第3章 壓電型傳感器與測量電路111

第三章、壓電型傳感器與測量電路圖:正（順）壓電效應示意圖第3章、壓電型傳感器與測量電路

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，其表面會有電荷產(chǎn)生而實現(xiàn)非電量測量。在各種動態(tài)力、機械沖擊與振動測量，以及聲學、醫(yī)學、力學、宇航等方面都得到了非常廣泛的應用。3.1壓電效應及壓電材料

3.1.1、壓電效應及壓電材料

某些離子型晶體電介質(zhì)，當沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ咕w變形時，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個表面上便產(chǎn)生符號相反的電荷，當外力去掉后，又重新恢復到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱壓電效應。

當作用力方向改變時，電荷的極性也隨之改變。有時人們把這種機械能轉(zhuǎn)換為電能的現(xiàn)象，稱為“正壓電效應”。

當在電介質(zhì)極化方向施加電場，這些電介質(zhì)也會產(chǎn)生幾何變形，這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應”(電致伸縮效應)。具有壓電效應的材料稱為壓電材料，壓電材料能實現(xiàn)機一電能量的相互轉(zhuǎn)換，如圖3-1所示。

FF極化面Q壓電介質(zhì)正壓電效應逆壓電效應T(S)電能Q(E)機械能圖3-1壓電效應

(a)(b)+-

在自然界中大多數(shù)晶體都具有壓電效應，但壓電效應十分微弱。隨著對材料的深入研究，發(fā)現(xiàn)石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料是性能優(yōu)良的壓電材料。二、壓電材料及特性壓電傳感器中的壓電元件材料一般有三類：壓電晶體（如石英晶體）；經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷；高分子壓電材料；圖:石英晶體(a)晶體外形；(b)切割方向；(c)晶片現(xiàn)象：（a）是在X軸方向受壓力，（b）是在X軸方向受拉力，（c）是在Y軸方向受壓力，（d）是在Y軸方向受拉力石英晶體的壓電機理分析石英的晶體結(jié)構(gòu)為六方晶體系，化學式為SiO2。

定義：x：垂直此軸壓電效應最強。稱為電軸。y：在電場作用下變形最大，稱為機械軸。z：無壓電效應，中心軸，也稱光軸。當在軸x方向施加作用力時,在與電軸x垂直的平面上將產(chǎn)生電荷,其大小為qx=d11

Fx

式中:d11——x方向受力的壓電系數(shù);

Fx——作用力若在同一切片上,沿軸y方向施加作用力Fy,則仍在與x軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷qy,其大小為：qy=d12fya/b式中:d12——y軸方向受力的壓電系數(shù),d12=-d11;a、b——晶體切片長度和厚度。一種天然晶體，壓電系數(shù)d11＝2.31×10－12C/N；2、等效電路及信號變換電路壓電元件的等效電路；壓電式傳感器的信號調(diào)節(jié)電路；1.壓電元件的等效電路2.壓電式傳感器的等效電路

(a)、等效為一個電荷源Q與一個電容Ca并聯(lián)的電路；(b)、等效成一個電源U=Q/Ca和一個電容Ca的串聯(lián)電路；3、壓電材料的加載結(jié)構(gòu)由于壓電材料的電荷是有極性的，因此接法也有兩種。圖2-2(a)是兩個壓電片的負端粘結(jié)在一起，中間插入的金屬電極成為壓電片的負極，正電極在兩邊的電極上。從電路上看，這是并聯(lián)接法，類似兩個電容的并聯(lián)。圖2-2(b)是兩壓電片不同極性端粘結(jié)在一起，從電路上看是串聯(lián)的。圖2-2壓電元件的連接方式（a）相同極型端粘接——并聯(lián)（b）不同極性端粘接——串聯(lián)兩個壓電片的聯(lián)結(jié)方式

（a）“并聯(lián)”，Q’=2Q，U’=U，C’=2C；并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大，時間常數(shù)大；適宜用在測量慢變信號并且以電荷作為輸出量的地方。（b）“串聯(lián)”Q’=Q，U’=2U，C’=C/2；而串聯(lián)接法輸出電壓大，本身電容??；適宜用于以電壓作輸出信號，且測量電路輸入阻抗很高的地方。

壓電式傳感器中的壓電元件，按其受力和變形方式不同，大致有厚度變形、長度變形、體積變形和厚度剪切變形等幾種形式，如圖2-3所示。目前最常使用的是厚度變形的壓縮式和剪切變形的剪切式兩種。圖2-3壓電元件加載方式壓電式傳感器的輸出可以是電壓信號，也可以是電荷信號。電壓放大器電荷放大器2.2、壓電式傳感器的測量電路（二）壓電式傳感器的信號調(diào)節(jié)電路壓電式傳感器要求負載電阻RL必須有很大的數(shù)值，才能使測量誤差小到一定數(shù)值以內(nèi)。常先接入一個高輸入阻抗的前置放大器，然后再接一般的放大電路及其它電路。壓電傳感器在實際使用時總要與測量儀器或測量電路相連接，因此還需考慮連接電纜的等效電容Cc，放大器的輸入電阻Ri、輸入電容Ci以及壓電傳感器的泄漏電阻Ra。這樣一來，壓電傳感器在測量系統(tǒng)中的實際等效電路如圖2-5所示。圖2-5壓電傳感器的實際等效電路（a）電壓源（b）電流源(a)(b)CaUaCaQCcRaRiCiRiCiCcRa（1）電壓放大器Ca：傳感器的電容；Ra：傳感器的漏電阻；Cc：連接電纜的等效電容；Ri：放大器的輸入電阻；Ci：放大器的輸入電容；電壓放大器CaCa壓電式傳感器在與電壓放大器配合使用時，連接電纜不能太長。電纜長，電纜電容Cc就大，電纜電容增大必然使傳感器的電壓靈敏度降低。若壓電元件受正弦力F=Fmsinωt的作用，則其電壓為:

式中：Um——壓電元件輸出電壓幅值，Um=dFm/Ca；d——壓電系數(shù)。當作用力是靜態(tài)力（ω=0）時，前置放大器的輸入電壓為零。原理上決定了壓電式傳感器不能測量靜態(tài)物理量。壓電式傳感器突出優(yōu)點：高頻響應相當好。

電荷放大器UoRaRiUiCfCcCiCaq

（1+A）CF>>（Ca+Cc+Ci）Ucf=Ui-（-A×Ui）=Ui×（1+A）;Q=Qa+Qc+Qi+Qf=Ui×（Ca+Cc+Ci+（1+A）Cf）1、加速度傳感器:壓電加速度傳感器，如右圖所示。使用時，傳感器固定在被測物體上，感受該物體的振動，慣性質(zhì)量塊產(chǎn)生慣性力，使壓電元件產(chǎn)生變形。壓電元件的變形而產(chǎn)生的電荷與加速度成正比。三、壓電式傳感器的應用壓電加速度傳感器可以做得很小，重量很輕，故對被測機構(gòu)的影響就小。壓電加速度傳感器的頻率范圍廣、動態(tài)范圍寬、靈敏度高、應用較為廣泛。UoRaRiUiCfCcCiCaqU0=q/cf，q∝ka圖2-6所示為用壓電式加速度傳感器探測橋墩水下部位裂紋。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，壓電元件受震動產(chǎn)生電荷。將壓電元件受震動產(chǎn)生電荷經(jīng)電荷放大器進行放大后送入數(shù)據(jù)記錄儀，再將記錄下的信號輸入頻譜分析設備，經(jīng)頻譜分析后就可判定橋墩有無缺陷。圖2-6(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2-6(b)所示。若橋墩有缺陷，激勵后的加速度響應曲線將顯示出雙峰或多峰，如圖3-6(c)所示。圖2-6探測橋墩水下部分裂紋示意圖（3）壓電式動態(tài)力傳感器以及在車床中用于動態(tài)切削力的測量

三、壓電式金屬加工切削力測量如圖是利用壓電陶瓷傳感器測量刀具切削力。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(zhuǎn)換為電信號Q輸出。電荷的變化便測得切削力的變化。U0=q/cf，q∝kF4、壓電式測力傳感器

壓電式測力傳感器它用兩塊晶片作傳感元件，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，由于正壓電效應使石英晶片在電軸方向上出現(xiàn)電荷，兩塊晶片是并聯(lián)疊加，負電荷由形電極3輸出。兩片并聯(lián)可提高其靈敏度。電荷的變化便測得壓力的變化。這種結(jié)構(gòu)的單向力傳感器體積小、質(zhì)量輕(僅10g)，固有頻率高（約50～60kHz)。圖2-11YDS-781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U0=q/cf，q∝kF壓電式傳感器的應用壓電式測力傳感器粘貼位置壓電式玻璃破碎報警器。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(chǎn)生電荷Q，在兩個輸出引腳之間產(chǎn)生窄脈沖電壓輸出，產(chǎn)生報警信號。傳感器把振動波轉(zhuǎn)換成電壓輸出,輸出電壓經(jīng)放大、濾波、比較等處理后提供給報警系統(tǒng)。5、壓電式玻璃破碎報警器5、壓電式玻璃破碎報警器

BS—D2壓電式傳感器是專門用于檢測玻璃破碎的一種傳感器,它利用壓電元件對振動敏感的特性來感知玻璃受撞擊和破碎時產(chǎn)生的振動波。傳感器的最小輸出電壓為100mV,最大輸出電壓為100V,內(nèi)阻抗為15～20kΩ。

濾波器的用途

濾波器主要用來濾除信號中無用的頻率成分，例如，有一個較低頻率的信號，其中包含一些較高頻率成分的干擾。1.一階RC低通濾波器(無源)傳遞函數(shù)：截止頻率：幅頻特性：0.707H截止頻率01|A|1.一階RC高通濾波器(無源)傳遞函數(shù)：截止頻率：幅頻特性：+_+_CR

RC高通電路010.707L|A|低通濾波器（LPF）高通濾波器（HPF）帶通濾波器（BPF）帶阻濾波器（BEF）二.按通帶和阻帶的相互位置不同分為：ω|A|0ωC通帶阻帶A0ω|A|0ωCA0通帶阻帶ω|A|0ωC1A0阻阻ωC2通ω|A|0ωC1A0阻ωC2通通

各種濾波器理想的幅頻特性：（1）低通（2）高通（1）帶通（1）帶阻

可由低通和高通串聯(lián)得到低通截止頻率高通截止頻率必須滿足三.有源帶通濾波器可由低通和高通并聯(lián)得到必須滿足四.有源帶阻濾波器帶通濾波使玻璃振動頻率范圍內(nèi)的輸出電壓信號通過，其它頻段的信號濾除。比較器作用是當傳感器輸出信號高于設定的閾值時,輸出報警信號,驅(qū)動報警執(zhí)行機構(gòu)工作。如進行聲光報警。高分子壓電電纜的應用演示將兩根高分子壓電電纜相距若干米，平行埋設于柏油公路的路面下約5cm，可以用來測量車速及汽車的載重量，并根據(jù)存儲在計算機內(nèi)部的檔案數(shù)據(jù)，判定汽車的車型。

6、壓電式動態(tài)力傳感器在體育動態(tài)測量中的應用壓電式步態(tài)分析跑臺壓電式縱跳訓練分析裝置壓電傳感器測量雙腿跳的動態(tài)力壓電式力傳感器土層壓力傳感器壓電陀螺儀壓電傾斜測量儀5.4超聲波傳感器及其應用5.4.1超聲波的特性人們能聽到的聲音是由物體振動產(chǎn)生的，它的頻率在20Hz～20KHz范圍內(nèi)。頻率超過20kHz稱為超聲波，低于20Hz稱為次聲波。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(zhì)中的機械震蕩，它的波形有縱波、橫波、表面波三種。質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向一致的波稱為縱波；質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向垂直的波稱為橫波；質(zhì)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。超聲波具有以下基本性質(zhì)。1．傳播速度超聲波的傳播速度與介質(zhì)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+0.607t／℃(m/s)(5-9)2．反射和折射現(xiàn)象超聲波在通過兩種不同的介質(zhì)時，會產(chǎn)生反射和折射現(xiàn)象，如圖5-17所示，有如下的關系：圖5-17超聲波的折射和反射3．傳播中的衰減隨著超聲波在介質(zhì)中傳播距離的增加，介質(zhì)吸收能量使超聲波強度有所衰減。若超聲波進入介質(zhì)的強度為I0，通過介質(zhì)后的強度為I，則它們之間的關系為

I=I0e－Ad(5-12)式中，d為介質(zhì)的厚度；A為介質(zhì)對超聲波能量的吸收系數(shù)。介質(zhì)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。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(chǎn)、醫(yī)療、家電等行業(yè)中。5.4.2超聲波傳感器的應用

超聲波傳感器是一種可逆換能器，它可以將電能轉(zhuǎn)換成機械能(超聲波的發(fā)射)，也可將機械能轉(zhuǎn)換成電能(超聲波接收)。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5-18所示。圖5-18超聲波測量液位超聲波在某一介質(zhì)中傳播速度一定，遇到兩種介質(zhì)分界面時會產(chǎn)生反射現(xiàn)象，所以，只要知道超聲波在介質(zhì)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(zhì)面的距離L。圖5-18(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(jīng)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(xiàn)。而圖5-18（b）中在容器殼外的測量方法就可以克服上述問題。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、成本低等優(yōu)點，因而得到人們普遍的重視，在生產(chǎn)實踐中得到廣泛應用。超聲波探傷方法很多，最常用的是脈沖反射法。脈沖反射法根據(jù)超聲波波形的不同又分為縱波探傷、橫波探傷和表面波探傷。1）縱波探傷縱波探傷使用直探頭。測試前，先將探頭壓在與被測件同材質(zhì)等厚的無缺陷試件上調(diào)整顯示屏，使發(fā)射脈沖T和回波脈沖B的尖峰圖像位于屏幕的兩邊。測試時探頭放于被測工件上，在工件上來回移動進行檢測，探頭發(fā)出的縱波超聲波以一定速度向工件內(nèi)部傳播，如工件中沒有缺陷，則超聲波傳到工件底部才發(fā)生反射，在顯示屏上只出現(xiàn)始脈沖T和底脈沖B，如圖5-19（a）所示。

如工件中有缺陷，一部分聲脈沖在缺陷處產(chǎn)生反射，另一部分繼續(xù)傳播到工件底面產(chǎn)生反射。在顯示屏上除出現(xiàn)始脈沖T和底脈沖B外，還會出現(xiàn)缺陷脈沖F，如圖5-19(b)所示。顯示屏上的水平亮線為掃描線(時間基線)，其長度與工件的厚度成正比(可調(diào))。通過缺陷脈沖F在顯示屏上的位置可確定缺陷在工件中的位置；通過缺陷脈沖的幅度的高低可判斷缺陷當量的大小，缺陷面積大，缺陷脈沖幅度就高。移動探頭還可確定缺陷大致長度。圖5-19超聲波縱波探傷2）橫波探傷橫波探傷法多采用斜探頭進行探傷。超聲波的一個顯著特點是：超聲波波束中心線與缺陷截面積垂直時，探頭靈敏度最高，但如遇到如圖5-20所示的缺陷時，用直探頭探測雖然可探測出缺陷存在，但并不能真實反映缺陷大小。如果用斜探頭探測，則探傷效果較佳。因此實際應用中，應根據(jù)不同缺陷性質(zhì)、取向，采用不同的探頭進行探傷。有些工件的缺陷性質(zhì)及取向事先不能確定，為了保證探傷質(zhì)量則應采用幾種不同的探頭進行多次探測。3）表面波探傷圖5-20橫波探傷法圖5-21表面波探傷表面波探傷主要是檢測工件表面附近的缺陷存在與否，如圖5-21所示。當超聲波的入射角超過一定值后，折射角可達到90°，這時固體表面受到超聲波能量引起的交替變化的表面張力作用，質(zhì)點在介質(zhì)表面的平衡位置附近做橢圓軌跡振動，這種振動稱為表面波。當工件表面存在缺陷時，表面波被反射回探頭，可以在顯示屏上顯示出來。隨著電子技術的不斷發(fā)展，目前所使用的探傷儀大都采用數(shù)字顯示或點陣液晶顯示，并使用單片機進行處理，從而使探傷儀的準確度及精度大大提高。5.4.3超聲波測距1．超聲波探頭針對不同的用途，超聲波探頭的結(jié)構(gòu)和形式有非常多的變化。多數(shù)情況下超聲波測距是在空氣中進行，為適應對探測范圍、探測距離的不同要求，超聲波探頭也有多種不同的型號。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用，即為可逆元件。市售的超聲渡傳感器有專用型和兼用型，專用型就是發(fā)送器用作發(fā)送超聲波，接收器用作接收超聲波；兼用型就是發(fā)送器(接收器)即可發(fā)送超聲波(接收超聲波)，又可接收超聲波(發(fā)送超聲波)。市售超聲波傳感器的諧振頻率(中心頻率)為23kHz，40kHz，75kHz，200kHz，400kHz等。在諧振頻率上有最高的發(fā)射功率，諧振頻率變高，則檢測距離變短，分解力也變高。圖5-22是超聲波傳感器結(jié)構(gòu)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(chǎn)生高頻電壓。圖5-22超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)圖5-23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(jù)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(chǎn)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。

圖5-23超聲波傳感器工作原理示意圖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(nèi)，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。2．超聲波傳感器的基本電路圖5-24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(diào)的振蕩器OSC的輸出信號，放大的信號經(jīng)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(chǎn)生40kHz能量的超聲波。圖5-24采用脈沖變壓器的超聲波振蕩電路圖5-25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。

圖5-25采用運放的超聲波接收電路圖5-26是超聲波發(fā)送接收兩用電路，用一