1、 第 页，共 8 页1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
2、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
3、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
4、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、处理和控制的电量 被测量 敏感元件 传感元件 信号调节与转换电路辅助电源第 页，共 8 页2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、
5、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 能量转换性几 何 尺 寸 的 控 制电 容电 感电 阻 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
6、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” 。第 页，共 8 页3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
7、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）A0C式中： 压电式材料的相对介电常数，石英晶体 =4.5，钛酸钡 =1200；真空介电常数， =8.85 10-12F/m；00极板间距离；极板面积。A在图所示压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀形成金属膜，构成两个电极， 为施加在F晶片上的外力。实验已证明压电体表面积聚的电荷与作用力成正比。图 2-1 压电式测力传感器的模型压电式传感器接入电路等效电路图，如下图所示：其中 Cc 为连接电缆的寄生电容形成的传感器的并生电容，R 0后续电路的输入阻抗和传感器中漏电阻形成的泄漏电阻。图
8、2-2 传感器等效电路2.2.2 压电式测力传感器的材料及性能分析具有压电效应的电介质称为压电材料，典型的压电材料有石英晶体、压电陶瓷和高分子压电材料等。（1）石英晶体的压电效应 F 金属板FaCcQ 0R第 页，共 8 页4图 2-3 石英晶体的结构图轴电轴，垂直于 轴晶面上的压电效应最显著；xx轴机械轴，在电场作用下，此轴的机械变形最显著；y轴光轴（中性轴） ，该轴方向上无压电效应。z1、纵向压电效应纵向压电效应是沿着 轴对晶体施加力时，在垂直于 轴的表面上产生电荷，如图（A） 、xx（B）所示，产生的电荷与作用力的大小成正比，与晶片尺寸无关。2、横向压电效应横向压电效应是沿着 轴对晶体施
9、加力时，在垂直于 轴的表面上产生电荷，如图（C） 、y（D）所示，产生的电荷与作用力的大小成正比，与晶片尺寸无关。图 2-4 石英晶体是四种受力情况（A、B、C、D）石英晶体的压电效应的产生机理：石英晶体的化学分子为 ，每一个晶体单元有 3 个硅2SiO离子和 6 个氧离子，他们交替排列，在垂直 轴平面上分布在正六边形的顶角上，如下图z（A）所示。当作用力为零时，正负电荷平衡，外部不带电。图 2-5 石英晶体的几种受力情况图 2-5 石英晶体的几种受力情况当沿 轴施加拉力作用时电荷分布如图（B）所示，当施加相反的力时，则点和分布相反；x第 页，共 8 页5当沿 轴施加压力作用时电荷分布如图（C
10、）所示，当施加相反的力时，则点和分布相反；y当沿 轴施加作用力时，由于负离子平移，故在表面上没有电荷出现。因此沿 Z 轴方向上z不产生压电效应。（2）压电陶瓷的压电效应1、压电陶瓷的结构：压电陶瓷是人造多晶体，其压电原理与石英晶体完全不同。其结构为多晶体，如图 2-6所示。内部存在许多电畴，就象磁性材料内部存在磁畴样。压电陶瓷刚烧结成时，其内部各晶粒中的电畴的自发极化方向是杂乱无章、相互抵消的。 图 2-6 压电陶瓷结构及极化2、压电陶瓷的极化极化的目的是设法使压电陶瓷内部杂乱无章相互抵消的电畴方向取向一致。在烧结后的压电陶瓷上施加一外磁场 E，在电场作用下，电畴的自发极化方向趋向电场，方向一
11、致。极化后压电陶瓷有一定的极化强度。当外磁场去掉后，各电的极化方向基本上保持与原电场方向一致，保留一些极化强度。图 2-7 压电陶瓷的压电效应由于存在极化强度，在压电陶瓷极化方向两端便出现束缚电荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷极化方向两端很快吸附一层来自外界的自由电荷。在无外力作用时，束缚电荷和自由电荷在数量上相等，极性相反，对外不显电性。如图 2-7（a）所示。2.3 压电式测力传感器的应用2.3.1 压电式测力传感器的分类第 页，共 8 页6压电式力传感器按其用途和压电元件组成可分为单向力、双向力和三向力传感器。它可以测量几百至几万牛顿的动态力。1、单向力传感器单向力传感器的压电元件采用 （
12、即 ）切型石英晶体，利用其纵向压电效应，通过xy0实现力电转换。1d2、双向力传感双向力传感器基本上有两种组合，其一是垂直分力与切向分力，即 与 （或 ） ；其zFxy二是测量互相垂直的两个切向分力，即 与 。无论那一种组合，传感器的结构形式相zFy似。3、三向力传感器三向力传感器可以对空间任一个或三个力同时进行测量。传感器有三组石英晶片，三组输出的极性相同。2.3.2 压电式测力传感器的应用及工作原理1、单向力传感器：如图 3-1 所示：两片压电晶片沿电轴方向叠在一起，采用并联接法，中间为片形电极（负极） ，它收集负电荷。底座与传力盖形成正极，绝缘套使正、负极隔离。图 3-1 单向压电石英力
13、传感器结构压电式测力传感器由石英晶片、绝缘套、电极、上盖及底座等组成。传感器上盖为传力元件，被测力 F 通过上盖使压电晶片沿电轴方向受压力作用，将产生弹性形变，将力传递到两片并联的压电晶片上，产生电荷，负电荷由中间电极输出，正电荷直接与底座连接输出。这种传感器有以下特点：、体积小，重量轻（仅 10g） ；、固有频率高（约 5060KHz） ；、可检测高达 5000N（变化频率少于 20KHz）的动态力，、分辩率高，可达 10-3N 。2、压电式金属加工切削力测量第 页，共 8 页7图 3-2 金属加工力测量示意图由于压电陶瓷元件的自振频率高, 特别适合测量变化剧烈的载荷。如图 3-2 所示，图
14、中压电传感器位于车刀前部的下方, 当进行切削加工时, 切削力通过刀具传给压电传感器, 压电传感器将切削力转换为电信号输出, 记录下电信号的变化便测得切削力的变化。3、梁式力传感器F F固定点 固定点电缆图 3-3 粱式力传感器图示等强度弹性元件的悬臂梁如图 3-4 所示：梁的固定端宽度为 ，自由端宽度为 ，梁长0bb为 ，梁厚为 。当集中力 作用在自由端时，距作用力任何距离 x 的截面上的应力 相LhF 等。因此，沿着梁的长度方向上的截面抗弯模量 的变化与弯矩 的变化成正比，即WM第 页，共 8 页8（3.1）常 数206hbFLWM图 3-4 等强度弹性元件的悬臂梁在等强度的设计中，往往采用
15、矩形截面，保持截面厚度不变，只改变梁的宽度。设沿梁长度方向上某一截面到力的作用点的距离为 ， 为与 值相应的梁宽，则等强度梁各点的xb应变值为 EhbFx26（3.2）式中： 为传感器的弹性模量。E如果当电桥的供电电压为 时，其输出电压 为iUo（3.3）kio带入上式消去 ，可得（3.4）kUEhbFxio26整理可得： oix（3.5）粱式力传感器弯曲悬臂梁结构，外形高度低，结构强度高。用于拉伸力或压缩力测量，抗偏、抗侧向力强； 防尘密封，量程范围广，精度高，性能稳定可靠，安装使用方便；拉式或压式承载；适用于电子秤、衡器等各种测力/称重的工业自动化测量控制系统。 2.4 结论本文通过传感器
16、的基本介绍及性能简单分析，以达到人们对传感器组成及其原理的一个初步浅显的认识，后面通过传感器之压电传感器中的测力传感器的原理分析及其应用介绍让人们从一个切合实际的角度来深入的了解传感器的功能及应用的生活边角，本文着力分析了压电式测力传感器的工作原理、分类及其在生活中的应用，起到一个抛砖引玉的作用，谨此达到读者对传感器的兴趣及对传感器更加深入的学习。b0R1 R3R2 R4bxLFhLxbx第 页，共 8 页9参考文献1 曾光宇 杨湖现代传感器技术与应用基础 北京理工大学出版社， 2006 年2 陈裕泉 美 葛文勋现代传感器原理及应用科学出版社， 2007 年3 俞云强传感器与检测技术 高等教育出版社，2008 年4 高燕传感器原理及应用 西安电子科技大学出版社， 2009 年5 张洪润 孙悦传感技术与应用教程清华大学出版社， 2009 年
