压电元件与超声波传感器

1、传感器原理及应用传感器原理及应用 第七章 压电元件与超声波传感器 传感器原理及应用传感器原理及应用 第七章 压电元件与超声波传感器 传感器原理及应用传感器原理及应用 一、压电效应的基本概念一、压电效应的基本概念 1 1、正压电效应、正压电效应 某些物质沿某一方向受到外力作用某些物质沿某一方向受到外力作用 时，会产生变形，同时内部产生极化现象，时，会产生变形，同时内部产生极化现象， 在这种材料的两个表面产生符号相反的电在这种材料的两个表面产生符号相反的电 荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电 的状态，这种现象称为压电效应。的状态，这种现象称为压电效应。 当作用

2、力方向改变时，电荷极性也当作用力方向改变时，电荷极性也 随之改变。随之改变。 这种机械能转化为电能的现象称为这种机械能转化为电能的现象称为 “正压电效应正压电效应”或或“顺压电效应顺压电效应”。 7.1 压电效应压电效应 传感器原理及应用传感器原理及应用 2 2、逆压电效应、逆压电效应 当在某些物质的极化方向上施加电场，这些材料在某一方向上当在某些物质的极化方向上施加电场，这些材料在某一方向上 产生机械变形或机械压力；当外加电场撤去时，这些变形或应力也产生机械变形或机械压力；当外加电场撤去时，这些变形或应力也 随之消失。随之消失。 这种电能转化为机械能的现象称为这种电能转化为机械能的现象称为“

3、逆压电效应逆压电效应”或或“电致伸电致伸 缩效应缩效应”。 压电元件压电元件 机械能机械能 电能电能 应力应力 应变应变 电荷电荷 电场电场 3 3、压电效应的特点、压电效应的特点 （1 1）压电效应具有可逆性）压电效应具有可逆性 传感器原理及应用传感器原理及应用 （2 2）具有瞬时性）具有瞬时性 当力的方向改变时，电当力的方向改变时，电 荷的极性随之改变，输出电压荷的极性随之改变，输出电压 的频率与动态力的频率相同。的频率与动态力的频率相同。 （3 3）具有不稳定性）具有不稳定性 当动态力变为静态力时，当动态力变为静态力时， 电荷将由于表面漏电而很快泄电荷将由于表面漏电而很快泄 漏、消失。漏

4、、消失。 传感器原理及应用传感器原理及应用 在自然界中大多数晶体具有压电效应在自然界中大多数晶体具有压电效应, , 但压电效应十分但压电效应十分 微弱。随着对材料的深入研究微弱。随着对材料的深入研究, , 发现石英晶体、钛酸钡、锆发现石英晶体、钛酸钡、锆 钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。 压电式传感器中的压电元件材料一般：压电式传感器中的压电元件材料一般： 压电晶体（单晶体）；压电晶体（单晶体）； 经过极化处理的压电陶瓷（多晶体）；经过极化处理的压电陶瓷（多晶体）； 新型压电材料（高分子和半导体）。新型压电材料（高分子和半导体）。 7.2 压电压电材料材料

5、一、压电材料分类及特点一、压电材料分类及特点 压电材料：具有压电效应的材料称为压电材料压电材料：具有压电效应的材料称为压电材料。 传感器原理及应用传感器原理及应用 压电材料的主要特性参数有： 压电常数压电常数: : 压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数，压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数， 它直接关系到压电输出灵敏度。它直接关系到压电输出灵敏度。 弹性常数弹性常数: : 压电材料的弹性常数、刚度决定着压电器件压电材料的弹性常数、刚度决定着压电器件 的固有频率和动态特性。的固有频率和动态特性。 介电常数介电常数: : 对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电

6、 容与介电常数有关；而固有电容又影响着压电传感器的频容与介电常数有关；而固有电容又影响着压电传感器的频 率下限。率下限。 传感器原理及应用传感器原理及应用 机械耦合系数：它的意义是，在压电效应中，转换输出机械耦合系数：它的意义是，在压电效应中，转换输出 能量（如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根，能量（如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根， 这是衡量压电材料机这是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。电能量转换效率的一个重要参数。 电阻电阻: : 压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏，从而改善压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏，从而改善 压电传感器的低频特性。压电传感器的低频特

7、性。 居里点温度居里点温度: : 它是指压电材料开始丧失压电特性的温度。它是指压电材料开始丧失压电特性的温度。 传感器原理及应用传感器原理及应用 1.1.石英晶体石英晶体 石英晶体在几百石英晶体在几百的温度范围内，介电常数和压电系的温度范围内，介电常数和压电系 数几乎不随温度而变化。数几乎不随温度而变化。 当温度超过当温度超过573573居里点时，石英晶体完全丧失压电特居里点时，石英晶体完全丧失压电特 性。性。 石英晶体的突出优点：石英晶体的突出优点：性能非常稳定，有很大的机械性能非常稳定，有很大的机械 强度和稳定的机械性能。强度和稳定的机械性能。 但石英材料价格昂贵，且压电系数比压电陶瓷低得

8、多。但石英材料价格昂贵，且压电系数比压电陶瓷低得多。 因此一般仅用于标准仪器或要求较高的传感器中。因此一般仅用于标准仪器或要求较高的传感器中。 传感器原理及应用传感器原理及应用 石英晶体的两种类型：石英晶体的两种类型： 天然和人工培养。人工培养的天然和人工培养。人工培养的 石英晶体的物理和化学性质几乎与石英晶体的物理和化学性质几乎与 天然石英晶体没有区别，因此目前天然石英晶体没有区别，因此目前 广泛应用成本较低的人造石英晶体。广泛应用成本较低的人造石英晶体。 天然天然 人造人造 晶片晶片 石英是一种各向异性晶体：石英是一种各向异性晶体： 按不同方向切割的晶片，其物按不同方向切割的晶片，其物 理

9、性质（如弹性、压电效应、温度理性质（如弹性、压电效应、温度 特性等）相差很大。特性等）相差很大。 在设计石英传感器时，应根据在设计石英传感器时，应根据 不同使用要求正确地选择石英片的不同使用要求正确地选择石英片的 切型切型。 传感器原理及应用传感器原理及应用 压电陶瓷主要有钛酸钡压电压电陶瓷主要有钛酸钡压电 陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷等。陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷等。 （1 1）钛酸钡压电陶瓷）钛酸钡压电陶瓷 钛酸钡（钛酸钡（BaTiOBaTiO3 3）是由碳酸）是由碳酸 钡（钡（BaCOBaCO3 3）和二氧化钛（）和二氧化钛（TiOTiO2 2） 按按1:11:1分子比例在高温下合成的压分子比

10、例在高温下合成的压 电陶瓷。电陶瓷。 优点：优点：介电常数和压电系数介电常数和压电系数 大（约为石英晶体的大（约为石英晶体的5050倍）。倍）。 缺 点 ：缺 点 ： 居 里 点 温 度 低居 里 点 温 度 低 （120120），温度稳定性和机械强），温度稳定性和机械强 度不如石英晶体。度不如石英晶体。 2. 2. 压电陶瓷压电陶瓷 （2 2）锆钛酸铅系压电陶瓷）锆钛酸铅系压电陶瓷 锆 钛 酸 铅 （锆 钛 酸 铅 （ P Z TP Z T ） 是 由） 是 由 PbTiOPbTiO3 3和和PbZrOPbZrO3 3组成的固溶体组成的固溶体PbPb （ZrZr、TiTi）O O3 3。与钛

11、酸钡相比，。与钛酸钡相比， 压电系数更大，居里点温度在压电系数更大，居里点温度在 300300以上，各项机电参数受温以上，各项机电参数受温 度影响小，时间稳定性好。度影响小，时间稳定性好。 在锆钛酸中添加一种或两在锆钛酸中添加一种或两 种其它微量元素（如铌、锑、种其它微量元素（如铌、锑、 锡、锰、钨等）还可获得不同锡、锰、钨等）还可获得不同 性能的性能的PZTPZT材料。材料。 锆钛酸铅系压电陶瓷是目锆钛酸铅系压电陶瓷是目 前压电式传感器中应用最广泛前压电式传感器中应用最广泛 的压电材料。的压电材料。 传感器原理及应用传感器原理及应用 压电半导体材料有压电半导体材料有ZnOZnO、CdSCdS

12、、 CdTeCdTe等，这种力敏器件具有灵敏度等，这种力敏器件具有灵敏度 高，响应时间短等优点。高，响应时间短等优点。 用用ZnOZnO作为表面声波振荡器的压作为表面声波振荡器的压 电材料，可检测力和温度等参数。电材料，可检测力和温度等参数。 3.3.新型压电材料新型压电材料 1) 1) 压电半导体材料压电半导体材料 某些合成高分子聚合物薄膜经某些合成高分子聚合物薄膜经 延展拉伸和电场极化后，具有一定延展拉伸和电场极化后，具有一定 的压电性能，这类薄膜称为高分子的压电性能，这类薄膜称为高分子 压电薄膜，有聚二氟乙烯压电薄膜，有聚二氟乙烯PVFPVF2 2、聚、聚 氟乙烯氟乙烯PVFPVF、聚氯

13、乙烯、聚氯乙烯PVCPVC等。等。 2) 2) 高分子压电材料高分子压电材料 高分子压电材料是一种高分子压电材料是一种 柔软的压电材料，不易破碎，柔软的压电材料，不易破碎， 可大量生产和制成较大的面可大量生产和制成较大的面 积。积。 高分子压电薄膜拉制高分子压电薄膜拉制 传感器原理及应用传感器原理及应用 高分子压电材料特点：高分子压电材料特点： 柔软；抗拉强度高；电阻大、击柔软；抗拉强度高；电阻大、击 穿强度高；稳定性好。穿强度高；稳定性好。 高分子化合物参杂压电陶瓷粉末，高分子化合物参杂压电陶瓷粉末， 两者优点合一。两者优点合一。 高分子压电材料应用：高分子压电材料应用： 大面积阵列传感器、

14、人工皮肤。大面积阵列传感器、人工皮肤。 高分子压电薄膜高分子压电薄膜 制作的压电喇叭制作的压电喇叭 （逆压电效应）（逆压电效应） 高分子压电薄膜高分子压电薄膜 压电式脚踏开关压电式脚踏开关 高分子压电薄膜高分子压电薄膜和电缆和电缆 传感器原理及应用传感器原理及应用 二、压电效应的基本原理二、压电效应的基本原理 天然石英晶体，结构形状为天然石英晶体，结构形状为 一个六角形晶柱，两端为一对称一个六角形晶柱，两端为一对称 的棱锥。的棱锥。 在晶体学中，用三根互相垂在晶体学中，用三根互相垂 直的轴建立描述晶体结构形状的直的轴建立描述晶体结构形状的 坐标系。坐标系。 纵轴纵轴Z Z称为称为光轴光轴，通过

15、六棱，通过六棱 线而垂直于光铀的线而垂直于光铀的X X铀称为铀称为电轴电轴， 与与X-XX-X轴和轴和Z-ZZ-Z轴垂直的轴垂直的Y-YY-Y轴轴 ( (垂直于六棱柱体的棱面垂直于六棱柱体的棱面) )称为称为机机 械轴械轴。 1 1、石英晶体压电效应、石英晶体压电效应 传感器原理及应用传感器原理及应用 如果从石英晶体中切下一个平行六面体并如果从石英晶体中切下一个平行六面体并 使其晶面分别平行于使其晶面分别平行于Z-ZZ-Z、Y-YY-Y、X-XX-X轴线。晶片轴线。晶片 在正常情况下呈现电性。在正常情况下呈现电性。 纵向压电效应：纵向压电效应：沿电轴沿电轴(X(X轴轴) )方向的作用力产方向的

16、作用力产 生的压电效应。生的压电效应。 横向压电效应：横向压电效应：沿机械轴沿机械轴(Y(Y轴轴) )方向的作用力方向的作用力 产生的压电效应产生的压电效应 切向压电效应：切向压电效应：沿相对两棱加力时产生的压电沿相对两棱加力时产生的压电 效应。效应。 沿光轴沿光轴(Z(Z轴轴) )方向的作用力不产生压电效应。方向的作用力不产生压电效应。 压电式传感器主要是利用纵向压电效应。压电式传感器主要是利用纵向压电效应。 传感器原理及应用传感器原理及应用 石英晶体具有压电效应，由内部分石英晶体具有压电效应，由内部分 子结构决定的。子结构决定的。 一个单元组体中，构成石英晶体的一个单元组体中，构成石英晶体

17、的 硅离子和氧离子，在垂直于硅离子和氧离子，在垂直于z z轴的轴的xyxy平面平面 上的投影，等效为一个正六边形排列。上的投影，等效为一个正六边形排列。 “”代表硅离子代表硅离子SiSi4+ 4+， ，“”代表氧代表氧 离子离子O O2- 2-。 。 2 2、石英晶体压电效应的微观机理、石英晶体压电效应的微观机理 当石英晶体未受外力作用时，正、负当石英晶体未受外力作用时，正、负 离子正好分布在正六边形的顶角上，形成离子正好分布在正六边形的顶角上，形成 三个互成三个互成120120夹角的电偶极矩为夹角的电偶极矩为P P1 1、P P2 2、 P P3 3。 传感器原理及应用传感器原理及应用 因为

18、因为P=qL（q为电荷量，为电荷量，L为正负电为正负电 荷之间的距离），此时正负电荷中心重合，荷之间的距离），此时正负电荷中心重合， 电偶极矩的矢量和等于零，即电偶极矩的矢量和等于零，即P1+P2+P3 0 晶体表面不产生电荷，呈电中性。晶体表面不产生电荷，呈电中性。 当晶体受到沿当晶体受到沿x方向的压力（方向的压力（Fx0 传感器原理及应用传感器原理及应用 在在x 方向上的分量不再等于零方向上的分量不再等于零 (P1+P2+P3)x0 在在y、z方向上的分量为方向上的分量为 (P1+P2+P3)y=0 (P1+P2+P3)z=0 在在x x轴的正向出现正电荷，在轴的正向出现正电荷，在y y、

19、 z z方向不出现电荷。方向不出现电荷。 传感器原理及应用传感器原理及应用 在在x x轴的正向出现负电荷，在轴的正向出现负电荷，在y y、 z z方向依然不出现电荷。方向依然不出现电荷。 当晶体受到沿当晶体受到沿x方向的拉力方向的拉力 （Fx0）作用时，电偶极矩）作用时，电偶极矩P1增增 大，大， P2、 P3减小，在减小，在x、y、z三个三个 方向上的分量为方向上的分量为 (P1+P2+P3)y 1或者或者 趋近 于时。根据。根据Uim()的表达式，的表达式， 在理想情况下输入电压幅值为在理想情况下输入电压幅值为 传感器原理及应用传感器原理及应用 222 ( )() ( ) 1() imac

20、i im aci UR CCC U R CCC ( ) m im aci dF U CCC 222 ( ) 1() m im aci dFR U R CCC () aci R CCC 1 2 ( ) ( ) 1 () im im U K U 1 tan () 2 (9070 ) 传感器原理及应用传感器原理及应用 （1）压电传感器不能测量静态物理量。）压电传感器不能测量静态物理量。 （2）当）当1时（工程中认为时（工程中认为3可满足要求），输入可满足要求），输入 电压与信号频率无关。电压与信号频率无关。 优点：优点：时间常数一定时，高频响应特性好。时间常数一定时，高频响应特性好。 缺点：缺点：低

21、频响应差。提高低频响应的办法是增大时间常数，低频响应差。提高低频响应的办法是增大时间常数， 即增大电容或提高输入电阻。即增大电容或提高输入电阻。 1 2 ( ) ( ) 1 () im im U K U 1 tan () 2 (9070 ) 传感器原理及应用传感器原理及应用 2 2）. .传感器电压灵敏度传感器电压灵敏度 前置电路要有高输入阻抗：前置电路要有高输入阻抗： 因为传感器电压灵敏度与电容成反比，因为传感器电压灵敏度与电容成反比， 所以提高低频响应的办法只能是增大前置输所以提高低频响应的办法只能是增大前置输 入回路电阻，这样导致电压放大器响应差。入回路电阻，这样导致电压放大器响应差。

22、ica ica ica m im U CCC d CCC R d CCCR Rd F U K 2 2 2 )( )( 1 )(1 压电式传感器的电压灵敏度为压电式传感器的电压灵敏度为 1R 因此，要求电压放因此，要求电压放 电器前置电路具有高输电器前置电路具有高输 入阻抗。入阻抗。 前置电压放电器采前置电压放电器采 用高输入阻抗的运算放用高输入阻抗的运算放 大器，具有阻抗变换的大器，具有阻抗变换的 作用。作用。 A uo CiRiCeRe Ca ua (a) CR Ca uaui (b) A uo CiRiCeRe Ca ua (a) CR Ca uaui (b) 传感器原理及应用传感器原理及

23、应用 从传感器的输出电压和电压灵敏度可从传感器的输出电压和电压灵敏度可 见，连接电缆的分布电容见，连接电缆的分布电容C Ce e影响传感器输出影响传感器输出 电压和灵敏度，使用时更换电缆就要求重电压和灵敏度，使用时更换电缆就要求重 新标定，测量系统对电缆长度变化很敏感，新标定，测量系统对电缆长度变化很敏感， 这是电压放大器的缺点。这是电压放大器的缺点。 因此，压电传感器因此，压电传感器 与前置放大器之间连接与前置放大器之间连接 电缆不能随意更换，否电缆不能随意更换，否 则将引入测量误差。则将引入测量误差。 解决电缆分布电容解决电缆分布电容 的影响和低频响应差的的影响和低频响应差的 缺点可采用电

24、荷放大。缺点可采用电荷放大。 ica m ica m im CCC dF CCCR RdF U 222 )(1 ica ica U CCC d CCCR Rd K 2 )(1 A uo CiRiCeRe Ca ua (a) CR Ca uaui (b) A uo CiRiCeRe Ca ua (a) CR Ca uaui (b) 传感器原理及应用传感器原理及应用 运算放大器输入阻抗极高，运算放大器输入阻抗极高， 放大器输入端几乎没有分流，放大器输入端几乎没有分流， 故可等效成略去故可等效成略去Ra、 Rf和和Ri并并 联电阻的电路。联电阻的电路。 2.2.电荷放大器电荷放大器 电荷放大器是一种

25、输出电电荷放大器是一种输出电 压与输入电荷量成正比的前置压与输入电荷量成正比的前置 放大器。利用电容作反馈元件放大器。利用电容作反馈元件 的深度负反馈的高增益运放。的深度负反馈的高增益运放。 通常通常A=10 4108，当满足 ，当满足 (1+A)CrCa+Cc+Ci时，则有时，则有 (1) o acir AQ U CCCA C 1 1）. .电荷放电器输出电压电荷放电器输出电压 反馈电容反馈电容Cr折合到放大器折合到放大器 输入端的有效电容为输入端的有效电容为(1+A)Cr。 电荷放大器的输出电压为电荷放大器的输出电压为 / or UQ C Cc 传感器原理及应用传感器原理及应用 电荷放大器

26、输出电压电荷放大器输出电压 2 2）. .电荷放电器的特点电荷放电器的特点 / or UQ C （1 1）电荷放大器的输出电压）电荷放大器的输出电压 只取决于输入电荷与反馈电容，与只取决于输入电荷与反馈电容，与 电缆电容无关，且与电荷成正比。电缆电容无关，且与电荷成正比。 （2 2）采用电荷放大器时，即）采用电荷放大器时，即 使连接电缆长度在百米以上，灵敏使连接电缆长度在百米以上，灵敏 度也无明显变化，这是电荷放大器度也无明显变化，这是电荷放大器 的最大特点。的最大特点。 （4）为了得到必要的测）为了得到必要的测 量精度，要求反馈电容量精度，要求反馈电容Cr的温的温 度和时间稳定性都很好。在实

27、度和时间稳定性都很好。在实 际电路中，考虑到不同的量程际电路中，考虑到不同的量程 等因素，等因素，Cr的容量做成可选择的容量做成可选择 的，范围一般为的，范围一般为102104pF。 （3）电路复杂，价格昂贵。）电路复杂，价格昂贵。 传感器原理及应用传感器原理及应用 各种压电材料的应用场合 石英晶体主要用于精密测量，多作为实验室基 准传感器； 压电陶瓷灵敏度较高，机械强度稍低，多用作 测力和振动传感器； 高分子压电材料多用作定性测量。 7.4 压电式传感器的应用压电式传感器的应用 传感器原理及应用传感器原理及应用 1压电晶体振荡器； 2. 压电式测力传感器 3压电加速度计传感器； 4. 振动测

28、量； 5压电换能器，发射（扬声器）、接收（麦克 风）、收听器、超声波换能器； 压电元件符号 各种压电材料的测量对象 传感器原理及应用传感器原理及应用 1 1、压电式力传感器压电式力传感器 压电式单向测力传感器的压电式单向测力传感器的 结构，主要由石英晶片、结构，主要由石英晶片、 绝缘绝缘 套、电极、上盖及基座等组成。套、电极、上盖及基座等组成。 传感器上盖为传力元件，传感器上盖为传力元件， 外缘壁厚为外缘壁厚为0.10.5mm，当外力，当外力 作用时，产生弹性变形，将力作用时，产生弹性变形，将力 传递到石英晶片上。利用压电传递到石英晶片上。利用压电 效应，实现力效应，实现力电转换。电转换。 石

29、 英 晶 片 的 尺 寸 为石 英 晶 片 的 尺 寸 为 81mm。该传感器的测力范。该传感器的测力范 围为围为050N，最小分辨率为，最小分辨率为 0.01N，固有频率为，固有频率为5060 kHz， 整个传感器重为整个传感器重为10 g。 传感器原理及应用传感器原理及应用 2 2、压电式加速度传感器压电式加速度传感器 压电式加速度传感器的结构，主要由压电式加速度传感器的结构，主要由 压电元件、质量块、压电元件、质量块、预压弹簧预压弹簧、基座及外壳、基座及外壳 等组成。整个部件装在外壳内，并由螺栓加等组成。整个部件装在外壳内，并由螺栓加 以固定。以固定。 当压电式加速度当压电式加速度 传感

30、器和被测物一起传感器和被测物一起 受到冲击振动时，压受到冲击振动时，压 电元件受质量块惯性电元件受质量块惯性 力的作用。力的作用。 惯性力作用于压惯性力作用于压 电元件上，产生电荷。电元件上，产生电荷。 输出电荷与加速度成输出电荷与加速度成 正比。正比。 因此，根据加速因此，根据加速 度传感器输出电荷便度传感器输出电荷便 可知加速度的大小。可知加速度的大小。 传感器原理及应用传感器原理及应用 图6.3.3是一种压电式加 速度传感器的结构图。 它主要由压电元件、质 量块、预压弹簧、基座 及外壳等组成。整个部 件装在外壳内，并由螺 栓加以固定。 图6.3.3 压电式加速度传感器结构图 三、 压电式

31、加速度传感器 传感器原理及应用传感器原理及应用 3 3、压电式声传感器压电式声传感器 当交变信号加在压电陶瓷当交变信号加在压电陶瓷 片两端面时，因压电陶瓷的逆片两端面时，因压电陶瓷的逆 压电效应，陶瓷片会在电极方压电效应，陶瓷片会在电极方 向产生周期性的伸长和缩短，向产生周期性的伸长和缩短， 产生振动发射声波。产生振动发射声波。 如果换能器中压电陶瓷的振荡如果换能器中压电陶瓷的振荡 频率在超声波范围，则发射或接收频率在超声波范围，则发射或接收 的声频信号即为超声波。这样的换的声频信号即为超声波。这样的换 能器称为能器称为压电超声换能器压电超声换能器。 当一定频率的声频信号加当一定频率的声频信号

32、加 在压电陶瓷片上时，压电陶瓷在压电陶瓷片上时，压电陶瓷 片受到外力作用而产生压缩变片受到外力作用而产生压缩变 形，压电陶瓷上因正压电效形，压电陶瓷上因正压电效 应出现充、放电现象，声频信应出现充、放电现象，声频信 号转换成交变电信号，接收声号转换成交变电信号，接收声 频信号。频信号。 传感器原理及应用传感器原理及应用 4 4、压电式流量计、压电式流量计 超声波流量计：超声波流量计： 压电超声换能器压电超声换能器 每 隔 一 段 时 间 （ 如每 隔 一 段 时 间 （ 如 1/100s）发射和接收互）发射和接收互 换一次。换一次。 在顺流和逆流的在顺流和逆流的 情况下，发射和接收情况下，发射

33、和接收 的相位差与流速成正的相位差与流速成正 比。比。 传感器原理及应用传感器原理及应用 5 5、压电式传感器管道检漏、压电式传感器管道检漏 地面下一均匀的自来水直管道某处地面下一均匀的自来水直管道某处O发生漏水，水漏引起的振动发生漏水，水漏引起的振动 从从O点向管道两端传播，在管道上点向管道两端传播，在管道上A、B两点放两只压电传感器，从两两点放两只压电传感器，从两 个传感器接收到的由个传感器接收到的由O点传来的点传来的t0时刻发出的振动信号所用时间差可时刻发出的振动信号所用时间差可 计算出计算出LA或或LB。 传感器原理及应用传感器原理及应用 6 6、石英晶体振荡器（晶振）、石英晶体振荡器

34、（晶振） 石英晶体在振荡石英晶体在振荡 电路中工作时，电路中工作时，压电压电 效应与逆压电效应效应与逆压电效应交交 替作用，从而产生稳替作用，从而产生稳 定的振荡输出频率。定的振荡输出频率。 传感器原理及应用传感器原理及应用 7 7、压电式压电式玻璃破碎报警装置玻璃破碎报警装置 高分子压电测振薄膜粘贴在玻高分子压电测振薄膜粘贴在玻 璃上，可以感受到玻璃破碎时会发璃上，可以感受到玻璃破碎时会发 出的振动，并将电压信号传送给集出的振动，并将电压信号传送给集 中报警系统。中报警系统。 厚约厚约0.2mm左右的左右的PVDF薄膜薄膜 裁制成裁制成1020mm大小。用瞬干胶大小。用瞬干胶 粘贴在玻璃上。

35、粘贴在玻璃上。 当玻璃遭暴力打碎的瞬间，压当玻璃遭暴力打碎的瞬间，压 电薄膜感受到剧烈振动，表面产生电薄膜感受到剧烈振动，表面产生 电荷，在两个输出引脚之间产生窄电荷，在两个输出引脚之间产生窄 脉冲报警信号。脉冲报警信号。 质质 量量 块块 传感器原理及应用传感器原理及应用 图6.3.4 压电式玻璃破碎传感器 图6.3.5 压电式玻璃破碎报警器电路框图 执行 机构 比较 带通 滤波 放大 传感器 玻璃 (a)(b) 传感器原理及应用传感器原理及应用 8 8、压电式周界报警系统、压电式周界报警系统 压电电缆埋在泥压电电缆埋在泥 土的浅表层，可起分土的浅表层，可起分 布式地下麦克风或听布式地下麦克

36、风或听 音器的作用，可在几音器的作用，可在几 十米范围内探测人的十米范围内探测人的 步行步行, 对轮式或履带对轮式或履带 式车辆也可通过信号式车辆也可通过信号 处理系统分辨出来。处理系统分辨出来。 在重要位置出入在重要位置出入 口、周界安全防护等口、周界安全防护等 地方应用。地方应用。 传感器原理及应用传感器原理及应用 图6.3.6 高分子压电电缆周界报警系统 传感器原理及应用传感器原理及应用 9 9、压电式交通监测系统、压电式交通监测系统 高分子压电电缆埋在高分子压电电缆埋在 公路的路面下约公路的路面下约5cm，可，可 获取车型分类信息（包括获取车型分类信息（包括 轴数、轴距、轮距、单双轴数

37、、轴距、轮距、单双 轮胎）、车速监测、收费轮胎）、车速监测、收费 站地磅、闯红灯拍照、停站地磅、闯红灯拍照、停 车区域监控、交通数据信车区域监控、交通数据信 息采集（道路监控）等。息采集（道路监控）等。 也用于机场滑行道监也用于机场滑行道监 测等。测等。 传感器原理及应用传感器原理及应用 压电电缆测速原理图 (a) 压电电缆埋设示意图；(b) A、B压电电缆的输出信号波形 1-公路；2-压电电缆；3-车轮 (a) (b) 传感器原理及应用传感器原理及应用 1010、压电式动态力传感器、压电式动态力传感器 在体育动态测量中应用。在体育动态测量中应用。 压电式步态分析跑台压电式步态分析跑台 压电式

38、纵跳分析装置压电式纵跳分析装置 在车床中动态切削力测量在车床中动态切削力测量 中应用。中应用。 传感器原理及应用传感器原理及应用 由于压电陶瓷 元件的自振频率高， 特别适合测量变化 剧烈的载荷。图中 压电传感器位于车 刀前部的下方，当 进行切削加工时， 切削力通过刀具传 给压电传感器，压 电传感器将切削力 转换为电信号输出， 记录下电信号的变 化便可测得切削力 的变化。 传感器原理及应用传感器原理及应用 压电式传感器的高频响应特别好，只要放大器的高频截止 频率远高于传感器自身的固有频率。那么，传感器的高频响应 完全由自身的机械问题决定，因此，压电式传感器的高频响应 只需考虑传感器的固有频率。

39、1111、振动测试、振动测试 实际测量的振动频率 上限可达几千赫，甚 至达十几千赫。 传感器原理及应用传感器原理及应用 引信由压电元件和起爆装置两部分组成，压电元件安引信由压电元件和起爆装置两部分组成，压电元件安 装在弹丸的头部，起爆装置在弹丸的尾部，通过引线连装在弹丸的头部，起爆装置在弹丸的尾部，通过引线连 接。接。 压电压电 元件元件 RE Sa b炸药 压电元件压电元件 导线导线起爆装置起爆装置 破甲弹上的破甲弹上的 压电引信结构压电引信结构 药型罩药型罩 压电引信是利用压电元件制成的弹丸起爆装置。触发度高、 安全可靠、不需要安装电源系统，常用于破甲弹上 。对弹丸 的破甲能力起着极重要的

40、作用。 电电 雷雷 管管 1212、压电引信、压电引信 传感器原理及应用传感器原理及应用 原理：原理： 平时E（电雷管）处于短路保险安全状态，压电元件即使受 压，产生的电荷会通过电阻放掉，不会触发雷管。 而弹丸一旦发射，起爆装置解除保险状态，开关S从b处断 开与a 接通，处于待发状态。 当弹丸与装甲目标相遇时，碰撞力使压电元件产生电荷， 通过导线将电信号传给电雷管使其引爆，并引起弹丸爆炸， 能量使药型罩融化形成高温高速的金属流将钢甲穿透。 压电压电 元件元件 RE Sa b炸药 压电元件压电元件 导线导线起爆装置起爆装置 破甲弹上的破甲弹上的 压电引信结构压电引信结构 药型罩药型罩 电电 雷雷

41、 管管 传感器原理及应用传感器原理及应用 1.石英晶体在沿机械轴y方向的力作用下会（ ） A产生纵向压电效应 B. 产生横向压电效应 C不产生压电效应 D. 产生逆向压电效应 2.对石英晶体，下列说法正确的是（ ）。 A. 沿光轴方向施加作用力，不会产生压电效应，也没有电荷产生。 B. 沿光轴方向施加作用力，不会产生压电效应，但会有电荷产生。 C. 沿光轴方向施加作用力，会产生压电效应，但没有电荷产生。 D. 沿光轴方向施加作用力，会产生压电效应，也会有电荷产生。 3.压电式传感器目前多用于测量（ ）。 A静态的力或压力 B动态的力或压力 C位移 D温度 传感器原理及应用传感器原理及应用 4.

42、石英晶体和压电陶瓷的压电效应对比正确的是（ ） A. 压电陶瓷比石英晶体的压电效应明显，稳定性也比石英晶体好 B. 压电陶瓷比石英晶体的压电效应明显，稳定性不如石英晶体好 C. 石英晶体比压电陶瓷的压电效应明显，稳定性也比压电陶瓷好 D. 石英晶体比压电陶瓷的压电效应明显，稳定性不如压电陶瓷好 5.两个压电元件相并联与单片时相比说法正确的是（ ） A. 并联时输出电压不变，输出电容是单片时的一半 B. 并联时输出电压不变，电荷量增加了2倍 C. 并联时电荷量增加了2倍，输出电容为单片时2倍 D. 并联时电荷量增加了一倍，输出电容为单片时的2倍 6.在运算放大器放大倍数很大时，压电传感器输入电路

43、中的电荷 放大器的输出电压与（ ）成正比。 A输入电荷 B.反馈电容 C电缆电容 D.放大倍数 传感器原理及应用传感器原理及应用 1、压电材料石英晶体具有各向异性，在沿电轴方向、机 械轴方向力的作用下 压电效应，而沿光轴方向时 则 压电效应。 2、单片压电片的等效电容为C；输出电荷为Q；输出电压 为U；若将相同两片串接后， 则其总参数C1= C，U1= U。并接后，则其总参数C1= C，Q1= Q。 3、压电材料将超声波（机械振动波）转换成电信号是利 用 ；蜂鸣器中发出“嘀嘀”声的 压电片发声原理是利用压电材料的 。 传感器原理及应用传感器原理及应用 5、压电式传感器可以等效为 并联，也可以

44、等效为 串联。 4、压电式传感器的敏感元件压电元件受力时将发 生形变，按其受力及变形方式的不同，一般可分为 变形、 变形、 变形和 变形等几种形式。目前最常 用的是 和 两种。 传感器原理及应用传感器原理及应用 7.5 超声波传感器超声波传感器 传感器原理及应用传感器原理及应用 n 超声波的概念 振动在弹性介质内的传播称为波动。振动在弹性介质内的传播称为波动。 传感器原理及应用传感器原理及应用 纵波质点振动方向与波的传播方向一致的 波，称为纵波。它能在固体、液体和气体固体、液体和气体中传播； 横波质点振动方向垂直于传播方向的波，称为 横波。它只能在固体固体中传播； 表面波质点的振动介于纵波与横

45、波之间，沿着 表面传播，振幅随深度增加而迅速衰减随深度增加而迅速衰减的波，称为 表面波。 测量时多采用纵波测量时多采用纵波 超声波的波形 传感器原理及应用传感器原理及应用 振动方向和波振动方向和波 的传播方向一的传播方向一 致。致。能在固体、能在固体、 液体和气体中液体和气体中 传播。传播。 振动方向和波振动方向和波 的传播方向垂的传播方向垂 直。直。只能在固只能在固 体中传播。体中传播。 传感器原理及应用传感器原理及应用 n表面波振动轨迹是椭圆型，在固体表面波振动轨迹是椭圆型，在固体表面表面传播。传播。 传感器原理及应用传感器原理及应用 超声波的传播速度与介质密度和弹性特性有关。超声波在 气

46、体和液体中传播时，由于不存在剪切应力，所以仅有纵波传 播，其传播速度c为 n B c 1 式中：介质的密度； Ba绝对压缩系数。 上述的、Ba都是温度的函数，所以超声波在介质中的传播 速度随温度的变化而变化。声速随温度的增加而减小。 超声波的声速、波长 传感器原理及应用传感器原理及应用 此外，水质、压强也会引起声速的变化。 在固体中，纵波、横波及其表面波三者的声速有一定的关系， 通常可认为横波声速为纵波的一半，表面波声速为横波声速的 90%。气体中纵波声速为344 m/s，液体中纵波声速在900 1900m/s。 传感器原理及应用传感器原理及应用 超声波波长、频率与速度的关系为： v f 传感

47、器原理及应用传感器原理及应用 超声波的反射和折射 84 。 传感器原理及应用传感器原理及应用 。 传感器原理及应用传感器原理及应用 超声波的衰减 超声波在介质中传播，能量的衰减决定于超声波 的扩散、散射和吸收。 声波扩散引起的衰减 在理想介质中，超声波的衰减仅来自于超声波的 扩散。由于声波扩散能量逐渐分散，使单位面积内超 声波的能量随传播距离的增加而减弱，并且声压强也 随之减弱。 传感器原理及应用传感器原理及应用 散射引起的衰减 声波在传播过程中遇到不同声阻抗介质组成的界面时， 将产生散射， 实际材料的金属结晶组织的不均性或界面 的晶粒粗大引起的散射， 使部分超声波能量以热能的形 式损耗。 介

48、质吸收引起的衰减 由于介质的粘滞性而造成质点间的内摩擦， 从而将 消耗部分声能， 并且介质的热传导及介质的稠密和稀疏 部分之间的热交换都能导致声能的损耗。 传感器原理及应用传感器原理及应用 超声波的衰减 超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能 量逐渐衰减。其声压和声强的衰减规律满足以下函数 关系： 0 x PPe 2 0 x II e 00 PI、 -距声源距声源x=0处的超声波声压和声强处的超声波声压和声强 传感器原理及应用传感器原理及应用 超声波传感器习惯上称超声波传感器习惯上称超声波换能器超声波换能器，或，或超声波探头超声波探头。 超声波探头又分为直探头、斜探头、双探头、表面波超声

49、波探头又分为直探头、斜探头、双探头、表面波 探头、聚焦探头、冲水探头、水浸探头、高温探头、探头、聚焦探头、冲水探头、水浸探头、高温探头、 空气传导探头以及其他专用探头等。空气传导探头以及其他专用探头等。 超声波传感器有超声波传感器有发送器发送器和和接收器接收器。 专用型：发送器用作发送超声波，接收器用作接收超专用型：发送器用作发送超声波，接收器用作接收超 声波。声波。 兼用型：发送接受为同一部件。兼用型：发送接受为同一部件。 传感器原理及应用传感器原理及应用 a）兼用型）兼用型 传感器原理及应用传感器原理及应用 传感器原理及应用传感器原理及应用 各种超声波传感器产品各种超声波传感器产品 传感器

50、原理及应用传感器原理及应用 l压电式超声波传感器结构 主要由压电晶片、吸收块(阻尼块)、 保护膜等组成。 结构：压电晶片、吸收块（阻尼）、结构：压电晶片、吸收块（阻尼）、 保护膜、引线；保护膜、引线； 压电晶片两面镀银，作导线极板。压电晶片两面镀银，作导线极板。 压电晶片为圆形薄片，超声波频率压电晶片为圆形薄片，超声波频率f 与圆片厚度成反比；与圆片厚度成反比； 阻尼块吸收声能，降低机械品质，无阻尼块吸收声能，降低机械品质，无 阻尼时，电脉冲停止晶片会继续振荡，阻尼时，电脉冲停止晶片会继续振荡， 加长脉冲宽度，使分辨率变差。加长脉冲宽度，使分辨率变差。 传感器原理及应用传感器原理及应用 超声波

51、传感器的工作原理超声波传感器的工作原理 发送器：在双压电振子上施加一定频率（发送器：在双压电振子上施加一定频率（40KHz）的）的 电压，通过逆压电效应，将电能转换为机械能，送出电压，通过逆压电效应，将电能转换为机械能，送出 超声波信号；超声波信号； 接收探头：经正压电效应将机械能转换成电信号，转接收探头：经正压电效应将机械能转换成电信号，转 换电路将接收到的信号放大处理。换电路将接收到的信号放大处理。 传感器原理及应用传感器原理及应用 超声波传感器基本电路包括振荡发射电路、检测电路超声波传感器基本电路包括振荡发射电路、检测电路 两部分组成：两部分组成： 超声波传感器发射电路超声波传感器发射电

52、路调整振荡器频率调整振荡器频率 超声波发射电路：超声波发射电路： 由反向器组成由反向器组成RC振荡器，振荡器， 经门电路完成功率放大，经门电路完成功率放大， 经经CP耦合传送给超声波耦合传送给超声波 振子产生超声发射信号。振子产生超声发射信号。 CP电容防止传感器长期电容防止传感器长期 处于直流电压下工作。处于直流电压下工作。 C CP P 传感器原理及应用传感器原理及应用 超声波检测电路：超声波检测电路： 接收到的超声波信号极微接收到的超声波信号极微 弱，需要高增益的放大电路弱，需要高增益的放大电路 用于检测反射波，输出的高用于检测反射波，输出的高 频信号电压接检波、放大、频信号电压接检波、

53、放大、 开关电路输出或报警。开关电路输出或报警。 传感器原理及应用传感器原理及应用 超声波测距集成模块：最大距离超声波测距集成模块：最大距离600cm600cm，最小距离，最小距离2cm2cm 功放功放 40KHz OSC 定时器定时器 前置放大前置放大检波检波平方放大平方放大输出输出 VCC 12V 三位三位LED 显示器显示器 被被 测测 物物 传感器原理及应用传感器原理及应用 接收连续信接收连续信 号号 接收信号被接收信号被 调制调制 延迟时间延迟时间 接收脉冲信号接收脉冲信号 直接传播信直接传播信 号号 （测距） 传感器原理及应用传感器原理及应用 空气超声探头发射超声脉冲，到达被测物时

54、，被反射回来 ，并被另一只空气超声探头所接收。测出从发射超声波脉冲到 接收超声波脉冲所需的时间t，再乘以空气的声速（340m/s）， 就是超声脉冲在被测距离所经历的路程，除以2就得到距离。 超声波测距超声波测距 传感器原理及应用传感器原理及应用 超声波测距集成模块：最大距离超声波测距集成模块：最大距离600cm600cm，最小距离，最小距离2cm2cm 功放功放 40KHz OSC 定时器定时器 前置放大前置放大检波检波平方放大平方放大输出输出 VCC 12V 三位三位LED 显示器显示器 被被 测测 物物 发送电路：发送电路：555构成多谐振荡器，产生构成多谐振荡器，产生40KHz等幅波放大

55、送功放输出；等幅波放大送功放输出； 接收电路：放大、检波，信号处理根据被测物体的距离设定反射脉冲时间，接收电路：放大、检波，信号处理根据被测物体的距离设定反射脉冲时间， 调整振荡器触发时间。定时器控制触发电路和门电路。调整振荡器触发时间。定时器控制触发电路和门电路。 传感器原理及应用传感器原理及应用 40kHz高频信号与高频信号与20Hz周期信号调制成短脉冲群向外发送周期信号调制成短脉冲群向外发送: 周期周期 T=1/20=50ms，超声波在空气中传播速度为：，超声波在空气中传播速度为： 340m/s50ms= 17m，17m/2=850cm 测距通过定时控制电路、触发电路、门电路变换为与距离

56、测距通过定时控制电路、触发电路、门电路变换为与距离 有关的信号有关的信号; 用时钟脉冲对这个信号的发送和接收之间的延迟时间进行用时钟脉冲对这个信号的发送和接收之间的延迟时间进行 计数，计数器的输出值就是检测的距离。计数，计数器的输出值就是检测的距离。 时钟周期时钟周期 T=1/40kHz=25m 340m/s (n25s) = 往返距离往返距离 单程距离单程距离 = 往返距离往返距离/2 传感器原理及应用传感器原理及应用 40kHz高频信号与高频信号与20Hz周期信号周期信号 调制成短脉冲群向外发送调制成短脉冲群向外发送: 周期周期 T=1/20Hz=50ms 超声波在空气中传播速度超声波在空

57、气中传播速度 340m/s50ms= 17m 17m/2=850cm 测距通过定时控制电路、触发电测距通过定时控制电路、触发电 路变换为与距离有关的信号路变换为与距离有关的信号; 用时钟脉冲对这个信号的发送和用时钟脉冲对这个信号的发送和 接收之间的延迟时间进行计数，接收之间的延迟时间进行计数， 计数器的输出值就是检测的距离计数器的输出值就是检测的距离。 时钟周期时钟周期 T=1/40kHz=25S 340m/s (n25S) = 往返距离往返距离 单程距离单程距离 = 往返距离往返距离/2 超声波测距原理时序波形示意图超声波测距原理时序波形示意图 接收信号接收信号 传感器原理及应用传感器原理及

58、应用 超声波检测液位超声波检测液位 h h s h 2a h 2a s 单换能器单换能器 从发射到接收的时间从发射到接收的时间 t = 2h/C 传感器到液面的距离传感器到液面的距离 h = ct/2 双换能器双换能器 经过的路程：经过的路程： 2S = ct 液位高度：液位高度： C - - 超声波在介质超声波在介质 中传播速度中传播速度 22 hsa 传感器原理及应用传感器原理及应用 超声波测厚超声波测厚 脉冲回波法脉冲回波法 / 2vt 优点优点:量程大量程大,无损无损,便携便携; 缺点缺点:测量精度与材料的材质有关测量精度与材料的材质有关 对于声衰很大的材料以及表 面凹凸不平或形状很不

59、规则 的零件，测厚比较困难。 传感器原理及应用传感器原理及应用 手持式超声波测厚仪手持式超声波测厚仪 传感器原理及应用传感器原理及应用 超声波流量计的测量原理是多样的，如传播速度变化超声波流量计的测量原理是多样的，如传播速度变化 法、波速偏移法、多普勒效应法、流动听声法等。目前应法、波速偏移法、多普勒效应法、流动听声法等。目前应 用较广的主要是超声波传输时间差法。用较广的主要是超声波传输时间差法。 传播速度变化法传播速度变化法 超声波在流动介质中传播时，其传输速度与在静止介超声波在流动介质中传播时，其传输速度与在静止介 质中的传播速度不同，其变化量与介质流速有关。测得这质中的传播速度不同，其变

60、化量与介质流速有关。测得这 一变化量就能求得介质的流速，进而求出流量。一变化量就能求得介质的流速，进而求出流量。 超声波流量计超声波流量计 传感器原理及应用传感器原理及应用 设设u为介质流速，为介质流速，C为介质静止时声速。顺流中超声波的为介质静止时声速。顺流中超声波的 传播速度为传播速度为C + u，逆流中超声波的传播速度为，逆流中超声波的传播速度为C - u ，顺流，顺流 和逆流之间速度差与介质流速和逆流之间速度差与介质流速u有关有关 ,测得这一差别可求得流测得这一差别可求得流 速，进而通过计算得到流量值。速，进而通过计算得到流量值。 声波在顺流、逆流中的传播情况声波在顺流、逆流中的传播情