【正文】 20 倍左右。同時，PVDF 與微電子技術(shù)相結(jié)合，能制成多功能傳感元件。青島大學(xué)研究生論文14第三章 PDVF 壓電傳感器 PVDF 壓電薄膜PVDF 是一種新型的高分子聚合物型傳感材料。3．反饋電容減小，輸出電壓 Uo 增大，所以要使靈敏度提高必須選較小的Cf 值，通過改變反饋電容，可調(diào)節(jié)電荷放大器的變換系數(shù)。由式(235)可知：青島大學(xué)研究生論文131．電荷放大器的輸出 Uo=f(Q，C f)，只與電荷量 Q 和反饋電容 Cf 有關(guān)，而與放大系數(shù)和電纜電容無關(guān)。 電荷放大器電荷放大器實際上是一個具有深度負(fù)反饋的高增益運算放大器，其等效電路如圖 27 所示。4．由式(231)知，電纜的分布電容 Cc 直接影響靈敏度 Sd，所以標(biāo)定的電纜長度不能隨意改變，否則將造成測量誤差。而傳感器本身的絕緣電阻都很大，所以回路的電阻主要取決于放大器的輸入電阻。這說明壓電傳感器具有良好的高頻響應(yīng)特性。2．當(dāng) ωτ1 時，ωτ3 ，則 ，可以近似視為放大器的輸入電壓1imaU?與作用力的頻率無關(guān)。 (219)sint?當(dāng)使用的壓電元件材料為壓電陶瓷時，在 Fx 的作用下，壓電元件上產(chǎn)生的電荷量為q=d33Fx=d33Fm (220)sit由式(2 —16)可知壓電元件產(chǎn)生的電壓值為Ua=Q/Cad33Fm (221)int?青島大學(xué)研究生論文11由圖 26 可得到前置放大器的輸入電壓 U，寫成復(fù)數(shù)形式為Ui= (222)3madFjwR1()C?則輸入電壓的幅值為： (223)322aci+()+)im??輸入電壓與作用力之間的相位差為： (224)??acirtgCR????在理想情況下，傳感器的絕緣電阻 Ra 和前置放大器的輸入電阻 Ri 都為無窮大，即等效電阻 R 為無窮大的情況，電荷沒有泄漏，則式(223)變?yōu)椋? (225)am3U()acidF?這樣放大器的實際輸入電壓幅值為： (226)a21()ciiaRC??2） ） (227)aci??則(226)和(224)式分別變?yōu)椋? (228)21()imaU?? (229)2rctg?????式中 ——測量回路的時間常數(shù)。圖 壓電傳感器與電壓放大器連接的電路圖 26 中 R=RaRi/(Ra+Ri) (217)式中 Ra—傳感器的絕緣電阻；Ri—前置放大器的輸入電阻；C=Cc+Ci (218)式中 Ci—前置放大器的輸入電容；Cc—電纜電容。 電壓放大器因為壓電元件內(nèi)阻抗很高，再加上電級分布電容等因素，給直接放大造成一定困難。2．由于存在高內(nèi)阻問題，使得壓電元件難以直接使用一般放大器，而必須使用前置阻抗變換器。 壓電式傳感器的信號變換電路 變換電路的必要性如上所述，壓電元件實際上可以等效為一個電容器，因此，它也存在著與青島大學(xué)研究生論文10電容傳感器相同的問題，即具有高內(nèi)阻和小功率的問題，對于這些問題可以使用轉(zhuǎn)換電路來解決。對式(214)，可用以下兩種電路來等效壓電式傳感器。圖 壓電元件的等效電路等效電容為 (213) ttsCr??0a?式中: ε—壓電材料介電常數(shù)。 壓電式傳感器的等效電路當(dāng)壓電式傳感器的壓電敏感元件受力后，便在壓電元件一定方向的兩個表面上分別產(chǎn)生正、負(fù)電荷，因此可以把壓電傳感器視為一個電荷源，其電荷等效電路如圖23(a)所示。即rd 或 (21 l )ijcdE?2ij rdcjijEK?2式(211)可以作為壓電晶體的壓電效應(yīng)強弱的一種無量綱表示，能反映出壓電材料的能量轉(zhuǎn)換效率。其在數(shù)值上等于壓電電壓系數(shù) 和晶體彈性模量 ，ijgijE即青島大學(xué)研究生論文8 (210)ijijEg?d式中，各量的下角注也應(yīng)相同。上式中 g，d，ε 各量應(yīng)具有相同的下角注。實際應(yīng)用中還會遇到如下一些壓電常數(shù)：壓電電壓系數(shù) gij：在不計“二次效應(yīng)”的條件下，每單位應(yīng)力在晶體內(nèi)部產(chǎn)生的電勢梯度。鈦酸鋇陶瓷的壓電系數(shù)矩陣為： （21524312300dDd???????8）式中： 390/dCN??121278?5/?壓電系數(shù) dij的物理意義是：在“短路條件”下，單位應(yīng)力所產(chǎn)生的電荷密度。由上所述，可以清楚地看到，壓電系數(shù)矩陣是正確選擇力/電轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換類型、轉(zhuǎn)換效率以及晶片幾何切型的重要依據(jù)，因此合理而靈活地運用壓電系數(shù)矩陣是設(shè)計壓電傳感器的關(guān)鍵。(3)上述石英壓電系數(shù)矩陣還表示，當(dāng)石英承受機械應(yīng)力作用時可通過 dij將五種不同的機械效應(yīng)轉(zhuǎn)化為電效應(yīng)，也可以通過 dij將電效應(yīng)轉(zhuǎn)化為五種不同模式的振動。這說明壓電元件不是在任何方向都存在壓電效應(yīng)的。壓電系數(shù)矩陣的物理意義是：(1)矩陣的每一行表示壓電元件分別受到 X、Y、Z 方向正應(yīng)力，以及YOZ、ZOX、XOY 平面內(nèi)剪應(yīng)力作用時，相應(yīng)地在垂直于 x 軸、Y 軸及 Z 軸表面產(chǎn)生電荷的可能性與大小。實際上，石英晶體中只有 d11 和 d14 才有意義。正應(yīng)力的符號規(guī)定是拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)；切應(yīng)力的正號規(guī)定為自旋轉(zhuǎn)軸的正向看去的逆時針方向：對晶體因受力產(chǎn)生電荷的電場方向作一個規(guī)定：當(dāng)電場方向指向晶軸正向時為正，反之為負(fù)。式(23)僅適用于一定尺寸的壓電元件，沒有普遍意義。壓電材料開始喪失壓電性的溫度稱為居里點。壓電材料的絕緣電阻將減少電荷泄漏，從而改善壓電傳感器的低頻特性。它是衡量壓電材料機電能量轉(zhuǎn)換效率的一個重要參數(shù)。(4)機電禍合系數(shù)。(3)介電常數(shù)。壓電常數(shù)是衡量材料壓電效應(yīng)強弱的參數(shù)，它直接關(guān)系到壓電傳感器輸出的靈敏度。在傳感技術(shù)中，目前國內(nèi)外普遍應(yīng)用的是壓電單晶中的石英晶體和壓電多晶中的欽酸鋇等系列壓電陶瓷?？梢?，具有壓電性的壓電材料能夠?qū)崿F(xiàn)機械能與電能的相互轉(zhuǎn)化，如圖 21(b)所示。2．若對上述電介質(zhì)施加電場作用時，同樣會引起電介質(zhì)內(nèi)部正、負(fù)電荷中心的相對位移而導(dǎo)致電介質(zhì)產(chǎn)生變形，且應(yīng)變 ε 與外電場強度 E 成正比 ε=dt E (22)式中 dt—逆壓電常數(shù)矩陣。F (21)式中：d—壓電常數(shù)。圖 壓電效應(yīng)其電位移 D(在 MKS 單位制中即為電荷密度 Q)與外應(yīng)力張量 F 成正比 D=d不僅在電場的作用下，在機械力的作用下也會產(chǎn)生極化現(xiàn)象。基于這一特性，壓電器件已被廣泛應(yīng)用于超聲、通信、宇航、雷達(dá)和引爆等領(lǐng)域，并與激光、紅外、微波等技術(shù)相結(jié)合，將成為發(fā)展新技術(shù)和高科技的重要條件”。青島大學(xué)研究生論文4第 2 章 壓電傳感器的理論基礎(chǔ) 壓電傳感器的基本特性壓電式傳感器是以具有壓電效應(yīng)的器件為核心組成的傳感器。智能傳感器過去主要用于過程控制，如今在離散自動化領(lǐng)域和商業(yè)領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。在此之后，其它公司紛紛效仿，先后研制出各自的智能傳感器產(chǎn)品。在智能傳感器發(fā)展進程中，由于對其“智能”的理解不斷深化，各個時期的學(xué)者給予智能傳感器的定義也會隨著傳感器的發(fā)展歷程的推移而演變。智能傳感器從其功能來說是具有一種或多種敏感功能，能夠完成信號探測、變換處理、邏輯判斷、功能計算、雙向通訊，內(nèi)部可實現(xiàn)自檢、自校、自補償、自診斷、具備以上部分功能或全部功能的器件 [3]。顯然，后者的定義范圍更寬，但二者均屬于智能傳感器的范疇”。從一定意義上講，它具有類似于人工智能的作用。所謂智能傳感器，就是帶微處理器、兼有信息檢測和信息處理功能的傳感器。關(guān)于智能傳感器的中、英文稱謂尚未完全統(tǒng)一。智能傳感器的發(fā)展是信息技術(shù)、知識經(jīng)濟在這一發(fā)展的必然產(chǎn)物和自然趨勢。在美國 NI 公司的倡導(dǎo)下，目前共有 16 家全球領(lǐng)先的傳感器生產(chǎn)商作為即插即用智能傳感器計劃項目的合作伙伴，這些成員已經(jīng)開始向市場供應(yīng)或研制符合 傳感器電子數(shù)據(jù)表(TEDS)的傳感器，這種傳感器被稱為 TEDS 傳感器、即插即用傳感器或智能傳感器。通過幾年的努力，這些單位都在網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)和智能傳感器開發(fā)平臺的研究中取得了不同程度的成就。目前，國內(nèi)僅有一家產(chǎn) IEPE 加速計的廠家，但完全依賴于國外提供的內(nèi)裝微電子電路，并不能自主研發(fā)。但是，由于在壓電傳感器測量技術(shù)的研究與應(yīng)用上與國外發(fā)達(dá)國家相比，起步較晚，技術(shù)基礎(chǔ)薄弱。改革開放之后，青島大學(xué)研究生論文2隨著引進國外先進技術(shù)和管理經(jīng)驗，國民經(jīng)濟進入快階段，現(xiàn)代測量技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用成為必然。可以說，整個信息系統(tǒng)水平的提高，主要取決于傳感器技術(shù)水平的提高”。計算機與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了飛躍發(fā)度，但是計算機的信息輸入部分直到今天還沒能與其發(fā)展相適應(yīng)。第一個階段是 60～70 年代，傳感器以電荷輸出為主，測量系統(tǒng)包括壓電傳感器和以電荷放大器為主的信號適調(diào)裝置；到了 80～90 年代中期，出現(xiàn)了 IEPE(In Electronics Piezoelectricity)傳感器，也被稱為低阻抗電壓輸出傳感器，它主要解決了壓電信號以高阻抗傳輸帶來的一系列問題；第三階段是 90 年代中期至今，即插即用智能 TEDS 混合模式接口傳感器 壓電傳感器的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀現(xiàn)代信息技術(shù)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)成信息系統(tǒng)的“感官”“神經(jīng)”和“大腦”，因此，傳感器技術(shù)是信息社會的重要基礎(chǔ)技術(shù)，傳感器是信息獲取系統(tǒng)的首要部件。壓電式傳感器具有靈敏度高、使用頻帶寬、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡量輕、工作可靠等優(yōu)點。它以某些晶體受力后在其表面產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)為轉(zhuǎn)換原理，壓電晶體是機電轉(zhuǎn)化元件，它可以測量最終轉(zhuǎn)化為力的那些非電學(xué)物理量。其中，敏感元件(sensing element)是指傳感器中能直接感受或響應(yīng)被測量的部分；轉(zhuǎn)換元件(transduction element)是指傳感器中能將敏感元件感受或響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的電信號部分 [1]。二是 IEPE 壓電加速傳感器，包括加速傳感器的優(yōu)點，工作原理以及其在振動壓路機振動測試中的應(yīng)用。接著又介紹了兩種壓電式傳感器。壓電式傳感器正不斷地向智能化發(fā)展。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準(zhǔn)用徒手畫3）畢業(yè)論文須用 A4 單面打印，論文 50 頁以上的雙面打印4）圖表應(yīng)繪制于無格子的頁面上5）軟件工程類課題應(yīng)有程序清單，并提供電子文檔1）設(shè)計（論文）2）附件：按照任務(wù)書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）次序裝訂3）其它摘 要壓電式傳感器是一種典型的自發(fā)電式傳感器。：任務(wù)書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件） 。保密的論文（設(shè)計）在解密后適用本規(guī)定。有權(quán)將論文（設(shè)計）用于非贏利目的的少量復(fù)制并允許論文（設(shè)計）進入學(xué)校圖書館被查閱。對 本論文（設(shè)計）的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中作了明確說明并表示謝意。 碩士研究生課程 《智能傳感器技術(shù)》（考查） 自選課題題 目：壓電式傳感器的國內(nèi)外現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢學(xué) 院： 自動化工程學(xué)院 壓電式傳感器的國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢The Current Situation and Tendency ofPiezoelectric Sensor at Home and Aboard畢業(yè)論文（設(shè)計）原創(chuàng)性聲明本人所呈交的畢業(yè)論文（設(shè)計）是我在導(dǎo)師的指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的研究成果。據(jù)我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文（設(shè)計）不包含其他個人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。 作者簽名： 日期： 畢業(yè)論文（設(shè)計）授權(quán)使用說明本論文（設(shè)計）作者完全了解**學(xué)院有關(guān)保留、使用畢業(yè)論文（設(shè)計）的規(guī)定，學(xué)校有權(quán)保留論文（設(shè)計）并向相關(guān)部門送交論文（設(shè)計）的電子版和紙質(zhì)版。學(xué)?？梢怨颊撐模ㄔO(shè)計）的全部或部分內(nèi)容。 作者簽名： 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 日期： 注 意 事 項（論文）的內(nèi)容包括：1）封面（按教務(wù)處制定的標(biāo)準(zhǔn)封面格式制作）2）原創(chuàng)性聲明3）中文摘要（300 字左右） 、關(guān)鍵詞4）外文摘要、關(guān)鍵詞 5）目次頁（附件不統(tǒng)一編入）6）論文主體部分：引言（或緒論） 、正文、結(jié)論7）參考文獻8）致謝9）附錄（對論文支持必要時）