【正文】 .....................30第五章 結(jié)論 ...........................................................................................................................................32致謝 .........................................................................................................................................................33參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................................34青島大學(xué)研究生論文1第 1 章 緒論根據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)(GB766587) ，傳感器 (transducer/sensor)的定義是：能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。 壓電傳感器的特點(diǎn)及發(fā)展壓電式傳感器是一種典型的自發(fā)電式傳感器。例如力、壓力、加速度等。壓電傳感器技術(shù)的發(fā)展歷程可分為三個(gè)階段。然而，目前不論國內(nèi)還是國外，傳感器技術(shù)大大落后于信息系統(tǒng)中其它的技術(shù)，滿足不了信息技術(shù)系統(tǒng)的需要。該部分的落后影響了計(jì)算機(jī)的效率。在我國壓電傳感器的研究與應(yīng)用明顯落后于世界先進(jìn)水平，自紀(jì) 70 年代以來，壓電傳感器的應(yīng)用主要是為了滿足航天技術(shù)發(fā)展的需要。因此，壓電傳感器測術(shù)引起了一定程度的重視。直到目前壓電傳感器總體技術(shù)水平依然處于上述的第一發(fā)展階段。國內(nèi)進(jìn)行智能傳感器研究的單位主要有：中科院合肥智能機(jī)械研究所傳感器技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(國家“863”計(jì)劃資助項(xiàng)目：安徽省自然科金資助項(xiàng)目；中國博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目)；中國科技大學(xué)；電子科學(xué)自動(dòng)化系；北京大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系(國家“863”計(jì)劃資助項(xiàng)目)，華南理工大學(xué)機(jī)電工程系(廣州省重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目；廣州市重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目)；東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程系(973 計(jì)劃項(xiàng)目) 。當(dāng)我們正在致力于經(jīng)典傳感器的開發(fā)、研制及其推廣應(yīng)用，以力求縮小與發(fā)達(dá)國家之間的差距之時(shí)，信息技術(shù)的飛速發(fā)展，又在該領(lǐng)域結(jié)提出了新的課題、新的任務(wù)和新的方向，這就是智能傳感器的發(fā)展。許多公司已經(jīng)取得了令人滿意的成果。 智能傳感器的產(chǎn)生與發(fā)展前景微處理器帶來的數(shù)字化革命到虛擬儀器的飛速發(fā)展，對傳感器的綜合精度、穩(wěn)定可靠性和響應(yīng)要求越來越高，傳統(tǒng)傳感器已不能適應(yīng)多種測試要求，隨著微處理智能技術(shù)和微機(jī)械加工技術(shù)在傳感器上的應(yīng)用，智能傳感器,(Smart Sensor)誕生了。英國人將智能傳感器稱為“Intelligent Sensor”，美國人則習(xí)慣于把智能傳感器稱作“Smart Sensor”，直譯就是“靈巧的、聰明的傳感器”。智能傳感器的最大特點(diǎn)就是將傳感器檢測信息的功能與微處理器的信息處理功能實(shí)際地融合在一起。需要指出，這里講的“帶微處理器”包含兩種情況：一種是將傳感器與微處理器集成在一個(gè)芯片上構(gòu)成所謂的“單片智能傳青島大學(xué)研究生論文3感器”；另一種是指傳感器能匹配微處理器。目前，國際傳感器領(lǐng)域已對“Smart Sensor”定義形成了基本共識。智能傳感器技術(shù)是一門正在蓬勃發(fā)展的現(xiàn)代傳感器技術(shù)，是涉及微機(jī)械與微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號處理技術(shù)、電路與系統(tǒng)、傳感技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及模糊理論等多種學(xué)科的綜合性技術(shù)。1983 年，美國 Honeywell 公司研制出第一個(gè)智能傳感器 ——用于過程控制的智能壓力傳感器。這些智能傳感器具有反應(yīng)速度快，能實(shí)現(xiàn)非接觸測量，精度高、分辨率高和可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，因此在軍事、工業(yè)檢測與控制領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，也使傳感器的智能化倍受關(guān)注并獲得迅速發(fā)展 [3]。尤其是近十年，由于半導(dǎo)體技術(shù)的迅速發(fā)展，使微控制器的功能不斷升級，價(jià)格不斷下降，從而引起工業(yè)傳感器設(shè)計(jì)的革命，也使檢測技術(shù)的發(fā)展躍上一個(gè)新臺階。由于壓電效應(yīng)具有順、逆兩種效應(yīng)，所以壓電器件是一種典型的雙向有源傳感器。 壓電效應(yīng)由物理學(xué)知，一些離子型晶體的電介質(zhì)如石英、酒石酸鉀鈉、鈦酸鋇等。主要表現(xiàn)為：1．在電介質(zhì)的一定方向上施加機(jī)械力作用而產(chǎn)生變形時(shí)，就會(huì)引起電介質(zhì)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(gè)相對表面(極化面)上出現(xiàn)符號相反的束縛電荷，如圖 21(a)所示。F 或 Q=d當(dāng)外力消失后，電介質(zhì)又恢復(fù)為不帶電狀態(tài)，當(dāng)外力方向改變時(shí)其電荷極性隨之改變，這種現(xiàn)象物理學(xué)上稱為正(順)壓電效應(yīng)，或簡稱壓電效應(yīng)。青島大學(xué)研究生論文5這種現(xiàn)象物理學(xué)上稱為逆壓電效應(yīng)，或稱電致伸縮效應(yīng)。 壓電材料1．人們把具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料，壓電材料可以分為以下三大類：(1)壓電晶體(單晶)它包括壓電石英晶體和其它壓電單晶；(2)壓電陶瓷又稱為多晶半導(dǎo)瓷；(3)新型壓電材料主要包括壓電半導(dǎo)體和有機(jī)高分子壓電材料兩種。2．壓電材料的特性參數(shù)主要包括：(1)壓電常數(shù)。(2)彈性常數(shù) 壓電材料的彈性常數(shù)(剛度)決定著壓電器件的固有頻率和動(dòng)態(tài)特性。對于一定形狀、尺寸的壓電元件，其固有電容與介電常數(shù)有關(guān)，而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限。在壓電效應(yīng)中，轉(zhuǎn)換輸出的能量(如電能)與輸入的能量〔如機(jī)械能)之比的平方根稱為機(jī)電禍合系數(shù)。(5)電阻。(6)居里點(diǎn)。 壓電方程與壓電常數(shù)壓電元件受力時(shí)，在相應(yīng)表面產(chǎn)生電荷，力與電荷之間的關(guān)系為 (23)FQijd?式中 dij—壓電系數(shù)，單位為 C/N。為使用方便，常使用下式表示電荷面密度 δ 與作用應(yīng)力的關(guān)系 (24)??ijd?壓電系數(shù) dij 中，角注 i 表示電學(xué)量方向，i=1，2，3 分別表示 X 軸方向、Y 軸方向及 Z 軸方向，j 就表示力學(xué)量方向，j=1，2，3，4，5，6 分別表示在青島大學(xué)研究生論文6沿 X 軸、Y 軸、Z 軸方向作用的正應(yīng)力和在 YOZ 平面、ZOX 平面及 XOY 平面作用的切應(yīng)力，如圖 22 所示。圖 壓電元件坐標(biāo)表示法根據(jù)上述規(guī)定，d 11 表示 X 軸方向受力，在垂直于 X 軸的兩表面產(chǎn)生的電荷的大小；d 31 表示 X 軸方向受力，垂直于 Z 軸的兩表面產(chǎn)生的電荷的大小；晶體在任意受力狀態(tài)下所產(chǎn)生的電荷面密度可由下列方程組決定 XYZYZY ????? 16151413121 ddd???? (25)XX 22222 YZYZY 36353433231這樣，壓電材料的壓電特性可以用它的壓電系數(shù)矩陣表示為: (26)???????36534321 2211ddD對石英晶體，其壓電系數(shù)矩陣為： (27)???????00d2651412d根據(jù)晶格的對稱性有：d12=d11，d25=d14，d26=2d11。對右旋石英 d11=1012 C/N， d14=1012C/N；對左旋石英 d11 和 d14 取正號，數(shù)值不變。青島大學(xué)研究生論文7(2)若矩陣中某一 dij=0，則表示在該方向上沒有壓電效應(yīng)。相對于空間一定的幾何切型，只有在某些方向，在某些力的作用下，才能產(chǎn)生壓電效應(yīng)。(4)根據(jù)壓電系數(shù)絕對值的大小，可以判斷在哪幾個(gè)方向應(yīng)力作用時(shí)，壓電效應(yīng)最顯著。對于不同的壓電材料，其壓電系數(shù)矩陣是不同的?！岸搪窏l件”是指壓電元件的表面電荷從一開始發(fā)生就被引開，因而在晶體變形上不存在“二次效應(yīng)”的理想條件。它在數(shù)值上等于壓電系數(shù)除以晶體的絕對介電常數(shù)，即 (29)ijijijd?0?式中: —相對介電常數(shù)；ij?ε0—空間介電常數(shù)。壓電勁度系數(shù) ：在不計(jì)“二次效應(yīng)”的條件下，每單位機(jī)械應(yīng)變在晶體ij內(nèi)部產(chǎn)生的電勢梯度。機(jī)電耦合系數(shù) ：它是一個(gè)無量綱的數(shù)，表示壓電體中存儲的電能 與ijK cdE其吸收的機(jī)械能 之比的平方根；或表示壓電體中存儲的機(jī)械能 ，對其吸rjE cj收的電能 之比的平方根。故機(jī)電耦合系數(shù)可表示為 （2ijijh12）式中，各量應(yīng)具有相同的下角注。同理當(dāng)壓電元件的表面聚集同性的正、負(fù)電荷時(shí)，則也可以將它視為一個(gè)電容器，壓電元件的電容器等效電路如圖23(b)所示。 εr—壓電材料相對介電常數(shù)； ε0—真空介電常數(shù)； s—極板面積；青島大學(xué)研究生論文9 δ—電荷面密度； t—壓電元件厚度；等效電容器兩極板間的電壓為：Ua=Q/Ca (214) 式中： Q兩極板間的電荷量。1．電荷等效電路電荷源與一個(gè)電容并聯(lián)的電路如圖 24(a)所示，此電路的輸出為Q=CaU a (215)2．電壓等效電路一個(gè)電壓源與一個(gè)電容串聯(lián)構(gòu)成，如圖 24(b)所示，此電路的輸出為Ua=Q/Ca (216)圖 壓電式傳感器的等效電路 圖 壓電式傳感器的實(shí)際等效電路傳感器的實(shí)際輸出中有傳感器對地的絕緣電阻 Ra，電纜的分布電容 Cc ， 放大器的輸入阻抗(R i，C i)等損耗，這樣，按照壓電元件的兩種等效電路，壓電式傳感器的實(shí)際等效電路也有兩種，如上圖 25 所示。1．由于存在小功率問題，壓電傳感器輸出的能量就微弱，再加上電纜分布電容和干擾等因素，將嚴(yán)重影響輸出特性，為此在測量電路中需要加前置放大器。對應(yīng)壓電元件的電壓源和電荷源等效原理，前置放大器也有電壓放大器和電荷放大器兩種形式，而且必須具備有信號放大及阻抗匹配兩種功能。為了解決這個(gè)問題，常在信號放大之前使用阻抗變換器，將高阻抗變?yōu)榈妥杩馆敵?，如圖 26 所示。設(shè)作用在壓電元件上為一交變力 Fx，即Fx=Fm?1．當(dāng)作用在壓電元件上的力為靜態(tài)力(ω=0)時(shí)，則放大器的輸入 Uim=0，這就從原理上說明壓電式傳感器不能測量靜態(tài)物理量。在時(shí)間常數(shù)一定的條件下，被測物理量的變化頻率越高，越能滿足上述條件，則放大器的實(shí)際輸入電壓越接近理想的輸入電壓。3．為了擴(kuò)大傳感器的低頻特性，就必須提高回路的時(shí)間常數(shù) τ，其辦法是：因?yàn)?，所以可以通過增大電路的等效電阻 R，而()aciRC???，因此需要增大傳感器的絕緣電阻 Ra 和放大器輸入電阻iiRi；還可以通過增大 Ca+Cc+Ci 來提高 τ，但由式(2—22)得傳感器的靈敏度為 (230)32(1)()imd aciUdSFRC???ωR1 時(shí)，傳感器的靈敏度為青島大學(xué)研究生論文12 (231)3daciSC??所以增大（Ca+Cc+Ct ）又會(huì)使傳感器的靈敏度下降，因此，切實(shí)可行的辦法是提高測量回路的電阻。放大器的輸入電阻越大，測量回路的時(shí)間常數(shù)就越高，傳感器的低頻特性也越好。也就是說，電壓放大器作為壓電傳感器的適調(diào)儀時(shí)，測量系統(tǒng)靈敏度及頻率特性受傳感器與信號適調(diào)儀之間電纜長度的影響。 圖 電荷放大器的等效電路設(shè) A 為放大器的開環(huán)增益，理想情況下為無窮大，放大器輸入阻抗理想情況下也為無窮大，則由圖 27 有以下各式成立或 (232)oIfU??oIAU?聯(lián)立上二式解得 (233)0Io?由電容定義 (234)ffCQ?所以有 (235)offU?式中：Uo—放大器的輸出電壓；Uf—反饋電容端電壓；Q 一電容帶電電荷。2．當(dāng) Cf 為常數(shù)時(shí)，放大器的輸出 Uo 與電荷量 Q 成正比。4．電荷放大器的作用是將高內(nèi)阻傳感器的電荷源轉(zhuǎn)換為低內(nèi)阻輸出的電壓源，使電壓輸出與輸入電荷成正比，且測量系統(tǒng)的靈敏度不受電纜變化的影響。1969 年 Kawai 發(fā)現(xiàn)其具有很強(qiáng)的壓電性以后，幾十年來，人們對 PVDF 薄膜的研究一直沒有中斷。下面我們簡要地介紹PVDF 壓電薄膜的優(yōu)點(diǎn)：壓電常數(shù) d 參數(shù)比石英高十多倍。柔性和加工性能好，可制成 5um 到 lmm 厚度不等、形狀不同的大面積的薄膜膜，因此適于做大面積的傳感陣列器件。頻晌寬，室溫下在 105109Hz 范圍內(nèi)響應(yīng)平坦，即從準(zhǔn)靜態(tài)、低頻、高頻、超聲及超高頻均能轉(zhuǎn)換機(jī)電效應(yīng)。高介電強(qiáng)度：可耐受強(qiáng)電場作用(75V/um)，此時(shí)大部分陶瓷已退極化。容易加工和安裝：可以根據(jù)實(shí)際需要來制定形狀，用 502 膠來粘貼固定。PVDF 拉伸極化后具有 4mm 點(diǎn)群的對稱