第7章壓電元件與超聲波傳感器

第7章壓電元件與超聲波傳感器主要內(nèi)容

7.1壓電效應(yīng)

7.2壓電材料

7.3測(cè)量電路

7.4壓電式傳感器的應(yīng)用

7.5超聲波傳感器概述

壓電式傳感器以電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，外力作用下在電介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量,是一種典型的發(fā)電型傳感器.

壓電式傳感器可以對(duì)各種動(dòng)態(tài)力、機(jī)械沖擊和振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，在聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、導(dǎo)航方面都得到廣泛的應(yīng)用。水聲（聲吶）換能器壓電陶瓷超聲換能器壓電加速度計(jì)壓電警號(hào)7.1壓電效應(yīng)

自然界中32種晶體點(diǎn)陣，分為中心對(duì)稱和非對(duì)稱兩大類，其中非中心對(duì)稱的21種有20種具有壓電效應(yīng)，壓電現(xiàn)象是晶體缺乏中心對(duì)稱引起的。某些電介質(zhì)（晶體）當(dāng)沿著一定方向施加力變形時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它表面會(huì)產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力去掉后又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)；當(dāng)作用力方向改變后，電荷極性也隨之改變.

逆壓電效應(yīng)在介質(zhì)極化的方向施加電場(chǎng)時(shí)，電介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生形變，將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，這種現(xiàn)象稱“逆壓電效應(yīng)”。壓電元件可以將機(jī)械能電能也可以將電能機(jī)械能

壓電元件機(jī)械能電能7.2壓電材料自然界許多晶體具有壓電效應(yīng)，但十分微弱，研究發(fā)現(xiàn)石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛是優(yōu)能的壓電材料。壓電材料可以分為兩類：壓電晶體、壓電陶瓷。

石英晶體特征天然、人工晶體兩種都屬于單晶體化學(xué)式為——

SiO2，外形無(wú)論再小都呈六面體結(jié)構(gòu)

石英晶體沿各個(gè)方向的特征不同，需按特定方向切片。7.2.1石英晶體壓電晶片按特定方向切片人工合成水晶沿X（電軸）作用產(chǎn)生電荷稱縱向壓電效應(yīng)沿Y（機(jī)械軸）作用產(chǎn)生電荷稱橫向壓電效應(yīng)沿Z（光軸）不產(chǎn)生壓電效應(yīng)

石英晶體沿各個(gè)方向的特征不同（按特定方向切片）

壓電特性的各向異性可用矩陣表示壓電元件受力后,表面電荷與外力成正比關(guān)系:

d為壓電系數(shù)（與材料有關(guān)的常數(shù)）在X軸方向施力時(shí),產(chǎn)生電荷大小為:

d11縱向壓電系數(shù)，σx為X方向應(yīng)力在Y軸方向施力時(shí),產(chǎn)生電荷大小為:

d12橫向壓電系數(shù)，σy為Y方向應(yīng)力根據(jù)晶體的對(duì)稱性，壓電系數(shù)d12=-d11

a、b是晶體切片幾何尺寸(長(zhǎng)、厚)，qx、qy符號(hào)決定力的方向。石英晶體的上述特征與內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)有關(guān)，分子六邊形分布，三個(gè)電偶極矩。當(dāng)晶體不受力時(shí)（F=0），正負(fù)離子分布在六邊形頂角，電偶極矩互成1200夾角，矢量和為零，晶體呈中性；當(dāng)晶體受沿X軸方向的應(yīng)力時(shí)，X方向壓縮形變，電偶極矩在X軸方向的分量由于出現(xiàn)上負(fù)下正電荷；當(dāng)晶體受沿Y軸方向的應(yīng)力時(shí)，Y方向壓縮形變，電偶極矩在X軸方向的分量由于出現(xiàn)上正下負(fù)電荷；晶體受沿Z軸方向的應(yīng)力時(shí)X、Y方向形變相同不產(chǎn)生壓電效應(yīng)；應(yīng)力方向?yàn)槔r(shí)，電荷極性與上述相反。石英晶體壓電模型7.2.2壓電陶瓷壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料，材料的內(nèi)部晶粒有許多自發(fā)極化的電疇，具有一定的極化方向。無(wú)電場(chǎng)作用時(shí)，電疇在晶體中分布雜亂分布，極化相互抵消呈中性。施加外電場(chǎng)時(shí)，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，趨向外電場(chǎng)方向排列。外電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到飽和程度時(shí)，所有的電疇與外電場(chǎng)一致。外電場(chǎng)去掉后，電疇極化方向基本不變，剩余極化強(qiáng)度很大。所以，壓電陶瓷極化后才具有壓電特性，未極化時(shí)是非壓電體。晶體極化后，沿極化方向（垂直極化平面）作用力時(shí)，引起剩余極化強(qiáng)度變化，在極化面上產(chǎn)生電荷，電荷量的大小與外力成正比關(guān)系，電荷密度：

d33—

壓電陶瓷的縱向壓電常數(shù)，d33

比d11、d12大的多所以壓電陶瓷制作的傳感器靈敏度比壓電晶體高，但極化后的壓電陶瓷受溫度影響又使壓電特性減弱。隨時(shí)間延長(zhǎng)（2年后）d33會(huì)下降，作為傳感器使用時(shí)要經(jīng)常校準(zhǔn)修正。7.2.3新型壓電材料

石英和壓電陶瓷是性能較好的壓電材料，但有共同的缺點(diǎn)，密度大、硬、易碎，不耐沖擊，難以加工。新型合成高分子材料：PVF聚氟乙烯、PVF2聚偏二氟乙烯、PVC聚氯乙烯等能很好的克服這一缺陷，可以作成輕小柔軟的壓電元件。靈敏度比PZT（壓電陶瓷）大17倍。壓電半導(dǎo)體材料，具有壓電特性又有半導(dǎo)體特性，可研制集成壓電傳感器系統(tǒng)。這些材料有：(ZnS)(CdTe)(ZnO)(CdS)(GaAs)7.3.1壓電元件結(jié)構(gòu)形式

在實(shí)際應(yīng)用中為提高靈敏度使表面有足夠的電荷，常常把兩片、四片壓電元件組成在一起使用。由于壓電材料有極性，因此存在連接方法，雙片連接時(shí)：

壓電晶片按+-+-粘貼時(shí)電路并聯(lián)+_+_U’+++++++++++_______________________+++++++++++電荷增加一倍，適用于電荷放大器7.3測(cè)量電路U’+__+++++++++++___________++++++++++____________

壓電晶片按+--+粘貼時(shí)電路串聯(lián)電壓增加一倍適用于電壓放大器7.3.2壓電傳感器等效電路

壓電傳感器可視為電荷源視為電荷輸出時(shí)可等效為電荷源Q和電容Ca并聯(lián)，開路狀態(tài)輸出端電荷為：視為電壓輸出時(shí)可等效為電壓源U與電容Ca串聯(lián)，開路狀態(tài)輸出端電壓為：看成具有+、-極性的電容器，可等效為一個(gè)電容器Ca；電容極板上電壓大小與極板間電荷成正比

根據(jù)等效電路，壓電傳感器靈敏度有兩種等效電壓源

等效電荷源根據(jù)它們之間的關(guān)系有：電壓靈敏度電荷靈敏度等效電壓源

等效電荷源

當(dāng)壓電傳感器接測(cè)量電路時(shí)要考慮以下主要因素：電纜等效電容Cc

接入電路的輸入電容Ci

放大器輸入電阻Ri

傳感器漏電電阻Ra。7.3.2壓電傳感器測(cè)量電路

壓電元件內(nèi)阻很高，需要系統(tǒng)前置電路具有高的輸入阻抗。解決傳感器與前級(jí)電路的連接…壓電元件輸出可以是電壓源也可以是電荷源。因此，前置放大器也有兩種形式：電壓放大器、電荷放大器

前置電路有兩個(gè)作用：一是放大微弱的信號(hào)、二是阻抗變換（1）電壓放大器（阻抗變換器）

電壓放大器及等效電路示意圖

如果壓電元件為正弦作用力變化電壓放大器的輸入端

送入放大器輸入端的電壓ui寫成復(fù)數(shù)形式實(shí)際幅值（有效值）d

壓電系數(shù)；ω信號(hào)頻率；R=Ra//Ri

傳感器上產(chǎn)生的電荷與電壓也按正弦變化:輸入電壓幅值幅值相位差

傳感器電壓靈敏度

實(shí)際輸入

理想情況

前置放大器實(shí)際輸入電壓與理想輸入電壓的比值為令前置放大器輸入回路的時(shí)間常數(shù)為

分別得到相對(duì)幅頻特性和相頻特性：理想實(shí)際

電壓放大器討論：壓電傳感器不能測(cè)量靜態(tài)物理量；優(yōu)點(diǎn):高頻響應(yīng)特性好。

一般認(rèn)為當(dāng)ωτ≥3時(shí)輸入電壓與信號(hào)頻率無(wú)關(guān)；缺點(diǎn)：低頻響應(yīng)差，提高低頻響應(yīng)的辦法是增大τ，但不能靠增加輸入電容Ca（RLCa=τ），因?yàn)殡妷红`敏度與電容成反比。實(shí)際是增大前置輸入回路電阻Ri

。為解決電纜分布電容Cc對(duì)傳感器靈敏度的影響，和低頻響應(yīng)差的缺點(diǎn)可采用電荷放大，集成運(yùn)放組成的電荷放大器有較好的性能。電荷放大器是一種輸出電壓與輸入電荷量成正比的前置放大器?？衫秒娙葑鞣答佋纳疃蓉?fù)反饋的高增益運(yùn)放。（2）電荷放大器

由運(yùn)放特性可求得電荷放大器輸出電壓

可認(rèn)為電荷放大器滿足理想條件當(dāng)運(yùn)算放大器增益滿足K>>1（K=104～108）電荷放大器及等效電路通常:Ca=幾十

pfCc=100pf/mCf=102—108

pfK>105滿足（1+K）Cf>>10(Ca+Ci+Cc)電荷放大器及等效電路

滿足理想條件時(shí)輸出電壓與輸入電荷量成正比7.4壓電傳感器的應(yīng)用1．壓電晶體振蕩器；2.壓電式測(cè)力傳感器3．壓電加速度計(jì)傳感器；4.振動(dòng)測(cè)量；5．壓電換能器，發(fā)射（揚(yáng)聲器）、接收（麥克風(fēng)）、收聽器、超聲波換能器；壓電元件符號(hào)壓電式加速度傳感器壓電式玻璃破碎報(bào)警器

引信由壓電元件和起爆裝置兩部分組成，壓電元件安裝在彈丸的頭部，起爆裝置在彈丸的尾部，通過(guò)引線連接。壓電元件RESab炸藥壓電元件導(dǎo)線起爆裝置

破甲彈上的壓電引信結(jié)構(gòu)藥型罩壓電引信是利用壓電元件制成的彈丸起爆裝置。觸發(fā)度高、安全可靠、不需要安裝電源系統(tǒng)，常用于破甲彈上。對(duì)彈丸的破甲能力起著極重要的作用。

電雷管壓電引信

原理：平時(shí)E（電雷管）處于短路保險(xiǎn)安全狀態(tài)，壓電元件即使受壓，產(chǎn)生的電荷會(huì)通過(guò)電阻放掉，不會(huì)觸發(fā)雷管。而彈丸一旦發(fā)射起爆裝置解除保險(xiǎn)狀態(tài)，開關(guān)S從b處斷開與a

接通，處于待發(fā)狀態(tài)。當(dāng)彈丸與裝甲目標(biāo)相遇時(shí)，碰撞力使壓電元件產(chǎn)生電荷，通過(guò)導(dǎo)線將電信號(hào)傳給電雷管使其引爆，并引起彈丸爆炸，能量使藥型罩融化形成高溫高速的金屬流將鋼甲穿透。壓電元件RESab炸藥壓電元件導(dǎo)線起爆裝置

破甲彈上的壓電引信結(jié)構(gòu)藥型罩電雷管7.5超聲波傳感器超聲波技術(shù)是以物理、電子、機(jī)械及材料學(xué)為基礎(chǔ)的通用技術(shù)，超聲波傳感器是向空氣中發(fā)射超聲波，再通過(guò)探測(cè)來(lái)自某個(gè)物體的反射波檢測(cè)物體有無(wú)或距離；超聲波傳感器具有多種用途：

如防盜報(bào)警系統(tǒng)、自動(dòng)門啟閉裝置、汽車倒車傳感器及各種電子設(shè)備的遙控裝置；利用超聲波的各種物理特性，可以實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距、測(cè)厚、測(cè)流量、無(wú)損探傷、超聲成像；隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，新的超聲波應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，而且不斷得到擴(kuò)展。

聲波為一種機(jī)械波，人耳聽到的頻率在16Hz～20kHz；頻率低于16Hz的機(jī)械波稱為次聲波；頻率高于20kHz的機(jī)械波稱為超聲波；頻率在300MHz～

300GHz之間的波稱為微波；頻率超過(guò)20kHz的聲音為超聲波，是人耳無(wú)法聽到的。聲波頻率界限7.5.1超聲波及物理特性1)超聲波的傳播當(dāng)超聲波從一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時(shí)，在界面上會(huì)產(chǎn)生反射、折射和波形轉(zhuǎn)換；超聲波的反射和折射超聲波傳感器是通過(guò)超聲波的產(chǎn)生→傳播→

接收

等物理過(guò)程完成。主要功能是產(chǎn)生、接收超聲波信號(hào)。能傳播機(jī)械振動(dòng)的媒質(zhì)（空氣，水，鋼鐵等）

介質(zhì)作機(jī)械振動(dòng)的物體（聲帶，樂(lè)器等）

波源2）超聲波傳播速度超聲波在空氣中傳播速度較慢，為344m/s（20℃時(shí)）超聲波在媒質(zhì)中傳播的速度決定于媒質(zhì)的彈性（彈性模量）和慣性（密度），傳播速度與介質(zhì)密度有關(guān):鋼鐵中

在水中例如，聲波在空氣中速度液體中聲速傳播速度在900～1900m/s，在液體和氣體中只有縱波的傳播。聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)隨距離的增加能量逐漸衰減,

其衰減的程度與聲波的擴(kuò)散、散射及吸收等因素有關(guān)，衰減規(guī)律用兩個(gè)能量描述：

聲壓

聲強(qiáng)

聲波與聲源之間距離；

衰減系數(shù)Np/m（奈培/米）分別為x=0處的聲壓、聲強(qiáng)；

聲波隨距離增加，聲能減弱較快，所以超聲波不能進(jìn)行較遠(yuǎn)距離傳播；頻率越高衰減越快。式中：3）超聲波的衰減結(jié)構(gòu)：壓電晶片、吸收塊（阻尼）、保護(hù)膜、引線；壓電晶片兩面鍍銀，作導(dǎo)線極板。壓電晶片為圓形薄片，超聲波頻率f與圓片厚度成反比；阻尼塊吸收聲能，降低機(jī)械品質(zhì)，無(wú)阻尼時(shí)，電脈沖停止晶片會(huì)繼續(xù)振蕩，加長(zhǎng)脈沖寬度，使分辨率變差；

超聲波傳感器結(jié)構(gòu)

7.5.2超聲波傳感器結(jié)構(gòu)原理

超聲波傳感器類型結(jié)構(gòu)7.5.3超聲波傳感器的應(yīng)用壓電式超聲波探頭主要有壓電晶體和壓電陶瓷，利用壓電材料的壓電效應(yīng)工作，分為發(fā)射、接收兩部分發(fā)射元件：利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，將高頻電振動(dòng)轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，將電能→機(jī)械能；接收元件：利用壓電材料正壓電效應(yīng)，將超聲波振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，將機(jī)械能→電能。

ＲＸＴＸＴＸＲＸa）兼用型

發(fā)射探頭（TX）

接收探頭（RX）

超聲波傳感器的工作形式

反射式