1、<p>　　科 學 研 究 訓 練</p><p>　　班級：10測控技術與儀器二班</p><p>　　姓名： 張姣 </p><p>　　學號： 2010700904 </p><p><b>　　2014-1-3</b></p>

2、<p><b>　　壓電傳感器 </b></p><p><b>　　張姣</b></p><p><b>　　10測二</b></p><p>　　摘要：本文除了重點講解壓電式傳感器的應用和測量電路，還介紹壓電效應以及一些壓電材料。壓電式傳感器在測量一些物理量和作為報</p>

3、<p>　　警器方面有一些很好的應用。</p><p>　　關鍵詞:壓電原理，壓電效應，石英，壓電陶瓷</p><p><b>　　1、引言</b></p><p>　　壓電現(xiàn)象是100多年前居里兄弟研究石英時發(fā)現(xiàn)的。居里兄弟在研究熱電性與晶體對稱，發(fā)現(xiàn)正負電荷，而且電荷密度與壓力大小成正比。居里兄弟所報道的這些晶體就有后來廣為研究

4、的鐵電體酒石酸鉀鈉（羅息鹽）。1881年，應用熱力學原理預言了逆壓電效應，即電場可以引起與之成正比的應變。很快這一預言被居了里兄弟用實驗所證實了。</p><p><b>　　2、壓電原理</b></p><p>　　壓電式傳感器的工作原理是基于某些介質(zhì)材料的壓電效應，是一種典型的有源傳感器。通過材料受力作用變形時，氣表面會有電荷產(chǎn)生而實現(xiàn)非電量測量。</p&g

5、t;<p>　　壓電式傳感器是基于壓電效應的傳感器。是一種自發(fā)電式和機電轉(zhuǎn)換式傳感器。它的敏感元件由壓電材料制成。壓電材料受力后表面產(chǎn)生電荷。此電荷經(jīng)電荷放大器和測量電路放大和變換阻抗后就成為正比于所受外力的電量輸出。壓電式傳感器用于測量力和能變換為力的非電物理量。它的優(yōu)點是頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠和重量輕等。缺點是某些壓電材料需要防潮措施，而且輸出的直流響應差，需要采用高輸入阻抗電路或電荷放大器來克

6、服這一缺陷。</p><p><b>　　壓電式測力傳感器</b></p><p>　　壓電式測力傳感器是利用壓電元件直接實現(xiàn)力-電轉(zhuǎn)換的傳感器，在拉、壓場合，通常較多采用雙片或多片石英晶體作為壓電元件。其剛度大，測量范圍寬，線性及穩(wěn)定性高，動態(tài)特性好。當采用大時間常數(shù)的電荷放大器時，可測量準靜態(tài)力。按測力狀態(tài)分，有單向、雙向和三向傳感器，它們在結(jié)構(gòu)上基本一樣。<

7、;/p><p>　　圖所示為壓電式單向測力傳感器的結(jié)構(gòu)圖。傳感器用于機床動態(tài)切削力的測量。絕緣套用來絕緣和定位?；鶅?nèi)外底面對其中心線的垂直度、上蓋及晶片、電極的上下底面的平行度與表面光潔度都有極嚴格的要求，否則會使橫向靈敏度增加或使片子因應力集中而過早破碎。為提高絕緣阻抗，傳感器裝配前要經(jīng)過多次凈化（包括超聲波清洗），然后在超凈工作環(huán)境下進行裝配，加蓋之后用電子束封焊。</p><p>　　

8、壓電式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)類型很多，但它們的基本原理與結(jié)構(gòu)仍與壓電式加速度和力傳感器大同小異。突出的不同點是，它必須通過彈性膜、盒等，把壓力收集、轉(zhuǎn)換成力，再傳遞給壓電元件。為保證靜態(tài)特性及其穩(wěn)定性，通常多采用石英晶體作為壓電元件。</p><p><b>　　壓電式加速度傳感器</b></p><p>　　圖所示為壓縮式壓電加速度傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖，壓電元件一般由兩片壓

9、電片組成。在壓電片的兩個表面上鍍銀層，并在銀層上焊接輸出引線，或在兩個壓電片之間夾一片金屬，引線就焊接在金屬片上，輸出端的另一根引線直接與傳感器基座相連。在壓電片上放置一個比重較大的質(zhì)量塊，然后用一硬彈簧或螺栓、螺帽對質(zhì)量塊預加載荷。整個組件裝在一個厚基座的金屬殼體中，為了隔離試件的任何應變傳遞到壓電元件上去，避免產(chǎn)生假信號輸出，所以一般要加厚基座或選用剛度較大的材料來制造。</p><p>　　測量時，將傳感器

10、基座與試件剛性固定在一起。當傳感器感受到振動時，由于彈簧的剛度相當大，而質(zhì)量塊的質(zhì)量相對較小，可以認為質(zhì)量塊的慣性很小，因此質(zhì)量塊感受到與傳感器基座相同的振動，并受到與加速度方向相反的慣性力作用。這樣，質(zhì)量塊就有一正比于加速度的交變力作用在壓電片上。由于壓電片具有壓電效應，因此在它的兩個表面上就產(chǎn)生了交變電荷（電壓），當振動頻率遠低于傳感器固有頻率時，傳感器的輸出電荷（電壓）與作用力成正比，即與試件的加速度成正比。輸出電量由傳感器輸出端

11、引出，輸入到前置放大器后就可以用普通的測量器測出試件的加速度，如在放大器中加進適當?shù)姆e分電路，就可以測出試件的振動加速度或位移。</p><p>　　壓電式金屬加工切削力測量</p><p>　　主要用于金屬加工切削力測量。</p><p>　　壓電式玻璃破碎報警器</p><p>　　主要用于璃破碎報警器。</p><p

12、><b>　　應用行業(yè)</b></p><p>　　由于壓電式傳感器具有體積小、重量輕、工作頻帶寬、靈敏度高、信噪比大、工作可靠等優(yōu)點，因而在現(xiàn)代科技中有著廣泛應用。</p><p>　　壓電晶體振蕩器是將機械振動變?yōu)橥l率的電震蕩的器件。廣泛用于軍事通信和精密電子設備，小型電子計算機，以及石英鐘表內(nèi)。</p><p>　　由于壓電陶瓷具

13、有極高的靈敏度，壓電高壓發(fā)生器利用正壓效應可以把振動轉(zhuǎn)換成電能，還可以獲得高電壓輸出。這種獲得高電壓的方法可以用來做引燃裝置，如給汽車火花塞、煤氣灶、打火機、炮彈的引爆壓電雷管等點火。</p><p>　　電聲換能器利用逆壓電效應可以把電能轉(zhuǎn)換成聲能，因此可用壓電晶體制成揚聲器、耳機、蜂鳴器等。特別是超聲發(fā)生器，目前這種超聲波已廣泛應用于海洋探測、固體探傷、醫(yī)療檢查、清洗、治療疾病等方面。</p>

14、<p><b>　　3、結(jié)果討論</b></p><p>　　壓電傳感器的等效電路</p><p>　　壓電傳感器的等效電路</p><p>　?。╝） 電壓源; （b） 電荷源</p><p>　　壓電傳感器的完整等效電路</p><p>　?。╝） 電壓源; （b） 電荷源</

15、p><p>　　壓電式傳感器的測量電路 </p><p>　　（1）電壓放大器（阻抗變換器）</p><p>　　壓電傳感器接放大器的等效電路</p><p>　?。╝） 放大器電路; （b） 等效電路</p><p>　　在圖（b）中，電阻R=RaRi/(Ra+Ri),電容C=Cc+Ci，而ua=q/Ca，若壓電元件受正

16、弦力f=Fm sinωt的作用，則其電壓為 </p><p>　　式中： Um——壓電元件輸出電壓幅值，</p><p>　　Um=dFm/Ca； </p><p><b>　　d——壓電系數(shù)。 </b></p><p>　　由此可得放大器輸入端電壓Ui，其復數(shù)形式為 </p><p><b

17、>　　Ui的幅值Uim為</b></p><p>　　輸入電壓和作用力之間相位差為 </p><p>　　在理想情況下，傳感器的Ra電阻值與前置放大器輸入電阻Ri都為無限大，即ω(Ca+Cc+Ci)R>>1，理想情況下輸入電壓幅值Uim為 </p><p>　　上式表明前置放大器輸入電壓Uim與頻率無關，一般在ω/ω0>3時，就可

18、以認為Uim與ω無關，ω0表示測量電路時間常數(shù)之倒數(shù)，即 </p><p><b>　　（2）電荷放大器</b></p><p><b>　　電荷放大器等效電路</b></p><p>　　電荷放大器常作為壓電傳感器的輸入電路，由一個反饋電容CF和高增益運算放大器構(gòu)成。由于運算放大器輸入阻抗極高， 放大器輸入端幾乎沒有分流

19、，故可略去Ra和Ri并聯(lián)電阻。 </p><p>　　式中 ： Uo——放大器輸出電壓； </p><p>　　Ucf——反饋電容兩端電壓。 </p><p>　　由運算放大器基本特性， 可求出電荷放大器的輸出電壓</p><p>　　通常A=104~108，因此,當滿足(1+A)Cf>>Ca+Cc+Ci時，上式可表示為： <

20、;/p><p><b>　　4.總結(jié)</b></p><p>　　壓電式傳感器，作為傳感器的一種，它具有自己鮮明的特點。而且除了一些自然界中的晶體材料外，我們還有人工材料壓電陶瓷。他的應用也十分的廣泛，在聲學、醫(yī)學、力學、宇航、振動測量、機械沖擊都有不錯的涉及。而隨著科技的發(fā)展，人工材料會制作的更加完美，壓電式傳感器就會更加適合人們的要求。壓電式傳感器和科技互相推動互相發(fā)

21、展。</p><p><b>　　參考文獻：</b></p><p>　　[1]蔣澤民,高俊啟,季天劍.壓電傳感器測量路面動水壓力研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2012</p><p>　　[2]陳政,鐘匯才,李慶等.基于PVDF壓電傳感器的車輛動態(tài)稱重信號的研究[J].傳感器與微系統(tǒng),2012.</p><p>　　[3

22、]Optimal Control of a Beam with Discontinuously Distributed Piezoelectric Sensors and Actuators[J].船舶與海洋工程學報，英文版,2012. </p><p>　　[4]陳海雄,李傳江.基于壓電傳感器

23、的旋轉(zhuǎn)機械振動信號測試技術[J].制造業(yè)自動化,2012. </p><p>　　[5]張忠華.壓電傳感器與執(zhí)行器集成一體化方法和發(fā)展趨勢[J].中國科技博覽,2011. </p><p>　　[6]壓電傳感器動態(tài)特性數(shù)字化補償方法研究[J].長沙大學學報,2011. </p><p>　　聽金海教授報告的體會</p>&

24、lt;p><b>　　報告人：金海教授</b></p><p>　　報告時間：2012年10月31日，下4：00</p><p><b>　　報告簡介：</b></p><p><b>　　2、體會</b></p><p>　　華中科技大學計算機學院院長金海教授蒞臨我校，

25、應邀在逸夫樓報告二廳做了題為“云計算的安全挑戰(zhàn)與實踐”的精彩學術報告。</p><p>　　據(jù)了解，金海教授是長江學者特聘教授，國家杰出青年基金獲得者，華中科技大學計算機學院院長，“服務計算技術與系統(tǒng)教育部重點實驗室”主任。他先后110余次擔任國際學術會議/程序委員會主席/副主席、380余次擔任國際學術會議程序委員會委員，并80余次在國際/國內(nèi)學術會議上作大會主題演講或特邀報告。金海在國內(nèi)外正式發(fā)表學術論文450

26、余篇，其中被SCI、EI等權(quán)威檢索刊物收錄500余篇次。獲國家發(fā)明專利58項、申報國家發(fā)明專利88項，申報美國發(fā)明專利1項，獲國家軟件著作版權(quán)66項。我不禁越發(fā)欽佩他起來。</p><p>　　首先，金海教授從當今計算機與通信行業(yè)熱點及信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀切入，為現(xiàn)場師生深入淺出的闡述了“云計算的定義、云計算及其趨勢、云計算的服務類型、云計算的核心支撐技術、云計算的安全威脅”等云計算領域的相關概念和問題。在信息高速發(fā)

27、展、信息處理技術呈幾何增長的今天，計算機現(xiàn)有有的基本模式已經(jīng)不能應對當前大量的信息處理速度，為了解決這一問題，云計算順應時代潮流、應運而生。他簡述了云計算的概念和特點，結(jié)合現(xiàn)實中存在的問題，分析了當前環(huán)境下的安全風險，并提出了相應的安全策略。</p><p>　　當談及云計算發(fā)展趨勢時，金海教授利用Gartner成熟度曲線全面深入得分析了私有云、云終端、混合云等與云計算安全密切相關的研究熱點出現(xiàn)的時間節(jié)點和發(fā)展趨

28、勢。云計算（Cloud Computing）已經(jīng)成為當前最熱門的一個話題，各大IT 巨頭紛紛推出云計算的服務來吸引用戶，中小IT企業(yè)也紛紛提出在“云”時代的戰(zhàn)略藍圖。云計算不僅僅是一個計算的問題，也不是僅僅將眾多計算節(jié)點組成超級計算機，它需要融合許許多多的技術與成果。簡單的來講，云計算是分布式計算（Distributed Computing）、網(wǎng)格計算(Grid Computing)、并行計算(Parallel Computing)等發(fā)

29、展的基礎上提出的一種新型計算模型，它面對的是超大規(guī)模的分布式環(huán)境，核心是提供數(shù)據(jù)存儲和網(wǎng)絡服務。正當云計算概念正如火如荼的發(fā)展時云計算的安全問題越來越引起人們的注意，并已經(jīng)上升到云計算發(fā)展的戰(zhàn)略已提上來。</p><p>　　接著，金海教授就云計算環(huán)境下信任關系的多樣性等五個云計算安全挑戰(zhàn)進行了深入剖析和說明。特權(quán)用戶接入問題，如果云服務商比用戶有更高的訪問權(quán)去獲得這些數(shù)據(jù)，這樣數(shù)據(jù)的安全性就不能被保證?？蓪彶樾?/p>

30、，如果服務商拒絕外部審計和安全認證，那么用戶自己數(shù)據(jù)的安全性則無法得到有效的保證。數(shù)據(jù)位置問題，由于不同國家適用不同的隱私和數(shù)據(jù)管理法律，敏感信息被“合法”的泄漏恐怕是用戶最不想看到的事情。數(shù)據(jù)完整性問題，存放在云端沒有備份是非常危險的，即使經(jīng)過備份，一些物理災害或者小概率的同時損壞同樣會危害數(shù)據(jù)的完整性。持久的服務，如果云服務商突然破產(chǎn)或者被收購，龐大的數(shù)據(jù)如何安全地收回也是一個相當現(xiàn)實的問題。</p><p>

31、;　　最后，金海教授詳細介紹和說明了他團隊云計算資源隔離、云計算監(jiān)控和管理等云安全方面的實踐和取得的突出成果。金海教授還結(jié)合自身的經(jīng)驗，特別提醒大家在科研過程中樹立專利保護意識。</p><p>　　報告會結(jié)束后，師生們與金海教授進行了互動，就云計算安全中的熱點問題進行了熱烈討論。整場報告形象生動，在輕松活躍的氣氛中讓我受益匪淺，拓寬了我的學術視野，擴寬了我的思維，也增強了我校的學術氛圍。</p>

32、<p>　　我從此次的學術講座中學得：在我們生活中云計算技術扮演著越來越重要的角色，其安全問題必然也逐漸引起我們的關心，隨著相關領域技術的革新，我們最終會將其安全問題控制在對我們影響最小的程度。讓云計算技術成為我們生活中的重要工具，也為我們生活帶來方便和快捷。</p><p>　　聽張真誠院士報告的體會</p><p><b>　　報告人：張真誠院士</b>

33、</p><p>　　報告時間：2012年9月25日，下午2：30</p><p><b>　　報告簡介：</b></p><p>　　我有幸在逸夫樓報告二廳聆聽了中國臺灣逢甲大學張真誠院士以“中國剩余定理在信息科學中的應用”為主題的學術報告。</p><p>　　張院士的學術報告非常出色：不僅報告中心明確、重點突出、思

34、路清晰、語言流暢，更讓我在短短的的時間里收獲了豐富的知識。不僅如此，在這次的學術報告會中，我還深刻地感受到了教育屆的老前輩們退而不休，繼續(xù)為教育事業(yè)發(fā)揮余熱的崇高品質(zhì)，令我動容，使我從容。張院士用他的實際行動在鞭策著我們這些后輩，激勵我們要在知識的園地揮灑汗水，奉獻青春。</p><p>　　張院士講的是計算機領域中非常專業(yè)的一個內(nèi)容，本以為應該很難懂，但沒想到張院士用他深入淺出的講解讓我對剩余定理在信息科學中的

35、應用有了一個大概的了解。中國剩余定理堪稱數(shù)學史上名垂百世的成就,它在數(shù)學史上占有光輝的一頁,其數(shù)學思想一直啟發(fā)和指引著歷代數(shù)學家們,在數(shù)學領域,特別是計算機領域發(fā)揮著重要作用.以上只是它應用的一些例子。同時，在密碼學領域，它的作用一樣非常重要，現(xiàn)代密碼的解密和保密算法都需要中國剩余定理?？梢娭袊Ｓ喽ɡ淼膽弥畯V泛,地位之高.</p><p>　　這些知識的最妙之處是將講述中國剩余定理在信息科學領域的應用，讓大家

36、一窺我們老祖宗的智慧對于全球信息科學的巨大貢獻孫武是中國歷史上一位非常出名的將軍，在吳王闔廬殿前擔任大將，用兵如神。曾助吳王北威齊晉，西破強楚，建立了許多豐功偉業(yè)。他也是我國歷史上鮮有的偉大數(shù)學家，著有孫子算經(jīng)。然而，卻很少有人能想像得到這位已經(jīng)作古兩千五百年的將軍所提出的孫子定理（又稱中國剩余定理）可以被用來做數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設計，數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)屬性的讀取控制，以及文檔的存取控制。</p><p>　　張院士介紹

37、說，這是由我國獲得“第一屆國家最高科學技術獎”的當代大數(shù)學家吳文俊,在深入研究中國古代數(shù)學的基礎上,總結(jié)出來的。眾所周知，中國傳統(tǒng)數(shù)學具有兩大特色:機械化和構(gòu)造性,在此啟發(fā)下從事幾何定理機器證明的研究,取得了創(chuàng)造性的成就,成為近代數(shù)學史上開創(chuàng)新領域的第一人,由此可見,中國傳統(tǒng)數(shù)學博大精深,是我們?nèi)≈唤叩膶氋F財富,繼承中國的數(shù)學遺產(chǎn)的遠景相當廣闊,有待我們的不斷努力。</p><p>　　由于我對“中國剩余定理在

38、現(xiàn)代密碼學中的應用”特別感興趣，所以回寢后還查了一些相關方面的資料。公開密鑰密碼算法又稱為非對稱密碼算法,在計算機網(wǎng)絡和電子商務中的應用日趨成熟.。Ron Rivest和Adi Shamir以及Leonard Adleman于1978年提出的RSA公鑰密碼體制至今仍被認為是一個安全性能良好的密碼體制.RSA公鑰密碼體制描述如下：</p><p>　　選取兩個大素數(shù)p和q（保密).；</p><

39、p>　　計算n=pq（公開），Φ(n)=(p-1)(q-1)（保密）.；</p><p>　　隨機選取正整數(shù)e,1<e<Φ(n),滿足gcd(e,Φ(n))=1,e是公開的加密密鑰；</p><p>　　計算d，滿足.d是保密的解密密鑰；</p><p>　　加密變換：對明文，密文為：.；</p><p>　　解密變換：對密