第7章壓電與超聲波

傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器

傳感器原理及應(yīng)用第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超聲波傳感器傳感器原理及應(yīng)用第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)非電量測量,是一種典型的發(fā)電型傳感器.

壓電式傳感器可以對各種動態(tài)力、機(jī)械沖擊和振動進(jìn)行測量，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。傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器概述壓電陶瓷位移器壓電陶瓷超聲換能器壓電秤重浮游計壓電加速度計壓電警號傳感器原理及應(yīng)用第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，分為中心對稱和非對稱兩大類，其中非中心對稱的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，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它表面會產(chǎn)生符號相反的電荷；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;將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，這種現(xiàn)象稱壓電效應(yīng)。傳感器原理及應(yīng)用第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時，電介質(zhì)會產(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

傳感器原理及應(yīng)用第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。

石英晶體外形結(jié)構(gòu)

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)

石英晶體沿各個方向的特征不同，需按特定方向切片。7.2.1石英晶體

傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.2.1

石英晶體——

單晶體（水晶）壓電晶片按特定方向切片人工合成水晶傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.2.1

石英晶體

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)

石英晶體沿各個方向的特征不同（按特定方向切片）傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.2.1石英晶體

壓電特性的各向異性可用矩陣表示（略）

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,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,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)晶體的對稱性，壓電系數(shù)d12=-d11

a、b是晶體切片幾何尺寸(長、厚)，qx、qy符號決定力的方向。傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.2.1石英晶體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，三個電偶極矩。當(dāng)晶體不受力時（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，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；傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.2.1石英晶體當(dāng)晶體受沿Y軸方向的應(yīng)力時，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，電荷極性與上述相反。傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.2壓電材料

7.2.1石英晶體石英晶體壓電模型傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.2壓電材料

7.2.1石英晶體傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器動畫演示石英晶體壓電模型動畫演示傳感器原理及應(yīng)用第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。無電場作用時，電疇在晶體中分布雜亂分布，極化相互抵消呈中性。施加外電場時，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動，趨向外電場方向排列。外電場強(qiáng)度達(dá)到飽和程度時，所有的電疇與外電場一致。傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.2.2壓電陶瓷（多晶體）

外電場去掉后，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，未極化時是非壓電體。傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.2.2壓電陶瓷（多晶體）

晶體極化后，沿極化方向（垂直極化平面）作用力時，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。隨時間延長（2年后）d33會下降，作為傳感器使用時要經(jīng)常校準(zhǔn)修正。傳感器原理及應(yīng)用第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。傳感器原理及應(yīng)用第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。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)傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.2.3新型壓電材料

聚偏氟乙烯壓電效應(yīng)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、極化過程，特殊處理才會具有良好的壓電效應(yīng)。傳感器原理及應(yīng)用第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：

壓電晶片按+-+-粘貼時電路并聯(lián)+_+_U’+++++++++++_______________________+++++++++++電荷增加一倍，適用于電荷放大器傳感器原理及應(yīng)用第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+--+粘貼時電路串聯(lián)電壓增加一倍適用于電壓放大器傳感器原理及應(yīng)用第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

傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.3測量電路

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，可等效為一個電容器Ca；電容極板上電壓大小與極板間電荷成正比傳感器原理及應(yīng)用第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器原理及應(yīng)用第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

傳感器接測量電路時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。

傳感器原理及應(yīng)用第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。解決傳感器與前幾電路的連接…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，因此測量頻率較低時必須保證RL很大，即時間常數(shù)RLCa=τ大。

前置電路有兩個作用：一是放大微弱的信號、二是阻抗變換傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.3.2測量電路

（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器原理及應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.3.2測量電路

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（有效值）d

壓電系數(shù)；ω信號頻率；R=Ra//Ri

傳感器上產(chǎn)生的電荷與電壓也按正弦變化:傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.3.2測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

理想情況傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.3.2測量電路

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間常數(shù)為

分別得到相對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時輸入電壓與信號頻率無關(guān)；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

。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，使用時更換電纜就要求重新標(biāo)定，測量系統(tǒng)對電纜長度變化很敏感，這是電壓放大器的缺點(diǎn)。傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器R1、R2分壓經(jīng)Rg耦合作場效應(yīng)管偏置。觀察Rg兩端電壓，信號到經(jīng)C1耦合到Rg的A端，由于場效應(yīng)管跟隨作用，使S（源）G（柵）間電壓大小近似相等、相位相同。

電壓放大器實(shí)例：

用場放應(yīng)管實(shí)現(xiàn)高阻抗匹配的放大自舉反饋電路（跟隨器）——

阻抗變換電路信號經(jīng)C2耦合到Rg的B端，這時Rg兩端電壓近相等，Rg上的電流很小，意味著場效應(yīng)管輸入阻抗并沒有因分壓電路而降低。傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.3.2測量電路為解決電纜分布電容Cc對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）電荷放大器傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.3.2測量電路

理想情況輸出電壓為：壓電傳感器的輸入電路由一個反饋電容Cf和高增益運(yùn)算放大器構(gòu)成。因運(yùn)放輸入端Ri阻抗很高，幾乎無分流，可忽略Ra//Ri并聯(lián)，輸入只對Cf充電。（2）電荷放大器傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.3.2測量電路

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傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.3.2測量電路通常: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

滿足理想條件時輸出電壓與輸入電荷量成正比傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器電荷放大器的輸出電壓U0只取決于輸入電荷量Q和反饋電容Cf，輸出電壓與電纜電容Cc無關(guān)，與Q成正比，與電容Cf成反比，這是電荷放大器的突出優(yōu)點(diǎn)。使用電荷放大器時，電纜長度變化影響可忽略，并且允許使用長電纜工作?？紤]不同量程因素，Cf的容量做成可以選擇的電容，一般為100～104pF。缺點(diǎn)是電路復(fù)雜、價格昂貴。電荷放大器討論：電壓放大器的輸出電荷放大器的輸出傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.4壓電傳感器的應(yīng)用1．壓電晶體振蕩器；2.壓電式測力傳感器3．壓電加速度計傳感器；4.振動測量；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；壓電元件符號傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.4壓電傳感器的應(yīng)用壓電元件符號壓電晶體濾波器壓電蜂鳴片傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.4壓電傳感器的應(yīng)用壓電陶瓷片有2引腳和3引腳，其中兩引腳方式是將銅片作為一個電極，兩片陶瓷片的涂銀面用引線連接起來作為另一個電極。壓電陶瓷片——聲控元件傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.4壓電傳感器的應(yīng)用壓電式壓力傳感器具有加速度補(bǔ)償?shù)膲弘娛綁毫鞲衅?，壓電晶體被夾在兩塊膜片之間，壓電晶體在振動時受到來自兩個膜片上同方向的力，使壓電晶片無電荷輸出。但靈敏度低一半。傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.4壓電傳感器的應(yīng)用石英壓電式壓力傳感器傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.4壓電傳感器的應(yīng)用壓電式加速度傳感器傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.4壓電傳感器的應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器壓電式玻璃破碎報警器傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.4壓電傳感器的應(yīng)用壓電式振動粘度計液體粘度不同時，振動頻率不同。傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.4壓電傳感器的應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.4壓電傳感器的應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.4壓電傳感器的應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.4壓電傳感器的應(yīng)用超聲波傳感器振動式液位開關(guān)超聲波換能器傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.4壓電傳感器的應(yīng)用點(diǎn)火器晶體傳感器原理及應(yīng)用第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。而PVF2材料能很好的克服這一缺陷，可以作成輕小柔軟的壓電元件。PVF2壓電膜硬幣銅柱投幣計數(shù)傳感器PVF2高分子聚偏二氟乙烯是一種良好的熱塑性工程塑料，密度小、柔性好，有較高的壓電效應(yīng)，比石英十倍，壓電陶瓷低十倍。材料輕柔可按需要切割成薄片，可植入人體。傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.4壓電傳感器的應(yīng)用

壓電膜話筒話筒中，壓電膜以一定的支撐形式保持膜內(nèi)一定張力。在外來聲壓作用下，膜面的曲率發(fā)生變化，使膜內(nèi)應(yīng)力改變，產(chǎn)生相應(yīng)的壓電信號。壓電膜話筒結(jié)構(gòu)示意圖

PVF2壓電膜

絮狀材料墊聲壓傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.4壓電傳感器的應(yīng)用

人體生理量測量

如血壓、心音、脈搏等體內(nèi)和體表檢測是PVF2最有前景的場合。

柔軟、無毒、化學(xué)性能穩(wěn)定，可與血液直接接觸。φ68mm

檢測區(qū)（接收）

激振（發(fā)射）公共電極FPVF胎兒心音換能器傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.4壓電傳感器的應(yīng)用

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。對彈丸的破甲能力起著極重要的作用。

電雷管傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.4壓電傳感器的應(yīng)用

原理：平時E（電雷管）處于短路保險安全狀態(tài)，壓電元件即使受壓，產(chǎn)生的電荷會通過電阻放掉，不會觸發(fā)雷管。而彈丸一旦發(fā)射起爆裝置解除保險狀態(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，碰撞力使壓電元件產(chǎn)生電荷，通過導(dǎo)線將電信號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)藥型罩電雷管傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.4壓電傳感器的應(yīng)用壓電傳感器測振動

對于多功能轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺底座的振動，可采用加速度傳感器和速度傳感器兩種方式進(jìn)行測量。將帶有磁座的加速度和速度傳感器放置在試驗(yàn)臺的底座上，將傳感器的輸出接到變送器相應(yīng)的端口到計算機(jī)中。啟動轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺，可觀察并記錄到的振動信號波形和頻譜。加速度和速度傳感器振動測量傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.4壓電傳感器的應(yīng)用測量儀器前置放大傳感器

壓電傳感器簡單測量系統(tǒng)壓電傳感器使用時，要充分考慮環(huán)境溫度、濕度的影響，基座的應(yīng)變、電纜噪聲的影響。實(shí)際應(yīng)用中，地線的連接也十分重要。接地之間的電位差△U會形成回路電流產(chǎn)生噪聲，消除接地回路噪聲的有效方法是整個系統(tǒng)在一點(diǎn)接地。傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.4壓電傳感器的應(yīng)用晶體管聲、光控開關(guān)電路傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.4壓電傳感器的應(yīng)用電感性電容性頻率frfafr:L、C、R產(chǎn)生的串聯(lián)諧振頻率fa：L、C、C’產(chǎn)生的并聯(lián)諧振頻率電抗特性晶體諧振器的等效電路中，C，為晶片與金屬板之間的靜電電容；L、C為壓電諧振的等效參量；R為振動磨擦損耗的等效電阻。石英晶體諧振器存在一個串聯(lián)諧振頻率fr（1/2π），同時也存在一個并聯(lián)諧振頻率fa（1/2π)。由于C，C，fr與fa之間之差值很小，并且ωOL/R，1/ωOCR，所以諧振電路的品質(zhì)因數(shù)Q非常高（可達(dá)數(shù)百萬），從而使石英晶體諧振器組成的振蕩器頻率穩(wěn)定度十分高，可達(dá)10－12/日。CLRC’傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.4壓電傳感器的應(yīng)用電感性電容性頻率frfafr:L、C、R產(chǎn)生的串聯(lián)諧振頻率fa：L、C、C’產(chǎn)生的并聯(lián)諧振頻率電抗特性CLRC’石英晶體振蕩器的振蕩頻率既可近似工作于fr處，也可工作在fa附近，因此石英晶體振蕩器可分串聯(lián)型和并聯(lián)型兩種。用石英晶體諧振器及其等效電路，取代LC振蕩器中構(gòu)成諧振回路的電感（L）和電容（C）元件，則很容易理解晶體振蕩器的工作原理。傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.4壓電傳感器的應(yīng)用石英晶體本身并非振蕩器，它只有借助于有源激勵和無源電抗網(wǎng)絡(luò)方可產(chǎn)生振蕩。SPXO主要是由品質(zhì)因數(shù)（Q）很高的晶體諧振器（即晶體振子）與反饋式振蕩電路組成的。當(dāng)外加電壓頻率等于晶體諧振器的固有頻率時，就會發(fā)生壓電諧振，從而導(dǎo)致機(jī)械變形的振幅突然增大。石英晶體振子是振蕩器中的重要元件，晶體的頻率（基頻或n次諧波頻率）及其溫度特性在很大程度上取決于其切割取向。只要在晶體振子板極上施加交變電壓，就會使晶片產(chǎn)生機(jī)械變形振動，此現(xiàn)象即所謂逆壓電效應(yīng)。7.5超聲波傳感器第7章壓電元件與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，再通過探測來自某個物體的反射波檢測物體有無或距離；超聲波傳感器具有多種用途，如防盜報警系統(tǒng)、自動門啟閉裝置、汽車倒車傳感器及各種電子設(shè)備的遙控裝置。目前超聲波在檢測技術(shù)中獲得廣泛應(yīng)用，利用超聲波的各種物理特性，可以實(shí)現(xiàn)超聲波測距、測厚、測流量、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，如工廠自動化和汽車電子設(shè)備正與日俱增，而且不斷得到擴(kuò)展。

傳感器原理及應(yīng)用聲波為一種機(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超聲波及物理特性第7章壓電元件與超聲波傳感器

傳感器原理及應(yīng)用當(dāng)超聲波從一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時，在界面上會產(chǎn)生反射、折射和波形轉(zhuǎn)換；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超聲波的反射和折射超聲波傳感器是通過超聲波的產(chǎn)生→傳播→

接收

等物理過程完成。主要功能是產(chǎn)生、接收超聲波信號。機(jī)械波、電磁波、物質(zhì)波

波動的種類能傳播機(jī)械振動的媒質(zhì)（空氣，水，鋼鐵等）

介質(zhì)作機(jī)械振動的物體（聲帶，樂器等）

波源

傳感器原理及應(yīng)用超聲波以直線傳播方式，頻率越高繞射越弱，但反射越強(qiáng)，利用這種性質(zhì)可以制成超聲波測距傳感器；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。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（（幾種常用介質(zhì)的折射率媒質(zhì)折射率空氣1.00029水1.333普通玻璃1.468冕牌玻璃1.516火石玻璃1.603重火石玻璃1.755

傳感器原理及應(yīng)用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反射定律折射定律n12相對折射率n1（n2）絕對折射率（相對于真空）法線分界面入射光L折射光反射光

傳感器原理及應(yīng)用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在固體中，縱波、橫波及其表面波三者的聲速有一定的關(guān)系，縱波快，橫波慢，通常可認(rèn)為橫波聲速為縱波的一半，表面波聲速為橫波聲速的90%。

縱波橫波

傳感器原理及應(yīng)用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超聲波在空氣中傳播速度較慢，為344m/s（20℃時）（電磁波的傳播速度為3×108m/s），速度低、波長短，意味著可獲得較高的距離、方向分辨率。這一特點(diǎn)使得超聲波應(yīng)用變得非常簡單，測量時可獲得較高的精確度，可以通過測量波的傳播時間，測量距離、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):

傳感器原理及應(yīng)用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，聲波在空氣中速度金屬、木材、玻璃、混凝土、橡膠和紙張可近乎反射100%

的超聲速，因此檢測這些物體時較容易發(fā)現(xiàn)。而棉花、布、絨毛等物體吸收超聲波，因此很難用超聲波檢測。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。

傳感器原理及應(yīng)用分別為x=0處的聲壓、聲強(qiáng)；

聲波與聲源之間距離；

聲波在介質(zhì)中傳播時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)律用兩個能量描述：

聲壓

聲強(qiáng)

衰減系數(shù)Np/m（奈培/米）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：

傳感器原理及應(yīng)用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)，將高頻電振動轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動產(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)，將超聲波振動轉(zhuǎn)換為電信號，將機(jī)械能→電能。

超聲波傳感器工作形式

傳感器原理及應(yīng)用

c)反射式ＲＸＴＸＴＸＲＸa）兼用型ＴＸＲＸ專用型b)直射式

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）

專用型；

兼用型；

傳感器原理及應(yīng)用各種超聲波傳感器產(chǎn)品第7章壓電元件與超聲波傳感器

目前市場銷售的超聲波傳感器有兩種工作形式：

專用型、兼用型。

產(chǎn)品通常標(biāo)有中心諧振頻率：

23kHz、40kHz、75kHz、200kHz、400kHz。

傳感器原理及應(yīng)用

超聲波傳感器的工作形式超聲波傳感器結(jié)構(gòu)

主要由雙壓電振子、金屬電極、錐形共振盤、引腳組成。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；

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)，無阻尼時，電脈沖停止晶片會繼續(xù)振蕩，加長脈沖寬度，使分辨率變差；

傳感器原理及應(yīng)用

超聲波傳感器類型結(jié)構(gòu)

第7章壓電元件與超聲波傳感器

超聲波傳感器類型結(jié)構(gòu)

傳感器原理及應(yīng)用超聲波探頭結(jié)構(gòu)動畫演示第7章壓電元件與超聲波傳感器壓電晶片為圓形薄片，超聲波頻率f與壓電圓片厚度成反比；阻尼塊吸收聲能，降低機(jī)械品質(zhì)，無阻尼時，電脈沖停止晶片會繼續(xù)振蕩，加長脈沖寬度，使分辨率變差。

傳感器原理及應(yīng)用

超聲波傳感器類型結(jié)構(gòu)

第7章壓電元件與超聲波傳感器開放型密封型高頻

傳感器原理及應(yīng)用

超聲波傳感器類型結(jié)構(gòu)

7.5.2超聲波傳感器超聲波傳感器可等效為一個RLC的串并聯(lián)諧振電路。由電抗特性可見,fr～fa中間是電感性，兩邊是電容性，這是超聲波傳感器所特有的。其中低頻fr，L，C，R產(chǎn)生串聯(lián)諧振頻率高頻fa

，L，C，C’產(chǎn)生并聯(lián)諧振頻率超聲波傳感器在串聯(lián)諧振頻率時阻抗最小。

超聲波傳感器等效電路電感性電容性頻率frfafr:L、C、R產(chǎn)生的串聯(lián)諧振頻率fa：L、C、C’產(chǎn)生的并聯(lián)諧振頻率電抗特性等效電路第7章壓電元件與超聲波傳感器CLRC’

傳感器原理及應(yīng)用超聲波傳感器的工作原理在超聲波發(fā)送器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，送出超聲波信號，接收探頭經(jīng)正壓電效應(yīng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電信號，轉(zhuǎn)換電路將接收到的信號放大處理。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

傳感器原理及應(yīng)用超聲波傳感器基本電路包括振蕩發(fā)射電路、檢測電路兩部分組成：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。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CP

傳感器原理及應(yīng)用超聲波傳感器接收報警電路超聲波檢測電路：接收到的超聲波信號極微弱，需要高增益的放大電路用于檢測反射波，輸出的高頻信號電壓接檢波、放大、開關(guān)電路輸出或報警。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

傳感器原理及應(yīng)用

超聲波測距集成模塊：最大距離600cm，最小距離2cm功放40KHzOSC

定時器前置放大檢波平方放大輸出VCC12V三位LED顯示器被測物發(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，信號處理根據(jù)被測物體的距離設(shè)定反射脈沖時間，調(diào)整振蕩器觸發(fā)時間。定時器控制觸發(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

傳感器原理及應(yīng)用40kHz高頻信號與20Hz周期信號調(diào)制成短脈沖群向外發(fā)送:周期T=1/20=50ms，超聲波在空氣中傳播速度為：

340m/s×50ms=17m，17m/2=850cm測距通過定時控制電路、觸發(fā)電路、門電路變換為與距離有關(guān)的信號;用時鐘脈沖對這個信號的發(fā)送和接收之間的延遲時間進(jìn)行計數(shù)，計數(shù)器的輸出值就是檢測的距離。時鐘周期

T=1/40kHz=25μm340m/s(n×25μs)=往返距離單程距離

=往返距離/2

超聲波傳感器測距原理第7章壓電元件與超聲波傳感器

傳感器原理及應(yīng)用40kHz高頻信號與20Hz周期信號

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測距通過定時控制電路、觸發(fā)電路變換為與距離有關(guān)的信號;用時鐘脈沖對這個信號的發(fā)送和接收之間的延遲時間進(jìn)行計數(shù)，計數(shù)器的輸出值就是檢測的距離。時鐘周期

T=1/40kHz=25μS340m/s×

(n×25μS)=往返距離單程距離

=往返距離/2超聲波測距原理時序波形示意圖

超聲波傳感器測距原理接收信號

超聲波測距集成模塊：最大距離600cm，最小距離2cm功放40KHzOSC

定時器前置放大檢波平方放大輸出VCC12V三位LED顯示器被測物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

傳感器原理及應(yīng)用醫(yī)學(xué)超聲波檢測采用多普勒效應(yīng)

7.5.4超聲波傳感器應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器超聲波頻譜分析測流量

傳感器原理及應(yīng)用超聲波測厚7.5.4超聲波傳感器應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器超聲波液位計

傳感器原理及應(yīng)用

超聲波防盜報警器第7章壓電元件與超聲波傳感器

傳感器原理及應(yīng)用接收連續(xù)信號接收信號被調(diào)制延遲時間接收脈沖信號直接傳播信號（測距）

超聲波檢測液位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)射到接收的時間

t=2h/C傳感器到液面的距離

h=ct/2

雙換能器經(jīng)過的路程：

2S=ct液位高度：

C--超聲波在介質(zhì)

中傳播速度第7章壓電元件與超聲波傳感器超聲波傳感器可用于測量鉆井泥漿液位傳感器；因?yàn)殂@井過程中自始自終要監(jiān)測泥漿液面。鉆井過程中液位傳感器有著重要的意義，它確保快速、優(yōu)質(zhì)安全鉆井。

傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器

傳感器原理及應(yīng)用

超聲波檢測液位第7章壓電元件與超聲波傳感器

傳感器原理及應(yīng)用

超聲波檢測厚度

超聲波探傷傳感器第7章壓電元件與超聲波傳感器

傳感器原理及應(yīng)用

超聲波傳感器探傷第7章壓電元件與超聲波傳感器

傳感器原理及應(yīng)用

超聲波傳感器探傷第7章壓電元件與超聲波傳感器

傳感器原理及應(yīng)用超聲波流速測量超聲波流速檢測超聲波在靜止流體和流動流體中的傳播速度是不同的,分別在流體上游和下游放兩個傳感器,