傳感器1 學(xué)時

主要內(nèi)容：

12.1紅外傳感器

12.2核輻射傳感器

教學(xué)要求：

了解輻射式傳感器的特性及應(yīng)用。

第13章 數(shù)字式傳感器自學(xué)

主要內(nèi)容：

13.1光柵傳感器

13.2編碼器

13.3感應(yīng)同步器

教學(xué)要求：

了解數(shù)字式傳感器的特點及應(yīng)用。

第14章 智能式傳感器自學(xué)

主要內(nèi)容：

14.1概述

14.2傳感器的智能化

14.3集成智能傳感器

教學(xué)要求：

了解集成智能感器的特性及應(yīng)用。

第15章 傳感器在工程檢測中的應(yīng)用4學(xué)時

主要內(nèi)容：

15.1溫度測量

15.2壓力測量

15.3流量測量

15.4物位測量

教學(xué)要求：

了解熱電偶的結(jié)構(gòu)和原理、熱電效應(yīng)的構(gòu)成成份。掌握熱電偶的基本定律、冷端補償方法、測量計算方法。了解熱電阻的工作原理、結(jié)構(gòu)，掌握應(yīng)用方法。了解傳感器在工程檢測中的作用及其應(yīng)用。

四、教學(xué)重點、難點及教學(xué)方法

重點：各種常見的、應(yīng)用廣泛的傳感器的基本原理、基本特性、轉(zhuǎn)換電路以及工程應(yīng)用，及分析、設(shè)計方法。以課堂講授為主，通過實驗加深對所學(xué)各類傳感器的性能及工作原理理解。

難點：各種傳感器的特性分析。

五、考核方式及成績評定方式：

考核方式：考查，六、教材及參考書目

推薦教材：

《傳感器原理及工程應(yīng)用》（第三版），郁有文等編著，西安科技大學(xué)出版社，2008年參考書：

1．王化祥，《傳感器原理與應(yīng)用》，天津大學(xué)出版社，第七版，2003

3．劉君華，《智能傳感器系統(tǒng)》，西安電子科技大學(xué)出版社，第一版，1999

4．單成祥，《傳感器的理論與設(shè)計基礎(chǔ)及其應(yīng)用》，國防工業(yè)出版社，1999

4．趙負(fù)圖，《現(xiàn)代傳感器集成電路》，人民郵電出版社，2000

修（制）訂人：審核人：

2010年 3 月30日

第四篇：壓電傳感器原理及其應(yīng)用

壓電傳感器原理及其應(yīng)用

摘要：壓電式傳感器，作為傳感器的一種，它具有自己鮮明的特點。而且除了一些自然界中的晶體材料外，我們還有人工材料壓電陶瓷。它們的應(yīng)用也十分的廣泛，在聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、宇航、振動測量、機械沖擊都有不錯的涉及。

關(guān)鍵字： 壓電傳感器

壓電原理

應(yīng)用

壓電現(xiàn)象是100多年前居里兄弟研究石英時發(fā)現(xiàn)的。居里兄弟在研究熱電性與晶體對稱，發(fā)現(xiàn)正負(fù)電荷，而且電荷密度與壓力大小成正比。居里兄弟所報道的這些晶體就有后來廣為研究的鐵電體酒石酸鉀鈉（羅息鹽）。1881年，應(yīng)用熱力學(xué)原理預(yù)言了逆壓電效應(yīng)，即電場可以引起與之成正比的應(yīng)變。很快這一預(yù)言被居了里兄弟用實驗所證實了。自發(fā)現(xiàn)壓電效應(yīng)以來，這種類型的壓電傳感器就廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。經(jīng)過多年的發(fā)展，壓電傳感器的材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝都有了很大的進步。而這些對改善傳感器的性能起到了至關(guān)重要的作用。

一． 壓電傳感器的工作原理

1.壓電原理

一些離子型晶體的電介質(zhì)（如石英、酒石酸鉀鈉、鈦酸鋇等）不僅在電場力作用下，而且在機械力作用下，都會產(chǎn)生極化現(xiàn)象。即：在這些電介質(zhì)的一定方向上施加機械力而產(chǎn)生變形時，就會引起它內(nèi)部正負(fù)電荷中心相對轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生電的極化，從而導(dǎo)致其兩個相對表面（極化面）上出現(xiàn)符號相反的束縛電荷，且其電位移D（在MKS單位制中即電荷密度σ）與外應(yīng)力張量T成正比；當(dāng)外力消失，又恢復(fù)不帶電原狀；當(dāng)外力變向，電荷極性隨之而變。這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)，或簡稱壓電效應(yīng)。

基于壓電效應(yīng)人們研究出一種可以自發(fā)電式和機電轉(zhuǎn)換式傳感器。它的敏感元件由壓電材料制成。壓電材料受力后表面產(chǎn)生電荷。此電荷經(jīng)電荷放大器和測量電路放大和變換阻抗后就成為正比于所受外力的電量輸出。壓電式傳感器用于測量力和能變換為力的非電物理量。壓電效應(yīng)是壓電傳感器的主要工作原理，壓電傳感器不能用于靜態(tài)測量，因為經(jīng)過外力作用后的電荷，只有在回路具有無限大的輸入阻抗時才得到保存。實際的情況不是這樣的，所以這決定了壓電傳感器只能夠測量動態(tài)的應(yīng)力。2.壓電材料

在自然界中，大多數(shù)的材料都具有壓電效應(yīng)，但是十分微弱。隨著人們對壓電材料的不斷研究與發(fā)現(xiàn)，壓電材料性能得以大大的提高。新型壓電材料的研制成功極大地推動了壓電傳感器的進步。從最開始的石英到BaTi03壓電陶瓷，錯欽酸鉛(PZT)壓電陶瓷，再到壓電聚合物如聚偏二氟乙烯(PVDF)等新型壓電材料。單晶技術(shù)的進展培育了許多實用化的壓電材料，薄膜工藝的進展為壓電器件的平面化、集成化創(chuàng)造了條件。壓電材料的這一系列進步為設(shè)計大量高性能的壓電元件提供了技術(shù)保障。

二． 壓電傳感器的應(yīng)用及發(fā)展

1.壓電式測力傳感器

壓電式測力傳感器是利用壓電元件直接實現(xiàn)力-電轉(zhuǎn)換的傳感器，在拉、壓場合，通常較多采用雙片或多片石英晶體作為壓電元件。其剛度大，測量范圍寬，線性及穩(wěn)定性高，動態(tài)特性好。當(dāng)采用大時間常數(shù)的電荷放大器時，可測量準(zhǔn)靜態(tài)力。按測力狀態(tài)分，有單向、雙向和三向傳感器，它們在結(jié)構(gòu)上基本一樣。例如壓電式單向測力傳感器。該傳感器適用于機床動態(tài)切削力的測量。主體包括絕緣套.基座.電極.石英晶片.上蓋。絕緣套用來絕緣和定位?；鶅?nèi)外底面對其中心線的垂直度、上蓋及晶片、電極的上下底面的平行度與表面光潔度都有極嚴(yán)格的要求，否則會使橫向靈敏度增加或使片子因應(yīng)力集中而過早破碎。為提高絕緣阻抗，傳感器裝配前要經(jīng)過多次凈化（包括超聲波清洗），然后在超凈工作環(huán)境下進行裝配，加蓋之后用電子束封焊。2.壓電式加速度傳感器

壓電式加速度傳感器又稱壓電加速度計。它也屬于慣性式傳感器。它是利用某些物質(zhì)如石英晶體的壓電效應(yīng)，在加速度計受振時，質(zhì)量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。當(dāng)被測振動頻率遠(yuǎn)低于加速度計的固有頻率時，則力的變化與被測加速度成正比。

電荷輸出壓電加速度傳感器，采用剪切和中心壓縮結(jié)構(gòu)形式。其原理利用壓電晶體的電荷輸出與所受的力成正比，而所受的力在敏感質(zhì)量一定的情況下與加速度值成正比。在一定條件下，壓電晶體受力后產(chǎn)生的電荷量與所感受到的加速度值成正比。

國內(nèi)在壓電加速度傳感器方面的研究起步較晚，且結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝水平落后于國外。目前國內(nèi)壓電傳感器的主要結(jié)構(gòu)是中心壓縮型，較好的高沖擊壓電加速度傳感器(中心壓縮型)樣機的主要技術(shù)指標(biāo)為:最大沖擊加速度100,000g，最高頻響8kHz。在壓電加速度傳感器的研制方面，北戴河億柏傳感器技術(shù)研究所和西安204所做得較好。3.壓電傳感器用于報警裝置

玻璃破碎報警裝置它利用壓電元件對振動敏感的特性來感知玻璃受撞擊和破碎時產(chǎn)生的振動波。傳感器把振動波轉(zhuǎn)換成電壓輸出，輸出電壓經(jīng)放大、濾波、比較等處理后提供給報警系統(tǒng)。玻璃破碎時會發(fā)出幾千赫茲至幾十千赫茲的振動，使用時將高分子壓電薄膜傳感器粘貼在玻璃上，感受這一振動，然后通過電纜和報警電路相連，將壓電信號傳送給集中報警系統(tǒng)。為了提高報警器的靈敏度，信號經(jīng)放大后，再經(jīng)帶通濾波器進行濾波，要求它對選定的頻譜通帶的衰減要小，而頻帶外衰減要盡量大。玻璃振動的波長在音頻和超聲波的范圍內(nèi)，這就使濾波器成為電路中的關(guān)鍵。只有當(dāng)傳感器輸出信號高于設(shè)定的閾值時，才會輸出報警信號，驅(qū)動報警執(zhí)行機構(gòu)工作。玻璃破碎報警器可廣泛用于文物保管、貴重商品保管及其他商品柜臺保管等場合 4.壓電陶瓷應(yīng)用

壓電陶瓷具有極高的靈敏度，壓電高壓發(fā)生器利用正壓效應(yīng)可以把振動轉(zhuǎn)換成電能，還可以獲得高電壓輸出。這種獲得高電壓的方法可以用來做引燃裝置，如給汽車火花塞、煤氣灶、打火機、炮彈的引爆壓電雷管等點火。

壓電傳感器發(fā)展迅速，當(dāng)今世界各國壓力傳感器的研究領(lǐng)域也十分廣泛。歸納起來主要有以下幾個趨勢。（1）小型化。小型化會帶來很多好處，重量輕、體積小、分辨率高，便于安裝 在很小的地方對周圍器件影響小，也利于微型儀器、儀表的配套使用。（2）集成化。壓力傳感器已經(jīng)越 來越多的與其它測量用傳感器集成以形成測量 和控制系統(tǒng)，集成系統(tǒng)在過 程控制和工廠自動化中可以提高操作速度和效率。（3）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 感器具有自動補償、通訊、自診斷、邏輯判斷等功能。（4）系統(tǒng)化。單一化產(chǎn)品在市場上沒有大的競爭力。市場風(fēng)云突變，一旦失去 市場，發(fā)展則停滯不前，經(jīng)濟效益差，資金浪費大，產(chǎn)品成本高。（5）標(biāo)準(zhǔn)化。傳感器的設(shè)計與制造已經(jīng)形成了一定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。如 IEC、ISO 國際標(biāo)準(zhǔn)，美國的 ANSIC、ANSC、MIL-T 和 ASTME 標(biāo)準(zhǔn)，日本 JIS 標(biāo)準(zhǔn)，法國 DIN 標(biāo)準(zhǔn)。

三、總結(jié)

壓電式傳感器，作為傳感器的一種，它具有自己鮮明的特點。而且除了一些自然界中的晶體材料外，我們還有人工材料壓電陶瓷。它們的應(yīng)用也十分的廣泛，在聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、宇航、振動測量、機械沖擊都有不錯的涉及。

但是，壓電傳感器在擁有眾多優(yōu)點的同時，也存在著許多缺點，展望今后的研究重點，可能會有以下幾個方面：(1)從研究的成果來看，理論研究離工程實用還有一定的差距，工程實用化方面研究也相當(dāng)薄弱，具體表現(xiàn)在理論及仿真研究較多，而實驗驗證相對較少，研究對象以簡單的梁板結(jié)構(gòu)較多，對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的研究還相當(dāng)欠缺。(2)壓電元件非線性特性的研究。由于壓電材料的極化特性，壓電系統(tǒng)只能在一定范圍內(nèi)滿足近似的線性要求，并容易受外界多種環(huán)境的影響。非線性特性的存在使壓電元件重復(fù)性差、檢測精度低，瞬態(tài)位置響應(yīng)速度慢，可控性變差，成為壓電元件進一步工程應(yīng)用的主要障礙之一。為減小這種非線性特性所造成的不良影響，更好地發(fā)揮壓電元件的性能，國內(nèi)外很多科研機構(gòu)從壓電元件非線性特性形成機理、外環(huán)及內(nèi)環(huán)非線性特性及控制方法等方面開展了相關(guān)研究。(3)壓電材料的壓電特性有待于進一步提高，這使得壓電材料的應(yīng)用受到極大限制。各國學(xué)者正在努力開發(fā)，一旦找到一種優(yōu)異的壓電材料，將會取代傳統(tǒng)的、笨重的機電換能設(shè)備，如電動機、馬達等。到那時，壓電研究將會全方位地發(fā)展，甚至可能影響到我們生活的各個方面。我相信隨著科技的發(fā)展，人工材料會制作的更加完美，壓電式傳感器會更加適合人們的要求。壓電式傳感器和科技將會互相推動互相發(fā)展。

第五篇：傳感器原理與應(yīng)用復(fù)習(xí)

例1：量程為150V的0.5級電壓表和量程為30V的1.5級電壓表，分別測量20V電壓，問哪個測量精度高？

例2：某壓力表精度為1.5級，量程為0～2.0MPa，測量結(jié)果顯示為1.2MPa，求1）最大引用誤差δnm；2）可能出現(xiàn)的最大絕對誤差Δm；3）示值相對誤差δx＝？

例3：一差動變壓器式位移傳感器，在位移變化1mm時，輸出電壓變化1200mv，問位移傳感器的靈敏度是多少？

例4：機械式指針位移傳感器，當(dāng)輸入信號有0.01mm的位移變化量式，指針位移10mm，求位移傳感器的靈敏度？

例5：進行某動態(tài)壓力測量時，所采用的壓電式力傳感器的靈敏度為90.9nC/Mpa，將它與增益為0.005V/nC的電荷放大器相連，而電荷放大器的輸出接到一臺筆式記錄儀上，記錄儀的靈敏度為20mm/V。試計算這個測量系統(tǒng)的總靈敏度。當(dāng)壓力變化為3.5MPa時，記錄筆在記錄紙上的偏移量是多少？

例6：有一只變極距電容傳感元件，兩極板重疊有效面積為，兩極板間的距離為1mm，已知空氣的相對介電常數(shù)是1，真空中介電常數(shù)為8.85×10-12F/m,試計算該傳感器的位移靈敏度。

例7：粘貼在鋼件上的康銅電阻絲應(yīng)變片，其靈敏度為2，電阻溫度系數(shù)為20×10-6/oC，敏感柵材料的線膨脹系數(shù)為15×10-6/oC，鋼件的線線膨脹系數(shù)為11×10-6/oC，彈性模量E為2×1011N/m2,求：（1）當(dāng)環(huán)境溫度變化為10oC時，應(yīng)變熱輸出為多少？相當(dāng)于試件產(chǎn)生多大應(yīng)力？

（2）當(dāng)=1000uε時，由于熱輸出產(chǎn)生的溫度誤差γt是多少？

例8：半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏度為120，電阻為120歐姆，金屬電阻應(yīng)變片的靈敏度為2，電阻為120歐姆，單臂非線性誤差不大于0.1，求：它們可測的最大應(yīng)變?yōu)槎嗌伲?/p>