硕士研究生课程
《智能传感器技术》（考查）
自选课题
题目：压电式传感器的国内外现状与发展趋势学院：自动化工程学院
年级专业：
姓名：
任课教师：
2011年5月20 日
压电式传感器的国内外现状及发展趋势The Current Situation and Tendency of
Piezoelectric Sensor at Home and Aboard
摘要
压电式传感器是一种典型的自发电式传感器。它具有灵敏度高、使用频带宽、信噪比高、结构简量轻、工作可靠等优点。压电式传感器正不断地向智能化发展。
文章首先介绍了压电传感器的理论基础即压电效应，压电材料，压电方程以及压电传感器的等效电路。接着又介绍了两种压电式传感器。一是PDVF压电式传感即由一种新型压电材料PDVF薄膜制作的传感器，分别阐述了PDVF薄膜的优点，压电特性，用其制作的正余弦压电式传感器以及PDVF压电式传感器测量振动梁的物理量的工作原理。二是IEPE压电加速传感器，包括加速传感器的优点，工作原理以及其在振动压路机振动测试中的应用。
关键词：压电式传感；IEPE加速计；加速度传感器；PDVF压电模
Abstract
The piezoelectric sensor is a kind of typically spontaneous electricity sensor. It has the advantages of high sensitivity, wide frequency band, high signal-to-noise ratio, simple in structure, and reliable lightweight etc. And the piezoelectric sensors are constantly to intelligent development.
This paper introduces the basic theory of piezoelectric sensors which are piezoelectric effect, piezoelectric materials, piezoelectric equation and piezoelectric sensor equivalent circuit. Then it introduces two kinds of piezoelectric sensors. One is PDVF piezoelectric sensor which is made by a new type of piezoelectric materials. It respectively explains the advantages of PDVF film, piezoelectric properties, cosine and sine PDVF piezoelectric sensor and the use of measuring vibrates beam. Another is IEPE piezoelectric sensor, including acceleration sensor accelerated the advantages, working principle and the application of vibration compacting roller test.
Keywords：piezoelectric sensor, IEPE acceleration, acceleration sensor, PDVF film
目录
第1章绪论 (1)
1.1压电传感器的特点及发展 (1)
1.2压电传感器的国内外发展现状 (1)
1.3智能传感器的产生与发展前景 (2)
第2章压电传感器的理论基础 (4)
2.1压电传感器的基本特性 (4)
2.1.1压电效应 (4)
2.1.2压电材料 (5)
2.1.3压电方程与压电常数 (5)
2.2压电式传感器的等效电路 (8)
2.3压电式传感器的信号变换电路 (9)
2.3.1变换电路的必要性 (9)
2.3.2电压放大器 (10)
2.3.3电荷放大器 (12)
第三章PDVF压电传感器 (13)
3.1PVDF压电薄膜 (13)
3.1.1 PVDF 压电薄模的压电方程 (13)
3.1.2 PVDF压电薄膜制作传感器的理论分析 (14)
3.2PVDF压电传感器的设计 (17)
3.2.1 梁的弯曲波 (17)
3.2.2振动粱的基本物理量 (19)
3.3传感器的设计 (19)
3.3.1 形状设计 (19)
3.3.2正弦传感器的设计 (20)
3.3.3 余弦传感器的设计 (20)
3.4正余弦传感器测量物理量的原理 (22)
第四章压电加速传感器 (24)
4.1压电式加速度传感器的基本概念 (24)
4.2加速度传感器的工作原理 (24)
4.3IEPE加速计 (25)
4.3.1 IEPE加速计的工作原理 (26)
4.3.2 IEPE加速计的优点 (26)
4.4压电加速传感器在振动测量中的应用 (27)
4.4.1压电式加速计的测振原理 (27)
4.4.2用压电式加速度传感器的振动测试方案 (28)
4.4.3振动压路机振动的测量 (30)
第五章结论 (35)
致谢 (36)
参考文献 (37)
第1章绪论
根据中华人民共和国国家标准(GB7665-87)，传感器(transducer/sensor)的定义是：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。其中，敏感元件(sensing element)是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件(transduction element)是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分[1]。
1.1 压电传感器的特点及发展
压电式传感器是一种典型的自发电式传感器。它以某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理，压电晶体是机电转化元件，它可以测量最终转化为力的那些非电学物理量。例如力、压力、加速度等。压电式传感器具有灵敏度高、使用频带宽、信噪比高、结构简量轻、工作可靠等优点。
压电传感器技术的发展历程可分为三个阶段。第一个阶段是60～70年代，传感器以电荷输出为主，测量系统包括压电传感器和以电荷放大器为主的信号适调装置；到了80～90年代中期，出现了IEPE(In Electronics Piezoelectricity)传感器，也被称为低阻抗电压输出传感器，它主要解决了压电信号以高阻抗传输带来的一系列问题；第三阶段是90年代中期至今，即插即用智能TEDS混合模式接口传感器
1.2 压电传感器的国内外发展现状
现代信息技术的三大支柱是传感器技术、通信技术和计算机技术，它们分别构成信息系统的“感官”“神经”和“大脑”，因此，传感器技术是信息社会的重要基础技术，传感器是信息获取系统的首要部件。然而，目前不论国内还是国外，传感器技术大大落后于信息系统中其它的技术，满足不了信息技术系统的需要。计算机与网络技术已经达到了飞跃发度，但是计算机的信息输入部分直到今天还没能与其发展相适应。该部分的落后影响了计算机的效率。可以说，整个信息系统水平的提高，主要取决于传感器技术水平的提高”。
在我国压电传感器的研究与应用明显落后于世界先进水平，自纪70年代以来，压电传感器的应用主要是为了满足航天技术发展的需要。改革开放之后，随着引进国外先进技术和管理经验，国民经济进入快阶段，现代测量技术的发展与
应用成为必然。因此，压电传感器测术引起了一定程度的重视。但是，由于在压电传感器测量技术的研究与应用上与国外发达国家相比，起步较晚，技术基础薄弱。直到目前压电传感器总体技术水平依然处于上述的第一发展阶段。目前，国内仅有一家产IEPE加速计的厂家，但完全依赖于国外提供的内装微电子电路，并不能自主研发。
国内进行智能传感器研究的单位主要有：中科院合肥智能机械研究所传感器技术国家重点实验室(国家“863”计划资助项目：安徽省自然科金资助项目；中国博士后科学基金资助项目)；中国科技大学；电子科学自动化系；北京大学计算机科学技术系(国家“863”计划资助项目)，华南理工大学机电工程系(广州省重点攻关项目；广州市重点攻关项目)；东南大学仪器科学与工程系(973计划项目)。通过几年的努力，这些单位都在网络化测控系统和智能传感器开发平台的研究中取得了不同程度的成就。
当我们正在致力于经典传感器的开发、研制及其推广应用，以力求缩小与发达国家之间的差距之时，信息技术的飞速发展，又在该领域结提出了新的课题、新的任务和新的方向，这就是智能传感器的发展。在美国NI公司的倡导下，目前共有16家全球领先的传感器生产商作为即插即用智能传感器计划项目的合作伙伴，这些成员已经开始向市场供应或研制符合IEEEl451.4传感器电子数据表(TEDS)的传感器，这种传感器被称为TEDS传感器、即插即用传感器或智能传感器。许多公司已经取得了令人满意的成果。智能传感器的发展是信息技术、知识经济在这一发展的必然产物和自然趋势。
1.3 智能传感器的产生与发展前景
微处理器带来的数字化革命到虚拟仪器的飞速发展，对传感器的综合精度、稳定可靠性和响应要求越来越高，传统传感器已不能适应多种测试要求，随着微处理智能技术和微机械加工技术在传感器上的应用，智能传感器,(Smart Sensor)诞生了。
关于智能传感器的中、英文称谓尚未完全统一。英国人将智能传感器称为“Intelligent Sensor”，美国人则习惯于把智能传感器称作“Smart Sensor”，直译就是“灵巧的、聪明的传感器”。所谓智能传感器，就是带微处理器、兼有信息检测和信息处理功能的传感器。智能传感器的最大特点就是将传感器检测信息的功能与微处理器的信息处理功能实际地融合在一起。从一定意义上讲，它具有类似于人工智能的作用。需要指出，这里讲的“带微处理器”包含两种情况：一种是将传感器与微处理器集成在一个芯片上构成所谓的“单片智能传感器”；另一种是指传感器能匹配微处理器。显然，后者的定义范围更宽，但二者均属于智
能传感器的范畴”。
目前，国际传感器领域已对“Smart Sensor”定义形成了基本共识。智能传感器从其功能来说是具有一种或多种敏感功能，能够完成信号探测、变换处理、逻辑判断、功能计算、双向通讯，内部可实现自检、自校、自补偿、自诊断、具备以上部分功能或全部功能的器件[3]。
智能传感器技术是一门正在蓬勃发展的现代传感器技术，是涉及微机械与微电子技术、计算机技术、信号处理技术、电路与系统、传感技术、神经网络技术及模糊理论等多种学科的综合性技术。在智能传感器发展进程中，由于对其“智能”的理解不断深化，各个时期的学者给予智能传感器的定义也会随着传感器的发展历程的推移而演变。
1983年，美国Honeywell公司研制出第一个智能传感器——用于过程控制的智能压力传感器。在此之后，其它公司纷纷效仿，先后研制出各自的智能传感器产品。这些智能传感器具有反应速度快，能实现非接触测量，精度高、分辨率高和可靠性好等优点，因此在军事、工业检测与控制领域获得广泛应用，也使传感器的智能化倍受关注并获得迅速发展[3]。
智能传感器过去主要用于过程控制，如今在离散自动化领域和商业领域都有广泛应用。尤其是近十年，由于半导体技术的迅速发展，使微控制器的功能不断升级，价格不断下降，从而引起工业传感器设计的革命，也使检测技术的发展跃上一个新台阶。
第2章压电传感器的理论基础
2.1压电传感器的基本特性
压电式传感器是以具有压电效应的器件为核心组成的传感器。由于压电效应具有顺、逆两种效应，所以压电器件是一种典型的双向有源传感器。基于这一特性，压电器件已被广泛应用于超声、通信、宇航、雷达和引爆等领域，并与激光、红外、微波等技术相结合，将成为发展新技术和高科技的重要条件”。
2.1.1压电效应
由物理学知，一些离子型晶体的电介质如石英、酒石酸钾钠、钛酸钡等。不仅在电场的作用下，在机械力的作用下也会产生极化现象。主要表现为：1．在电介质的一定方向上施加机械力作用而产生变形时，就会引起电介质内部正负电荷中心相对转移而产生电的极化、从而导致其两个相对表面(极化面)上出现符号相反的束缚电荷，如图2-1(a)所示。
图2.1 压电效应
其电位移D(在MKS单位制中即为电荷密度Q)与外应力张量F成正比
D=d·F或Q=d·F (2-1) 式中：d—压电常数。
当外力消失后，电介质又恢复为不带电状态，当外力方向改变时其电荷极性随之改变，这种现象物理学上称为正(顺)压电效应，或简称压电效应。
2．若对上述电介质施加电场作用时，同样会引起电介质内部正、负电荷中心的相对位移而导致电介质产生变形，且应变ε与外电场强度E成正比
ε=dt E (2-2) 式中dt—逆压电常数矩阵。
这种现象物理学上称为逆压电效应，或称电致伸缩效应。可见，具有压电性
的压电材料能够实现机械能与电能的相互转化，如图2-1(b)所示。
2.1.2压电材料
1．人们把具有压电效应的材料称为压电材料，压电材料可以分为以下三大类：
(1)压电晶体(单晶)它包括压电石英晶体和其它压电单晶；
(2)压电陶瓷又称为多晶半导瓷；
(3)新型压电材料主要包括压电半导体和有机高分子压电材料两种。
在传感技术中，目前国内外普遍应用的是压电单晶中的石英晶体和压电多晶中的钦酸钡等系列压电陶瓷。
2．压电材料的特性参数主要包括：
(1)压电常数。压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数，它直接关系到压电传感器输出的灵敏度。
(2)弹性常数 压电材料的弹性常数(刚度)决定着压电器件的固有频率和动态特性。
(3)介电常数。对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容与介电常数有关，而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。
(4)机电祸合系数。在压电效应中，转换输出的能量(如电能)与输入的能量〔如机械能)之比的平方根称为机电祸合系数。它是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。
(5)电阻。压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏，从而改善压电传感器的低频特性。
(6)居里点。压电材料开始丧失压电性的温度称为居里点。
2.1.3压电方程与压电常数
压电元件受力时，在相应表面产生电荷，力与电荷之间的关系为
F Q ij d = (2-3) 式中d ij —压电系数，单位为C/N 。
式(2-3)仅适用于一定尺寸的压电元件，没有普遍意义。为使用方便，常使用下式表示电荷面密度δ与作用应力的关系
σδij d = (2-4)
压电系数dij 中，角注i 表示电学量方向，i=1，2，3分别表示X 轴方向、Y 轴方向及Z 轴方向，j 就表示力学量方向，j=1，2，3，4，5，6分别表示在沿X 轴、Y 轴、Z 轴方向作用的正应力和在YOZ 平面、ZOX 平面及XOY 平面作用
的切应力，如图2-2所示。正应力的符号规定是拉应力为正，压应力为负；切应力的正号规定为自旋转轴的正向看去的逆时针方向：对晶体因受力产生电荷的电场方向作一个规定：当电场方向指向晶轴正向时为正，反之为负。
图2.2 压电元件坐标表示法
根据上述规定，d 11表示X 轴方向受力，在垂直于X 轴的两表面产生的电荷的大小；d 31表示X 轴方向受力，垂直于Z 轴的两表面产生的电荷的大小；晶体在任意受力状态下所产生的电荷面密度可由下列方程组决定
XY ZX YZ ZZ YY XX XX τττσσσδ161514131211d d d d d d +++++=
XY ZX YZ ZZ YY XX XX τττσσσδ262524232221d d d d d d +++++= (2-5) XY ZX YZ ZZ YY XX XX τττσσσδ363534333231d d d d d d +++++=
这样，压电材料的压电特性可以用它的压电系数矩阵表示为:
????
??????=363534333231262524232221
161514131211
d d d d d d d d d d d d d d d d d d D (2-6) 对石英晶体，其压电系数矩阵为：
????
??????=0000000000
000d 2625
141211
d d d d D (2-7)
根据晶格的对称性有：d12=-d11，d25=-d14，d26=-2d11。实际上，石英晶体中只有d11和d14才有意义。对右旋石英d11=-2.31×10-12 C/N ， d14=-0.67×10-12C/N ；对左旋石英d11和d14取正号，数值不变。
压电系数矩阵的物理意义是：
(1)矩阵的每一行表示压电元件分别受到X 、Y 、Z 方向正应力，以及YOZ 、ZOX 、XOY 平面内剪应力作用时，相应地在垂直于x 轴、Y 轴及Z 轴表面产生电荷的可能性与大小。
(2)若矩阵中某一d ij =0，则表示在该方向上没有压电效应。这说明压电元件
不是在任何方向都存在压电效应的。相对于空间一定的几何切型，只有在某些方向，在某些力的作用下，才能产生压电效应。
(3)上述石英压电系数矩阵还表示，当石英承受机械应力作用时可通过dij 将五种不同的机械效应转化为电效应，也可以通过d ij 将电效应转化为五种不同
模式的振动。
(4)根据压电系数绝对值的大小，可以判断在哪几个方向应力作用时，压电效应最显著。
由上所述，可以清楚地看到，压电系数矩阵是正确选择力/电转换元件、转换类型、转换效率以及晶片几何切型的重要依据，因此合理而灵活地运用压电系数矩阵是设计压电传感器的关键。
对于不同的压电材料，其压电系数矩阵是不同的。钛酸钡陶瓷的压电系数矩阵为：
152********
00000
0000000d D d d d d ????=??????
（2-8） 式中：123319010/d C N -=?
1231327810/d d C N
-==-? 121525010/d C N
-=?
压电系数d ij 的物理意义是：在“短路条件”下，单位应力所产生的电荷密
度。“短路条件”是指压电元件的表面电荷从一开始发生就被引开，因而在晶体变形上不存在“二次效应”的理想条件。
实际应用中还会遇到如下一些压电常数：
压电电压系数g ij ：在不计“二次效应”的条件下，每单位应力在晶体内部
产生的电势梯度。它在数值上等于压电系数除以晶体的绝对介电常数，即
ij ij ij d ε0g = (2-9) 式中:ij ε—相对介电常数；
ε0—空间介电常数。
上式中g ，d ，ε各量应具有相同的下角注。
压电劲度系数ij d ：在不计“二次效应”的条件下，每单位机械应变在晶体内部产生的电势梯度。其在数值上等于压电电压系数ij g 和晶体弹性模量ij E ，即
ij ij ij E g =d (2-10)
式中，各量的下角注也应相同。
机电耦合系数ij K ：它是一个无量纲的数，表示压电体中存储的电能cd E 与其
吸收的机械能rj E 之比的平方根；或表示压电体中存储的机械能cj E ，对其吸收的电能rd E 之比的平方根。即
ij cd E E K =2ij 或rd
cj ij E E K =2 (2-1 l ) 式(2-11)可以作为压电晶体的压电效应强弱的一种无量纲表示，能反映出压
电材料的能量转换效率。故机电耦合系数可表示为
ij K = （2-12）
式中，各量应具有相同的下角注。 2.2压电式传感器的等效电路
当压电式传感器的压电敏感元件受力后，便在压电元件一定方向的两个表面上分别产生正、负电荷，因此可以把压电传感器视为一个电荷源，其电荷等效电路如图2-3(a)所示;同理当压电元件的表面聚集同性的正、负电荷时，则也可以将它视为一个电容器，压电元件的电容器等效电路如图2-3(b)所示。
图2.3 压电元件的等效电路
等效电容为
t t s C r εεδε0a == (2-13) 式中: ε—压电材料介电常数;
εr —压电材料相对介电常数；
ε0—真空介电常数；
s —极板面积；
δ—电荷面密度；
t —压电元件厚度；
等效电容器两极板间的电压为：
U a =Q/C a (2-14)
式中： Q----两极板间的电荷量。
对式(2-14)，可用以下两种电路来等效压电式传感器。
1．电荷等效电路电荷源与一个电容并联的电路如图2-4(a)所示，此电路的输出为
Q=C a U a (2-15) 2．电压等效电路一个电压源与一个电容串联构成，如图2-4(b)所示，此电路的输出为
U a=Q/Ca (2-16)
图2.4 压电式传感器的等效电路
图2.5 压电式传感器的实际等效电路
传感器的实际输出中有传感器对地的绝缘电阻R a，电缆的分布电容C c ，放大器的输入阻抗(R i，C i)等损耗，这样，按照压电元件的两种等效电路，压电式传感器的实际等效电路也有两种，如上图2-5所示。
2.3压电式传感器的信号变换电路
2.3.1变换电路的必要性
如上所述，压电元件实际上可以等效为一个电容器，因此，它也存在着与电容传感器相同的问题，即具有高内阻和小功率的问题，对于这些问题可以使用转换电路来解决。
1．由于存在小功率问题，压电传感器输出的能量就微弱，再加上电缆分布电容和干扰等因素，将严重影响输出特性，为此在测量电路中需要加前置放大器。
2．由于存在高内阻问题，使得压电元件难以直接使用一般放大器，而必须
使用前置阻抗变换器。
对应压电元件的电压源和电荷源等效原理，前置放大器也有电压放大器和电荷放大器两种形式，而且必须具备有信号放大及阻抗匹配两种功能。
2.3.2电压放大器
因为压电元件内阻抗很高，再加上电级分布电容等因素，给直接放大造成一定困难。为了解决这个问题，常在信号放大之前使用阻抗变换器，将高阻抗变为低阻抗输出，如图2-6所示。
图2.6 压电传感器与电压放大器连接的电路
图2-6中
R=R a R i /(R a +R i ) (2-17)
式中 Ra —传感器的绝缘电阻；
R i —前置放大器的输入电阻；
C=C c +C i (2-18)
式中C i —前置放大器的输入电容；
C c —电缆电容。
设作用在压电元件上为一交变力Fx ，即
F x =F m ·sin t ω (2-19)
当使用的压电元件材料为压电陶瓷时，在Fx 的作用下，压电元件上产生的电荷量为
q=d 33F x =d 33F m sin t ω (2-20)
由式(2—16)可知压电元件产生的电压值为
U a =Q/C a d 33F m sin t ω (2-21)
由图2-6可得到前置放大器的输入电压U ，写成复数形式为
U i =33m a d F jwR 1()
jwR C C ++ (2-22) 则输入电压的幅值为：
im U = (2-23)
输入电压与作用力之间的相位差为：
()2a c i arctg C C C R π
φω=-++ (2-24)
在理想情况下，传感器的绝缘电阻R a 和前置放大器的输入电阻Ri 都为无穷大，即等效电阻R 为无穷大的情况，电荷没有泄漏，则式(2-23)变为：
am 33U ()m a c i d F C C C =++ (2-25)
这样放大器的实际输入电压幅值为：
im am U U =） (2-26)
()a c i R C C C τ=++ (2-27)
则(2-26)和(2-24)式分别变为：
im am U U = (2-28)
()2arctg π
φωτ=- (2-29)
式中τ——测量回路的时间常数。
1．当作用在压电元件上的力为静态力(ω=0)时，则放大器的输入U im =0，这就从原理上说明压电式传感器不能测量静态物理量。
2．当ωτ>>1时，ωτ>>3，则1im am U U ≈，可以近似视为放大器的输入电压与作用力的频率无关。在时间常数一定的条件下，被测物理量的变化频率越高，越能满足上述条件，则放大器的实际输入电压越接近理想的输入电压。这说明压电传感器具有良好的高频响应特性。
3．为了扩大传感器的低频特性，就必须提高回路的时间常数τ，其办法是：因为()a c i R C C C τ=++，所以可以通过增大电路的等效电阻R ，而
()a i a i R R R R R =+，因此需要增大传感器的绝缘电阻Ra 和放大器输入电阻Ri ；
还可以通过增大Ca+Cc+Ci 来提高τ，但由式(2—22)得传感器的灵敏度为
im d m U S F =
= (2-30) ωR>>1时，传感器的灵敏度为
33d a c i
d S C C C =++ (2-31) 所以增大（Ca+Cc+Ct ）又会使传感器的灵敏度下降，因此，切实可行的办法是提高测量回路的电阻。而传感器本身的绝缘电阻都很大，所以回路的电阻主要取决于放大器的输入电阻。放大器的输入电阻越大，测量回路的时间常数就越高，传感器的低频特性也越好。
4．由式(2-31)知，电缆的分布电容Cc 直接影响灵敏度Sd ，所以标定的电缆
长度不能随意改变，否则将造成测量误差。也就是说，电压放大器作为压电传感器的适调仪时，测量系统灵敏度及频率特性受传感器与信号适调仪之间电缆长度的影响。
2.3.3电荷放大器
电荷放大器实际上是一个具有深度负反馈的高增益运算放大器，其等效电路如图2-7所示。
图2.7 电荷放大器的等效电路
设A 为放大器的开环增益，理想情况下为无穷大，放大器输入阻抗理想情况下也为无穷大，则由图2-7有以下各式成立
o I f U U U =-或o I U AU =- (2-32)
联立上二式解得
0I o U U A =-≈ (2-33)
由电容定义
f f C Q U = (2-34)
所以有
o f f U U Q C =-=- (2-35)
式中：Uo —放大器的输出电压；
U f —反馈电容端电压；
Q 一电容带电电荷。
由式(2-35)可知：
1．电荷放大器的输出Uo=f(Q ，C f )，只与电荷量Q 和反馈电容C f 有关，而与放大系数和电缆电容无关。
2．当C f 为常数时，放大器的输出Uo 与电荷量Q 成正比。
3．反馈电容减小，输出电压Uo 增大，所以要使灵敏度提高必须选较小的C f 值，通过改变反馈电容，可调节电荷放大器的变换系数。
4．电荷放大器的作用是将高内阻传感器的电荷源转换为低内阻输出的电压源，使电压输出与输入电荷成正比，且测量系统的灵敏度不受电缆变化的影响。
第三章 PDVF 压电传感器
3.1 PVDF 压电薄膜
PVDF 是一种新型的高分子聚合物型传感材料。1969年Kawai 发现其具有很强的压电性以后，几十年来，人们对PVDF 薄膜的研究一直没有中断。同时，PVDF 与微电子技术相结合，能制成多功能传感元件。下面我们简要地介绍PVDF 压电薄膜的优点：
1、压电常数d 参数比石英高十多倍。虽然比PZT 低，但作为传感材料更重要的一个特征参数g 的值比PZT 高20倍左右。
2、柔性和加工性能好，可制成5um 到lmm 厚度不等、形状不同的大面积的薄膜膜，因此适于做大面积的传感阵列器件。
3、声阻抗低：为3.5×10-6Pa.s/m ，仅为PZT 压电陶瓷的1/10，它的声阻抗与水的、人体肌肉的声阻抗很接近，并且柔顺性好，便于贴近人体，于人体接触安全舒适，因此用作水听器和医用仪器的传感元件时，可不用阻抗变换器。
4、频晌宽，室温下在10-5-109Hz 范围内响应平坦，即从准静态、低频、高频、超声及超高频均能转换机电效应。
5、由于PVDF 的分子结构链中有氟原予使得它的化学稳定性和耐疲劳性高，吸湿性低，并有良好的熟稳定性，即耐潮湿、多数化学品、氧化剂、强紫外线和核辐射。
6、高介电强度：可耐受强电场作用(75V/um)，此时大部分陶瓷已退极化。
7、质量轻：它的密度只是PZT 压电陶瓷的1/4，做成传感器对被测量的结构影响小。
8、容易加工和安装：可以根据实际需要来制定形状，用502胶来粘贴固定。
3.1.1 PVDF 压电薄模的压电方程
压电效应的物态方程反映了晶体电学量(E ，D)和力学量(T ，S)之间的互关系，因此压电方程为：
T i ip p ij ij D d T E ε=+ (3-1)
式中：T 是应力，E 是电场强度，D 是电位移，T
ε是介电常数矩阵的转置矩阵，d 是压电应变常数矩阵，i,j=l 、2、3，P=1、2、3、4、5、6。
PVDF 拉伸极化后具有4mm 点群的对称性。常选取x 轴为拉伸方向，z 轴垂
直于膜面平行于极化方向，Y 轴右手定则选取，如图4-1所示。其压电常数矩阵为：
152********
00000
0000000d d d d d d ????=??????
图3.1PVDF 压电薄膜示意图
3.1.2 PVDF 压电薄膜制作传感器的理论分析
当将PVDF 压电薄膜贴在薄板上时，板的坐标轴X 的方向与薄膜的拉伸方向x '之间的夹角为θ，这里我们称θ叫偏转角，Z 轴的方向它们是一致的，如图3-2所示。
图3.2 薄板和薄膜位置示意图
薄板系统符合克希霍夫薄板理论的假设条件，即薄板系统内的应力以T1，T2和T6为主。薄板的应力和应变符合广义虎克定律
2211222266(1)(1)0(1)(1)0002(1)f f f f f f f T S Y v v Y v T v Y v Y v S Y v T S ????''??--??????????''=--?
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(3-2)
M E M S传感器的现状及 发展前景 集团标准化小组：[VVOPPT-JOPP28-JPPTL98-LOPPNN]
毕 业 设 计 指 导 课 论 文 MEMS传感器的现状及发展前景 摘要：MEMS传感器是随着纳米技术的发展而兴起的新型传感器,具有很多新的特性,相对传统传感器其具有更大的优势。在追求微型化的当代,其具有良好的发展前景,必将受到各个国家越来越多的重视。文章首先介绍了MEMS传感器的分类和典型应用,然后着重对几个传感器进行了介绍,最后对MEMS传感器的发展趋势与发展前景进行了分析。 关键词：MEMS传感器;加度计;陀螺仪;纳米技术;微机构;微传感器StatusandDevelopmentProspectofMEMSSensors Abstract:MEMSsensorisanewtypeofsensorwiththedevelopmentofnanotechnology.Ithasma nynewfeatures,whichhasagreatadvantageovertraditionalsensors.Inthepursuitofminia turizationofthecontemporary,itsgoodprospectsfordevelopment,willbesubjecttomorea
ndmoreattentioninvariouscountries.Firstly,theclassificationandtypicalapplicatio nofMEMSsensorareintroduced.Then,severalsensorsareintroduced.Finally,thedevelopm enttrendanddevelopmentprospectofMEMSsensorareanalyzed. Keywords:MEMSsensor;accelerometer;gyroscope;nanotechnology;micro- mechanism;micro-sensor 目录 一、引言 MEMS传感器是采用微机械加工技术制造的新型传感器,是MEMS器件的一个重要分支。1962年,第一个硅微型压力传感器的问世开创了MEMS技术的先河,MEMS技术的进步和发展促 进了传感器性能的提升。作为MEMS最重要的组成部分,MEMS传感器发展最快,一直受到各发达国家的广泛重视。美、日、英、俄等世界大国将MEMS传感器技术作为战略性的研究领域之一,纷纷制定发展计划并投入巨资进行专项研究。 随着微电子技术、集成电路技术和加工工艺的发展,MEMS传感器凭借体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、灵敏度高、易于集成以及耐恶劣工作环境等优势,极大地促进了传感器的微型化、智能化、多功能化和网络化发展。MEMS传感器正逐步占据传感器市场,并逐渐取代传统机械传感器的主导地位,已得到消费电子产品、汽车工业、航空航天、机械、化工及医药等各领域的青睐。
压电式压力传感器原理及应用 解宝存 201120204038摘要： 压电式压力传感器可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。本文主要讨论压电式压力传感器原理及压电式压力传感器的光纤传输技术应用在内弹道试验研究中的使用。 关键词：压电式传感器压力内弹道试验 压电式压力传感器（piezoelectric type pressure transducer） 1.0 压电效应 某些离子型晶体电介质（如石英、酒石酸钾钠、钛酸钡等）沿着某一个方向受力而发生机械变形(压缩或伸长)时，其内部将发生极化现象，而在其某些表面上会产生电荷。当外力去掉后，它又会重新回到不带电的状态，此现象称为“压电效应”。压电式传感器的原理是基于某些晶体材料的压电效应。 1.1 压电式压力传感器的特点 压电式压力传感器是基于压电效应的传感器。是一种自发电式和机电转换式传感器。它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。压电式压力传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量，如压力、加速度等(见压电式压力传感器、加速度计)。压电式压力传感器是利用压电材料的压电效应将被测压力转换为电信号的。由压电材料制成的压电元件受到压力作用时产生的电荷量与作用力之间呈线性关系：Q=kSp 式中 Q为电荷量；k为压电常数；S为作用面积；p为压力。通过测量电荷量可知被测压力大小。 压电式压力传感器的工作原理与压电式加速度传感器和力传感器基本相同，不同的是弹性元件是由膜片等把压力转换成集中力，再传给压电元件。为了保证静态特性及稳定性，通常多采用压电晶片并联。在压电式压力传感器中常用的压电材料有石英晶体和压电陶瓷，其中石英晶体应用得最为广泛。下面是采用石英晶片的膜片式压电压力传感器图。
硕士研究生课程 《智能传感器技术》（考查） 自选课题 题目：压电式传感器的国内外现状与发展趋势学院：自动化工程学院
压电式传感器的国内外现状及发展趋势The Current Situation and Tendency of Piezoelectric Sensor at Home and Aboard
毕业论文（设计）原创性声明 本人所呈交的毕业论文（设计）是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：日期： 毕业论文（设计）授权使用说明 本论文（设计）作者完全了解**学院有关保留、使用毕业论文（设计）的规定，学校有权保留论文（设计）并向相关部门送交论文（设计）的电子版和纸质版。有权将论文（设计）用于非赢利目的的少量复制并允许论文（设计）进入学校图书馆被查阅。学校可以公布论文（设计）的全部或部分内容。保密的论文（设计）在解密后适用本规定。 作者签名：指导教师签名： 日期：日期：
注意事项 1.设计（论文）的内容包括： 1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作） 2）原创性声明 3）中文摘要（300字左右）、关键词 4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入） 6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论 7）参考文献 8）致谢 9）附录（对论文支持必要时） 2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。 3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。 4.文字、图表要求： 1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写 2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画 3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印 4）图表应绘制于无格子的页面上 5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档 5.装订顺序 1）设计（论文） 2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订 3）其它
传感器的目前现状与发展趋势 吴伟 1106032008 材控2班 摘要：传感器是高度自动化系统乃至现代尖端技术必不可少的一个关键组成部分。传感器技术是世界各国竞相发展的高新技术，也是进入21 世纪以来优先发展的十大顶尖技术之一。传感器技术所涉及的知识领域非常广泛，其研究和发展也越来越多地和其他学科技术的发展紧密联系。本文首先介绍了传感器的基本知识和传感器技术的发展历史。之后，综述了近几年高端前沿的光电传感器技术和生物传感器技术的主要研究状况。最后，展望了现代传感器技术的发展和应用前景。 关键词：传感器技术；传感器；研究现状；趋势 引言 当今社会的发展，是信息化社会的发展。在信息时代，人们的社会活动将主要依靠对信息资源的开发及获取、传输与处理。而传感器是获取自然领域中信息的主要途径与手段，是现代科学的中枢神经系统。它是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受(或响应)与检出功能，并使之按照一定规律转换成与之对应的可输出信号的元器件或装置的总称。传感器处于研究对象与测控系统的接口位置，一切科学研究和生产过程所要获取的信息都要通过它转换为容易传输和处理的电信号。如果把计算机比喻为处理和识别信息的“大脑”，把通信系统比喻为传递信息的“神经系统”，那么传感器就是感知和获取信息的“感觉器官”。 传感器技术是现代科技的前沿技术，发展迅猛，同计算机技术与通信技术一起被称为信息技术的三大支柱，许多国家已将传感器技术列为与通信技术和计算机技术同等重要的位置。现代传感器技术具有巨大的应用潜力，拥有广泛的开发空间，发展前景十分广阔。 1 传感器的基本知识
1.1 传感器的定义和组成 广义地说，传感器是指将被测量转化为可感知或定量认识的信号的传感器。从狭义方面讲，感受被测量，并按一定规律将其转化为同种或别种性质的输出信号的装置。传感器一般由敏感元件、转换元件、测量电路和辅助电源四部分组成，其中敏感元件和转换元件可能合二为一，而有的传感器不需要辅助电源。 1.2 传感器技术的基本特性 在测试过程中，要求传感器能感受到被测量的变化并将其不失真地转换成容易测量的量。被测量有两种形式：一种是稳定的，称为静态信号；一种是随着时间变化的，称为动态信号。由于输入量的状态不同，传感器的输入特性也不同，因此，传感器的基本特性一般用静态特性和动态特性来描述。衡量传感器的静态特性指标有线性度、灵敏度、迟滞、重复性、分辨率和漂移等。影响传感器的动态特性主要是传感器的固有因素，如温度传感器的热惯性等，动态特性还与传感器输入量的变化形式有关。 2 传感器技术的发展历史与回顾 传感器技术是在20世纪的中期才刚刚问世的。在那时，与计算机技术和数字控制技术相比，传感技术的发展都落后于它们，不少先进的成果仍停留在实验研究阶段，并没有投入到实际生产与广泛应用中，转化率比较低。在国外，传感器技术主要是在各国不断发展与提高的工业化浪潮下诞生的，并在早期多用于国家级项目的科研研发以及各国军事技术、航空航天领域的试验研究。然而，随着各国机械工业、电子、计算机、自动化等相关信息化产业的迅猛发展，以日本和欧美等西方国家为代表的传感器研发及其相关技术产业的发展已在国际市场中逐步占有了重要的份额。 我国从20世纪60年代开始传感技术的研究与开发，经过从“六五”到“九五”的国家攻关，在传感器研究开发、设计、制造、可靠性改进等方面获得长足的进步，初步形成了传感器研究、开发、生产和应用的体系，并在数控机床攻关中取得了一批可喜的、为世界瞩目的发明专利与工况监控系统或仪器的成果。但从总体上讲，它还不能适应我国经济与科技的迅速发展，我国不少传感器、信号
HEFEI UNIVERSITY 自动检测技术报告 题目压电式传感器的应用与发展 系别 ***级自动化 班级 **班 姓名 ********************** 指导老师***** 完成时间 2011-11-28
前言：压电式传感器是以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量测量。压电传感元件是力敏感元件，所以它能测量最终能变换为力的那些物理量，例如力、压力、加速度等。压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等优点。近年来，由于电子技术的飞速发展，随着与之配套的二次仪表以及低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现，使压电传感器的使用更为方便。因此，在工程力学、生物医学、石油勘探、声波测井、电声学等许多技术领域中获得了广泛的应用。本文重点介绍压电式传感器的工作原理，在航空发动机中的应用及发展趋势。 关键字：传感器压电效应测振 正文：压电式传感器的发展及应用压电式传感器是一种自发电式和机电转换式传感器。它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量。它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。 压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。正压电效应是指：当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变 时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量 与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电 效应制成的。逆压电效应是指对晶体施加交变电场引起 晶体机械变形的现象，又称电致伸缩效应。用逆压电效 应制造的变送器可用于电声和超声工程。压电敏感元件 的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、 厚度切变型、平面切变型5种基本形式（见图）。压电 晶体是各向异性的，并非所有晶体都能在这5种状态下产生压电效应。例如石英晶体就没有体积变形压电效应，但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。 压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。 压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。 压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电传感器的应用就非常广泛。
HEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 《传感器原理及应用》课程 考核论文 题目压电式加速度传感器班级机设七班 学号 20111488 姓名孙国强 成绩 机械与汽车工程学院机械电子工程系 二零一四年五月
压电式加速度传感器 摘要：现代工业和自动化生产过程中，非电物理量的测量和控制技术会涉及大量的动 态测试问题。所谓动态测试是指量的瞬时值以及它随时间而变化的值的确定，即被测量为变量的连续测量过程。振动与冲击测量的核心是传感器，常用压电加速度传感器来获取冲击和振动信号。压电式传感器是基于某些介质材料的压电效应，当材料受力作用而变形时，其表面会有电荷产生，从而实现非电量测量。其中，压电式加速度传感器是以压电材料为转换元件，将加速度输入转化成与之成正比的电荷或电压输出的装置，具有结构简单、重量轻、体积小、耐高温、固有频率高、输出线性好、测量的动态范围大、安装简单的特点。 一、传感器物理效应及工作原理 压电效应：某些材料在受力时所产生的电极化现象。正压电效应：某些电介质在受到某一方向的机械力而变形时，在一定表面上产生电荷，若外力变向，电荷极性随之而变；当撤除外力后，又重新回到不带电状态。逆压电效应：当在电介质的极化方向施加电场，电场力使其在一定方向上产生机械变形或机械应力；当撤除外加电场时，变形或应力随之消失，又称电致伸缩效应。 压电材料:石英晶体是目前广泛应用成本较低的人造石英晶体，有很大的机械强度和稳定的机械性能，温度稳定性好，但灵敏度低，介电常数小，因此逐渐被其他压电材料所代替，至今石英仍是最重要的也是用量最大的振荡器、谐振器和窄带滤波器等元件的压电材料。除此之外，压电陶瓷有较高的压电系数和介电常数，灵敏度高，但机械强度不如石英晶体好。 压电式加速度传感器又称为压电加速度计，它是典型的有源传感器，利用某些物质如石英晶体、人造压电陶瓷的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。压电敏感元件是力敏元件，在外力作用下，压电敏感元件的表面上产生电荷，从而实现非电量电测量的目的。 压电加速度传感器的原理框图如图1所示，原理如图2所示。
国内外研究现状及发展趋势 世界银行2000年研究报告《中国：服务业发展和中国经济竞争力》的研究结果表明，在中国有4个服务性行业对于提高生产力和推动中国经济增长具有重要意义，它们是物流服务、商业服务、电子商务和电信。其中，物流服务占1997年服务业产出的42．4％，是比重最大的一类。进入21世纪，中国要实现对WTO缔约国全面开放服务业的承诺，物流服务作为在服务业中所占比例较大的服务门类，肯定会首先遭遇国际物流业的竞争。 物流的配送方式从手工下单、手工核查的方式慢慢转变成现今的物流平台电子信息化管理方式，从而节省了大量的人力，使得配送流程管理自动化、一体化。 当今出现一种智能运输系统，即是物流系统的一种，也是我国未来大力研究的方向。它是指采用信息处理、通信、控制、电子等先进技术，使人、车、路更加协调地结合在一起，减少交通事故、阻塞和污染，从而提高交通运输效率及生产率的综合系统。我国是从70年代开始注意电子信息技术在公路交通领域的研究及应用工作的，相应建立了电子信息技术、科技情报信息、交通工程、自动控制等方面的研究机构。迄今为止以取得了以道路桥梁自动化检测、道路桥梁数据库、高速公路通信监控系统、高速公路收费系统、交通与气象数据采
集自动化系统等为代表的一批成果。尽管如此，由于研究的分散以及研究水平所限，形成多数研究项目是针对交通运输的某一局部问题而进得的，缺乏一个综全性的、具有战略意义的研究项目恰恰是覆盖这些领域的一项综合性技术，也就是说可以通过智能运输系统将原来这些互不相干的项目有机的联系在一起，使公路交通系统的规划、建设、管理、运营等各方面工作在更高的层次上协调发展，使公路交通发挥出更大的效益。 1.国内物流产业发展迅速。国内物流产业正处在前所未有的高速增长阶段。2008年，全国社会物流总额达89.9万亿元，比2000年增长4.2倍，年均增长23%；物流业实现增加值2万亿元，比2000年增长1.9倍，年均增长14%。2008年，物流业增加值占全部服务业增加值的比重为16. 5%，占GDP的比重为6. 6%。预计“十一五”期间，我国物流产业年均增速保持在15%以上，远远高于美国的10%和加拿大、西欧的9%。 2.物流专业化水平与服务效率不断提高。社会物流总费用与GDP 的比例体现了一个国家物流产业专业化水平和服务效率。我国社会物流总费用与GDP的比例在近年来呈现不断下降趋势，“十五”期间，社会物流总费用占GDP的比例，由2000年的19.4%下降到2006年的18. 3%；2007年这一比例则下降到18. 0%，标志着我国物流产业的专业化水平和服务效率不断提高。但同发达国家相比较，我国物流
传感器技术的研究应用现状与发展前景 传感器技术作为信息技术的三大基础之一，是当前各发达国家竞相发展的高技术是进入21 世纪以来优先发展的十大顶尖技术之一。传感器在科学技术领域、工农业生产以及日常生活中发挥着越来越重要的作用。人类社会对传感器提出的越来越高的要求是传感器技术发展的强大动力，而现代科学技术突飞猛进则提供了坚强的后盾。传感器是信息系统的源头, 在某种程度上是决定系统特性和性能指标的关键部件。本文回顾了传感器技术的发展历史，综述了近几年高端前沿的光电传感器技术和生物传感器技术的主要研究应用状况，并通过简述当前的应用实例，展望了现代传感器技术的发展和应用前景。 1.引言 传感器是将物理、化学、生物等自然科学和机械、土木、化工等工程技术中的非电信号转换成电信号的换能器。当今社会的发展是信息化社会的发展，在信息时代人们的社会活动将主要依靠对信息资源的开发及获取、传输与处理，而传感器是获取自然领域中信息的主要途径与手段，是现代科学的中枢神经系统，它是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受(或响应)与检出功能，并使之按照一定规律转换成与之对应的可输出信号的元器件或装置的总称。传感器处于研究对象与测控系统的接口位置一切科学研究和生产过程所要获取的信息都要通过它转换为容易传输和处理的电信号。如果把计算机比喻为处理和识别信息的大脑，把通信系统比喻为传递信息的神经系统，那么传感器就是感知和获取信息的感觉器官。传感器技术是现代科技的前沿技术，发展迅猛，同计算机技术与通信技术一起被称为信息技术的三大支柱，许多国家已将传感器技术列为与通信技术和计算机技术同等重要的位置现代传感器技术具有巨大的应用潜力拥有广泛的开发空间，发展前景十分广阔。 2.传感器的发展历史及分类 2.1传感器技术的发展历史 传感器技术是20世纪的中期才刚刚问世的，在那时与计算机技术和数字控制技术相比，传感技术的发展都落后于它们，不少先进的成果仍停留在实验研究阶段并没有投入到实际生产与广泛应用转化率比较低。在国外，传感器技术主要是在各国不断发展与提高的工业化浪潮下诞生的，并在早期多用于国家级项目
自动检测换技术 相关知识： 电感式传感器的概述； 电感式传感器的基本工作原理； 电感式传感器的测量转换电路； 典型事例； 电感式传感器的应用领域；
电感式传感器 电感式传感器是一种利用线圈自感或互感的变化来实现测量的一种传感器装置，常用来测量位移、振动、力、应变、流量、加速度等物理量。 电感式传感器是基于电磁感应原理来进行测量的。 电感式传感器的分类 自感型——变磁阻式传感器； 互感型——差动变压器式传感器； 涡流式传感器——自感型和互感型都有； 高频反射式——自感型； 低频透射式——互感型电感式传感器； 电感式传感器的概述： 由铁心和线圈构成的将直线或角位移的变化转换为线圈电感量变化的传感器，又称电感式位移传感器。这种传感器的线圈匝数和材料导磁系数都是一定的，其电感量的变化是由于位移输入量导致线圈磁路的几何尺寸变化而引起的。当把线圈接入测量电路并接通激励电源时，就可获得正比于位移输入量的电压或电流输出。常用电感式传感器有变间隙型、变面积型和螺管插铁型。在实际应用中，这三种传感器多制成差动式，以便提高线性度和减小电磁吸力所造成的附加误差。 为什么电感式传感器，一般采用差动形式？
采用差动式结构：1、可以改善非线性、提高灵敏度，提高了测量的准确性。2、电源电压、频率的波动及温度变化等外界影响也有补偿作用，作用在衔铁上的电磁力，由于是两个线圈磁通产生的电磁力之差，所以对电磁吸力有一定的补偿作用，提高抗干扰性。 目录 1 简介 2 特点 3 种类
电感式传感器- 简介 由铁心和线圈构成的将直线或角位移的变化转换为线圈电感量变化的传感器，又称电感式位移传感器。这种传感器的线圈匝数和材料导磁系数都是一定的，其电感量的变化是由于位移输入量导致线圈磁路的几何尺寸变化而引起的。当把线圈接入测量电路并接通激励电源时，就可获得正比于位移输入量的电压或电流输出。 电感式传感器- 特点 ①无活动触点、可靠度高、寿命长； ②分辨率高； ③灵敏度高； ④线性度高、重复性好； ⑤测量范围宽（测量范围大时分辨率低）； ⑥无输入时有零位输出电压，引起测量误差； ⑦对激励电源的频率和幅值稳定性要求较高； ⑧不适用于高频动态测量。电感式传感器主要用于位移测量和可以转换成位移变化的机械量（如力、张力、压力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位、比重、转矩等）的测量。 电感式传感器- 种类 常用电感式传感器有变间隙型、变面积型和螺管插铁型。在实际应用中，这三种传感器多制成差动式，以便提高线性度和减小电磁吸
摘要 (1) 一、引言 (1) 二、压电式传感器原理 (1) 2.1压电传感器所应用的原理 (1) 2.2压电效应的产生 (2) 2.3石英晶体的压电效应 (3) 三、压电传感器在汽车上的应用 (4) 3.1压电式爆震传感器 (4) 3.1.1共振型压电式爆震传感器 (4) 3.1.2非共振型压电式传感器 (5) 3.2碰撞传感器 (6) 3.3压电式加减速传感器 (6) 四、压电式传感器的发展趋势 (7) 参考文献 (7)
压电式传感器及应用 摘要 近年来，由于电子技术的飞速发展，随着与之配套的二次仪表以及低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现，使得压电传感器在工程力学、生物医学、石油勘探、声波测井、电声学等许多技术领域中获得了广泛的应用。本文将以压电式传感器的应用与发展为核心，首先对压电效应的原理进行介绍，紧接着是在行业、具体工程方面尤其是在汽车领域的应用以及应用的方法，最后介绍了压电式式传感器未来的发展趋势。 关键字：压电式传感器；压电效应；应用；发展 一、引言 传感器是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受与检出功能, 并使之按照一定规律转换与之对应有用输出信号的元器件或装置，是新技术革命和信息社会的重要技术基础，是现代科技的开路先锋，美国早在80年代就声称世界已进入传感器时代，日本则把传感器技术列为十大技术之创立。 压电式传感器是基于压电效应的传感器。是一种自发电式和机电转换式传感器它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量。它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。 二、压电式传感器原理 2.1压电传感器所应用的原理 压电式传感器所采用的是压电效应，即，当沿着一定方向对某些物质加力而使其变形时，
题目智能电子秤设计 姓名李宏 专业电子信息工程 班级电子一班 学号 004 时间 2016年4月10日 第一章功能说明 本设计系统以单片机AT89S52为控制核心，实现电子秤的基本控制功能。在设计系统时，为了更好地采用模块化设计法，分步设计了各个单元功能模块。 系统的硬件部分包括最小系统部分、数据采集部分、人机交互界面和系统电源四大部分。最小系统部分主要包括AT89S52和扩展的外部数据存储器；数据采集部分由称重传感器，信号的前期处理和A/D转换部分组成，包括运算放大器AD620和A/D转换器ICL7135；人机界面部分为键盘输入，四位LED数码显示器，可以直观的显示重量的具体数字以及方便的输入数据，使用方便；系统电源以LM317和LM337为核心设计电路以提供系统正常工作电源。 系统的软件部分应用单片机C语言进行编程，实现了该设计的全部控制功能。该电子秤可以实现基本的称重功能（称重范围为0～9.999Kg，重量误差不大于±0.005Kg）,并发挥部分的显示购物清单的功能，可以设置日期和设定十种商品的单价，还具有超量程和欠量程的报警功能。 本系统设计结构简单，使用方便，功能齐全，精度高，具有一定的开发价值。称重传感器原理 即由非电量（质量或重量）转换成电量的转换元件，它是把支承力变换成电的或其它形式的适合于计量求值的信号所用的一种辅助手段。 按照称重传感器的结构型式不同，可以分直接位移传感器（电容式、电感式、电位计式、振弦式、空腔谐振器式等）和应变传感器（电阻应变式、声表面谐振式）或是利用磁弹性、压电和压阻等物理效应的传感器。 对称重传感器的基本要求是：输出电量与输入重量保持单值对应，并有良好的线性关系；有较高的灵敏度；对被称物体的状态的影响要小；能在较差的工作条件下工作；有较好的频响特性；稳定可靠。 传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。其中敏感元件指传感器中能直接感受被测量的部分，转换元件指传感器中能将敏感元件输出量转换为适于传输和测量的电信号部分。此外传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和
国内外测试仪器发展现状及趋势 科学是从测量开始的—这是19世纪著名科学家门捷列夫的名言。到了21世纪的今天，作为信息产业的三大关键技术之一，测试测量行业已经成为电子信息产业的基础和发展保障。 而测试仪器作为测试测量行业发展不可或缺的工具，在测试测量行业的发展中起到了巨大的作用。中国“十一五”期间，由于国家不断增加基础建设的投入力度，在旺盛市场需求的带动下，对仪器需求不断增加，同时测试仪器市场也正在快速发展。 全球测试仪器市场情况及分析 国内电子测量仪器行业在经过一段沉寂后，慢慢开始复苏。产品大幅增长主要有两个原因，一是市场的巨大需求，特别是通信、广播电视市场的巨大发展，引发了电子测量仪器市场的迅速增长，二是电子测量仪器行业近几年迅速向数字化、
智能化方向发展，推出了部分数字化产品，因而在若干个门类品种上取得了较快增长。从近期中国仪表行业发展的情况来看势头喜人的，与全国制造业一样，虽然遇到了不少困难但仍然保持了向上发展的态势。 尽管中国仪器市场正在快速的发展着，但与国外仪器生产企业比较仍然有很大的差距。中国主要科研单位、学校以及企业等单位中使用的高档、大型仪器设备几乎全部依赖进口。同时，国外公司还占有国内中档产品以及许多关键零部件市场60%以上的份额。世界测试仪器市场对中国的影响依然非常大。目前，在世界电子测量仪器市场上，竞争日趋激烈。以往，测试仪器生产厂商主要都将仪器产品的高性能作为竞争优势，厂商开发什么，用户买什么。而今则已变成厂商努力开发用户需要的仪器，并且把更便宜、更好、更快、更易使用的测试仪器作为奋斗目标。在信息化的推动下，全世界测试仪器市场将继续保持增长的势头。人们普遍认为，电子测量仪器市场的前景依然乐观。 国际仪器发展趋势和国内现状 一、国际趋势
《传感器原理与应用》结课论文国外传感器现状及发展趋势 学院：计算机与信息工程学院 专业：通信工程 班级：13级通信工程 学号： ： 指导教师：袁博 学年学期：2016-2017学年第一学期
摘要：传感器技术是现代技术的应用具有巨大的发展潜力，通过传感器技术的应用现状，在未来发展中存在的问题和面临的挑战，传感器技术现状与发展趋势。 关键字：传感器，现状，发展趋势。 正文： 一、传感器的定义和组成 根据国家标准（GB7665—87），传感器（transduer/sensor）的定义是：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。 这一定义包含了以下几方面的含意：①传感器是测量装置，能完成检测任务：②它的输出旦是某一被测量，可能是物理量．也可能是化学量、生物量等；②它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等，这种量可以是气、光、电物理量，但主要是电物理量；④输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。 关于传感器，我国曾出现过多种名称，如发送器、传送器、变送器等，它们的涵相同或相似。所以近来己逐渐趋向统一，大都使用传感器这一名称了。 但是，在我国还经常有把‘传感器”和“敏感元件”等同使用的情况。当从仪器仪表学科的角度强调是一种感受信号的装置时，称其为。传感器”：而从电子学的角度强调它是一种能感受信号的电子元件时，称其为“敏感元件”。两种
不同的提法在大多数情况下并不矛盾。例如热敏电阻，既可以称其为“温度传感器”，也可以称之为“热敏元件”。但在有些情况下则只能概括地用“传感器”一词来称谓。例如，利用压敏元件作为敏感元件，并具有质量块、弹按和阻尼等结构的加速度传感器，很难用“敏感元件％类的词称谓，而只“传感器”则更为贴切。 传感器一般由敏感元件、转换元件和转换电路三部分组成。 （1）敏感元件：它是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一种量的元件。 是一种气体压力传感器的示意图。膜盒2的下半部与壳体l固接，上半部通过连扦与磁芯 4相连，磁芯4置于两个电感线圈3中，后者接人转换电路5。这里的膜盒就是敏感元件，其外部与大气压力尸。相通，部与被测量压力尸相通。当尸变化时．引起膜盒上半部移动，即输出相应的位移量。 （2）转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。在图2—2中，转换元件是可变电感线圈3，它把输入的位移量转换成电感的变化。 （3）转换电路：上述电路参数接入转换电路．便可转换成电量输出。 实际上，有些传感器很简单．有些则较复杂，大多数是开环系统，也有些是带反馈的闭环系统。 最简单的传感器由一个敏感元件（兼转换元件）组成，它感受被测量时直接输出电量，如热电偶；有些传感器由敏感元件组成，没有转换电路，如压电式加
第1章绪论 1.1我国公路现状 交通运输业是国民经济中从事运送货物和旅客的社会生产部门，是国民经济和社会发展的动脉，是经济社会发展的基础行业、先行产业。交通运输主要包括铁路、公路、水运、航空、管道五种运输方式，其中，铁路、水运、航空、管道起着“线”的作用，公路则起着“面”的作用，各种运输方式之间通过公路路网联结起来，形成四通八达、遍布城乡的运输网络。改革开放以来，灵活、快捷的公路运输发展迅速，目前，在综合运输体系中，公路运输客运量、货运量所占比重分别达90％以上和近80％。高速公路是经济发展的必然产物，在交通运输业中有着举足轻重的地位。在设计和建设上，高速公路采取限制出入、分向分车道行驶、汽车专用、全封闭、全立交等较高的技术标准和完善的交通基础设施，为汽车快速、安全、经济、舒适运行创造了条件。与普通公路相比，高速公路具有行车速度快、通行能力大、运输成本低、行车安全、舒适等突出优势，其行车速度比普通公路高出50％以上，通行能力提高了2~6倍,并可降低30％以上的燃油消耗、减少1/3的汽车尾气排放、降低1/3的交通事故率。 新中国成立以来，经过60多年的建设，公路建设有了长足发展。2011年初正值“十一五”规划结束，“十二五”规划伊始。“十一五”时期是我国公路交通发展速度最快、发展质量最好、服务水平提升最为显著的时期。经过4年多的发展，公路交通运输紧张状况已实现总体缓解，基础设施规模迅速扩大，运输服务水平稳步提升，安全保障能力明显增强，为应对国际金融危机、保持经济平稳较快发展、加快经济发展方式转变、促进城乡区域协调发展、保障社会和谐稳定、进一步提高我国的综合国力和国际竞争力作出了重要贡献。 “十一五”前4年，全国累计完成公路建设投资2.93万亿元，年均增长近16％，约为“十一五”预计总投资的1.2倍，也超过了“九五”和“十五”的投资总和。公路建设投资的快速增长，极大地拉动和促进了国民经济的迅猛发展。从公路建设投资占同期全社会固定资产总投资的比重来看，“十一五”期间基本保持在4.5％左右。 在投资带动下，公路网规模不断扩大，截至2009年底，全国公路网总里程达到386万公里，其中高速公路6.51万公里，二级及以上公路42.52万公里，分别较"十五"末增加36.4万公里、2.5万公里和9.4万公里；全国公路网密度由“十五”末的每百平方公里34.8公里提升至40.2公里。预计到2010年底，全国公路网总里程将达到395万公里，高速公路超过7万公里，分别较“十五”末增加45.3万公里与3万公里。农村公路投资规模年均增长30%，总里程将达到345万公里，实现全国96%的乡镇通沥青（水泥）路。 “十一五”期间公路的快速发展，为扩大内需、拉动经济增长作出了突出贡献。特别是2008年以来，为应对国际金融危机，以高速公路为重点，建设步伐进一步加快，“十一五”末高速公路里程将达到"十五"末的1.78倍。“十一五”期间全社会高速公路建设累计投资达2万亿元，直接拉动GDP增长约3万亿元，拉动相关行业产出
传感器技术发展现状及趋势 桂林航天工业学院 课程论文 题目：传感器技术发展现状及趋势 专业：工商企业管理（生产运作与质量管理） 姓名：罗并 学号：20190820Z00102 指导教师：陈少航 2019年 6月12日 传感器技术发展现状及趋势 在信息化社会，几乎没有任何一种科学技术的发展和应用能够离得开传感器和信号探 测技术的支持。生活在信息时代的人们，绝大部分的日常生活与信息资源的开发，采集， 传送和处理息息相关。分析当前信息与技术发展状态，21世纪的先进传感器必须具备小型化，智能化，多功能化和网络化等优良特征。 为了能够与信息时代信息量激增，要求捕获和处理信息的能力日益增强的技术发展趋 势保持一致，对于传感器性能指标(包括精确性，可靠性，灵敏性等)的要求越来越严格； 与此同时，传感器系统的操作友好性亦被提上了议事日程，因此还要求传感器必须配有标 准的输出模式；而传统的大体积弱功能传感器往往很难满足上述要求，所以它们已逐步被 各种不同类型的高性能微型传感器所取代；后者主要由硅材料构成，具有体积小，重量轻，反应快，灵敏度高以及成本低等优点。 目前，几乎所有的传感器都在由传统的结构化生产设计向基于计算机辅助设计(CAD) 的模拟式工程化设计转变，从而使设计者们能够在较短的时间内设计出低成本，高性能的 新型系统，这种设计手段的巨大转变在很大程度上推动着传感器系统以更快的速度向着能 够满足科技发展需求的微型化的方向发展。 智能化传感器(Smart Sensor)是20世纪80年代末出现的另外一种涉及多种学科的新 型传感器系统。此类传感器系统一经问世即刻受到科研界的普遍重视，尤其在探测器应用 领域，如分布式实时探测，网络探测和多信号探测方面一直颇受欢迎，产生的影响较大。，智能化传感器具有以下优点: (1)智能化传感器不但能够对信息进行处理，分析和调节，能够对所测的数值及其误 差进行补偿，而且还能够进行逻辑思考和结论判断，能够借助于一览表对非线性信号进行
压电传感器的应用 摘要：传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。传感器的种类非常广泛，其中压电传感器是基于材料的压电效应而制成的器件，其有较长的发展历史。压电材料的种类由最初的压电晶体发展到压电陶瓷、进而发展到压电聚合物及其复合材料。随着物理学、材料科学与各个学科的交叉发展，压电材料被用以研制成了多种用途的传感器，被广泛应用于工程技术各领域，在测量技术中被用来测量力和加速度。 Abstract:Sensor is the main ways and means to obtain information in the field of natural and production . In modern industrial production, especially automated production process, useing a variety of sensors to monitor and control the production process of various parameters,which enable the device to work in a normal state or the best condition, and to achieve the best quality products. Types of sensors is very broad, of which the piezoelectric sensor is based on the piezoelectric effect devices made of material which has a long history of development. Types of piezoelectric material from the initial development of the piezoelectric ceramic piezoelectric crystal, and thus the development of piezoelectric polymers and their composites. With the development of cross-physics, materials science and various disciplines, piezoelectric materials are used for research into a variety of uses sensors are widely used in various
北京市绿化隔离带可持续经营技术及效益评价 二、项目所属领域国内外研究开发现状和发展趋势 1、由城市绿地到城市林业的发展 城市绿地是城市中一种特殊的生态系统，它是城市系统中能够执行“吐故纳新”负反馈调节机制的子系统。这个系统一方面能为城市居民提供良好的生活环境，为城市生物提供适宜的生境；另一方面能增强城市景观的自然性、促进城市居民与自然的和谐共生。它是城市现代化和文明程度的重要标志。 绿地(green space)一词，各国的法律规范和学术研究对它的定义和范围有着不同的解释，西方城市规划概念中一般不提城市绿地，而是开敞空间(Open Space)，我国建国以来一直延用原苏联的绿地概念，包括城市区域内的各类公园、居住区绿地、单位绿地、道路绿化、墓地、农地、林地、生产防护绿地、风景名胜区、植物覆盖较好的城市待用地等。 尽管各国关于开敞空间(或绿地)的定义不尽相同，但它们都强调了开敞空间(或绿地)在城市中的自然属性，即都是为了保持、恢复或建立自然景观的地域。绿地作为城市的一种景观，是城市中保持自然景观，或使自然景观得到恢复的地域，是城市自然景观和人文景观的综合体现，是城市中最能体现生态性的生态空间，是构成城市景观的重要组成部分。在结构上为人工设计的植物景观、自然植物景观或半自然植物景观。绿地在城市中的功能和作用主要包括：组织城市空间的功能、生态功能（改善生态环境的功能、生物多样性保护功能）、游憩休闲功能、文化(历史)功能、教育功能、社会功能、城市防护和减灾功能。 城市绿地发展和研究进程包括：城市绿地思想启蒙阶段、城市绿地规划思想形成阶段、城市绿地理论和方法的发展阶段、城市绿地生态规划和建设阶段。 吴人韦[1]、汪永华[2]、胡衡生[3]等从城市公共绿地的起源开始介绍了国外城市绿地的发展历程，认为国外的城市绿地建设经历了从公园运动（1843～1887）、公园体系（1880～1890）、重塑城市（1898～1946）、战后大发展（1945～1970）、生物圈意识（1970年以后）等一系列由简单到复杂的城市绿地发展过程，其中“重塑城市”阶段提出了“田园城市”和城市绿带概念，绿带网络提供城区间的隔离、交通通道，并为城市提供新鲜空气。“有机疏散”理论中的城市与自然的有机结合原则，对以后的城市绿化建设具有深远的影响。1938年，英国议会通过了绿带法案（Green Belt Act）。1944年的大伦敦规划，环绕伦敦形成一道宽达5英里的绿带。1955年，又将该绿带宽度增加到6～10英里。英国“绿带政策”的主要目的是控制大城市无限蔓延、鼓励新城发展、阻止城市连体、改善大城市环境质量。早在1935年，莫斯科进行了第一个市政建设总体规划，规划在城市用地外围建立10公里宽的“森林公园带”；1960年调整城市边界时，“森林公园带”进一步扩大为10～15公里宽，北部最宽处达28公里；1971年，莫斯科采用环状、楔状相结合的绿地布局模式，将城市分隔为多中心结构。目前，德国城市森林建设已取得了让世人瞩目的成绩，其树种主要为乡土树种，基本上是高大的落叶乔木（栎类、栗类、悬铃木、杨树、核桃、欧洲山毛榉等）[4]。在绿化城