傳感器ch5 壓電式傳感器及其應(yīng)用

1、第5章 壓電式和超聲波傳感器及其應(yīng)用1壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器 壓電陶瓷超聲傳感器壓電陶瓷超聲傳感器 壓電陶瓷超聲霧化片壓電陶瓷超聲霧化片 壓電陶瓷蜂鳴片壓電陶瓷蜂鳴片 壓電陶瓷大功率超聲換能器壓電陶瓷大功率超聲換能器 一次性塑料打火機(jī)一次性塑料打火機(jī) 第5章 壓電式和超聲波傳感器及其應(yīng)用2轉(zhuǎn)換原理：轉(zhuǎn)換原理：基于某些介質(zhì)材料的壓電效應(yīng)特點(diǎn)：特點(diǎn)：體積小, 重量輕, 工作頻帶寬等應(yīng)用：應(yīng)用：各種動(dòng)態(tài)力、 機(jī)械沖擊與振動(dòng)的測量, 以及聲學(xué)、 醫(yī)學(xué)、力學(xué)、宇航等方面都得到了非常廣泛的應(yīng)用。壓電式傳感器和超聲波傳感器壓電式傳感器和超聲波傳感器力敏元件，能力敏元件，能測量最終能變測量最終能變換為力

2、的那些換為力的那些物理量，例如物理量，例如壓力、應(yīng)力、壓力、應(yīng)力、加速度等加速度等第5章 壓電式和超聲波傳感器及其應(yīng)用35.1 壓電式傳感器壓電式傳感器 一、晶體的壓電效應(yīng)及壓電材料一、晶體的壓電效應(yīng)及壓電材料 1. 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)一些電介質(zhì)，在受到一定方向的外力作用而變形時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，而在其表面產(chǎn)生電荷，當(dāng)去掉外力后，又重新回到不帶電狀態(tài)，這種將機(jī)械能轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能換成電能的現(xiàn)象，稱為正壓電效應(yīng)，又稱為壓電效應(yīng)。第5章 壓電式和超聲波傳感器及其應(yīng)用4n 作用力方向改變作用力方向改變電荷極性改變電荷極性改變n 壓電效應(yīng)是可逆的壓電效應(yīng)是可逆的n 雙向有源傳感器雙向有源傳感器n 體

3、積小、重量輕體積小、重量輕n 結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠n 頻響寬頻響寬n 壓電效應(yīng)特點(diǎn)：壓電效應(yīng)特點(diǎn)：n逆壓電效應(yīng)：在電介質(zhì)極化方向施加電場，則介質(zhì)會(huì)發(fā)逆壓電效應(yīng)：在電介質(zhì)極化方向施加電場，則介質(zhì)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變形的現(xiàn)象，又稱為電致伸縮效應(yīng)生相應(yīng)的變形的現(xiàn)象，又稱為電致伸縮效應(yīng)電能電能機(jī)械能機(jī)械能第5章 壓電式和超聲波傳感器及其應(yīng)用52. 壓電方程和壓電常數(shù)壓電方程和壓電常數(shù) 石英晶體組成及外形：石英晶體組成及外形：化學(xué)式為SiO2, 單晶體結(jié)構(gòu) 外形：外形： 正六面體正六面體 各向異性：各向異性：光學(xué)軸（基準(zhǔn)軸，光學(xué)軸（基準(zhǔn)軸，Z軸）：該方向沒有壓軸）：該方向沒有壓電效應(yīng)，光沿該方

4、向電效應(yīng)，光沿該方向通過沒有雙折射現(xiàn)象通過沒有雙折射現(xiàn)象電軸（電軸（X軸）：軸）：垂直于該軸的垂直于該軸的表面上壓電效表面上壓電效應(yīng)最強(qiáng)。應(yīng)最強(qiáng)。機(jī)械軸（機(jī)械軸（Y軸）：在軸）：在電場作用下，該軸方電場作用下，該軸方向的機(jī)械變形最明顯向的機(jī)械變形最明顯第5章 壓電式和超聲波傳感器及其應(yīng)用6從晶體上沿 y 方向切下一塊晶片, a、b晶體切片長度和厚度。 分別沿分別沿x、y、z三個(gè)方向以及圍繞三個(gè)方向以及圍繞X、Y、Z三個(gè)軸向方三個(gè)軸向方向的切向作用施加作用力時(shí)，會(huì)有何現(xiàn)象發(fā)生？向的切向作用施加作用力時(shí)，會(huì)有何現(xiàn)象發(fā)生？ 厚度受壓型厚度受壓型長度受壓型長度受壓型厚度切變型厚度切變型平面切變型平面切

5、變型第5章 壓電式和超聲波傳感器及其應(yīng)用7+-XYP1P2P3u受到受到Z方向的力方向的力沒有壓電效應(yīng)產(chǎn)生沒有壓電效應(yīng)產(chǎn)生正、負(fù)離子分布在正六邊形的正、負(fù)離子分布在正六邊形的頂角上頂角上, 形成三個(gè)互成形成三個(gè)互成120夾角的電偶極矩夾角的電偶極矩P1、 P2、P3。在與電軸在與電軸 x 垂直的平面上將產(chǎn)生電荷垂直的平面上將產(chǎn)生電荷, 其大小為其大小為 qx = d11 fx 式中式中: d11x方向受力的壓電系數(shù)方向受力的壓電系數(shù)(晶體承受單位晶體承受單位力作用時(shí)所產(chǎn)生的電荷量力作用時(shí)所產(chǎn)生的電荷量 ); fx作用力。作用力。 +-XYP1P2P3u受到受到X方向的力方向的力縱向壓電效應(yīng)縱向

6、壓電效應(yīng)沿機(jī)械軸沿機(jī)械軸y方向施加作用力方向施加作用力fy, 在與在與x軸垂直的平面上產(chǎn)生軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷電荷qy, 其大小為其大小為 式中式中: d12y軸方向受力的壓電系數(shù)軸方向受力的壓電系數(shù), d12=-d11; +-XYP1P2P3u受到受到y(tǒng)方向的力方向的力橫向壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng)第5章 壓電式和超聲波傳感器及其應(yīng)用10 x(1)y(2)z(3)x(1)y(2)z(3)456i(ii(i=1,2,3):=1,2,3):表示晶體的極化方向，即在表示晶體的極化方向，即在i i面上產(chǎn)生電荷。面上產(chǎn)生電荷。1 1、2 2、3 3分別表示垂直于分別表示垂直于x x、y y、z z軸的晶片

7、表面軸的晶片表面j(jj(j=1,2,3,4,5,6):1=1,2,3,4,5,6):1，2 2，3 3表示沿表示沿x,y,zx,y,z方向作用的單向應(yīng)力方向作用的單向應(yīng)力；4 4，5 5，6 6表示在表示在yz,zx,xyyz,zx,xy平面上承受的剪切應(yīng)力平面上承受的剪切應(yīng)力n壓電方程壓電方程用數(shù)字下標(biāo)表示壓電晶體平面或受力方向，即用用數(shù)字下標(biāo)表示壓電晶體平面或受力方向，即用1、2、3分別表示分別表示X、Y、Z三個(gè)軸的方向，而以三個(gè)軸的方向，而以4、5、6表示圍繞表示圍繞X、Y、Z三個(gè)軸向方向的三個(gè)軸向方向的切向作用切向作用 。dij下標(biāo)含義：下標(biāo)含義：符號(hào)的約定：符號(hào)的約定：同時(shí)對(duì)壓電轉(zhuǎn)

8、換元件的同時(shí)對(duì)壓電轉(zhuǎn)換元件的X、Y、Z三個(gè)軸的方向上用三個(gè)軸的方向上用拉拉(壓壓)力，對(duì)力，對(duì)YZ、XY、XZ平面上作用切向應(yīng)力，平面上作用切向應(yīng)力，則各平面的則各平面的電荷密度電荷密度可用可用數(shù)學(xué)式表示如下：數(shù)學(xué)式表示如下： 式中式中1、2、3Ax、Ay、Az各對(duì)平面上的電荷密度；各對(duì)平面上的電荷密度；1、2、3Ax、Ay、Az平面上作用的軸向應(yīng)力；平面上作用的軸向應(yīng)力；23、31、12切向應(yīng)力；切向應(yīng)力；dij壓電壓電系數(shù)系數(shù) 第5章 壓電式和超聲波傳感器及其應(yīng)用12 121324356D壓電方程的矩陣形式壓電方程的矩陣形式式中：式中：壓電系數(shù)矩陣壓電系數(shù)矩陣 第5章 壓電式和超聲波傳感器

9、及其應(yīng)用133、壓電陶瓷的壓電效應(yīng)、壓電陶瓷的壓電效應(yīng)壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料，內(nèi)部晶粒有壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料，內(nèi)部晶粒有許多自發(fā)極化的電疇，有一定的極化方向，從而存在許多自發(fā)極化的電疇，有一定的極化方向，從而存在電場電場.在無外電場作用時(shí)在無外電場作用時(shí), 電疇在晶體中雜亂分布電疇在晶體中雜亂分布, 它們它們的極化效應(yīng)被相互抵消的極化效應(yīng)被相互抵消, 壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零。因壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零。因此原始的壓電陶瓷呈中性此原始的壓電陶瓷呈中性, 不具有壓電性質(zhì)。不具有壓電性質(zhì)。原始?jí)弘娞沾刹牧显級(jí)弘娞沾刹牧?“電疇電疇”無序排列，沒有壓電性無序排列，沒有壓電性第

10、5章 壓電式和超聲波傳感器及其應(yīng)用14極化處理極化處理E極化方向壓電陶瓷材料存在剩余極化強(qiáng)度壓電陶瓷材料存在剩余極化強(qiáng)度P第5章 壓電式和超聲波傳感器及其應(yīng)用15 極化處理后陶瓷材料內(nèi)部存在極化處理后陶瓷材料內(nèi)部存在很強(qiáng)的剩余極化很強(qiáng)的剩余極化, 當(dāng)陶瓷材當(dāng)陶瓷材料受到外力作用時(shí)料受到外力作用時(shí), 電疇的界限發(fā)生移動(dòng)電疇的界限發(fā)生移動(dòng), 電疇發(fā)生偏轉(zhuǎn)電疇發(fā)生偏轉(zhuǎn), 從而從而引起剩余極化強(qiáng)度的變化引起剩余極化強(qiáng)度的變化, 因而在垂直于極化方向的平面上將因而在垂直于極化方向的平面上將出現(xiàn)極化電荷的變化。這種因受力而產(chǎn)生的由機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變出現(xiàn)極化電荷的變化。這種因受力而產(chǎn)生的由機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)為電

11、效應(yīng), 將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象, 就是就是壓電陶瓷的正壓壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)電效應(yīng)。電荷量的大小與外力成正比關(guān)系。電荷量的大小與外力成正比關(guān)系: q = d33 F 式中式中: d33 壓電陶瓷的壓電系數(shù)壓電陶瓷的壓電系數(shù); F作用力。作用力。壓電陶瓷的壓電系數(shù)比壓電陶瓷的壓電系數(shù)比石英晶體的大得多石英晶體的大得多, 所所以采用壓電陶瓷制作的以采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器的靈敏度壓電式傳感器的靈敏度較高。較高。第5章 壓電式和超聲波傳感器及其應(yīng)用16壓電陶瓷材料壓電陶瓷材料: 早期：早期：鈦酸鋇鈦酸鋇（BaTiO3）。碳酸鋇）。碳酸鋇+二氧化鈦混合燒結(jié)。二氧化鈦混合

12、燒結(jié)。壓電系數(shù)約為石英的壓電系數(shù)約為石英的50倍倍, 使用溫最高只有使用溫最高只有70, 溫度穩(wěn)定性溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度都不如石英。和機(jī)械強(qiáng)度都不如石英。 目前：目前：鋯鈦酸鉛鋯鈦酸鉛（PZT系列）系列）, 鈦酸鋇（鈦酸鋇（BaTiO3)+鋯酸鉛鋯酸鉛（PbZrO3）組成。有較高的壓電系數(shù)和較高的工作溫度。）組成。有較高的壓電系數(shù)和較高的工作溫度。 第5章 壓電式和超聲波傳感器及其應(yīng)用17u壓電材料的主要特性參數(shù)壓電材料的主要特性參數(shù): 壓電常數(shù)壓電常數(shù):衡量材料壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù), 表征壓電輸出的靈敏度。 彈性常數(shù)：彈性常數(shù)：決定著壓電器件的固有頻率和動(dòng)態(tài)特性 介電常數(shù)：介電常數(shù)：壓電元件的

13、固有電容與介電常數(shù)有關(guān); 而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限 機(jī)電耦合系數(shù)：機(jī)電耦合系數(shù)：衡量壓電材料機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換效率，定義為輸出與輸入能量比值的平方根。居里點(diǎn)：居里點(diǎn)：壓電材料開始喪失壓電特性的溫度稱為居里點(diǎn)電阻：電阻：壓電材料的絕緣電阻4. 壓電材料壓電材料第5章 壓電式和超聲波傳感器及其應(yīng)用18u常見的壓電材料常見的壓電材料石英晶體：石英晶體：最早應(yīng)用的壓電材料，是最重要的也是用量最大的振蕩器、諧振器和窄帶濾波器等元件的材料 不需要人工極化不需要人工極化 沒有熱釋電效應(yīng)沒有熱釋電效應(yīng) 介電常數(shù)、壓電常數(shù)的溫度穩(wěn)定性好介電常數(shù)、壓電常數(shù)的溫度穩(wěn)定性好 居里點(diǎn)溫度達(dá)：居里點(diǎn)溫度達(dá)：57

14、30c壓電材料開始喪失壓電性能的溫度壓電材料開始喪失壓電性能的溫度第5章 壓電式和超聲波傳感器及其應(yīng)用19壓電陶瓷：壓電陶瓷：當(dāng)前常用的壓電陶瓷是鋯鈦酸鉛(PZT)。此外,氧化鋅和氮化鋁等壓電薄膜已是當(dāng)今微波器件的關(guān)鍵材料。 新型壓電材料新型壓電材料:壓電晶體和壓電陶瓷都是脆性材料,而以聚偏二氟乙烯(PVDF)為代表的壓電高聚物薄膜壓電高聚物薄膜,壓電性強(qiáng),柔性好 壓電常數(shù)比石英晶體大十幾倍 柔性和加工性能好 聲阻抗與水、人體肌肉接近 熱穩(wěn)定性好壓電復(fù)合材料：壓電復(fù)合材料：用壓電陶瓷和高聚物復(fù)合而成第5章 壓電式和超聲波傳感器及其應(yīng)用20二、壓電式傳感器等效電路和測量電路二、壓電式傳感器等效電

15、路和測量電路 1、壓電式傳感器等效電路、壓電式傳感器等效電路當(dāng)壓電片受力時(shí)在一個(gè)極板上聚集正電荷，另一個(gè)極板當(dāng)壓電片受力時(shí)在一個(gè)極板上聚集正電荷，另一個(gè)極板上聚集負(fù)電荷，兩種電荷量相等，如圖上聚集負(fù)電荷，兩種電荷量相等，如圖5.3所示。兩極板所示。兩極板聚集電荷，中間為絕緣體，使它成為一個(gè)電容器。聚集電荷，中間為絕緣體，使它成為一個(gè)電容器。0/arCS h q第5章 壓電式和超聲波傳感器及其應(yīng)用21CdCdUUqCd(a)(b)aCaCaC電荷發(fā)生器電荷發(fā)生器：當(dāng)傳感器受外力作用，在電極上產(chǎn)生電荷，：當(dāng)傳感器受外力作用，在電極上產(chǎn)生電荷，可以把壓電式傳感器等效為一個(gè)電荷源與一個(gè)電容并聯(lián)的可以把

16、壓電式傳感器等效為一個(gè)電荷源與一個(gè)電容并聯(lián)的電荷發(fā)生器。電荷發(fā)生器。圖圖5.4壓電加速度傳感器等效電路壓電加速度傳感器等效電路 (a)等效電荷源；等效電荷源；(b)等效電壓源等效電壓源 電壓源：電壓源：壓電式傳感器也可等效為一個(gè)電壓源和一個(gè)壓電式傳感器也可等效為一個(gè)電壓源和一個(gè)電容串聯(lián)的電容串聯(lián)的電壓源電壓源。 dqUCaC第5章 壓電式和超聲波傳感器及其應(yīng)用222、壓電式傳感器測量電路、壓電式傳感器測量電路壓電傳感器特點(diǎn)：阻抗很高，輸出能量較小壓電傳感器特點(diǎn)：阻抗很高，輸出能量較小解決辦法：接入高輸入阻抗的前置放大器解決辦法：接入高輸入阻抗的前置放大器把高輸出阻抗變換為低輸出阻抗；把高輸出阻

17、抗變換為低輸出阻抗；放大傳感器輸出的微弱信號(hào)。放大傳感器輸出的微弱信號(hào)。壓電傳感器的輸出信號(hào)：壓電傳感器的輸出信號(hào)：電壓信號(hào)電壓信號(hào)電荷信號(hào)電荷信號(hào)電壓放大器電壓放大器電荷放大器電荷放大器第5章 壓電式和超聲波傳感器及其應(yīng)用23(1) 電壓放大器（阻抗變換器）電壓放大器（阻抗變換器）圖圖5.5（a）、（）、（b）是電壓放大器電路原理圖及其等效電路。）是電壓放大器電路原理圖及其等效電路。iaRRR/ /eieiCCCCCRa壓電元件漏電阻壓電元件漏電阻Ce連接電纜電容連接電纜電容Ri、 Ci放大器輸入放大器輸入阻抗、電容阻抗、電容KUaCaRaCeCiRiKUaCaRCaaadFqUccUi第5

18、章 壓電式和超聲波傳感器及其應(yīng)用24sinsinammaduFwtUwtCsinmfFtsinmfFt由此可得放大器輸入端電壓由此可得放大器輸入端電壓Ui，其復(fù)數(shù)形式為，其復(fù)數(shù)形式為: ()1()aaiaUjwRCUjwR CC331()iad FjwRUjwR CCKUaCaRCUi第5章 壓電式和超聲波傳感器及其應(yīng)用253321()miaeid FRUR CCC)(21ieaCCCtg幅值幅值:相位差相位差:1aciCCC R當(dāng)33mimaeid FUCCC前置放大器輸入電壓前置放大器輸入電壓Uim與頻率無關(guān)與頻率無關(guān) (一般一般認(rèn)為認(rèn)為/03時(shí)，時(shí)， 就可就可以認(rèn)為以認(rèn)為Uim與與無關(guān)無

19、關(guān) )01/)aeiR CCC（第5章 壓電式和超聲波傳感器及其應(yīng)用26/ 000901.0UimUam0.51234KUaCaRCUi第5章 壓電式和超聲波傳感器及其應(yīng)用27討論：討論： =0（靜態(tài)量），靜態(tài)量），Uim/Uam=0（輸入電壓為零）由于由于電荷泄漏電荷泄漏，所以，所以不能測量靜態(tài)量不能測量靜態(tài)量 / 0 3（高頻情況），高頻情況），Uim/Uam1，實(shí)際接近理想輸入電壓與作用力頻率無關(guān)輸入電壓與作用力頻率無關(guān)0一定，一定，越高，高頻響應(yīng)越好越高，高頻響應(yīng)越好 對(duì)低頻測量情況：對(duì)低頻測量情況： 0一定，偏差越大所以要求所以要求0要小，擴(kuò)大要小，擴(kuò)大 低頻響應(yīng)范圍低頻響應(yīng)范圍 輸

20、出電壓靈敏度受電纜分布電容影響第5章 壓電式和超聲波傳感器及其應(yīng)用28電路特點(diǎn)電路特點(diǎn) 電路簡單、元件少、體積小 電路可靠、價(jià)格低 電纜長度有限（1.2m),不能更換第5章 壓電式和超聲波傳感器及其應(yīng)用29(2) 電荷放大器電荷放大器電荷放大器常作為壓電傳感器的輸入電路電荷放大器常作為壓電傳感器的輸入電路, 由一個(gè)反饋電容由一個(gè)反饋電容Cf和高增益運(yùn)放構(gòu)成和高增益運(yùn)放構(gòu)成, 當(dāng)略去當(dāng)略去Ra和和Ri并聯(lián)電阻后并聯(lián)電阻后, 電荷放大器電荷放大器可用圖示等效電路可用圖示等效電路RfkUoCfCiCcCaqUi第5章 壓電式和超聲波傳感器及其應(yīng)用30RfkUoCfCiCcCaqUi第5章 壓電式和超

21、聲波傳感器及其應(yīng)用31結(jié)論：結(jié)論：電荷放大器輸出與電纜電容無關(guān)(電纜長達(dá)電纜長達(dá)1km,電電 纜可更換纜可更換)第5章 壓電式和超聲波傳感器及其應(yīng)用32三、三、 壓電傳感器應(yīng)用壓電傳感器應(yīng)用 根據(jù)壓電傳感器所檢測的非電量種類，壓電根據(jù)壓電傳感器所檢測的非電量種類，壓電傳感器的典型結(jié)構(gòu)有壓電式力傳感器壓電式傳感器的典型結(jié)構(gòu)有壓電式力傳感器壓電式壓力傳感器、壓電式加速度傳感器以及壓電式壓力傳感器、壓電式加速度傳感器以及壓電式聲發(fā)射傳感器等。聲發(fā)射傳感器等。第5章 壓電式和超聲波傳感器及其應(yīng)用331 壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器 基座基座殼體預(yù)緊預(yù)緊彈簧質(zhì)量塊壓電片基座基座壓電加速度傳感器又

22、稱壓電加速度計(jì)或壓電加速度表。壓電加速度傳感器又稱壓電加速度計(jì)或壓電加速度表。壓電加速度傳感器廣范用于檢測導(dǎo)彈，飛機(jī)，車輛等的壓電加速度傳感器廣范用于檢測導(dǎo)彈，飛機(jī)，車輛等的沖擊和振動(dòng)沖擊和振動(dòng) 第5章 壓電式和超聲波傳感器及其應(yīng)用34 當(dāng)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于傳感器的固有共振頻率時(shí)當(dāng)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于傳感器的固有共振頻率時(shí),傳感器的輸傳感器的輸出電荷出電荷(電壓電壓)與作用力成正比。電信號(hào)經(jīng)前置放大器放與作用力成正比。電信號(hào)經(jīng)前置放大器放大大,即可由一般測量儀器測試出電荷即可由一般測量儀器測試出電荷(電壓電壓)大小大小,從而得知從而得知物體的加速度。物體的加速度。 質(zhì)量塊質(zhì)量M壓電片質(zhì)量m，有： q=d

23、33Ma a=g(重力加速度)時(shí)得到的電荷q值,常稱為靈敏度,單位記為C/g,即靈敏度為一個(gè)g產(chǎn)生的電荷（靈敏度的電荷靈敏度的電荷表示法表示法）。靈敏度亦可用開路輸出電壓表示：33dqUd MaC可得靈敏度的電壓表示法（V/g）第5章 壓電式和超聲波傳感器及其應(yīng)用35常見壓電加速度傳感器的結(jié)構(gòu) 質(zhì)量塊外殼壓電元件基座基于厚度變形基于厚度變形靈敏度高靈敏度高頻響好頻響好對(duì)環(huán)境影響（基座變形、對(duì)環(huán)境影響（基座變形、應(yīng)變、溫度變化、聲噪聲）應(yīng)變、溫度變化、聲噪聲）比較敏感比較敏感壓縮型壓縮型第5章 壓電式和超聲波傳感器及其應(yīng)用36 剪切式壓電傳感器剪切式壓電傳感器容易小型化,有很高的固有頻率,所以頻

24、響范圍寬,適于測量高頻振動(dòng)。但是,由于壓電元件、金屬圓柱以及慣性質(zhì)量環(huán)之間粘結(jié)較難,裝配成功率較低。 剪切型剪切型環(huán)型剪切環(huán)型剪切靈敏度高靈敏度高橫向靈敏度小橫向靈敏度小受環(huán)境影響小受環(huán)境影響小頻響高頻響高尺寸小、重量輕尺寸小、重量輕第5章 壓電式和超聲波傳感器及其應(yīng)用37 彎曲式壓電加速度傳感器彎曲式壓電加速度傳感器固有共振頻率低,靈敏度高,適用于低頻測量。缺點(diǎn)是體積大,機(jī)械強(qiáng)度較前兩種差。第5章 壓電式和超聲波傳感器及其應(yīng)用38 采用不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選用不同性能的壓電材料,可以得到滿足各種使用要求的壓電加速度傳感器。表給出了三種基本結(jié)構(gòu)的加速度傳感器的一般性能。 第5章 壓電式和超聲波傳感

25、器及其應(yīng)用39一種壓電加速度傳感器的外形第5章 壓電式和超聲波傳感器及其應(yīng)用40 當(dāng)壓電式傳感器與測量電路配合使用時(shí),方塊圖如圖所示。這樣在等效電路中就必須將前置放大器的輸入電阻Ri、輸入電容Ci,以及低噪聲電纜的電容Cc包括進(jìn)去。前置放大器測量儀表壓電式傳感器第5章 壓電式和超聲波傳感器及其應(yīng)用412 壓電諧振式傳感器壓電諧振式傳感器 壓電諧振式傳感器是利用壓電晶體諧振器的共振頻率隨壓電晶體諧振器的共振頻率隨被測物理量變化而變化被測物理量變化而變化進(jìn)行測量的。壓電晶體振蕩電路壓電晶體振蕩電路 可用于測應(yīng)力，應(yīng)變，壓力，可用于測應(yīng)力，應(yīng)變，壓力，角速度，加速度，溫度，濕度，角速度，加速度，溫度

26、，濕度，流速及濃度等物理量，以數(shù)字流速及濃度等物理量，以數(shù)字輸出。輸出。第5章 壓電式和超聲波傳感器及其應(yīng)用423. 壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器圖示為壓電式壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖。由石英晶片、膜片、薄壁圖示為壓電式壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖。由石英晶片、膜片、薄壁管、外殼等組成。石英晶片由多片疊放在薄壁管內(nèi)，并由拉管、外殼等組成。石英晶片由多片疊放在薄壁管內(nèi)，并由拉緊的薄壁管對(duì)石英晶片加預(yù)載力。感受外部壓力的是位于外緊的薄壁管對(duì)石英晶片加預(yù)載力。感受外部壓力的是位于外殼和薄壁管之間的膜片，它由撓性很好的材料制成。膜片式殼和薄壁管之間的膜片，它由撓性很好的材料制成。膜片式壓力傳感器的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)靜態(tài)特性好，結(jié)

27、構(gòu)緊湊。壓力傳感器的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)靜態(tài)特性好，結(jié)構(gòu)緊湊。芯體外殼晶片組電極預(yù)緊筒膜片第5章 壓電式和超聲波傳感器及其應(yīng)用434、 壓電式玻璃破碎報(bào)警器壓電式玻璃破碎報(bào)警器 BSD2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(duì)振動(dòng)敏感的特性來感知玻璃受撞擊和利用壓電元件對(duì)振動(dòng)敏感的特性來感知玻璃受撞擊和破碎時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)波破碎時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)波。傳感器把振動(dòng)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(bào)警系統(tǒng)。 傳感器的最小輸出電壓為 100 mV, 最大輸出電壓為 100 V, 內(nèi)阻抗為 1520 k。 第5章 壓電式和超聲波傳感器及其應(yīng)用44報(bào)警器的電路框圖見上圖

28、 。 使用時(shí)傳感器用膠粘貼在玻璃上, 然后通過電纜和報(bào)警電路相連。為了提高報(bào)警器的靈敏度, 信號(hào)經(jīng)放大后, 需經(jīng)帶通濾波器進(jìn)行濾波, 要求它對(duì)選定的頻譜通帶的衰減要小, 而帶外衰減要盡量大。 由于玻璃振動(dòng)的波長在音頻和超聲波的范圍內(nèi), 這就使濾波器成為電路中的關(guān)鍵。 當(dāng)傳感器輸出信號(hào)高于設(shè)定的閾值時(shí), 才會(huì)輸出報(bào)警信號(hào), 驅(qū)動(dòng)報(bào)警執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作。 第5章 壓電式和超聲波傳感器及其應(yīng)用455.2 超聲波傳感器超聲波傳感器聲波：聲波：頻率在頻率在202104Hz之間，能為人耳所聞的機(jī)械波；之間，能為人耳所聞的機(jī)械波；次聲波：次聲波：低于低于20Hz的機(jī)械波；的機(jī)械波；超聲波：超聲波：高于高于2104

29、Hz的機(jī)械波稱為；的機(jī)械波稱為；當(dāng)超聲波由一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時(shí)，由于在兩種介當(dāng)超聲波由一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時(shí)，由于在兩種介質(zhì)中的傳播速度不同，在異質(zhì)界面上會(huì)產(chǎn)生質(zhì)中的傳播速度不同，在異質(zhì)界面上會(huì)產(chǎn)生反射、折射反射、折射等等現(xiàn)象。現(xiàn)象。超聲波傳感器（超聲波探頭），是實(shí)現(xiàn)聲電轉(zhuǎn)換的裝置超聲波傳感器（超聲波探頭），是實(shí)現(xiàn)聲電轉(zhuǎn)換的裝置（超聲換能器）：能夠發(fā)射超聲波，也可以接收超聲回波，（超聲換能器）：能夠發(fā)射超聲波，也可以接收超聲回波，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。一、超聲波傳感器原理與種類一、超聲波傳感器原理與種類第5章 壓電式和超聲波傳感器及其應(yīng)用46壓電陶瓷超聲波傳感器結(jié)構(gòu)壓電陶瓷

30、超聲波傳感器結(jié)構(gòu)：由兩個(gè)壓電元件疊合在一起構(gòu)成。：由兩個(gè)壓電元件疊合在一起構(gòu)成。兩個(gè)壓電元件結(jié)構(gòu)稱雙壓電晶片，一個(gè)壓電元件結(jié)構(gòu)稱單壓電兩個(gè)壓電元件結(jié)構(gòu)稱雙壓電晶片，一個(gè)壓電元件結(jié)構(gòu)稱單壓電晶片。如果超聲波入射到壓電晶片上，壓電元件就會(huì)產(chǎn)生電壓。晶片。如果超聲波入射到壓電晶片上，壓電元件就會(huì)產(chǎn)生電壓。反之，把電壓加到壓電元件上也會(huì)產(chǎn)生超聲波。反之，把電壓加到壓電元件上也會(huì)產(chǎn)生超聲波。二、超聲波傳感器結(jié)構(gòu)二、超聲波傳感器結(jié)構(gòu)第5章 壓電式和超聲波傳感器及其應(yīng)用47三、超聲波傳感器等效電路三、超聲波傳感器等效電路等效等效LCR串并聯(lián)諧振電路串并聯(lián)諧振電路容性容性感性感性串聯(lián)諧振頻率串聯(lián)諧振頻率并聯(lián)諧

31、振頻率并聯(lián)諧振頻率第5章 壓電式和超聲波傳感器及其應(yīng)用48四、超聲波傳感器類型四、超聲波傳感器類型通用型超聲波傳感：通用型超聲波傳感：帶寬一般為幾千赫磁；帶寬一般為幾千赫磁；寬帶型超聲波傳感器：寬帶型超聲波傳感器：寬帶型超聲波傳感器在工作帶寬帶型超聲波傳感器在工作帶寬內(nèi)具有兩個(gè)諧振頻率，其頻率特性相當(dāng)于兩種傳感器寬內(nèi)具有兩個(gè)諧振頻率，其頻率特性相當(dāng)于兩種傳感器的組合，在很寬頻帶范圍內(nèi)具有較高靈敏度；的組合，在很寬頻帶范圍內(nèi)具有較高靈敏度； 密封型超聲波傳感器：密封型超聲波傳感器：密封型超聲波傳感器對(duì)環(huán)境的密封型超聲波傳感器對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性較強(qiáng)，可應(yīng)用于汽車后方檢測物體的裝置；適應(yīng)性較強(qiáng)，可應(yīng)用于

32、汽車后方檢測物體的裝置；高頻型超聲波傳感器：高頻型超聲波傳感器：中心頻率高于中心頻率高于100kHz。第5章 壓電式和超聲波傳感器及其應(yīng)用49五、超聲波傳感器驅(qū)動(dòng)及接收電路五、超聲波傳感器驅(qū)動(dòng)及接收電路第5章 壓電式和超聲波傳感器及其應(yīng)用50第5章 壓電式和超聲波傳感器及其應(yīng)用51檢測的反射波從發(fā)射到接收要經(jīng)過一段距離，能量衰減檢測的反射波從發(fā)射到接收要經(jīng)過一段距離，能量衰減較大，超聲傳感器接收到的信號(hào)極其微弱，因此一股要較大，超聲傳感器接收到的信號(hào)極其微弱，因此一股要接高增益放大器、高速運(yùn)放，精度與失真度也有一定的接高增益放大器、高速運(yùn)放，精度與失真度也有一定的要求。如果一級(jí)運(yùn)放增益不夠，可

33、再增加一級(jí)，每級(jí)運(yùn)要求。如果一級(jí)運(yùn)放增益不夠，可再增加一級(jí)，每級(jí)運(yùn)放的增益小于放的增益小于100倍即可。倍即可。 運(yùn)放運(yùn)放第5章 壓電式和超聲波傳感器及其應(yīng)用52采用采用LM733視頻放大視頻放大器器的接收電路。的接收電路。LM733的增益，可設(shè)的增益，可設(shè)定為定為l0、100、400倍，倍，但增益越高，輸入阻但增益越高，輸入阻抗越低，一般使用設(shè)抗越低，一般使用設(shè)為為100倍。倍。LM733的輸入、輸出都為差動(dòng)式，為把差動(dòng)輸出電壓變的輸入、輸出都為差動(dòng)式，為把差動(dòng)輸出電壓變?yōu)閱味溯敵鲭妷?，采用了增益為為單端輸出電壓，采用了增益?0倍的變壓器倍的變壓器Tl。電路。電路中中VD1、VD2及穩(wěn)壓管

34、及穩(wěn)壓管VD3、VD4用于保護(hù)。電路中用于保護(hù)。電路中T1也可用運(yùn)放替代。也可用運(yùn)放替代。 第5章 壓電式和超聲波傳感器及其應(yīng)用531、超聲測距、超聲測距超聲測距原理：超聲測距原理：2/ctd 被測距離被測距離:c - 聲速聲速 t - 往返飛行時(shí)間往返飛行時(shí)間應(yīng)用：適于大目標(biāo)、近距離、一般精度測距應(yīng)用：適于大目標(biāo)、近距離、一般精度測距 手持測距儀手持測距儀 - 盲人導(dǎo)盲盲人導(dǎo)盲 汽車倒車?yán)走_(dá)汽車倒車?yán)走_(dá) - 汽車安全汽車安全 工業(yè)應(yīng)用工業(yè)應(yīng)用 - 超聲測量液位、物位超聲測量液位、物位特點(diǎn)：超聲波束發(fā)散，測量范圍小特點(diǎn)：超聲波束發(fā)散，測量范圍小 波束聚焦困難，測量精度低波束聚焦困難，測量精度低 測量目標(biāo)不能太??；測量目標(biāo)不能太小； 超生探頭超生探頭被測目標(biāo)被測目標(biāo)六、超聲波傳感器應(yīng)用六、超聲波傳感器應(yīng)用第5章 壓電式和超聲波傳感器及其應(yīng)用54發(fā)送器：由門電路、緩沖器以及脈沖變壓器的升壓電路組成。發(fā)送器：由門電路、緩沖器以及脈沖變壓器的升壓電路組成。用