1、I压电、压阻、ICP 传感器适配电路的计算或仿真摘 要传感器技术是当今世界迅猛发展的高新技术之一，它与计算机技术、通讯技术共同构成本世纪信息产业的三大支柱技术，备受世界各发达国家的高度重视，必将作为本世纪重点技术加以发展。传感器技术是利用各种功能材料实现信息检测的一门应用技术，涉及到检测原理、材料科学和工艺加工 3 个主要影响因素。传感器技术作为国家综合科研水平的代表，而传感器技术的具体应用是传感器技术成果转化的重要途径和方法。本文主要研究压电式、压阻式、ICP 式传感器，结合各自的工作原理和性能特点，有电荷、电压放大器、恒流源适配电路，对压电式和电荷放大器、压阻式和电压放大器、ICP 和恒流
2、源的计算和方针。关键词 压电式传感器，压阻式传感器，ICP 传感器第 2 页 共 35 页Simulation or calculating of the right circuit to sensorSummary The sensor technology is one of the rapid developmental technology in nowadays, it and com- puter technology, communication technology form three major pillar technology of the infor-mation i
3、ndustry in this century together, paid close attention by every developed country of the world , will develop as the key technology in this century.The sensor technology is a application technology making of various function materials to measure information involve 3 main influence factors :measurin
4、g the principle, material science and machining as the representatives of national comprehensive scientific research levels, the concrete application of sensor is important route and method that the technological of the sensor transforms the text most research piezoelectricity sensor, pressure senso
5、r, ICP sensor combine their own perating principles and characteristic , simulation or calculating the circuitry of piezoelectricity sensor and electric charge amplifier, pressure sensor and voltage amplifier, ICP sensor and constant source, apprehend bandwidth and system function of every circuit .
6、Keywords piezoelectricity sensor, pressure sensor, ICP sensor1 绪论1.1 课题背景随着科学技术的迅猛发展，传感器技术已越来越广泛地应用于机械制造、交通运输、石油化工、医疗卫生等领域。而且也正逐步渗透到人们的日常生活中去。可以说，传感器技术水平的高低，是衡量一个国家科学技术现代化程度的重要标志 1。传感器应用于各个学科领域。具体地说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，并按照一定规律转换成与之对应的有用信号的元器件或装第 3 页 共 35 页置。如果没有传感器对被测的原始信息进行准确可靠的捕获和转换。一切准确的
7、测试与控制都将无法实现，即使最现代化的电子计算机，没有准确的信息或有失真的输入，也将无法充分发挥其应有的作用。 传感器技术所涉及的知识非常广泛，涵盖各个学科领域，但是它们的共性是利用物质的物理、化学和生物等特性，将非电量转化为电量。所以，采用新技术、新工艺、新材料以及探索新理论，以达到高质量的转化效能，是总的发展途径。当前，传感器技术的主要发展方向，一是传感器本身的基础研究；二是和微处理器组合在一起的传感器系统的研究，前者是研究新的传感器材料和工艺，发展新现象；后者是研究如何将检测功能与信号处理技术相结合，向传感器的智能化、集成化发展。 随着振动试验在产品可靠性领域的推广，振动测量的应用显得越
8、来越重要。压电式传感器测量电路是控制技术领域中非电量的测量，是振动与冲击测量中最重要组成部分。压电式传感器内无可动部件, 具有频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠、重量轻等优点。特别是随着电子技术的飞跃发展,与之配套的二次仪表以及低噪声、高绝缘电阻、小电容量的电缆出现, 压电式传感器获得了广泛的应用。压电式传感器可以看作一个能产生电荷的高内阻发电元件，但其产生的电荷量很小，因此不能用一般的测量电路来进行测量,必须用与之相配套的测量电路 2。而电荷放大器作为连接振动传感器与信号分析仪之间的关键器件，是不可缺少的一个环节。电荷放大器可以用于电子、航空航天、船舶等重要工业，同时也是教学科研
9、不可缺少的重要器件。传感器广泛应用于生产和生活的各个方面，而压阻式传感器以其优越的性能成为现代测试领域的主角。在煤矿安全生产中，更需要传感器全面监测各种参数。如：瓦斯监测、一氧化碳监测、二氧化碳监测、矿井压力监测、采煤机工作情况、皮带运输机的运转情况等 3。在复杂机械系统状态识别和故障诊断中，数据采集及动态测试系统是其中的一个重要环节。首先必须对系统中的一些振动、噪声等模拟信号进行采集，然后转换成数字量，由计算机进行存储、处理、显示或打印。以测量振动信号为例，振动信号通过加速度传感器获取后送到模拟输入信号调理模块，通过调理模块把振动信号调理成标准电压信号(5V)，再送到 A/D 采集电路中将其
10、转换成数字量信号，然后由计算机进行处理，最后进行标度变换，即将数字量转换为振动的工程单位(EU)。目前，测量振第 4 页 共 35 页动信号一般用压电式加速度传感器，但是这种加速度传感器必须通过电荷放大器为其供电，并将信号放大、调理成标准信号。由于此连接方式对导线的阻抗以及晃动等要求很苛刻 4。而且很容易受现场干扰。故现在有采用 ICP 传感器的趋势。ICP(IntegratedCircutPiezoelectric)是一种新型的加速度传感器。它采用现代集成电路技术将传统的电荷放大器置于传感器中，所有高阻抗电路都密封在传感器内，并以低阻抗电压方式输出。输出电压幅值与加速度成正比。ICP 传感器
11、的优点的在于：1 不需要联结电荷放大器，使用方便、灵活特别适用于现场测试及在线监测。2 精度高，不易受现场干扰，由于 ICP 传感器输出的就是放大的信号，所以干扰对其影响小，信噪比高。即使在恶劣的工厂环境下，也可以利用 ICP 传感器。普通的同轴电缆对电压信号进行远距离的传输，故 ICP 传感器被广泛应用。随着科学技术的发展，传感器应用越来越广泛，新型传感器尤为突出。它们虽各有千秋，但也各有不足之处，需要连接各自的适配电路 5。如：压电式传感器虽在高频振动的测试中有优越之处，但它的阻抗高，给二次仪表带来困难，而电荷放大器可以解决这个问题；压阻式传感器具有灵敏度高、稳定性好、迟滞和重复性小等优点
12、。但是压阻元件的压阻系数通常具有较大的负温度系数，会带来测量误差，在此情况下，电压放大器应运而生；在压电加速度传感器测试系统中，ICP 测试系统代表了当今的技术发展趋势，可以广泛应用在各种要求的监控测量领域。典型的测试系统含有一个ICP 传感器，通用双传输电缆和基本的恒流源。所有 ICP 传感器都要求一个适当的恒流供电电源。本课题主要研究压电式、压阻式、ICP 式传感器和各自相应的适配电路，并简单研究各个适配电路的性能。1.2 传感器发展现状因为压电石英传感器有一些独特的优点,所以国内外生产压电传感器的厂家,除加速度传感器有的采用压电陶瓷外,力和压力传感器大都选用石英晶体,像瑞士 Kistle
13、r 公司、奥地利 AVL 公司、国内江西传感器厂、上海测试技术研究所等单位,生产的压电式传感器全部选用石英晶体 6。我国先后研制出 YT-01 型岩体应力传感器、YTQ-1000 型应力传感器、DY 型多用途传感器、廉价岩石应力传感器等。其中有的成果经过专家鉴定,认为达到了国内先进水平,有些指标达到国外先进水平。固态压阻传感器在我国是七十年代初期开始研制的。最早从事研制工作的有电子第 5 页 共 35 页部所 1413、科学院半导体所、北京航空学院、南京航空学院、五机部 625 所、618 所和宝鸡秦岭晶体管厂等。1977 年秦岭晶体管厂研制出我国第一批高精度、高性能的固态压阻传感器,并于当年
14、在全国第一家通过生产鉴定,1984 年获得的电子部优质产品,成为该厂的主要产品,其产量产值约占全国同类产品的三分之二以上。宝鸡秦岭晶体管厂是国内唯一的固态压阻传感器专业化生产厂家,该厂生产的CYG 型固态压阻压力传感器具有高精度、高频响、高输出信号和高可靠性等优点。体积小、重量轻可作为测量换能器件,能广泛应用于石油、机械动力、气象地质、生物医学工程以及航天、航空、航海等领域。秦岭晶体管厂生产普通型固态压阻传感器产品,其中 CYG02、19、20 系列为各种差压传感器；CYG20 系列为微差压传感器，量程低至 15mm 水柱,分辨率优于 0.01mm水柱；CYG03 系列为机载传感器,它与 SS
15、Y 水深仪配套,可用于水库、水坝、地下水探测及地球物理探侧；CYG05 系列为中压传感器，CYG30 系列为高压传感器。压电加速度传感器可在-269C+750 的范围内使用 7，目前大多数厂家生产的传感器的最低截止频率已由原来的 5 Hz10Hz 向着 1Hz 以下发展，可见现在压电加速度传感器技术正向着低频测量领域延伸。瑞士奇石乐(Kistler)公司生产的压电加速度传感器的最低响应频率接近于零；已有 40 多年生产经验的美国恩德福克公司(Endevco)的22 型压电式加速度传感器重量仅 0.14g。目前有很多厂家生产一种内装微型 IC 集成电路放大器的压电加速度传感器，即ICP 测试系统
16、 (低阻输出集成型压电传感器 )。它将传统的压电加速度传感器与电荷放大器集于一体，能直接与记录和显示仪器连接，简化了测试系统。但它的主要缺点是：量程窄、温度适应性差(-40C+120C)。在很多场合下仍首选电荷放大器作为传感器二次仪表，而且电荷放大器的独立使用使得电荷测量系统有一个高的灵活性。第 6 页 共 35 页2 压电式、压阻式、ICP 型传感器及其适配电路原理2.1 传感器原理及特性2.1.1压电式传感器及特性1 压电式传感器的工作原理某些电介质在一定方向施加作用力时，在其表面会产生电荷，此种现象称为压电效应。压电效应是材料受到应力作用时所产生的电极化现象，是一种可逆效应。利用第 7
17、页 共 35 页此压电效应做成的传感器称为压电式传感器。压电式传感器可以看作电荷发生器，也可以看做一个电容器，如下图所示，其电容量为 （式 2.1） AC0图 2.1 压电式传感器的模型式 2.1 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 ；00mF12极板间距离；A 极板面积。在图 2.1 中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，F 为施加在晶片上的外力。实验已证明压电体表面积聚的电荷与作用力成正比。若沿单一晶轴 x-x 方向加力 F，则在垂直于 x-x 方向的压电体表面上积聚的电荷量为 q，即有（式dQc2.
18、2） 式 2.2 中：Q 电荷量；dc压电常数，与材料和切片方向有关；F作用力。第 8 页 共 35 页当压电式传感器接入测量电路，连接电缆的寄生电容就形成传感器的并联寄生电容 Cc,后续电路的输入阻抗和传感器中电阻就形成泄漏电阻 R0，等效电路如图 2.2 所示。图 2.2 传感器等效电路图 根据电荷平衡，建立的方程式为（式idtuCQ2.3）式 2.3 中：Q压电元件在外力作用下产生的电荷量；C电容， 其中,C a 为压电元件电容，C c 为电缆电容，icaCi 为外接电路的输入端电容；u电容上建立的电压；i泄露电流， 0Rui（式 2.3）可写为 （式FdtcC2.4） 也可写为 （式i
19、dtc0R2.5）压电式传感器的传递函数 H(s),对方程（2.5）两边进行拉氏变换，即第 9 页 共 35 页（式)()(L0SFdsiCRtLcO2.6）则其传递函数 H(s)为 (式 2.7)SCRdc1F()isH0对（式 2.7）进行归一化处理，令 ，则压电式传感器的频率响应函数 为 c )H(j(式 2.8)j1CR)H(j0其幅频特性 为 (式 2.9)A( 2020CR1)(CR)其相频特性 为 （式)(0arctn)(2.10）2压电式传感器的工作特性压电式传感器的传递函数 决定了它的工作特性，这里仅就提高它的频率特性H(s)进行讨论。由（式 2.7）可知，若压电常数 为一个
20、稳定的值，它就是一个稳定的灵敏cd度。压电常数的特性若与作用力的频率有关，则将影响传感器的 、 和 的H(s)A)(特性，不利于对力信号的测试。当工作频率很低时，即 时，其幅频特性曲线趋向于不平稳。这表明压电式0传感器不适用于低频力信号的测试；当工作频率很高并达到 时，由（式1CR02.9）可知， 。若 和 为定值，则 值为一个稳定的值，其特性曲线0CR1)A(0)A(为平坦的直线，这表明在测试高频力信号时，其工作特性是理想的。随着工作频率的第 10 页 共 35 页提高， 值增大，这就更能保证 ，这表明压电式传感器特别适用于高频0CR1CR0力信号和瞬变力信号的测试 810。2.1.2压阻式
21、传感器及特性1压阻式传感器的工作原理 固体受到力的作用后，其电阻率就要发生变化，这种现象称为压阻效应。压阻式传感器是利用固体的压阻效应制成的一种测量装置。压阻式传感器的基本原理可从材料电阻的变化率看出，任何材料电阻的变化率都由下式决定 （ 式slR2.1.1） 对金属而言，上式中的 一项较小，即电阻率的变化率较小，有时可忽略不计，而 两项较大，即尺寸的变化率较大，故金属电阻的变化率主要sl与两项引起的，这就是金属应变片的工作原理。对半导体而言，上式中的与两项很小，即尺寸的变化率较小，可忽略不计，而 一项较大，故半导sl与 体电阻的变化率主要是由 一项引起的，这就是压阻式传感器的基本工作原理 11。2 压 阻 式 传 感 器 的 工 作 特 性如 果 引 用 式(式 2.12)R式 2.12 中 ， 为 压 阻 系 数 ； 为 应 力 ， 再 引 进 横 向 变 形 的 关 系 ， 则 电 阻 的 相 对 变化 率 可 写 成（ 式 kEEll 21212R2.13）式 2.13 中 ,k 称 为 灵 敏 系 数 ， 。k
