1、第 1 页 共 60 页压电加速度传感器现状摘要传感器技术是现代科技的前沿技术，是现代信息技术的三大支柱之一，其水平的高低是衡量一个国家科技发展程度的重要标志。压电加速度传感器是振动与冲击测量的核心部件，在现代工业和自动化生产过程中具有非常重要的作用，特别是在精度、长时间稳定性等方面具有独到之处。本文在对压电材料的结构、压电机理、压电效应、压电传感器知识介绍的基础上，阐明了传感器发展的历史现状，压电加速度传感器的工作原理，分析了不同材料的压电加速度传感器的压电性能。利用不同材料的压电特性，设计制作各种加速度传感器来满足不同的测量要求己经成为当今人们研究的一个热点，国内外许多科研人员已经利用压电
2、加速度传感器做出了许多成功的应用。关键词：压电加速度传感器，压电材料，传感器，现状第 2 页 共 60 页The current situation of the Piezoelectric AccelerometerAbstractThe sensor technology is the front technology of the modern science and technology, as well as one of the three major pillars of the modern information technology, and its development
3、 level is an important symbols for weighing a nations scientific and technology development level. Piezoelectric accelerometer is at the very core of the measurement in the vibration and strike, and it is very important in modern industry and automatic production. Especially in precision, long-time
4、stability it has very fine quality.This paper illustrated the development of history on transducer, and the working principle of the piezoelectric accelerometer on the basis of the introduction to the structure of piezoelectric material, the piezoelectric theory, piezoelectric effect and piezoelectr
5、ic transducer，then analyzed different materials of the piezoelectric accelerometers piezoelectric characters. Through using different piezoelectric materials, a variety of acceleration sensors have been developed to meet the different measurement requirements, which has already been one of the focus
6、es of the modern research. And a lot of successful examples have been made in the application of the piezoelectric accelerometer by domestic and international researchers.Keywords：Piezoelectric accelerometer，piezoelectric material，sensors，current situation第 3 页 共 60 页1 引言能够把特定的被测量信息（如物理量、化学量、生物量等）按一
7、定规律转换成某种可用信号的器件或装置，称为传感器。现已发展起来的传感器用途纷繁，原理各异，形式多样，就其分类方法也有多种，其中有两种分类法最为常用：一是按外界输入信号转换至电信号过程中所利用的效应来分类，如利用物理效应进行转换的为物理传感器；利用化学反应进行转换的为化学传感器；利用生物效应进行转换的为生物传感器等。二是按输入量分类，如输入信号是用来表征压力大小的，就称为压力传感器。这种分类法可将传感器分为位移（线位移和角位移） 、速度、角速度、力、力矩、压力、流速、液面、温度、湿度、光、热、电压、电流、气体成分、浓度和黏度传感器等 1。加速度传感器是一种小型的惯性传感器，是许多控制系统和检测系
8、统的主要测量工具。加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力，就好比地球引力，也就是重力。加速力可以是个常量，比如 g，也可以是变量。而加速度计有两种：一种是角加速度计，是由陀螺仪（角速度传感器）的改进的。另一种就是线加速度计。线加速度计的原理是惯性原理，也就是力的平衡，A(加速度)=F(惯性力)/M(质量) ，我们只需要测量 F 就可以了。而测量 F 的办法就需要用电磁力去平衡这个力。由此便可以得到 F 对应于电流的关系。再用实验去标定这个比例系数就行了。其中的信号传输、放大、滤波就需要考虑到电路设计了。1.1 压电效应简述及其相关原理多数加速度传感器是根据压电效应的原理来工作的。本课题要
9、研究的是压电式加速度传感器，属于惯性式传感器。它是利用压电效应制成的一种加速度传感器 2。该类传感器采用弹簧质量的系统原理，敏感芯体质量受振动加速度作用后产生一个与加速度成正比的力，压电材料受此力作用后沿其表面形成与这一力成正比的电荷信号 3。由于其具有结构简单、体积小、质量轻、测量的频率范围宽、动态范围大、性能稳定、输出线性好等优点，该类传感器成为振动和冲击测量的一种理想传感器 4。压电式传感器是基于材料的压电效应工作的。某些单晶或多晶陶瓷，当沿着一定方向受到外力作用时，相应地在其确定的两个表面上，会产生符号相反的电第 4 页 共 60 页荷；当外力去掉后，又恢复到不带电状态，当作用力方向改
10、变时，电荷的极性也随着改变，而且所产生的电荷量与外力的大小成正比，这种应变致电现象就叫做压电效应。反之，如果在压电材料的极化方向对晶体施加一个电场，它本身会产生变形，外加电场撤除，变形也随之消失，这就是逆压电效应 5。压电元件采用单晶或多晶陶瓷的压电效应，在压电式加速度传感器受振时，由于惯性作用使质量块加在压电元件上的力也随之变化，并通过一定的结构形式实现了加速度传感。当被测振动频率远低于加速度传感器的固有频率时，力的变化与被测加速度成正比。压电式加速度传感器正是利用具有压电效应的材料作为传感器的敏感元件，将被测量转换为电信号，从而实现对非电量的检测，如机械振动等。利用压电效应研制的加速度传感
11、器，具有品质高、衰减低、输出阻抗高、频响范围宽、灵敏度高、结构简单、工作可靠、重量轻等特点 6，因而特别适用于动态量的测量。加上它的体积小、工作可靠、灵敏度高等优点，近年得到了飞速发展。在这方面，国内外许多机构和学者都做了大量的研究工作。1.2 压电加速度传感器的应用背景压电加速度传感器的发明，使振动与冲击的测量逐渐在工业界获得了广泛应用 7。压电加速度传感器是一种高度发展了的仪器。世界各国作为量值传递标准的高频和中频振动基准的标准加速度传感器就是压电式加速度传感器。在飞机、汽车、船舶、桥梁、堤坝和建筑的振动和冲击测量中已得到了广泛的应用，尤其是在航空和宇航领域中的应用更有它的特殊地位 8。目
12、前，在航空发动机试车台上，以及许多机种的发动机振动监视系统中，已普遍采用压电式加速度传感器来测量振动 9。压电式加速度传感器也被应用在日常生活中的许多方面。较新的 IBM Thinkpad 手提电脑里就内置了加速度传感器，能够动态地监测出笔记本在使用中的振动，并根据这些振动数据，系统会智能地选择关闭硬盘还是让其继续运行，这样可以最大程度的保护由于振动，比如颠簸的工作环境，或者不小心摔了电脑而造成的硬盘损害，最大程度地保护硬盘里的数据。我们所使用的数码相机和摄像机里，也有加速度传感器，用来检测拍摄时手部的振动，并根据这些振动，自动调节相机的聚焦。第 5 页 共 60 页概括起来，加速度传感器可以
13、应用在控制，手柄振动和摇晃，仪器仪表，汽车制动启动检测，地震检测，报警系统，玩具，结构物，环境监视，工程测振，地质勘探、铁路、桥梁、大坝的振动测试与分析，高层建筑结构动态特性和安全保卫振动侦查，航空和宇航领域许多机种的发动机振动监视系统上。1.3 压电加速度传感器的国内外研究简况1.3.1 国外研究简况自 1880 年 J.居里和 P.居里发现压电效应以来 10，压电式加速度传感器就应运而生并被广泛应用于各个领域。压电加速度传感器的最初结构形式是基座压缩式，这种结构因为很容易受外界环境的影响，而后演变为中心压缩型，然后又改进为性能最佳的各种剪切型设计，如环形剪切型。虽然剪切型的各种性能优异，但
14、是剪切型的结构决定了它不能承受较强的冲击。剪切型对工艺的要求很高，国外的研究机构(如 B&K 公司)对剪切型压电加速度传感器做了大量研究 11。核武器、钻地弹和侵彻弹的作用过程中，一般弹头的触撞加速度可达80,000g 以上，被测冲击信号响应快，所以要求传感器具有较好的抗冲击能力，这就要求高 g 值加速度传感器。但是目前国内的传感器难以满足要求，现采用国外的传感器（如美国的 Endevco 公司生产的 7270A） ，但其价格昂贵且对华禁运 12。PVDF 压电薄膜作为一种新型的高分子压电材料，它具有压电电压常数高、质量轻、灵敏度高、柔韧性好等优点。利用其制作加速度传感器，对系统结构影响小、稳
15、定性好，有着很好的应用前景 13。PVDF 压电薄膜的电荷输出与应变成正比，它的最直接的应用就是测量结构的应变，Audrain P 等人用 4 片方型 PVDF 压电薄膜片粘贴在梁上，测量应变转换成结构声强作为误差信号，进行梁的振动的主动控制 14。Zander A 和 Kumme R 用 PVDF 压电薄膜粘贴在测试片上作应变测量，将结果与应变计测量结果进行比较 15。Knapp J 等人用 PVDF 压电薄膜作动态应变测量，与箔片应变计与半导体应变计比较，PVDF 压电薄膜灵敏度高，线性好，但不适合作静态测量 16。Sirohi J 和 Chopra I 用 PVDF 压电薄膜测量应变，并
16、且与传统的箔片应变计在灵敏度和信噪比作比较 17。随着现代科学的发展，航空航天、机械、石油、汽车等许多工业、科研部门都需要在高温下使用加速度传感器 18。据文献 19报道，瑞士 Vibrometer 公司的第 6 页 共 60 页型号为 CA25 M8XX 的产品，利用电气石的纵向效应制成的高温压电加速度传感器可长期工作在 780左右的高温下，用来测量喷气式飞机的引擎振动。这种型号的产品已经成功用于几乎全球所有航线上飞机的测控系统，是压电传感器其特有的高稳定性和可靠性的一个极好的例子。智能传感器是当今世界正在迅速发展的传感器高新技术。它是一种带行微处理机的，兼有信息检测、信息处理、信息记忆、逻
17、辑思维与判断功能的传感器 20。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。智能传感器的发展是信息技术、知识经济在这一领域发展的必然产物和自然趋势 21。1.3.2 国内研究简况国内在压电加速度传感器方面的研究起步较晚，且结构设计和工艺水平落后于国外。目前，国内研制的高冲击压电加速度传感器的性能受材料、结构、工艺和安装等因素的影响，量程和上限频率难以得到提高，从而导致在高冲击下测量的线性度较差。国内压电传感器的主要结构是中心压缩型，较好的高冲击压电加速度传感器(中心压缩型)样机的主要技术指标为：最大冲击加速度 100,000g，
18、最高频响 8kHz。在压电加速度传感器的研制方面，北戴河亿柏传感器技术研究所和西安 204 所做得较好 12。近年来，压电加速度传感器的工作模式已经由压缩型发展成弯曲和剪切型。我国新研制的压电加速度传感器轻的重量小于 0.lg；低频、低 g 值、高灵敏度集成电路式压电加速度传感器具有极高的信噪比，可以检测距离高速公路 250m 处，由于汽车行驶而引起的地面振动 22。国内利用 PVDF 压电薄膜制作加速度传感器的研究较少。在这一方面，张进秋，高永强等 13建立了 PVDF 压电模型，推导和分析了 PVDF 压电薄膜加速度传感器电荷灵敏度的影响因素，并设计实验进行了验证。公式推导和实验证明，PV
19、DF 压电加速度传感器电荷灵敏度随压电薄膜的面积增大而增大，随厚度增大而减小，随预紧弹簧的刚度增大而减小。由于高温压电加速度传感器在航空航天、石油、汽车等行业有着独特的应用，它已经受到广泛的关注 18。为了用于高温的测量，需要对传感器的内部结构做一些特别的设计，即减小压电陶瓷元件受到底座的温度影响及质量块因热膨胀的影第 7 页 共 60 页响。国内的上海硅酸盐研究所对中心压缩式压电加速度传感器进行了改进工作 23。随着 MEMS 技术的快速发展，传感器和电子部件集成于同一衬底的单片系统，成为微传感器的发展主流。黄朋生，任天令等 24设计了一种基于 MEMS 工艺的单芯片三维压电加速度传感器。传
20、感器采用高度对称的四粱结构，中间为单一质量块。对传感器进行了理论分析，并用有限元软 件 ANSYS 对传感器进行了模拟，模拟结果表明该传感器能够独立测出三个方向加速度，并且三方向灵敏度几乎相等，由于采用高度对称结构和对称压电单元，大大减少了横向灵敏度，并有利于消除热噪声的影响。 目前，国内生产压电加速度传感器的厂家主要有：北戴河实用电子技术研究所，康泰电子有限公司，北京精仪北方仪器仪表有限公司等。国内的其他厂家如东华测试技术有限公司、东方振动和噪声技术研究所等也在从事压电加速度传感器的研制生产工作。第 8 页 共 60 页2 压电加速度传感器概述压电加速度传感器由于具有良好的频率特性，以及量程
21、大、结构简单、工作可靠、安装方便等一系列优点，在各种冲击、振动测量的传感器中，它约占总数的 80%以上。目前世界各国用做加速度量值传递标准的高频和中频标准加速度都是压电式的。在工程上，欲测量几个 g 到几万个 g（加速度） ，持续时间从小于1ms几十 ms，而不需更换传感器的，只有压电加速度传感器才能胜任 25。本章就压电加速度传感器的工作原理及其等效电路作详尽介绍。2.1 压电效应正如在引言里面简述的那样，某些电介质物质，在沿一定方向对其施加压力和拉力而使之变形时，内部就会产生极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又恢复到不带电的状态；当作用力方向改变时，电荷的极性也
22、随之改变：晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。上述现象称为正压电效应。而压电式传感器通常利用正压电效应来实现。反之，如对晶体施加一个交变电场则不仅产生极化，同时还产生了应力和应变，去掉电场该物质的形变随之消失，我们把这种电能变成机械能的现象称为逆压电效应。逆压电效应也称为电致伸缩效应。具有压电效应的材料称为压电材料，压电材料能实现机械能电能量的相互转换，如图 2.1 所示。图 2.1 压电效应可逆性各种各样的电介质材料共有 32 种晶体点阵，它们在外加电场诱发下都可以极化成偶极矩，其中 20 多种可以产生压电转换效应。这是由于压电效应与材料结构中有无对称中心密切相关。受力前后正负电荷中心
23、不重合的晶体称为无对称中心的晶体，重合的称为有对称中心的晶体。图 2.2 为晶体的压电效应示意图。第 9 页 共 60 页(a)有 对 称 中 心 的 异 极 晶 体 (b)无 对 称 中 心 的 异 极 晶 体图 2.2 晶 体 压 电 效 应 示 意 图图 2.2 (a)中，由于晶体结构中有对称中心，无论有无外力作用，正负电荷重心总重合，不会出现压电效应。图 2.2(b)中，晶体结构中无对称中心，随着外力的作用，正负电荷的重心都会移动，并且不会重合，就产生了压电效应。当晶体不受外力作用时，晶体的正负电荷重心重合，对外不呈现极性，单位体积中的电矩（即极化强度）等于零：而在外力作用下，晶体形变
24、，正负电荷的重心不再重合，这时单位体积的极化强度不再等于零，晶体对外表现出极性。所以晶体结构中有无对称中心是产生压电效应的必要条件。晶体上电荷极性与受力方向的关系如图 2.3 所示 26。图 2.3 晶片上电荷极性与受力方向的关系具有压电效应的电介质物质称为压第 10 页 共 60 页电材料。目前应用于压电式传感器中的压电材料可分为三大类：压电晶体（单晶体） 、压电陶瓷（多晶体）和新型压电材料（包括压电半导体和高分子压电材料）27。压电晶体的种类很多，如石英晶体、铌酸锂( LiNbO 3 ) 、钽酸锂( LiTaO 3 )、锗酸锂( LiGeO 3 ) 、镓酸锂( LiGaO 3 )、锗酸铋(
25、Bi 12GeO20)等。其中石英晶体是压电传感器中常用的一种压电材料，它具有性能稳定、自振频率高、动态响应好、机械强度高、绝缘性能好、迟滞小、重复性好、线形范围宽等优点。石英晶体的缺点是压电常数较小，因此，它大多只用在标准传感器、高精度传感器或使用温度较高的传感器中。而在一般要求测量用的压电式传感器中，则基本上采用压电陶瓷。压电陶瓷的特点是压电常数大、灵敏度高、工艺成熟、成本廉价，且具有热释电性。其种类主要有二元系列陶瓷，如钦酸钡（BaCO 3） ，锆钛酸铅（PZT）压电陶瓷等；三元系列陶瓷，如铌镁酸铅（PMN）压电陶瓷等。压电半导体既具有压电特性又有半导体特性，因此既可用其压电性研制传感器，又可用其半导体性制作电子器件，也可将二者结合，研制集转换元件和电子线路于一体的新型压电传感器测试系统。高分子压电材料因具有质轻柔软、抗拉强度高、蠕变小、耐冲击等独特优点，因此在一些特殊用途传感器中有广泛应用26 ,27。2.2 压电加速度传感器技术参数2.2.1 工作原理图 2.4 压电加速度传感器工作原理示意图图 2.4 为压电加速度传感器的原理图 28。它由质量块、压电元件和支座组成。支座与待测物刚性地固定在一起。当待测物运动时，支座与待测物以同一加速度
