第7章壓電與超聲波新

第7章壓電式傳感器

傳感與檢測(cè)技術(shù)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超聲波傳感器傳感與檢測(cè)技術(shù)第7章壓電元件與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)動(dòng)態(tài)力、機(jī)械沖擊和振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量。壓電式傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、頻響高、工作可靠等特點(diǎn)，非常適用于動(dòng)態(tài)力測(cè)量；不能用于靜態(tài)力測(cè)量。傳感與檢測(cè)技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器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。傳感與檢測(cè)技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器7.1壓電效應(yīng)

壓電效應(yīng)是可逆的在介質(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

傳感與檢測(cè)技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器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，外形無論再小都呈六面體結(jié)構(gòu)。7.2.1石英晶體傳感與檢測(cè)技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器7.2.1

石英晶體壓電效應(yīng)

天然結(jié)構(gòu)石英晶體的理想外形是一個(gè)正六面體，在晶體學(xué)中它可用三根互相垂直的軸來表示，其中縱向軸Z－Z稱為光軸；經(jīng)過正六面體棱線，并垂直于光軸的X－X軸稱為電軸；與X－X軸和Z－Z軸同時(shí)垂直的Y－Y軸（垂直于正六面體的棱面）稱為機(jī)械軸。石英晶體(a)理想石英晶體的外形(b)坐標(biāo)系ZXY(a)(b)ZYX

通常把沿電軸X－X方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)”，而把沿機(jī)械軸Y－Y方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)”，沿光軸Z－Z方向受力則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。

石英晶體具有壓電效應(yīng)，是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的。組成石英晶體的硅離子Si4+和氧離子O2-在Z平面投影，如圖(a)。為討論方便，將這些硅、氧離子等效為圖(b)中正六邊形排列，圖中“＋”代表Si4+，“－”代表2O2-。硅氧離子的排列示意圖(a)硅氧離子在Z平面上的投影(b)

等效為正六邊形排列的投影(b)(a)++---YXXY+傳感與檢測(cè)技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器7.2.1

石英晶體壓電效應(yīng)

傳感與檢測(cè)技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器7.2.1

石英晶體壓電效應(yīng)

當(dāng)作用力FX=0時(shí)，正、負(fù)離子（即Si4+和2O2-）正好分布在正六邊形頂角上，形成三個(gè)互成120o夾角的電偶極矩P1、P2、P3，如圖（a）所示。此時(shí)正負(fù)電荷中心重合，電偶極矩的矢量和等于零，即

P1＋P2＋P3＝0

當(dāng)晶體受到沿X方向的壓力（FX<0）作用時(shí)，晶體沿X方向?qū)a(chǎn)生收縮，正、負(fù)離子相對(duì)位置隨之發(fā)生變化，如圖（b）所示。此時(shí)正、負(fù)電荷中心不再重合，電偶極矩在X方向的分量為(P1+P2+P3)X>0在Y、Z方向上的分量為（P1+P2+P3）Y=0（P1+P2+P3）Z=0

由上式看出，在X軸的正向出現(xiàn)正電荷，在Y、Z軸方向則不出現(xiàn)電荷。Y(a)FX=0+++---XP1P2P3(b)FX<0FXXY++++－－－－FX+++---P1P2P3電偶極矩連接+Q和–Q兩個(gè)點(diǎn)電荷的直線稱為電偶極子的軸線，從–Q指向+Q的矢徑l和電量Q的乘積定義為電偶極子的電矩，也稱電偶極矩，通常用矢量p表示。即電偶極矩是電荷系統(tǒng)的極性的一種衡量。在兩個(gè)點(diǎn)電荷的簡單情形中，一個(gè)帶有電荷+q，另一個(gè)帶有電荷?q，則電偶極矩為：p=qr，其中r是從負(fù)電荷指向正電荷的位移向量。傳感與檢測(cè)技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器7.2.1

石英晶體壓電效應(yīng)

可見，當(dāng)晶體受到沿X(電軸)方向的力FX作用時(shí)，它在X方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，而Y、Z方向則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。晶體在Y軸方向力FY作用下的情況與FX相似。當(dāng)FY＞0時(shí)，晶體的形變與圖（b）相似；當(dāng)FY＜0時(shí)，則與圖（c）相似。由此可見，晶體在Y（即機(jī)械軸）方向的力FY作用下，使它在X方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，在Y、Z方向則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。(P1+P2+P3)X<0(P1+P2+P3)Y=0(P1+P2+P3)Z=0Y(c)FX>0+++--X-+++－－－FXFXP2P3P1+－

當(dāng)晶體受到沿X方向的拉力（FX＞0）作用時(shí)，其變化情況如圖（c）。此時(shí)電極矩的三個(gè)分量為在X軸的正向出現(xiàn)負(fù)電荷，在Y、Z方向則不出現(xiàn)電荷。傳感與檢測(cè)技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器7.2.1

石英晶體壓電效應(yīng)

晶體在Z軸方向力FZ的作用下，因?yàn)榫w沿X方向和沿Y方向所產(chǎn)生的正應(yīng)變完全相同，所以，正、負(fù)電荷中心保持重合，電偶極矩矢量和等于零。這就表明，沿Z(即光軸)方向的力FZ作用下，晶體不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。假設(shè)從石英晶體上切下一片平行六面體——晶體切片，使它的晶面分別平行于X、Y、Z軸，如圖。并在垂直X軸方向兩面用真空鍍膜或沉銀法得到電極面。

當(dāng)晶片受到沿X軸方向的壓縮應(yīng)力σXX作用時(shí)，晶片將產(chǎn)生厚度變形，并發(fā)生極化現(xiàn)象。在晶體線性彈性范圍內(nèi)，極化強(qiáng)度PXX與應(yīng)力σXX成正比，即石英晶體切片ZYXblt傳感與檢測(cè)技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器7.2.1

石英晶體壓電效應(yīng)

式中FX——X軸方向的力；

d11——壓電系數(shù)，當(dāng)受力方向和變形不同時(shí)，壓電系數(shù)也不同，石英晶體d11=2.3×10-12CN-1；

l、b——石英晶片的長度和寬度。極化強(qiáng)度PXX在數(shù)值上等于晶面上的電荷密度，即式中qX——垂直于X軸平面上的電荷。將上兩式整理，得式中——電極面間電容。其極間電壓為傳感與檢測(cè)技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器7.2.1

石英晶體壓電效應(yīng)

根據(jù)逆壓電效應(yīng)，晶體在X軸方向?qū)a(chǎn)生伸縮，即

或用應(yīng)變表示，則式中EX——X軸方向上的電場(chǎng)強(qiáng)度。在X軸方向施加壓力時(shí)，左旋石英晶體的X軸正向帶正電；如果作用力FX改為拉力，則在垂直于X軸的平面上仍出現(xiàn)等量電荷，但極性相反，見圖(a)、(b)。FXFX++++－－－－－－－－++++(a)(b)XXΔt=d11UX傳感與檢測(cè)技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器7.2.1

石英晶體壓電效應(yīng)

如果在同一晶片上作用力是沿著機(jī)械軸的方向，其電荷仍在與X軸垂直平面上出現(xiàn)，其極性見圖（c）、（d），此時(shí)電荷的大小為++++++++－－－－－－－－(c)(d)FYFYXX式中d12——石英晶體在Y軸方向受力時(shí)的壓電系數(shù)。根據(jù)石英晶體軸對(duì)稱條件：d11=－d12，則上式為式中t——晶片厚度。則其極間電壓為傳感與檢測(cè)技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器7.2.1

石英晶體壓電效應(yīng)

根據(jù)逆壓電效應(yīng)，晶片在Y軸方向?qū)a(chǎn)生伸縮變形，即或用應(yīng)變表示由上述可知：①無論是正或逆壓電效應(yīng)，其作用力（或應(yīng)變）與電荷（或電場(chǎng)強(qiáng)度）之間呈線性關(guān)系；②晶體在哪個(gè)方向上有正壓電效應(yīng)，則在此方向上一定存在逆壓電效應(yīng)；③石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應(yīng)的。傳感與檢測(cè)技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器7.2壓電材料

7.2.2壓電陶瓷（多晶體）

壓電陶瓷屬于鐵電體一類的物質(zhì)，是人工制造的多晶壓電材料，它具有類似鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)的電疇結(jié)構(gòu)。電疇是分子自發(fā)形成的區(qū)域，它有一定的極化方向，從而存在一定的電場(chǎng)。在無外電場(chǎng)作用時(shí)，各個(gè)電疇在晶體上雜亂分布，它們的極化效應(yīng)被相互抵消，因此原始的壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零，見圖（a）。直流電場(chǎng)E剩余極化強(qiáng)度剩余伸長電場(chǎng)作用下的伸長(a)極化處理前(b)極化處理中(c)極化處理后傳感與檢測(cè)技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器

但是，當(dāng)把電壓表接到陶瓷片的兩個(gè)電極上進(jìn)行測(cè)量時(shí)，卻無法測(cè)出陶瓷片內(nèi)部存在的極化強(qiáng)度。這是因?yàn)樘沾善瑑?nèi)的極化強(qiáng)度總是以電偶極矩的形式表現(xiàn)出來，即在陶瓷的一端出現(xiàn)正束縛電荷，另一端出現(xiàn)負(fù)束縛電荷。由于束縛電荷作用，在陶瓷片的電極面上吸附了一層來自外界的自由電荷。這些自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電荷符號(hào)相反而數(shù)量相等，它起著屏蔽和抵消陶瓷片內(nèi)極化強(qiáng)度對(duì)外界的作用。所以電壓表不能測(cè)出陶瓷片內(nèi)的極化程度，如圖所示

－－－－－

－－－－－

＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋自由電荷束縛電荷電極電極極化方向陶瓷片內(nèi)束縛電荷與電極上吸附的自由電荷示意圖傳感與檢測(cè)技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器

如果在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向平行的壓力F，如圖，陶瓷片將產(chǎn)生壓縮形變，片內(nèi)的正、負(fù)束縛電荷之間的距離變小，極化強(qiáng)度也變小。因此，原來吸附在電極上的自由電荷，有一部分被釋放，而出現(xiàn)放電荷現(xiàn)象。當(dāng)壓力撤消后，陶瓷片恢復(fù)原狀，片內(nèi)的正、負(fù)電荷之間的距離變大，極化強(qiáng)度也變大，因此電極上又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。這種由機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，或者由機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，就是正壓電效應(yīng)。＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋

極化方向正壓電效應(yīng)示意圖（實(shí)線代表形變前的情況，虛線代表形變后的情況）F－＋傳感與檢測(cè)技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器

由此可見，壓電陶瓷所以具有壓電效應(yīng)，是由于陶瓷內(nèi)部存在自發(fā)極化。這些自發(fā)極化經(jīng)過極化工序處理而被迫取向排列后，陶瓷內(nèi)即存在剩余極化強(qiáng)度。如果外界的作用（如壓力或電場(chǎng)的作用）能使此極化強(qiáng)度發(fā)生變化，陶瓷就出現(xiàn)壓電效應(yīng)。此外，還可以看出，陶瓷內(nèi)的極化電荷是束縛電荷，而不是自由電荷，這些束縛電荷不能自由移動(dòng)。所以在陶瓷中產(chǎn)生的放電或充電現(xiàn)象，是通過陶瓷內(nèi)部極化強(qiáng)度的變化，引起電極面上自由電荷的釋放或補(bǔ)充的結(jié)果。傳感與檢測(cè)技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器7.2.4壓電元件主要參數(shù)性能

性能參數(shù)：壓電常數(shù)；介電常數(shù)（高）；彈性常數(shù)；機(jī)械耦合系數(shù)；工作溫度。鋯鈦酸鉛（壓電陶瓷PZT）是一種性能優(yōu)越的壓電陶瓷，是目前最普遍使用的壓電材料。傳感與檢測(cè)技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器7.2壓電材料

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。傳感與檢測(cè)技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器7.2.3新型壓電材料

而這些新型合成材料的分子鏈中C—F鍵具有極性，有一定的偶極矩；通常晶胞內(nèi)的極矩相互抵消整體不顯極性，沒有壓電效應(yīng)；必須經(jīng)過拉伸、極化特殊處理才會(huì)具有良好的壓電效應(yīng)。聚偏氟乙烯壓電效應(yīng)傳感與檢測(cè)技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器7.2.5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，適用于電荷放大器傳感與檢測(cè)技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器7.2.5壓電元件結(jié)構(gòu)形式

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

傳感與檢測(cè)技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器7.3測(cè)量電路

7.3.1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傳感與檢測(cè)技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器7.3.1壓電傳感器等效電路

根據(jù)等效電路，壓電傳感器靈敏度有兩種等效電壓源

等效電流源根據(jù)它們之間的關(guān)系有：電壓靈敏度電荷靈敏度傳感與檢測(cè)技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器7.3.1壓電傳感器等效電路

等效電壓源

等效電流源

當(dāng)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。

傳感與檢測(cè)技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器7.3.1壓電傳感器等效電路

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、電荷放大器由等效電路可見，只有在負(fù)載RL→∞時(shí)受力產(chǎn)生的電荷才能長期保存下來，否則放電回路很快將電荷放掉，因此測(cè)量頻率較低時(shí)必須保證RL很大，即時(shí)間常數(shù)RLCa=τ大。

前置電路有兩個(gè)作用：一是放大微弱的信號(hào)、二是阻抗變換傳感與檢測(cè)技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器7.3.2測(cè)量電路

（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傳感與檢測(cè)技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器7.3.2測(cè)量電路

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:傳感與檢測(cè)技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器7.3.2測(cè)量電路輸入電壓幅值幅值相位差

傳感器電壓靈敏度

實(shí)際輸入

理想情況傳感與檢測(cè)技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器7.3.2測(cè)量電路

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，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

。從電壓靈敏度Ku可見，連接電纜的分布電容Cc影響傳感器靈敏度，使用時(shí)更換電纜就要求重新標(biāo)定，測(cè)量系統(tǒng)對(duì)電纜長度變化很敏感，這是電壓放大器的缺點(diǎn)。傳感與檢測(cè)技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器7.3.2測(cè)量電路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)可采用電荷放大器，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）電荷放大器傳感與檢測(cè)技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器電荷放大器是一個(gè)具有深度負(fù)反饋的高增益放大器，其基本電路如圖。若放大器的開環(huán)增益A0足夠大，并且放大器的輸入阻抗很高，則放大器輸入端幾乎沒有分流，運(yùn)算電流僅流入反饋回路CF與RF。由圖可知i的表達(dá)式為：（2）電荷放大器－A0CaU∑USC電荷放大器原理電路圖iRaqCFRF根據(jù)上式畫出等效電路圖－A0CaRaR’C’USCU∑qCF、RF等效到A0的輸入端時(shí)，電容CF將增大(1＋A0)倍。電導(dǎo)1/RF也增大了(1＋A0)倍。所以圖中C′=(1＋A0)CF；1/R′=(1＋A0)1／RF，這就是所謂“密勒效應(yīng)”的結(jié)果。運(yùn)放輸入電壓輸出電壓當(dāng)A0足夠大時(shí),傳感器本身的電容和電纜長短將不影響電荷放大器的輸出。因此輸出電壓USC只決定于輸入電荷q及反饋回路的參數(shù)CF和RF。由于1／RF<<ωCF,則若考慮電纜電容Cc，則有可見當(dāng)A0足夠大時(shí)，輸出電壓與A0無關(guān)，只取決于輸入電荷q和反饋電容CF，改變CF的大小便可得到所需的電壓輸出。

CF一般取值100-104pF。運(yùn)算放大器的開環(huán)放大倍數(shù)A0對(duì)精度有影響，當(dāng)頻率很高時(shí)，則及由此得A0＞105。對(duì)線性集成運(yùn)算放大器來說，這一要求是不難達(dá)到的。例,Ca=1000pF,CF=100pF,Cc=(100pF/m)×100m=105pF,當(dāng)要求δ≤1%時(shí)，則有則可計(jì)算產(chǎn)生的誤差為傳感與檢測(cè)技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器7.4壓電傳感器的應(yīng)用

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；還可安裝在氣缸的側(cè)壁上，盡量使點(diǎn)火時(shí)刻接近爆震區(qū)而不發(fā)生爆震，但又能使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出盡可能大的扭矩。1壓電式加速度傳感器傳感與檢測(cè)技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器7.4壓電傳感器的應(yīng)用2壓電式玻璃破碎報(bào)警器41

將兩根高分子壓電電纜相距若干米，平行埋設(shè)于柏油公路的路面下約5cm，可以用來測(cè)量車速及汽車的載重量，并根據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的檔案數(shù)據(jù)，判定汽車的車型。傳感與檢測(cè)技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器7.4壓電傳感器的應(yīng)用3壓電式車速傳感器傳感與檢測(cè)技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器7.4壓電傳感器的應(yīng)用4壓電式動(dòng)態(tài)力傳感器傳感與檢測(cè)技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器7.4壓電傳感器的應(yīng)用5壓電式振動(dòng)粘度計(jì)液體粘度不同時(shí)，振動(dòng)頻率不同。7.5超聲波傳感器簡介第7章壓電元件與超聲波傳感器超聲波傳感器是向空氣中發(fā)射超聲波，再通過探測(cè)來自某個(gè)物體的反射波檢測(cè)物體有無或距離；超聲波傳感器具有多種用途：

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)域越來越廣泛，而且不斷得到擴(kuò)展。

傳感與檢測(cè)技術(shù)

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20kHz的聲音為超聲波，是人耳無法聽到的。聲波頻率界限7.5.1超聲波第7章壓電元件與超聲波傳感器

傳感與檢測(cè)技術(shù)超聲波以直線方式傳播，頻率越高繞射越弱，但反射能力越強(qiáng)，利用這種性質(zhì)可以制作超聲波測(cè)距傳感器；超聲波在液體、固體中衰減很小，穿透能力強(qiáng)，特別是不透光的固體能穿透幾十米，利用這種性質(zhì)可以制成超聲波探傷傳感器。超聲波對(duì)密度大的物體反射能力強(qiáng)，如金屬、玻璃、混凝土、橡膠可近乎反射100%的超聲波，因此容易對(duì)這些問題進(jìn)行檢測(cè)。而棉花、布、絨毛等物體吸收超聲波，因此很難用超聲波檢測(cè)。7.5.1超聲波傳播特性第7章壓電元件與超聲波傳感器

傳感與檢測(cè)技術(shù)7.5.1超聲波傳播速度第7章壓電元件與超聲波傳感器超聲波在空氣中傳播速度較慢，為344m/s（20℃時(shí)）速度低、波長短，意味著可獲得較高的距離、方向分辨率。（電磁波的傳播速度為3×108m/s），這一特點(diǎn)使得超聲波應(yīng)用變得非常簡單，測(cè)量時(shí)可獲得較高的精確度，可以通過測(cè)量波的傳播時(shí)間，測(cè)量距離、厚度等。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):

傳感與檢測(cè)技術(shù)7.5.1超聲波及物理特性第7章壓電元件與超聲波傳感器鋼鐵中

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。

傳感與檢測(cè)技術(shù)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。7.5.1超聲波及物理特性第7章壓電元件與超聲波傳感器式中：

傳感與檢測(cè)技術(shù)7.5.2超聲波傳感器超聲波傳感器有壓電式、磁致伸縮式、電磁式，其中最常用的是壓電式。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、接收兩部分第7章壓電元件與超聲波傳感器發(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。

超聲波傳感器工作形式

傳感與檢測(cè)技術(shù)ＲＸＴＸＴＸＲＸa）兼用型

發(fā)射探頭（TX）

接收探頭（RX）第7章壓電元件與超聲波傳感器

超聲波傳感器的工作形式

反射式

直射式（透射式）兼用型-發(fā)射接收元件制作在一起；專用型-發(fā)射接收原件獨(dú)立；

傳感與檢測(cè)技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器結(jié)構(gòu)：壓電晶片、吸收塊（阻尼）、保護(hù)膜、引線、金屬外殼；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)，無阻尼時(shí)，電脈沖停止晶片會(huì)繼續(xù)振蕩，加長脈沖寬度，使分辨率變差；產(chǎn)品通常標(biāo)有中心諧振頻率：23kHz、40kHz、75kHz、200kHz、400kHz。

傳感與檢測(cè)技術(shù)

超聲波傳感器類型結(jié)構(gòu)

超聲波傳感器的工作原理發(fā)送器：在雙壓電振子上施加一定頻率（40KHz）的電壓，通過逆壓電效應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，送出疏密不同的超聲波信號(hào)；接收探頭：經(jīng)正壓電效應(yīng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，轉(zhuǎn)換電路將接收到的信號(hào)放大處理。第7章壓電元件與超聲波傳感器7.5.3超聲波傳感器基本電路

傳感與檢測(cè)技術(shù)超聲波傳感器基本電路包括振蕩發(fā)射電路、檢測(cè)電路兩部分組成：超聲波傳感器發(fā)射電路調(diào)整振蕩器頻率7.5.3超聲波傳感器基本電路

超聲波發(fā)射電路：由反向器組成RC振蕩器，經(jīng)門電路完成功率放大，經(jīng)CP耦合傳送給超聲波振子產(chǎn)生超聲發(fā)射信號(hào)。CP電容防止傳感器長期處于直流電壓下工作。第7章壓電元件與超聲波傳感器

傳感與檢測(cè)技術(shù)CP超聲波傳感器接收?qǐng)?bào)警電路超聲波檢測(cè)電路：接收到的超聲波信號(hào)極微弱，需要高增益的放大電路用于檢測(cè)反射波，輸出的高頻信號(hào)電壓接檢波、放大、開關(guān)電路輸出或報(bào)警。7.5.3超聲波傳感器基本電路第7章壓電元件與超聲波傳感器

傳感與檢測(cè)技術(shù)

超聲波測(cè)距集成模塊：最大距離600cm，最小距離2cm功放40KHzOSC

定時(shí)器前置放大檢波平方放大輸出VCC12V三位LED顯示器被測(cè)物發(fā)送電路：555構(gòu)成多諧振蕩器，產(chǎn)生40KHz等幅波放大送功放輸出；接收電路：放大、檢波，信號(hào)處理根據(jù)被測(cè)物體的距離設(shè)定反射脈沖時(shí)間，調(diào)整振蕩器觸發(fā)時(shí)間。定時(shí)器控制觸發(fā)電路和門電路。7.5.3超聲波傳感器基本電路第7章壓電元件與超聲波傳感器

傳感與檢測(cè)技術(shù)40kHz高頻信號(hào)與20Hz周期信號(hào)

調(diào)制成短脈沖群向外發(fā)送:

周期T=1/20Hz=50ms

超聲波在空氣中傳播速度

340m/s×50ms=17m17m/2=850cm測(cè)距通過定時(shí)控制電路、觸發(fā)電路變換為與距離有關(guān)的信號(hào);用時(shí)鐘脈沖對(duì)這個(gè)信號(hào)的發(fā)送和接收之間的延遲時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器的輸出值就是檢測(cè)的距離。時(shí)鐘周期

T=1/40kHz=25μS340m/s×

(n×25μS)=往返距離單程距離

=往返距離/2超聲波測(cè)距原理時(shí)序波形示意圖

超聲波傳感器測(cè)距原理接收信號(hào)

超聲波檢測(cè)液位hhsh2ah2as超聲波在空氣中傳播衰減大但在液體中傳播衰減小

單換能器從發(fā)射到接收的時(shí)間

t=2h/v傳感器到液面的距離

h=vt/2

雙換能器經(jīng)過的路程：

2s=vt液位高度：

v--超聲波在介質(zhì)中傳播速度第7章壓