第7章 壓電式傳感器

傳感器技術(shù)與應(yīng)用2第7章壓電式傳感器7.1壓電式傳感器概述7.2壓電效應(yīng)7.3壓電材料的壓電特性7.4壓電式傳感器等效電路與測(cè)量電路7.5壓電式超聲波傳感器第7章知識(shí)目標(biāo)（1）掌握壓電材料類(lèi)型劃分；（2）掌握正壓電效應(yīng)、逆壓電效應(yīng)工作特性；（3）掌握正壓電效應(yīng)對(duì)應(yīng)的壓電式傳感器的兩種等效電路；（4）掌握超聲波的定義與物理性質(zhì)；（5）掌握超聲波式傳感器的類(lèi)型劃分與檢測(cè)方式；（6）掌握超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)構(gòu)成。3第7章能力目標(biāo)（1）能夠結(jié)合實(shí)際工程需求，選擇合適類(lèi)型的壓電式傳感器并能夠正確應(yīng)用；（2）能夠正確分析實(shí)際工程應(yīng)用案例中的壓電式傳感器的作用與特性；（3）正確理解壓電式傳感器與超聲波式傳感器之間的關(guān)聯(lián)性與差異性；（4）理解超聲波傳感器盲區(qū)存在的原因；（5）掌握超聲波傳感器的溫度補(bǔ)充的必要性及其措施。457.1壓電式傳感器概述

壓電式傳感器是一種利用機(jī)械能與電能相互轉(zhuǎn)換的壓電效應(yīng)對(duì)被測(cè)量進(jìn)行檢測(cè)的裝置。屬于有源傳感器，具有靈敏度高，頻率響應(yīng)高，響應(yīng)速度快，測(cè)量范圍寬，穩(wěn)定性好，可靠性高，體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等許多性能優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于高頻動(dòng)態(tài)參量的測(cè)量。1.壓電式傳感器基本特性62.壓電式傳感器典型應(yīng)用：（1）應(yīng)用于對(duì)車(chē)床動(dòng)態(tài)切削力、高頻振動(dòng)等的測(cè)量；（2）應(yīng)用于爆炸沖擊、火炮壓力等的測(cè)試；（3）應(yīng)用于醫(yī)學(xué)心音、心電圖、血壓、呼吸，以及生物體器官和組織等檢測(cè)；（4）應(yīng)用于噪聲、震動(dòng)等污染源等的檢測(cè)；（5）應(yīng)用于汽車(chē)的碰撞檢測(cè)系統(tǒng)、停車(chē)輔助系統(tǒng)、輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等；（6）應(yīng)用于對(duì)飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)與機(jī)身的振動(dòng)分析、加速度檢測(cè)等。73.壓電式傳感器類(lèi)型劃分89107.2壓電效應(yīng)壓電式傳感器的工作原理是基于電介質(zhì)材料的壓電效應(yīng)。具有壓電效應(yīng)的電介質(zhì)材料稱(chēng)為壓電材料。壓電材料具有兩種可逆的效應(yīng)：即正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。電能機(jī)械能正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)117.2.1正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)：

指對(duì)壓電材料按確定方向施加外力，導(dǎo)致壓電材料產(chǎn)生機(jī)械形變，內(nèi)部發(fā)生極化現(xiàn)象，在壓電材料相對(duì)的兩個(gè)極化面分別積聚等量的正、負(fù)電荷。機(jī)械能→電能12注意：當(dāng)外部施加的作用力去除后，壓電材料將恢復(fù)到電中性狀態(tài)。137.2.2逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）：

指在壓電材料極化方向施加外部交變電場(chǎng)時(shí)，壓電材料在極化方向產(chǎn)生機(jī)械伸縮形變的現(xiàn)象電能→機(jī)械能注意：去除外加電場(chǎng)后，壓電材料的機(jī)械形變也隨之消失。147.3壓電材料的壓電特性7.3.1壓電材料類(lèi)型石英、電氣石……各種類(lèi)型壓電陶瓷硫化鎘、硒化鎘……高分子壓電材料聚偏氟乙烯、聚氟乙烯……8-羥基喹啉液晶、硅基液晶……聚偏氟乙烯、聚氟乙烯……結(jié)構(gòu)單元為納米量級(jí)，尺寸范圍為1nm~100nm同時(shí)具有磁、電、壓電等多種特性的材料鐵酸鉍、鈦酸鋇……157.3.2壓電材料主要特性參數(shù)1.壓電系數(shù)壓電常數(shù)是衡量壓電材料壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的重要特性參數(shù)壓電系數(shù)為矢量，具有正、負(fù)號(hào)，表征的是電荷的正、負(fù)分布或電位差的方向。壓電系數(shù)絕對(duì)值越大表明壓電效應(yīng)越強(qiáng)，與壓電式傳感器的靈敏度密切相關(guān)。壓電系數(shù)不僅取決于壓電材料本身，也與壓電材料的晶體結(jié)構(gòu)、溫度等因素相關(guān)。通常以字母“d”表示需要結(jié)合具體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析方法來(lái)確定壓電系數(shù)。162.彈性系數(shù)指彈性材料在一定變形條件下單位應(yīng)變所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值。用于衡量材料受力時(shí)的剛度和柔度，反映材料在應(yīng)力作用下的彈性。

彈性系數(shù)具體取值與壓電材料的類(lèi)型、晶體尺寸與結(jié)構(gòu)、施力方向，以及環(huán)境溫度等因素密切相關(guān)，此外還與應(yīng)變歷史相關(guān)。如，在一定的應(yīng)變范圍內(nèi)進(jìn)行循環(huán)加載和卸載會(huì)影響彈性系數(shù)。173.介電常數(shù)壓電材料的介電常數(shù)是影響壓電元件固有電容和頻率特性的重要因素之一。4.機(jī)電耦合系數(shù)壓電能密度彈性能密度介電能密度機(jī)電耦合系數(shù)5.電阻率

壓電材料電阻率越高，絕緣電阻就越大，從而減少電荷的泄露，使壓電材料具有較好的低頻特性。18

指壓電材料開(kāi)始失去壓電特性時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度值。6.居里溫度居里點(diǎn)例如：鉛酸鈦的居里溫度約為490℃；氧化鋯的居里溫度則約為1200℃。

不同壓電材料的居里溫度值不同。197.3.3石英晶體1.石英晶體結(jié)構(gòu)

石英晶體（壓電水晶），簡(jiǎn)稱(chēng)：石英；化學(xué)成分為SiO?，具有六角棱柱體形的單晶體結(jié)構(gòu)。（a）天然石英晶體實(shí)物

注意：當(dāng)前使用的石英晶體多是通過(guò)人工培育形成。（b）石英晶體結(jié)構(gòu)示意圖202.石英晶體類(lèi)型石英晶體的熔點(diǎn)為1750℃。在常壓和不同的溫度條件下石英晶體具有不同的晶體結(jié)構(gòu)：注意：石英晶體處于20℃~200℃之間時(shí)，壓電系數(shù)非常穩(wěn)定。21未受外力作用

當(dāng)不受外力作用時(shí)，兩種離子的空間分布呈正六邊形，并形成三個(gè)互為120o夾角的電偶極距。三個(gè)正離子和三個(gè)負(fù)離子空間分布分別構(gòu)成兩個(gè)等邊三角形，兩個(gè)等邊三角形的中心，即正負(fù)電荷中心相重合，則電偶極距的矢量和為0，整個(gè)石英晶體呈現(xiàn)電中性。3.石英晶體壓電效應(yīng)機(jī)理22受外力作用

當(dāng)石英晶體受外力作用時(shí)，晶格內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變，硅離子和氧離子發(fā)生相對(duì)位移，三個(gè)正離子和三個(gè)負(fù)離子分別對(duì)應(yīng)的三角形中心不再重合，即正負(fù)電荷中心不再重合，則電偶極距的矢量和不為0，在晶體表面出現(xiàn)極化現(xiàn)象。注意：當(dāng)外力被去除后，晶格結(jié)構(gòu)就會(huì)恢復(fù)到原始狀態(tài)，晶體表面電荷也會(huì)隨之消失。23石英晶體為各向異性材料，石英晶體三個(gè)軸向的壓電特性各不相同。在使用石英晶體時(shí)，常需要根據(jù)石英晶體各向異性的特性，將其切割為較薄的晶片。石英晶體切片24（1）z軸中性軸沿z軸向施加作用力，不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。當(dāng)光線(xiàn)沿z軸方向射入時(shí)，不會(huì)發(fā)生雙折射現(xiàn)象。光軸

z軸方向不論受到拉力或者是壓力，石英晶體在x軸向、y軸向產(chǎn)生的形變完全相同，石英晶體單元內(nèi)部的正負(fù)電荷中心重合，電偶極距的矢量和為0，整個(gè)石英晶體依然呈現(xiàn)電中性。25（2）x軸電軸極化軸

沿x軸方向施加作用力，晶體中的硅離子和氧離子發(fā)生相對(duì)位移，正負(fù)電荷中心不再重合，電偶極距的矢量和不為0，在與yoz平面平行的石英晶片的兩個(gè)表面上將分別產(chǎn)生正、負(fù)電荷。石英晶片沿x軸方向受力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)也稱(chēng)為“縱向壓電效應(yīng)”。26（3）y軸

沿y軸方向施加作用力時(shí)，石英晶體中的硅離子和氧離子也會(huì)發(fā)生相對(duì)位移，正負(fù)電荷中心不再重合，電偶極距的矢量和不為0，但是依然是在x軸向產(chǎn)生極化現(xiàn)象，在與yoz平面平行的石英晶片的兩個(gè)表面上將分別產(chǎn)生正、負(fù)電荷。由于在y軸方向只產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)變，因此y軸也稱(chēng)為機(jī)械軸。機(jī)械軸27（4）石英晶片元件的結(jié)構(gòu)與電路圖形符號(hào)（a）結(jié)構(gòu)示意圖

（b）電路圖形符號(hào)

287.3.4壓電陶瓷具有壓電常數(shù)高，介電常數(shù)高，靈敏度高，制作工藝成熟，性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。

壓電陶瓷屬于人工制造的多晶體壓電材料。被廣泛應(yīng)用于傳感器、聲學(xué)器件、馬達(dá)、醫(yī)療設(shè)備和精密儀器等的制造。1.壓電陶瓷的基本特性與類(lèi)型壓電陶瓷片29302.壓電陶瓷的極化處理

壓電陶瓷為多晶、多相、非均質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)，內(nèi)部由許多細(xì)微的晶粒單元按任意方向排列組成。晶粒單元會(huì)自發(fā)產(chǎn)生電偶極子，使晶體自發(fā)極化，極化方向一致的區(qū)域，稱(chēng)為電疇。31（a）極化處理前

各個(gè)電疇的極化方向具有隨機(jī)性和無(wú)序性，因此存在相互抵消的現(xiàn)象，壓電陶瓷整體呈現(xiàn)電中性。32

為了使壓電陶瓷具有顯著壓電特性，必須在使用前對(duì)其進(jìn)行極化處理——令壓電陶瓷具有壓電特性的關(guān)鍵。

具體的極化方式豐富，例如：高溫極化、低溫極化、交流電場(chǎng)極化、直流電場(chǎng)極化、氣體極化等。

通過(guò)極化處理可以使壓電陶瓷內(nèi)部的電疇沿特定方向有序排列：（b）極化處理中33極化處理典型方式——采用加溫和加電場(chǎng)的方式，主要步驟：①

通常采用溫度梯度加熱法或高頻感應(yīng)加熱法，將未極化的壓電陶瓷加熱至其居里溫度以上。②

在壓電陶瓷的兩端施加一個(gè)外電場(chǎng)。通常極化電壓在幾十伏到幾百伏之間。③

保持電場(chǎng)和溫度不變，持續(xù)一段時(shí)間，全部電疇的極化方向與外電場(chǎng)方向一致，實(shí)現(xiàn)極化。④

去除外電場(chǎng)，繼續(xù)保持壓電陶瓷在居里溫度以上。⑤

將壓電陶瓷冷卻至室溫。34極化達(dá)到飽和程度的標(biāo)準(zhǔn)是所有電疇的極化方向均與外電場(chǎng)方向一致。所加外電場(chǎng)越強(qiáng)，壓電極化程度也越高。當(dāng)外電場(chǎng)被去除后，壓電陶瓷整體的極化趨勢(shì)不變，即存在剩余極化現(xiàn)象，從而令壓電陶瓷具有顯著壓電特性：（c）極化處理后353.壓電陶瓷的壓電效應(yīng)

當(dāng)沿著某一方向?qū)?jīng)過(guò)極化處理后的壓電陶瓷施加作用力時(shí)，會(huì)在垂直于極化方向的兩個(gè)端面上產(chǎn)生極性相反的電荷，電荷大小與所加壓力成正比，呈現(xiàn)正壓電效應(yīng)，z軸為極化軸。（a）沿z軸方向施加壓力

電荷量壓電陶瓷縱向壓電系數(shù)z軸方向施加的作用力36（b）沿y軸方向施加壓力電荷量垂直于z軸的壓電陶瓷晶片面積垂直于y軸的壓電陶瓷晶片面積橫向壓電系數(shù)y軸方向施加的作用力374.壓電陶瓷材料特點(diǎn)與應(yīng)用壓電陶瓷主要應(yīng)用于制作超聲波發(fā)生器、聲表面波傳感器、電聲換能器、陶瓷濾波器、陶瓷變壓器、陶瓷鑒頻器、高壓發(fā)生器、紅外探測(cè)器、引爆裝置和壓電陀螺儀等。

壓電陶瓷介電系數(shù)高，靈敏度高，制備工藝較成熟，易于加工成任意形狀，但是機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性不如石英晶體，電損耗也較大。387.4等效電路與測(cè)量電路7.4.1等效電路1.壓電元件的等效電路電荷源等效電路

當(dāng)壓電晶體受到外力作用時(shí)，在其上、下極化表面會(huì)分別積聚等量的正電荷和負(fù)電荷。當(dāng)作用力消失時(shí)，電荷隨之消失。根據(jù)此特性，壓電元件可以用電荷源和電容相并聯(lián)的電路模型來(lái)等效替代——稱(chēng)為電荷源等效電路或電荷發(fā)生器。壓電晶片極化面的面積壓電晶片的厚度39電壓源等效電路

在外力作用下，壓電晶體的兩個(gè)極化面分別積聚的正電荷和負(fù)電荷形成一個(gè)電場(chǎng)。根據(jù)此特性，壓電元件可以用電壓源和電容相串聯(lián)的電路模型來(lái)等效替代——稱(chēng)為電壓源等效電路。402.壓電式傳感器等效電路417.4.2測(cè)量電路1.壓電元件串聯(lián)壓電元件串聯(lián)示意圖

壓電元件串聯(lián)電路原理圖

多個(gè)壓電元件按極化方向順次粘貼在一起，在每?jī)蓚€(gè)壓電元件之間夾墊金屬片，首、尾引出連接導(dǎo)線(xiàn)，構(gòu)成串聯(lián)電路結(jié)論：三個(gè)相串聯(lián)的壓電元件與單個(gè)壓電元件相比，在相同的外力作用下，總電荷相同，但是輸出電壓擴(kuò)大為單個(gè)壓電元件的3倍，電容量縮小至單個(gè)壓電元件的三分之一。

輸出電壓大，電容量小，適用于輸入阻抗高，對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行后續(xù)處理的測(cè)量電路。422.壓電元件并聯(lián)壓電元件并聯(lián)示意圖

壓電元件并聯(lián)電路原理圖

結(jié)論：三個(gè)并聯(lián)的壓電元件與單個(gè)壓電元件相比，在同樣外力作用下，總電荷與總電容量均擴(kuò)大為單個(gè)壓電元件的3倍，輸出電壓與單個(gè)壓電元件的相同。

輸出電荷大，電容量大，對(duì)應(yīng)的時(shí)間常數(shù)大，因此適用于測(cè)量緩慢變化的信號(hào)，且適合對(duì)電荷信號(hào)進(jìn)行后續(xù)處理的測(cè)量電路。437.5壓電式超聲波傳感器7.4.1超聲波物理屬性1.超聲波的定義機(jī)械波由機(jī)械振動(dòng)引起，通過(guò)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)在彈性介質(zhì)中傳播形成。20HZ20KHZ聲波次聲波超聲波442.超聲波的類(lèi)型疏密波屬于體波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向一致能在固體、液體和氣體中傳播一般用于鋼板、鍛件的探傷切變波屬于體波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向垂直能在固體和高粘滯液體中傳播一般用于焊縫、鋼管的探傷屬于導(dǎo)波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)軌跡為橢圓形長(zhǎng)軸垂直于傳播方向，短軸平行于傳播方向只能在固體介質(zhì)的表面?zhèn)鞑ヒ话阌糜诒“?、薄壁鋼管的探傷蘭姆波屬于導(dǎo)波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)軌跡為橢圓形只能在厚度與其波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)谋⌒凸腆w平板中傳播一般應(yīng)用于薄板、薄壁鋼管的鋼板分層、劃痕、裂紋等缺陷檢測(cè)453.超聲波的傳播特性

超聲波在介質(zhì)中的傳播速度與介質(zhì)的彈性常數(shù)和介質(zhì)密度相關(guān)，并且還會(huì)受到環(huán)境溫度的影響。

不同類(lèi)型的超聲波在不同介質(zhì)中的傳播速度不同，通常介質(zhì)密度越高，傳播速度越快。注意：不同類(lèi)型的超聲波在同一種固體材料中傳播，縱波的傳播速度最快，約為橫波傳播速度的2倍，而表面波的傳播速度最慢，約為橫波波速的0.9倍。46結(jié)論：當(dāng)超聲波的頻率確定后，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，超聲波的傳播速度越快。注意：超聲波的傳播速度會(huì)受到環(huán)境溫度的影響，對(duì)應(yīng)的關(guān)系式：0℃時(shí)超聲波速度實(shí)際環(huán)境溫度，單位為℃例如：溫度0℃時(shí)超聲波速度是332m/s，當(dāng)溫度升至30℃時(shí)，超聲波速度變?yōu)?50m/s，兩種溫度下超聲波速度相差18m/s。在實(shí)際工程應(yīng)用中，一般借助溫度傳感器對(duì)超聲波的傳播速度進(jìn)行補(bǔ)償。474.超聲波在傳播介質(zhì)中的衰減（1）聲壓衰減規(guī)律函數(shù)式：

（2）聲強(qiáng)衰減規(guī)律函數(shù)式：

距離聲源x處的聲壓聲源處的聲壓衰減系數(shù)距離聲源x處的聲強(qiáng)聲源處的聲強(qiáng)485.超聲波的反射與折射特性反射定律：折射定律：497.5.2超聲波傳感器工作原理超聲波傳感器也稱(chēng)為超聲波換能器或超聲波探頭。1.超聲波傳感器類(lèi)型劃分5051超聲波傳感器522.超聲波傳感器檢測(cè)方式：透射法和反射法533.超聲波傳感器典型應(yīng)用案例：——檢測(cè)板材厚度檢測(cè)過(guò)程：將收發(fā)一體式超聲波探頭緊貼被測(cè)板材表面。首先發(fā)射超聲波，發(fā)射出的超聲波傳播到板材內(nèi)部的底部被反射回來(lái)，超聲波探頭再接收反射回來(lái)的超聲波。只要獲得超聲波探頭從發(fā)射超聲波到接收反射回來(lái)的超聲波的時(shí)間差t，就可以計(jì)算得到板材的厚度H，計(jì)算公式：54能夠檢測(cè)板材厚度的超聲波傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的主體硬件構(gòu)成框圖：注意：微處理器輸出特定頻率的數(shù)字脈沖信號(hào)或正弦波信號(hào)去驅(qū)動(dòng)超聲波探頭發(fā)射超聲波。使用較多的超聲波頻率為20KHz、25KHz、28KHz、33KHz、40KHz、60KHz、80KHz、100KHz等，以適用不同的測(cè)量場(chǎng)景需要。557.5.3超聲波傳感器檢測(cè)盲