壓電式傳感器VIP

第6章壓電式傳感器 壓電式傳感器是一種有源的雙向機電傳感器 它的工作原理是基于壓電材料的壓電效應 石英晶體的壓電效應早在1680年即已發(fā)現 1948年制作出第一個石英傳感器 下頁 返回 第6章壓電式傳感器 6 1壓電轉換元件的工作原理 壓電效應6 2影響壓電傳感器的因素6 3壓電材料6 4等效電路6 5測量電路6 6壓電式傳感器的應用舉例6 7新型壓電材料及應用6 8超聲波傳感器原理及應用本章要點 下頁 上頁 返回 6 1壓電轉換元件的工作原理 某些晶體或多晶陶瓷 當沿著一定方向受到外力作用時 內部就產生極化現象 同時在某兩個表面上產生符號相反的電荷 當外力去掉后 又恢復到不帶電狀態(tài) 當作用力方向改變時 電荷的極性也隨著改變 晶體受力所產生的電荷量與外力的大小成正比 上述現象稱為正壓電效應 反之 如對晶體施加一定變電場 晶體本身將產生機械變形 外電場撤離 變形也隨著消失 稱為逆壓電效應 下頁 上頁 返回 6 1壓電轉換元件的工作原理 壓電式傳感器大都是利用壓電材料的壓電效應制成的 在電聲和超聲工程中也有利用逆壓電效應制作的傳感器 壓電轉換元件受力變形的狀態(tài)可分為圖6 1所示的幾種基本形式 但由于壓電晶體的各向異性 并不是所有的壓電晶體都能在這幾種變形狀態(tài)下產生壓電效應 例如石英晶體就沒有體積變形壓電效應 但它具有良好的厚度變形和長度變形壓電效應 下頁 上頁 返回 6 1壓電轉換元件的工作原理 壓電方程和壓電常數矩陣壓電效應正壓電效應 某些晶體或多晶陶瓷受到外力作用時 內部就產生極化現象 表面上產生符號相反的電荷的現象 逆壓電效應 如對晶體施加一定電場 晶體本身將產生機械變形的現象 下頁 上頁 返回 6 1壓電轉換元件的工作原理 天然石英晶體的結構外形光軸 Z軸 晶體的對稱軸 光線沿Z軸通過晶體不產生雙折射現象 且無壓電效應 電軸 X軸 與該壓軸垂直的面 壓電效應最為顯著 機械軸 Y軸 在外電場作用時 在此軸上產生的機械變形最大 下頁 上頁 返回 6 1壓電轉換元件的工作原理 壓電方程 壓電效應的數學表達式壓電效應 晶體表面上產生的電荷與外力作用大小成正比 精確表達式式中 dij是壓電常數 單位為 C N Pi是電荷的表面密度 單位為 C cm2 i是單位面積上的作用力 應力 單位為 N cm2 下頁 上頁 返回 6 1壓電轉換元件的工作原理 壓電常數矩陣 下頁 上頁 返回 一般情況下壓電方程 6 1壓電轉換元件的工作原理 石英晶體壓電效應機理 下頁 上頁 返回 6 1壓電轉換元件的工作原理 下頁 上頁 返回 6 1壓電轉換元件的工作原理 下頁 上頁 返回 6 1壓電轉換元件的工作原理 下頁 上頁 返回 6 1壓電轉換元件的工作原理 下頁 上頁 返回 壓電陶瓷壓電效應機理壓電陶瓷是一種經過極化處理的人工多晶鐵電體 多晶 由無數細微單晶組成 鐵電體 具有電疇結構 電疇 分子自發(fā)形成的極化方向相同的小區(qū)域 6 1壓電轉換元件的工作原理 下頁 上頁 返回 極化處理 在一定溫度下 以強電場使 電疇 規(guī)則排列 余下了很強的剩余極化 壓電陶瓷材料表面出現束縛電荷 吸附空氣中的自由電荷 形成壓電陶瓷 壓電常數矩 注意事項 極化面在Z軸 而X Y軸各向同性 6 1壓電轉換元件的工作原理 下頁 上頁 返回 壓電陶瓷與石英晶體比較壓電陶瓷效果顯著 6 2影響壓電式傳感器主要因數 橫向靈敏度橫向靈敏度是衡量橫向干擾效應的指標 一只理想的單軸壓電傳感器 應該僅敏感其軸向的作用力 而對橫向作用力不敏感 產生原因是壓電片制造得作用面不平行 粗糙 以及安裝不精確 使得力軸Sm與電軸SL 極化軸 不重合 二者成 角 其定義用其相對軸向靈敏度的百分比表示 下頁 上頁 返回 6 2影響壓電式傳感器主要因數 定義 用軸向靈敏度的百分比表示 最大橫向靈敏度Km Ky Kz 100 tg 100 一般橫向靈敏度Kt Kt Kz 100 tg cos 100 下頁 上頁 返回 6 2影響壓電式傳感器主要因數 產生橫向靈敏度的必要條件 1 伴隨軸向作用力的同時 存在橫向力 2 壓電元件本身具有橫向壓電效應 消除橫向靈敏度的技術途徑 1 從設計 工藝和使用諸方面確保力與電軸的一致 2 盡量采取剪切型的力 電轉換方式 一只較好的壓電傳感器 最大橫向靈敏度不大于5 下頁 上頁 返回 6 2影響壓電式傳感器主要因數 環(huán)境溫度和濕度環(huán)境溫度對傳感器的影響主要通過三個因素 1 壓電材料的特性參數 2 某些壓電材料的熱釋電效應 當一些晶體受熱時 在晶體兩端將會產生數量相等而符號相反的電荷 這種由于熱變化而產生的電極化現象稱為熱釋電效應 3 傳感器結構 環(huán)境溫度變化會使壓電材料的壓電常數d 介電常數 電阻率 和彈性系數k等機電特性參數發(fā)生變化 d和k的變化將影響傳感器的輸出靈敏 和 的變化會導致時間常數 RC的變化 從而使傳感器的低頻響應變化 下頁 上頁 返回 6 3壓電材料 選用合適的壓電材料是設計高性能傳感器的關鍵 一般應考慮以下幾個方面 轉換性能 具有較高的耦合系數或具有較大的壓電常數 機械性能 壓電元件作為受力元件 希望它的機械強度高 機械剛度大 以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動頻率 電性能 希望具有高的電阻率和大的介電常數 以期望減弱外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性 溫度和濕度穩(wěn)定性要好 具有較高的居里點 以期望得到寬的工作溫度范圍 時間穩(wěn)定性 壓電特性不隨時間蛻變 下頁 上頁 返回 6 4等效電路 壓電式傳感器對被測量的變化是通過其壓電元件產生電荷量的大小來反映的 因此它相當于一個電荷源 而壓電元件電極表面聚集電荷時 它又相當于一個以壓電材料為電介質的電容器 其電容量為 式中s 極板面積 r 壓電材料相對介電常數 0 真空介電常數 壓電元件厚度 下頁 上頁 返回 Ra是壓電元件的漏電阻 6 4等效電路 當壓電元件受外力作用時 兩表面產生等量的正 負電荷Q 壓電元件的開路電壓 認為其負載電阻為無窮大 U為這樣 可以把壓電元件等效為一個電荷源Q和一個電容器Ca的等效電路 同時也等效為一個電壓源U和一個電容器Ca串聯的等效電路 其中Ra為壓電元件的漏電阻 下頁 上頁 返回 6 4等效電路 壓電式傳感器的靈敏度電壓靈敏度 單位力產生的電壓 電荷靈敏度 單位力產生的電荷 下頁 上頁 返回 根據壓電元件的工作原理及上節(jié)所述兩種等效電路 與壓電元件配套的測量電路的前置放大器也有兩種形式 電壓放大器 其輸出電壓與輸入電壓 壓電元件的輸出電壓 成正比 電荷放大器 其輸出電壓與輸入電荷成正比 6 5測量電路 下頁 上頁 返回 6 5測量電路 下頁 上頁 返回 Ri Ci Cc分別為放大器的輸入電阻 輸入電容和電纜線的電容 電壓放大器和電荷放大器 6 5測量電路 6 4 1電壓放大器電壓放大器的作用是將壓電式傳感器的高輸出阻抗經放大器變換為低阻抗輸出 并將微弱的電壓信號進行適當放大 因此也把這種測量電路稱為阻抗變換器 下頁 上頁 返回 其中 6 5測量電路 6 4 1電壓放大器以壓電陶瓷為例設壓電陶瓷受到交變外力F1作用 下頁 上頁 返回 用復數表示放大器的輸入電壓 6 5測量電路 6 4 1電壓放大器電壓Ui的幅值電壓Ui與作用力之間的相位差 下頁 上頁 返回 令 6 5測量電路 6 4 1電壓放大器得 下頁 上頁 返回 6 5測量電路 6 4 1電壓放大器電壓電壓幅值比和相角與頻率比的關系曲線從曲線知 0 Um 0 電荷被泄漏 壓電式傳感器不能測量靜態(tài)量 靈敏度下降 3 1 Um與作用力的頻率無關 高頻響應非常好 下頁 上頁 返回 6 5測量電路 6 4 1電壓放大器電壓靈敏度 下頁 上頁 返回 由此可知 要擴大低頻響應范圍 必須增加R 而不是C 來增加測量回路的時間常數 R C Ca 否則 電壓靈敏度kU下降 6 5測量電路 6 4 1電壓放大器電壓當 R 1時 說明 放大器輸入電壓及電壓靈敏度與傳感器自身電容 電纜線電容有關 更換電纜需重新標定系統(tǒng)靈敏度 下頁 上頁 返回 6 5測量電路 6 4 2電荷放大器由于電壓放大器使所配接的壓電式傳感器的電壓靈敏度將隨電纜分布電容及傳感器自身電容的變化而變化 而且電纜的更換得引起重新標定的麻煩 為此又發(fā)展了便于遠距離測量的電荷放大器 目前它巳被公認是一種較好的沖擊測量放大器 下頁 上頁 返回 6 5測量電路 6 4 2電荷放大器特點 消除電纜分布電容的影響 具有深度電容負反饋的高增益運算放大器 電路簡化 忽略Ri Ra 運放的K足夠大 高頻忽略RF 低頻時RF不能忽略 下頁 上頁 返回 6 5測量電路 6 4 2電荷放大器輸出U0可以簡化 下頁 上頁 返回 注意到 1 K CF CC Ca Ci 6 5測量電路 6 4 2電荷放大器 下頁 上頁 返回 特點 1 輸出電壓U正比于輸入電荷Q 輸出靈敏度不受電纜分布電容的影響 2 適用于 高頻 gF j CF 低頻時輸出 RF不能忽略 6 5測量電路 下頁 上頁 返回 6 4 2電荷放大器 6 6壓電式傳感器的應用舉例 下頁 上頁 返回 壓電元件串并聯使用并聯增加輸出電荷 電容變大 時間常數大 適合測量緩慢變化的信號 以及一電荷輸出的場合 串聯時 增加輸出電壓 電容小 時間常數小 適合測量高頻信號 以及以電壓的形式輸出的場合 6 6壓電式傳感器的應用舉例 下頁 上頁 返回 壓電式壓力傳感器特點 壓電元件并聯使用 6 6壓電式傳感器的應用舉例 壓電式傳感器的應用 壓電元件是一種典型的力敏感元件 可用來測量最終能轉換為力的多種物理量 常用來測量力和加速度 例如 玻璃破碎報警 埋在地下作為周界安全防護報警 交通道路監(jiān)控 車床動態(tài)切削力測量 體育動態(tài)力 起跑 跳躍 測量 震動 爆破 地震 汽車安全氣囊等 下頁 上頁 返回 土層壓力傳感器 壓電式力傳感器 壓電傾斜測量儀 6 6壓電式傳感器的應用舉例 壓電式傳感器的特點 是能量轉換型 發(fā)電型 傳感器 體積小 重量輕 剛性好 可以提高其固有頻體積小 重量輕 剛性好 可以提高其固有頻率 得到較寬的工作頻率范圍 靈敏度高 穩(wěn)定性好 可靠 對應用縱向壓電效應的傳感器 電荷量與晶體的變形無關 因而靈敏度與傳感器剛度無關 有比較理想的線性 且通常沒有滯后現象 下頁 上頁 返回 6 6壓電式傳感器的應用舉例 壓電式傳感器的應用 1 低頻特性較差 主要用于動態(tài)測量低頻特性較差 主要用于動態(tài)測量 2 存在橫向效應 影響測量結果 3 應用中要求采取嚴格的絕緣措施 并采用低電容 低噪聲電纜 4 工作原理可逆 5 應用 壓電傳感器可以直接用于測力或測量與力有關的壓力 位移 振動加速度等 下頁 上頁 返回 6 6壓電式傳感器的應用舉例 石英晶體幾何切型 石英晶體優(yōu)異的頻率溫度關系雖然能夠提供穩(wěn)定的頻率輸出 但這僅僅局限于特定的晶體方向 通常我們稱這些特殊的方向為不同的切型 意味著可以通過晶體軸的旋轉獲得這些方向和以一種特別的方式來切割晶體 常用的切型有AT SC和ST等 下頁 上頁 返回 6 6壓電式傳感器的應用舉例 石英晶體幾何切型的分類 石英晶體在xyz直角坐標系中的方位可分為兩大切族 X切族和Y切族 以厚度取向為切型 1 X切族 是以厚度方向平行于晶體X軸 長度方向平行于Y軸 寬度方向平等于Z軸這一原始位置旋出來的各種不同的幾何切型 如圖 a 2 Y切族 這是以厚度方向平行于晶體的Y軸 長度方向平行于X軸 寬度方向平行于Z軸這一原始位置旋轉出來的各種幾何切型 如圖 b 下頁 上頁 返回 6 6壓電式傳感器的應用舉例 石英晶體幾何切型的表示方法 每一種切型的石英晶片用一組字母 x y z t l w和角度r來表示 任何一個切割方位都可以通過一個起始方位旋轉得到 第一個字母表示起始方位厚度的方向 第二個字母表示起始方位長度的方向 如X切族以XY表示 Y切族以YX表示 用字母t 厚度 l 長度 w 寬度 來表示起始面轉動時圍繞的旋轉軸 單轉角切型后面的角度表示繞以第三個字母代表的軸向旋轉的角度 雙轉角切型的第二個角度表示繞以第四個字母代表的軸向旋轉的角度 角度為正時表示晶片繞軸作逆時針旋轉 角度為負時表示順時針旋轉 其方向規(guī)定從x 或y 軸的正端看 若r角繞x 或y 軸逆時針旋轉 取正值 順時針旋轉 取負值 下頁 上頁 返回 6 6壓電式傳感器的應用舉例 石英晶體幾何切型的表示方法 例 yxl 35 15 即 AT 切型 表示晶片的厚度方向與Y軸平行 長度方向與X軸平行 并在yx的原始位置上繞其長度l逆時針旋轉35 15 的切割 例 xytl 5 50 切型 表示晶片的厚度方向與X軸平行 長度方向與Y軸平行 并且在XY原始位置上 先繞厚度T逆時針轉5 再繞長度l順時針轉50 的切割 下頁 上頁 返回 AT切型 6 6壓電式傳感器的應用舉例 壓電式測力傳感器 壓電式測力傳感器是利用壓電元件直接實現力 電轉換的傳感器 在拉 壓場合 通常采用雙片或多片石英晶體作壓電元件 如壓電式三向動態(tài)測力儀用于測試動態(tài)切削力 還可以利用其它彈性材料做的敏感元件來測量力 即通過彈性膜 盒等 把壓力收集轉換成力 再傳遞給壓電元件 在結構設計中 必須注意 1 確保彈性膜片與后接傳力件間有良好的面接觸 否則 接觸不良會造成滯后或線性惡化 影響靜 動態(tài)特性 2 傳感器基體和殼體要有足夠的剛度 以保證被測壓力盡可能傳遞到壓電元件上 3 壓電元件的振動模式選擇要考慮到頻率覆蓋 彎曲 壓縮 剪切 4 涉及傳力的元件 盡可能采用高音速材料和扁薄結構 以利快速 無損地傳遞彈性元件的彈性波 提高動態(tài)性能 5 考慮加速度 溫度等環(huán)境干擾的補償 下頁 上頁 返回 6 6壓電式傳感器的應用舉例 壓電式測力傳感器 1 單向力傳感器 1 僅用來測量單向的壓力 如機床動態(tài)切削力的測量 壓電元件采用xy 即x0 切型石英晶體 利用其縱向壓電效應 實現力一電轉換 它用兩塊晶片 8mm 1mm 作傳感元件 被測力通過傳力上蓋l使石英晶片2沿電軸方向受壓力作用 由于縱向壓電效應使石英晶片在電軸方向上出現電荷 兩塊晶片沿電軸方向并聯疊加 負電荷由電極3輸出 壓電晶片正電荷一側與底座連接 下頁 上頁 返回 壓電式力傳感器1 傳力上蓋 2 石英晶片 3 電極 4 底座 5 電極引出頭 6 絕緣材料 6 6壓電式傳感器的應用舉例 壓電式測力傳感器 1 單向力傳感器 2 兩片并聯可提高其靈敏度 壓力元件彈性變形部分的厚度較薄 其厚度由測力大小決定 這種結構的單向力傳感器體積小 質量輕 僅10g 固有頻率高 約50 60kHz 可檢測高達5000N的動態(tài)力 分辨率為10 3N 下頁 上頁 返回 壓電式力傳感器1 傳力上蓋 2 石英晶片 3 電極 4 底座 5 電極引出頭 6 絕緣材料 6 6壓電式傳感器的應用舉例 壓電式測力傳感器 2 雙向力傳感器 1 雙向力傳感器基本用于測量垂直分力Fx與切向分力Fy 以及測量互相垂直的兩個切向分力 即Fx和Fy 無論哪一種測量 傳感器的結構形式相似 圖所示為雙向壓電石英晶片的力傳感器結構 兩組石英晶片分別測量兩個分力 下面一組采用xy x0 切型 通過dll實現力 電轉換 測量軸向力Fx 下頁 上頁 返回 雙向壓電式力傳感器 a 雙向力傳感器 b yx切型示意圖 6 6壓電式傳感器的應用舉例 壓電式測力傳感器 2 雙向力傳感器 2 上面一組采用yx y0 切型 晶片的厚度方向為y軸方向 在平行于x軸的剪切應力 6 在xy平面內 的作用下 產生厚度剪切變形 所謂厚度剪切變形是指晶體受剪切應力的面與產生電荷的面不共面 如圖 b 所示 這一組石英晶體通過d26實現力 電轉換來測量Fy 下頁 上頁 返回 雙向壓電式力傳感器 a 雙向力傳感器 b yx切型示意圖 6 6壓電式傳感器的應用舉例 舉例 測加速度 1 當傳感器感受振動時 質量塊感受慣性力的作用 質量塊有一正比于加速度的交變力作用在壓電片上 由于壓電片壓電效應 兩個表面上就產生交變電荷 當振動頻率遠低于傳感器的固有頻率時 傳感器的輸出電荷 電壓 與作用力成正比 亦即與試件的加速度成正比 電荷量直接反映加速度大小 其靈敏度與壓電材料壓電系數和質量塊質量有關 輸出電量由傳感器輸出端引出 輸入到前置放大器后就可以用普通的測量儀器測出試件的加速度 如在放大器中加進適當的積分電路 就可以測出試件的振動速度或位移 下頁 上頁 返回 6 6壓電式傳感器的應用舉例 下頁 上頁 返回 舉例 測加速度 2 為了提高傳感器靈敏度 一般選擇壓電系數大的壓電陶瓷片 若增加質量塊質量會影響被測振動 同時會降低振動系統(tǒng)的固有頻率 因此一般不用增加質量辦法來提高傳感器靈敏度 此外還可以用增加壓電片數目和采用合理的連接方法也可提高傳感器靈敏度 6 6壓電式傳感器的應用舉例 壓電加速度傳感器結構形式 有壓縮型 剪切型和復合型 壓縮型 1 正裝中心壓縮式 正裝中心壓縮式如圖 結構特點 質量快和彈性元件通過中心螺栓固緊在基座上形成獨立的體系 殼體僅起防護和屏蔽作用 具有靈敏度高 性能穩(wěn)定 頻響好 工作可靠等優(yōu)點 但基座的機械和熱變仍有影響 下頁 上頁 返回 6 6壓電式傳感器的應用舉例 壓電加速度傳感器結構形式 2 壓縮型的改進型 圖 b 為改進型的隔離基座壓縮式 圖 c 為改進型的倒裝中心壓縮式 這兩種結構都可以避免基座變形影響 圖 d 為雙筒雙屏蔽的新穎結構 除了外殼起屏蔽作用外 預載套筒也起內屏蔽作用 預載套筒橫向剛度大 大大提高了傳感器的綜合剛度和橫向抗干擾能力 下頁 上頁 返回 6 6壓電式傳感器的應用舉例 壓電加速度傳感器結構形式 2 剪切型 剪切型壓電式加速度傳感器 是利用壓電片受剪切應力而產生壓電效應的原理制成的 這類傳感器的壓電片多采用壓電陶瓷 按壓電片的結構形式不同 又可分為柱形剪切型 三角剪切型 H剪切型等 其結構如圖所示 下頁 上頁 返回 6 6壓電式傳感器的應用舉例 壓電加速度傳感器結構形式 1 中空圓柱形如圖 結構簡單 輕巧 靈敏度高 下頁 上頁 返回 6 6壓電式傳感器的應用舉例 壓電加速度傳感器結構形式 2 H形結構如圖 左右壓電元件通過橫螺栓固緊在中心立柱上 具有更好的靜態(tài)特性 更高的信噪比和寬的高低頻特性 裝配方便 下頁 上頁 返回 6 6壓電式傳感器的應用舉例 壓電加速度傳感器結構形式 3 三角結構如圖 三塊壓電片和扇形質量塊呈三角空間分布 由預緊筒固緊在三角中心柱上 取消膠結 改善了線性和溫度特性 下頁 上頁 返回 6 6壓電式傳感器的應用舉例 壓電加速度傳感器結構形式 3 復合型 泛指那些具有組合結構 差動原理 合一體化或復合材料的壓電傳感器 1 多晶片壓電加速度傳感器如圖 下頁 上頁 返回 6 6壓電式傳感器的應用舉例 壓電加速度傳感器結構形式 3 復合型 2 壓電圓管梁差動式加速度傳感器如圖 圓管外電極被槽1分成上下極 且徑向極化方向相反 在慣性力F作用下 使壓電圓管彎曲變形 上下極產生的電荷差動相加 提高了靈敏度 下頁 上頁 返回 6 6壓電式傳感器的應用舉例 壓電加速度傳感器結構形式 3 復合型 3 組合一體化壓電加速度傳感器如圖 集傳感器與電子線路于一身的組合一體化壓電 電子傳感器 下頁 上頁 返回 6 6壓電式傳感器的應用舉例 下頁 上頁 返回 振動測量及頻譜分析 1 振動可分為機械振動 土木結構振動 運輸工具振動 武器 爆炸引起的沖擊振動等 從振動的頻率范圍來分 有高頻振動 低頻振動和超低頻振動等 從振動信號的統(tǒng)計特征來看 可將振動分為周期振動 非周期振動以及隨機振動等 6 6壓電式傳感器的應用舉例 下頁 上頁 返回 振動測量及頻譜分析 2 測振傳感器分類測振用的傳感器又稱拾振器 它有接觸式和非接觸式之分 接觸式中有磁電式 電感式 壓電式等 非接觸式中又有電渦流式 電容式 霍爾式 光電式等 下面介紹壓電式測振傳感器及其應用 橫向振動測振器 縱向振動測振器 6 6壓電式傳感器的應用舉例 下頁 上頁 返回 振動測量及頻譜分析 3 地震的測量 地震波形 6 6壓電式傳感器的應用舉例 下頁 上頁 返回 振動測量及頻譜分析 4 減速箱故障分析 依靠頻譜分析法進行故障診斷 a 時域波形b 頻域波形 6 6壓電式傳感器的應用舉例 下頁 上頁 返回 橋墩水下缺陷探測 1 圖示為用壓電式加速度傳感器探測橋墩水下部位裂紋的示意圖 通過放電炮的方式使水箱振動 激振器 橋墩將承受垂直方向的激勵 用壓電式加速度傳感器測量橋墩的響應 將信號經電荷放大器進行放大后送入數據記錄儀 再將記錄下的信號輸入頻譜分析設備 經頻譜分析后就可判定橋墩有無缺陷 6 6壓電式傳感器的應用舉例 下頁 上頁 返回 橋墩水下缺陷探測 2 圖 a 為探測示意圖 沒有缺陷的橋墩為一堅固整體 加速度響應曲線為單峰 如圖 b 所示 若橋墩有缺陷 其力學系統(tǒng)變得更為復雜 激勵后的加速度響應曲線將顯示出雙峰或多峰 如圖 c 所示 6 6壓電式傳感器的應用舉例 下頁 上頁 返回 壓電式流量計利用超聲波在順流方向和逆流方向的傳播速度進行測量 其測量裝置是在管外設置兩個相隔一定距離的收發(fā)兩用壓電超聲換能器 每隔一段時間 如1 100s 發(fā)射和接收互換一次 在順流和逆流的情況下 發(fā)射和接收的相位差與流速成正比 據這個關系 可精確測定流速 流速與管道橫截面積的乘積等于流量 此流量計可測量各種液體的流速 中壓和低壓氣體的流速 不受該流體的導電率 粘度 密度 腐蝕性以及成分的影響 其準確度可達0 5 有的可達到0 01 根據發(fā)射和接收的相位差隨海洋深度深度的變化 測量聲速隨深度的分布情況 6 6壓電式傳感器的應用舉例 下頁 上頁 返回 自來水管道測漏 1 檢測原理 如果地面下有一條均勻的直管道某處O點為漏點 振動聲音從O點向管道兩端傳播 傳播速度為V 在管道上A B兩點放兩只傳感器 A B距離為L 已知或可測 從A B兩個傳感器接收的由O點傳來的t0時刻發(fā)出的振動信號所用時間為tA LA V 和tB LB V 兩者時間差為 t tA tB LA LB V 1 又L LA LB 2 6 6壓電式傳感器的應用舉例 下頁 上頁 返回 自來水管道測漏 2 檢測原理 因為管道埋設在地下 看不到O點 也不知道LA和LB的長度 已知的是L和V 如果能設法求出 t 則聯立 1 2 得 LA L tV 2 3 或者將 1 2 得 LB L tV 2 4 關鍵是確定 t 就可準確確定漏點O 如果從O點出發(fā)的是一極短暫的脈沖 在A B兩點用雙線掃描同時開始記錄 在示波器上兩脈沖到達的時間差就是 t 6 6壓電式傳感器的應用舉例 下頁 上頁 返回 自來水管道測漏 3 水漏探測儀設計 實際的困難在于漏水聲是連續(xù)不斷發(fā)出的 在A B兩傳感器測得的是一片連續(xù)不斷 幅度雜亂變化的噪聲 相關檢漏儀的功能就是要將這兩路表面雜亂無章的信號找出規(guī)律來 把它們 對齊 對齊移動所需要的時間就是 t 6 6壓電式傳感器的應用舉例 下頁 上頁 返回 金屬加工切削力測量由于壓電陶瓷元件的自振頻率高 特別適合測量變化劇烈的載荷 圖中壓電傳感器位于車刀前部的下方 當進行切削加工時 切削力通過刀具傳給壓電傳感器 壓電傳感器將切削力轉換為電信號輸出 記錄下電信號的變化便可測得切削力的變化 6 6壓電式傳感器的應用舉例 下頁 上頁 返回 壓電式血壓傳感器如圖壓電陶瓷 雙晶片懸梁結構 雙晶片極化方向相反 并聯相接 在敏感振膜中央上下兩側各膠粘有半圓柱塑料塊 被測動脈血壓通過上塑料塊 振膜 下塑料塊傳遞到壓電懸梁的自由端 壓電梁彎曲變形產生的電荷輸出 6 6壓電式傳感器的應用舉例 下頁 上頁 返回 爆震測量 1 汽車發(fā)動機中的氣缸點火時刻必須十分精確 如果恰當地將點火時間提前一些 即有一個提前角 就可使汽缸中汽油與空氣的混合氣體得到充分燃燒 使扭矩增大 排污減少 但提前角太大時 混合氣體產生自燃 就會產生沖擊波 發(fā)出尖銳的金屬敲擊聲 稱為爆震 可能使火花塞 活塞環(huán)熔化損壞 使缸蓋 連桿 曲軸等部件過載 變形 可用壓電傳感器檢測并控制之 爆震波形 6 6壓電式傳感器的應用舉例 下頁 上頁 返回 爆震測量 2 還可安裝在氣缸的側壁上 盡量使點火時刻接近爆震區(qū)而不發(fā)生爆震 但又能使發(fā)動機輸出盡可能大的扭矩 壓電振動加速度傳感器可以用于判斷汽車的碰撞 從而使安全氣囊迅速充氣 從而挽救生命 6 7新型壓電材料及應用 下頁 上頁 返回 有機壓電材料 1 某些合成高分子聚合物 又稱壓電聚合物 經延展拉伸和電極化后具有壓電性高分子壓電薄膜 如聚氟乙烯 PVF 偏聚氟乙烯 PVDF 薄膜 及其它為代表的其他有機壓電 薄膜 材料等 特點 如這類材料及其材質柔韌 低密度 低阻抗等優(yōu)點為世人矚目 且發(fā)展十分迅速 現在水聲超聲測量 壓力傳感 引燃引爆等方面獲得應用 不足之處是壓電應變常數 d 偏低 使之作為有源發(fā)射換能器受到很大的限制 高分子壓電薄膜及拉制 6 7新型壓電材料及應用 下頁 上頁 返回 有機壓電材料 2 原理 聚二氟乙烯 PVF2 是目前發(fā)現的壓電效應較強的聚合物薄膜 這種合成高分子薄膜就其對稱性來看 不存在壓電效應 但是它們具有 平面鋸齒 結構 存在抵消不了的偶極子 經延展和拉伸后可以使分子鏈軸成規(guī)則排列 并在與分子軸垂直方向上產生自發(fā)極化偶極子 當在膜厚方向加直流高壓電場極化后 就可以成為具有壓電性能的高分子薄膜 這種薄膜有可撓性 并容易制成大面積壓電元件 這種元件耐沖擊 不易破碎 穩(wěn)定性好 頻帶寬 為提高其壓電性能還可以摻入壓電陶瓷粉末 制成混合復合材料 PVF2 PZT 6 7新型壓電材料及應用 下頁 上頁 返回 復合壓電材料 3 這類材料是在有機聚合物基底材料中嵌入片狀 棒狀 桿狀 或粉末狀壓電材料構成的 高分子化合物中摻雜壓電陶瓷PZT或BaTiO3粉末制成的高分子壓電薄膜 至今已在水聲 電聲 超聲 醫(yī)學等領域得到廣泛的應用 如果它制成水聲換能器 不僅具有高的靜水壓響應速率 而且耐沖擊 不易受損且可用于不同的深度 可用于波形分析及報警的高分子壓電踏腳板 6 7新型壓電材料及應用 下頁 上頁 返回 復合壓電材料壓電式腳踏報警器 壓電式周界報警系統(tǒng) 用于重要位置出入口 周界安全防護 娛樂舞蹈機等 將長的壓電電纜埋在泥土的淺表層 可起分布式地下麥克風或聽音器的作用 可在幾十米范圍內探測人的步行 對輪式或履帶式車輛也可以通過信號處理系統(tǒng)分辨出來 如圖為測量系統(tǒng)的輸出波形 6 7新型壓電材料及應用 下頁 上頁 返回 交通監(jiān)測將高分子壓電電纜埋在公路上 可以獲取車型分類信息 包括軸數 軸距 輪距 單雙輪胎 車速監(jiān)測 收費站地磅 闖紅燈拍照 停車區(qū)域監(jiān)控 交通數據信息采集 道路監(jiān)控 及機場滑行道等 6 7新型壓電材料及應用 下頁 上頁 返回 有機壓電材料應用高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭 逆壓電效應 6 7新型壓電材料及應用 下頁 上頁 返回 有機壓電材料應用玻璃破碎傳感器 將厚約0 2mm左右的PVDF薄膜裁制成10 20mm大小 在它的正反兩面各噴涂透明的二氧化錫導電電極 再用超聲波焊接上兩根柔軟的電極引線 并用保護膜覆蓋 使用時 用瞬干膠將其粘貼在玻璃上 當玻璃遭暴力打碎的瞬間 壓電薄膜感受到劇烈振動 表面產生電荷Q 在兩個輸出引腳之間產生窄脈沖報警信號 6 7新型壓電材料及應用 下頁 上頁 返回 有機壓電材料應用集成壓電式傳感器是一種高性能 低成本動態(tài)微壓傳感器 產品采用壓電薄膜作為換能材料 動態(tài)壓力信號通過薄膜變成電荷量 再經傳感器內部放大電路轉換成電壓輸出 該傳感器具有靈敏度高 抗過載及沖擊能力強 抗干擾性好 操作簡便 體積小 重量輕 成本低等特點 廣泛應用于醫(yī)療 工業(yè)控制 交通 安全防衛(wèi)等領域 典型應用 脈搏計數探測 按鍵鍵盤 觸摸鍵盤 振動 沖擊 碰撞報警 振動加速度測量 管道壓力波動 其它機電轉換 動態(tài)力檢測等 脈搏計 6 7新型壓電材料及應用 下頁 上頁 返回 海嘯預警系統(tǒng)地震是引發(fā)海嘯的主要原因之一 地震中斷層移動導致斷層間產生空洞 當海水填充這個空洞時產生巨大的海水波動 這種海水波動從深海傳至淺海時 海浪陡然升到十幾米高 并以每秒數百米的速度傳播 海浪沖到岸上后 將造成重大破壞 海嘯預警系統(tǒng)通過海底的振動壓力傳感器記錄海浪變化的數據 并傳送到信息浮標 由信息浮標發(fā)送到氣象衛(wèi)星 再從氣象衛(wèi)星傳送到衛(wèi)星地面站 6 7新型壓電材料及應用 下頁 上頁 返回 海嘯預警系統(tǒng) 6 8超聲波傳感器原理及應用 下頁 上頁 返回 超聲波的特性人們能聽到的聲音是由物體振動產生的 它的頻率在20Hz 20KHz范圍內 頻率超過20kHz稱為超聲波 低于20Hz稱為次聲波 它具有頻率高 波長短 繞射現象小 特別是方向性好 能夠成為射線而定向傳播等特點 超聲波對液體 固體的穿透本領很大 尤其是在陽光不透明的固體中 它可穿透幾十米的深度 超聲波碰到雜質或分界面會產生顯著反射形成反射成回波 碰到活動物體能產生多普勒效應 利用超聲的反射來測距 利用大功率超聲的振動來清除附著在鍋爐上面的水垢 利用高能超聲做成 超聲刀 來消滅 擊碎人體內的癌變 結石等 而利用超聲的反射等效應和穿透力強 能夠直線傳播等的特性來進行檢測也是其中一個很大的應用領域 因此超聲波檢測廣泛應用在工業(yè) 國防 生物醫(yī)學等方面 6 8超聲波傳感器原理及應用 下頁 上頁 返回 超聲波的特性檢測中常用的超聲波頻率范圍為幾十kHz到幾十MHz 超聲波是一種在彈性介質中的機械震蕩 它的波形有縱波 橫波 表面波三種 質點的振動方向與波的傳播方向一致的波稱為縱波 質點的振動方向與波的傳播方向垂直的波稱為橫波 質點的振動介于縱波也橫波之間 沿著表面?zhèn)鞑?振幅隨著深度的增加而迅速衰減的波稱為表面波 橫波 表面波只能在固體中傳播 縱波可在固體 液體及氣體中傳播 超聲的檢測應用主要包括在工業(yè)上對各種材料的檢測和在醫(yī)療上對人體的檢測診斷 通過它人們可以探測出金屬等工業(yè)材料中有沒有氣泡 傷痕 裂縫等缺陷 可以檢測出人們身體的軟組織 血流等是否正常 6 8超聲波傳感器原理及應用 下頁 上頁 返回 超聲波的特性超聲波的基本性質 1 1 傳播速度超聲波的傳播速度與介質的密度和彈性特性有關 與環(huán)境條件也有關 在液體中傳播速度為在氣體中 超聲波的傳播速度與氣體種類 壓力及溫度有關 在空氣中傳播速度為C 33l 5 0 607 m s 6 8超聲波傳感器原理及應用 下頁 上頁 返回 超聲波的特性超聲波的基本性質 2 2 反射和折射現象超聲波在通過兩種不同的介質時 會產生反射和折射現象 如圖所示 有如下的關系 6 8超聲波傳感器原理及應用 下頁 上頁 返回 超聲波的特性超聲波的基本性質 3 3 傳播中的衰減隨著超聲波在介質中傳播距離的增加 介質吸收能量使超聲波強度有所衰減 若超聲波進入介質的強度為I0 通過介質后的強度為I 則它們之間的關系為I I0e Ad式中 d為介質的厚度 A為介質對超聲波能量的吸收系數 介質的密度越小 衰減越快 頻率高時則衰減更快 因此 在空氣中常采用頻率較低的超聲波 而在固體 液體中則采用頻率較高的超聲波 6 8超聲波傳感器原理及應用 下頁 上頁 返回 超聲波傳感器的結構圖是超聲波傳感器結構實例 它采用雙晶振子 即把雙壓電陶瓷片以相反極化方向粘在一起 在長度方向上 一片伸長 另一片就縮短 在雙晶振子的兩面涂敷簿膜電極 其上面用引線通過金屬板 振動板 接到一個電極端 下面用引線直接接到另一個電極端 雙晶振子為正方形 正方形的左右兩邊由圓弧形凸起部分支撐著 這兩處的支點就成為振子振動的節(jié)點 金屬板的中心有圓錐形振子 發(fā)送超聲波時 圓錐形振子有較強的方向性 高效率地發(fā)送超聲波 接收超聲波時 超聲波的振動集中于振子的中心 高效應地產生高頻電壓 6 8超聲波傳感器原理及應用 下頁 上頁 返回 超聲波傳感器的工作原理圖是采用雙晶振子的超聲波傳感器的工作原理示意圖 若在發(fā)送器的雙晶振子上施加40KHz的高頻電壓 壓電陶瓷片a b就根據所加的高頻電壓極性伸長與縮短 于是就發(fā)送40kHz頻率的超聲波 超聲波以疏密波形式傳播 送給超聲波接收器就被其接收 超聲波接收器是利用壓電效應的原理 則產生一面為正極 另一面為負極的電壓 當然這種電壓非常小 要用放大器進行放大 6 8超聲波傳感器原理及應用 下頁 上頁 返回 超聲波傳感器的類型a 通用型超聲波傳感器通用型超聲波傳感器的帶寬一般為幾KHz 具有選頻特性 頻帶窄 靈敏度較高 抗干擾性強 接收傳感器與發(fā)送傳感器是分開使用的 b 寬帶型超聲波傳感器寬帶型超聲波傳感器具有二個諧振頻率 所以可兼作發(fā)送傳感器和接收傳感器 在較寬的頻帶內 都具有較高的靈敏度 c 密封型超聲波傳感器密封型超聲波傳感器主要用于室外 如汽車防撞 汽車測速等場合 d 高頻型超聲波傳感器低頻超聲波的散射角較大 探測范圍寬 探測距離較遠 當遇到尺寸小于半波長的物體時會發(fā)生繞射 對于細小物體的探測就需要高頻型超聲波傳感器 高頻型超聲波傳感器的中心頻率高于100kHz 指向性窄 可以進行較高分辨率的測量 6 8超聲波傳感器原理及應用 下頁 上頁 返回 超聲波傳感器的基本電路 1 超聲波發(fā)生器電路 圖是采用脈沖變壓器的超聲波振蕩電路實例 電路中用NPN晶體管VT放大頻率可調的振蕩器OSC的輸出信號 放大的信號經脈沖變壓器T升壓為較高的交流電壓供給超聲波傳感器MA40S2S 超聲波傳感器MA40S2S產生40kHz能量的超聲波 6 8超聲波傳感器原理及應用 下頁 上頁 返回 超聲波傳感器的基本電路 2 超聲波接收器電路 圖是采用運放的超聲波接收電路 電路增益較高 電路輸出為高頻電壓 實際上后面還要接檢波電路 放大電路以及開關電路等 6 8超聲波傳感器原理及應用 下頁 上頁 返回 超聲波傳感器的基本電路 3 超聲波發(fā)送接收兩用電路 圖是超聲波發(fā)送接收兩用電路 用一個超聲波傳感器發(fā)送信號的同時還可以接收信號 6 8超聲波傳感器原理及應用 下頁 上頁 返回 超聲波傳感器的基本電路 4 超聲波專用集成電路 圖是超聲波測距集成電路TL851 TL852 TL851設計測距范圍為2 10米 11腳 12腳外接420kHz陶瓷晶體 與內部形成振蕩 在發(fā)射信號期間被8 5分頻形成頻率為49 4kHz的16個脈沖串 其余時間振蕩信號被4 5分頻 啟動后 3 8ms為消隱時間而停止接收信號以避免超聲波傳感器在發(fā)射結束后產生的余振而導致接收信號錯誤 如果要測量小于0 5米的距離 必須使 BINH 變?yōu)楦唠娖揭钥s短消隱時間 從而啟動傳感器接收輸入信號 6 8超聲波傳感器原理及應用 下頁 上頁 返回 超聲波傳感器的應用利用超聲波的特性 可做成各種超聲波傳感器 包括超聲波的發(fā)射和接收 配上不同的電路 可制成各種超聲波儀器及裝置 應用于工業(yè)生產 醫(yī)療 家電等行業(yè)中 超聲波傳感器是一種可逆換能器 它可以將電能轉換成機械能 超聲波的發(fā)射 也可將機械能轉換成電能 超聲波接收 6 8超聲波傳感器原理及應用 下頁 上頁 返回 超聲波傳感器的應用1 超聲波傳感器在液位測量中的應用超聲波的應用主要是利用它的透射和反射特性 利用這種特性 可以測量出液位的高度 常見的液位測量方法如圖所示 6 8超聲波傳感器原理及應用 下頁 上頁 返回 超聲波傳感器的應用1 超聲波傳感器在液位測量中的應用只要知道超聲波在介質中的傳播速度C 測出超聲波從開始發(fā)射至接收到超聲波的這段時間t 就可以計算出超聲波行進的距離 從而得出超聲波探頭到介質面的距離L 圖 a 中的測量方法比較簡單 精度較高 但用于石油 化工中的液位測量就顯得不太方便 此外 這種測量方法對傳感器的安全性能要求較高 尤其不適用于那些已經盛裝液體的容器 由于化學工業(yè)中大部分液體具有易燃 易爆 有毒的特點 所以這種方法很難實現 而圖 b 中在容器殼外的測量方法就可以克服上述問題 6 8超聲波傳感器原理及應用 下頁 上頁 返回 超聲波傳感器的應用2 超聲波探傷超聲波探傷是無損探傷技術中的一種主要檢測手段 它主要用于檢測板材 管材 鍛件和焊縫等材料中的缺陷 如裂縫 氣孔 夾渣等 測定材料的厚度 超聲波探傷具有檢測靈敏度高 速度快 成