压电式传感器与超声波传感器

1、 压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应，是典型的有源传感器。压电效应，是典型的有源传感器。当某些材料受力作用而变形时，其表面会有电荷产当某些材料受力作用而变形时，其表面会有电荷产生，从而实现非电量测量。生，从而实现非电量测量。 压电式传感器具有体积小，重量轻，工作频带宽、压电式传感器具有体积小，重量轻，工作频带宽、灵敏度高、工作可靠、测量范围广等特点，因此在灵敏度高、工作可靠、测量范围广等特点，因此在各种动态力、各种动态力、 机械冲击与振动的测量，以及声学、机械冲击与振动的测量，以及声学、医学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用。医学

2、、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用。概述1.压电式传感器压电式传感器 某些晶体，当沿着一定方向受到外力作用而某些晶体，当沿着一定方向受到外力作用而变形时，内部产生极化现象，而在其表面产生电变形时，内部产生极化现象，而在其表面产生电荷，当去掉外力后，又重新回到不带电状态；这荷，当去掉外力后，又重新回到不带电状态；这种将机械能转换成电能的现象，称为正压电效应，种将机械能转换成电能的现象，称为正压电效应，又称为压电效应。又称为压电效应。 当作用力方向改变，电荷的极性也随着改变；当作用力方向改变，电荷的极性也随着改变； 晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。晶体受力所产生的电荷量与外力的大小

3、成正比。压电效应及压电材料压电效应及压电材料 石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。的压电材料。 压电材料可以分为两大类：压电材料可以分为两大类：压电晶体和压电陶瓷压电晶体和压电陶瓷。前者为晶体，后者为极化处理的多晶体。前者为晶体，后者为极化处理的多晶体。 他们都具有较大的压电常数，机械性能良好，时他们都具有较大的压电常数，机械性能良好，时间稳定性好，温度稳定性好等特性，所以是较理间稳定性好，温度稳定性好等特性，所以是较理想的压电材料。想的压电材料。u压电材料的主要特性参数有：压电材料的主要特性参数有： （1 1） 压电常数：压电常数是

4、衡量材料压电效应强压电常数：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的灵敏度。弱的参数，它直接关系到压电输出的灵敏度。（2 2） 弹性常数：压电材料的弹性常数、弹性常数：压电材料的弹性常数、 刚度决定刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。着压电器件的固有频率和动态特性。（3 3） 介电常数：对于一定形状、尺寸的压电元件，介电常数：对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容与介电常数有关；而固有电容又影响其固有电容与介电常数有关；而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。着压电传感器的频率下限。 (4 (4） 机械耦合系数：在压电效应中，其值等于转换机械耦合系数：在压电效应中，其

5、值等于转换（5 5）电阻压电材料的绝缘电阻：将减少电荷泄漏，）电阻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。从而改善压电传感器的低频特性。（6 6） 居里点：压电材料开始丧失压电特性的温度居里点：压电材料开始丧失压电特性的温度称为居里点。称为居里点。 压电材料应具备以下几个主要特性：压电材料应具备以下几个主要特性： 转换性能。要求具有较大的压电常数。转换性能。要求具有较大的压电常数。 机械性能。机械强度高、刚度大。机械性能。机械强度高、刚度大。 电性能。高电阻率和大介电常数。电性能。高电阻率和大介电常数。 环境适应性。温度和湿度稳定性要好，要求具环境适应性。温度和湿度稳

6、定性要好，要求具有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。 时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。图4-21 压电效应示意图(a)纵向压电效应 (b)横向压电效应 (c)切向压电效应 石英晶体内部存在石英晶体内部存在3种正压电效应：种正压电效应：纵向压纵向压电效应、横向压电效应、切向压电效应。电效应、横向压电效应、切向压电效应。 下图是几种压电效应的示意图。下图是几种压电效应的示意图。(1) 纵向压电效应纵向压电效应 当晶体材料受到当晶体材料受到X方向压力时，在方向压力时，在X方向产生正压电效应，方向产生正压电效应，而

7、而Y、Z方向则不产生压电效应，称为纵向压电效应。方向则不产生压电效应，称为纵向压电效应。 纵向压电效应使晶面产生的电荷量和外力成正比而与黄纵向压电效应使晶面产生的电荷量和外力成正比而与黄意璧的晶片几何尺寸无关。意璧的晶片几何尺寸无关。 (2)横向压电效应横向压电效应 当晶体受到沿当晶体受到沿Y方向施加的压力时，电荷仍在垂直于方向施加的压力时，电荷仍在垂直于X轴的平面上出现，称为横向压电效应。轴的平面上出现，称为横向压电效应。 电荷量不仅与的力大小有关，也与晶片的几何尺寸有关电荷量不仅与的力大小有关，也与晶片的几何尺寸有关(3)切向压电效应切向压电效应 当沿晶片相对两平面施加外力时，晶体表面便产

8、生电荷，当沿晶片相对两平面施加外力时，晶体表面便产生电荷，这种现象称为切向压电效应。这种现象称为切向压电效应。 在几百摄氏度的温度范围内，其介电常数和压电在几百摄氏度的温度范围内，其介电常数和压电系数几乎不随温度而变化。但是当温度升高到系数几乎不随温度而变化。但是当温度升高到573时，石英晶体将完全丧去压电特性，这就是时，石英晶体将完全丧去压电特性，这就是它的居里点。它的居里点。 石英晶体的突出优点是性能非常稳定，它有很大石英晶体的突出优点是性能非常稳定，它有很大的机械强度和稳定的机械性能。但石英材料价格的机械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多。因此一般昂贵，

9、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。仅用于标准仪器或要求较高的传感器中。 石英晶体有天然和人工培养两种类型。人工培养石英晶体有天然和人工培养两种类型。人工培养的石英晶体的物理和化学性质几乎与天然石英晶的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，因此目前广泛应用成本较低的人造体没有区别，因此目前广泛应用成本较低的人造石英晶体。石英晶体。 因为石英是一种各向异性晶体，因此，按不同方因为石英是一种各向异性晶体，因此，按不同方向切割的晶片，其物理性质（如弹性、压电效应、向切割的晶片，其物理性质（如弹性、压电效应、温度特性等）相差很大。在设计石英传感器时，温

10、度特性等）相差很大。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切型。应根据不同使用要求正确地选择石英片的切型。 压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料，内部压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料，内部晶粒有许多自发极化的电畴，有一定的极化方向，从晶粒有许多自发极化的电畴，有一定的极化方向，从而存在电场。而存在电场。 在无外电场作用时在无外电场作用时, 电畴在晶体中杂乱分布电畴在晶体中杂乱分布, 它它们的极化效应被相互抵消们的极化效应被相互抵消, 压电陶瓷内极化强度为零。压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性因此原始的压电陶瓷呈中性, 不具有压电性质。不具有压电性质。 极化处理后

11、陶瓷材料内部存在很强的剩余极化极化处理后陶瓷材料内部存在很强的剩余极化, 当陶瓷材料受到外力作用时当陶瓷材料受到外力作用时, 电畴的界限发生移电畴的界限发生移动动, 电畴发生偏转电畴发生偏转, 从而引起剩余极化强度的变化从而引起剩余极化强度的变化, 因而在垂直于极化方向的平面上将出现极化电荷因而在垂直于极化方向的平面上将出现极化电荷的变化。这种因受力而产生的由机械效应转变为的变化。这种因受力而产生的由机械效应转变为电效应电效应, 将机械能转变为电能的现象将机械能转变为电能的现象, 就是压电陶就是压电陶瓷的正压电效应。电荷量的大小与外力成正比关瓷的正压电效应。电荷量的大小与外力成正比关系系: q

12、 = d33 F 式中式中: d33 压电陶瓷的压电系数压电陶瓷的压电系数; F作用力。作用力。 压电陶瓷主要有以下几种：压电陶瓷主要有以下几种： 1. 钛酸钡压电陶瓷钛酸钡压电陶瓷 钛酸钡（钛酸钡（BaTiO3）是由碳酸钡（）是由碳酸钡（BaCO3）和二氧）和二氧化钛（化钛（TiO2）按）按1：1分子比例在高温下合成的压分子比例在高温下合成的压电陶瓷。电陶瓷。 它具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为它具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为石英晶体的石英晶体的50倍）。不足之处是居里点温度低倍）。不足之处是居里点温度低（120），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。），温度稳定性和机械强度

13、不如石英晶体。 锆钛酸铅是由锆钛酸铅是由PbTiO3 （钛酸铅（钛酸铅 ）和）和PbZrO3（锆（锆酸铅酸铅 ）组成的固溶体）组成的固溶体Pb（Zr、Ti）O3。它与钛酸。它与钛酸钡相比，压电系数更大，居里点温度在钡相比，压电系数更大，居里点温度在300以上，以上，各项机电参数受温度影响小，时间稳定性好。此各项机电参数受温度影响小，时间稳定性好。此外，在锆钛酸中添加一种或两种其它微量元素外，在锆钛酸中添加一种或两种其它微量元素（如铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性（如铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的能的PZT材料。因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前材料。因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电

14、式传感器中应用最广泛的压电材料。压电式传感器中应用最广泛的压电材料。 压电半导体材料有压电半导体材料有ZnO、CdS（硫化镉（硫化镉 ） 、CdTe（碲化镉（碲化镉 ）等，这种力敏器件具有灵敏度高，响）等，这种力敏器件具有灵敏度高，响应时间短等优点。此外用应时间短等优点。此外用ZnO作为表面声波振荡作为表面声波振荡器的压电材料，可检测力和温度等参数。器的压电材料，可检测力和温度等参数。 某些合成高分子聚合物薄膜经延展拉伸和电场极某些合成高分子聚合物薄膜经延展拉伸和电场极化后，具有一定的压电性能，这类薄膜称为高分化后，具有一定的压电性能，这类薄膜称为高分子压电薄膜。目前出现的压电薄膜有聚二氟乙烯

15、子压电薄膜。目前出现的压电薄膜有聚二氟乙烯PVF2、聚氟乙烯、聚氟乙烯PVF、聚氯乙烯、聚氯乙烯PVC、聚、聚甲基甲基-L谷氨酸脂谷氨酸脂PMG等。高分子压电材料是一种柔软等。高分子压电材料是一种柔软的压电材料，不易破碎，可以大量生产和制成较的压电材料，不易破碎，可以大量生产和制成较大的面积。大的面积。压电式传感器的应用压电式传感器的应用 根据压电传感器所检测的非电量种类，压根据压电传感器所检测的非电量种类，压电传感器的典型结构有压电式力传感器压电传感器的典型结构有压电式力传感器压电式压力传感器、压电式加速度传感器以及电式压力传感器、压电式加速度传感器以及压电式声发射传感器等。压电式声发射传感

16、器等。压电陶瓷驱动器 压电陶瓷超声传感器 压电陶瓷超声雾化片 压电陶瓷蜂鸣片 压电陶瓷大功率超声换能器 一次性塑料打火机 基座1 .压电式加速度传感器压电式加速度传感器 壳体预紧弹簧质量块压电片基座压电加速度传感器又称压电加速度计或压电加速压电加速度传感器又称压电加速度计或压电加速度表。度表。压电加速度传感器广范用于检测导弹，飞机，车压电加速度传感器广范用于检测导弹，飞机，车辆等的冲击和振动辆等的冲击和振动 当振动频率远低于传感器的固有共振频率时当振动频率远低于传感器的固有共振频率时,传感器传感器的输出电荷的输出电荷(电压电压)与作用力成正比。电信号经前与作用力成正比。电信号经前置放大器放大置

17、放大器放大,即可由一般测量仪器测试出电荷即可由一般测量仪器测试出电荷(电压电压)大小大小,从而得知物体的加速度。从而得知物体的加速度。 采用不同的结构设计和选用不同性能的压电材料采用不同的结构设计和选用不同性能的压电材料,可可以得到满足各种使用要求的压电加速度传感器。以得到满足各种使用要求的压电加速度传感器。2 压电谐振式传感器压电谐振式传感器 压电谐振式传感器是利用压电晶体谐振器的共振压电谐振式传感器是利用压电晶体谐振器的共振频率随被测物理量变化而变化进行测量的。频率随被测物理量变化而变化进行测量的。可用于测应力，应变，压力，可用于测应力，应变，压力，角速度，加速度，温度，湿度，角速度，加速

18、度，温度，湿度，流速及浓度等物理量，以数字流速及浓度等物理量，以数字输出。输出。压电晶体振荡电路 压电式压力传感器由石英晶片、膜片、薄壁管、外壳等压电式压力传感器由石英晶片、膜片、薄壁管、外壳等组成。石英晶片由多片叠放在薄壁管内，并由拉紧的薄壁管组成。石英晶片由多片叠放在薄壁管内，并由拉紧的薄壁管对石英晶片加预载力。感受外部压力的是位于外壳和薄壁管对石英晶片加预载力。感受外部压力的是位于外壳和薄壁管之间的膜片。膜片式压力传感器的优点是动静态特性好，结之间的膜片。膜片式压力传感器的优点是动静态特性好，结构紧凑。构紧凑。3. 压电式压力传感器压电式压力传感器芯体外壳晶片组电极预紧筒膜片4、 压电式

19、玻璃破碎报警器压电式玻璃破碎报警器 利用压电元件对振动敏感的特性来感知玻璃受撞利用压电元件对振动敏感的特性来感知玻璃受撞击和破碎时产生的振动波。传感器把振动波转换击和破碎时产生的振动波。传感器把振动波转换成电压输出成电压输出 输出电压经放大、输出电压经放大、 滤波、滤波、 比较等处比较等处理后提供给报警系统。理后提供给报警系统。 传感传感器的最小输出电压为器的最小输出电压为 100 mV, 最大输出最大输出电压为电压为 100 V, 内阻抗为内阻抗为 1520 k。 使用时传感器用胶粘贴在玻璃上使用时传感器用胶粘贴在玻璃上, 然后通过电缆和报警然后通过电缆和报警电路相连。为了提高报警器的灵敏度

20、电路相连。为了提高报警器的灵敏度, 信号经放大后信号经放大后, 需经需经带通滤波器进行滤波。带通滤波器进行滤波。 由于玻璃振动的波长在音频和超声波的范围内由于玻璃振动的波长在音频和超声波的范围内, 这就使这就使滤波器成为电路中的关键。当传感器输出信号高于设定的滤波器成为电路中的关键。当传感器输出信号高于设定的阈值时阈值时, 才才会输出报警信号会输出报警信号, 驱动报警执行机构工作。驱动报警执行机构工作。 2.超声波传感器超声波传感器 超声波传感器（超声波探头），是实现声电转换超声波传感器（超声波探头），是实现声电转换的装置（超声换能器）；能够发射超声波，也可的装置（超声换能器）；能够发射超声波

21、，也可以接收超声回波，并转换成电信号。以接收超声回波，并转换成电信号。声波：频率在频率在202104Hz之间，能为人耳所闻的机械波；之间，能为人耳所闻的机械波；次声波：低于低于20Hz的机械波；的机械波；超声波：高于高于2104Hz的机械波；的机械波； 当超声波由一种介质入射到另一种介质时，由于在两种当超声波由一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介质中的传播速度不同，在异质界面上会产生介质中的传播速度不同，在异质界面上会产生反射、折射等等现象。现象。 一、超声波传感器原理与种类一、超声波传感器原理与种类 压电陶瓷超声波传感器结构：由两个压电元件叠压电陶瓷超声波传感器结构：由两个压电元件叠合在

22、一起构成。两个压电元件结构称双压电晶片，合在一起构成。两个压电元件结构称双压电晶片，一个压电元件结构称单压电晶片。如果超声波入一个压电元件结构称单压电晶片。如果超声波入射到压电晶片上，压电元件就会产生电压。反之，射到压电晶片上，压电元件就会产生电压。反之，把电压加到压电元件上也会产生超声波。把电压加到压电元件上也会产生超声波。二、超声波传感器结构二、超声波传感器结构三、超声波传感器等效电路三、超声波传感器等效电路等效LCR串并联谐振电路容性感性串联谐振频率并联谐振频率四、超声波传感器类型四、超声波传感器类型 通用型超声波传感：带宽一般为几千赫磁；带宽一般为几千赫磁； 宽带型超声波传感器：宽带型

23、超声波传感器在工作带宽内宽带型超声波传感器在工作带宽内具有两个谐振频率，其频率特性相当于两种传感器的组合，具有两个谐振频率，其频率特性相当于两种传感器的组合，在很宽频带范围内具有较高灵敏度；在很宽频带范围内具有较高灵敏度； 密封型超声波传感器：密封型超声波传感器对环境的适应密封型超声波传感器对环境的适应性较强，可应用于汽车后方检测物体的装置；性较强，可应用于汽车后方检测物体的装置； 高频型超声波传感器：中心频率高于中心频率高于100kHz。五、超声波传感器驱动及接收电路五、超声波传感器驱动及接收电路 与晶体振荡一样，利用传感器本身的谐振特性在谐与晶体振荡一样，利用传感器本身的谐振特性在谐振频率

24、附近产生振荡的电路。振频率附近产生振荡的电路。 检测的反射波从发射到接收要经过一段距离，能量衰检测的反射波从发射到接收要经过一段距离，能量衰减较大，接收到的信号极其微弱，转换成电压后一般最大减较大，接收到的信号极其微弱，转换成电压后一般最大约约1V，最小约，最小约1mV；因此一股要接高增益放大器、高速运；因此一股要接高增益放大器、高速运放，精度与失真度也有一定的要求。如果一级运放增益不放，精度与失真度也有一定的要求。如果一级运放增益不够，可再增加一级，每级运放的增益小于够，可再增加一级，每级运放的增益小于100倍即可。倍即可。 采用运放的接收电路采用运放的接收电路LM733的增益，可设的增益，

25、可设定为定为l0、100、400倍，倍，但增益越高，输入阻但增益越高，输入阻抗越低，一般使用设抗越低，一般使用设为为100倍。倍。LM733的输入、输出都为差动式，为把差动输出电压变的输入、输出都为差动式，为把差动输出电压变为单端输出电压，采用了增益为为单端输出电压，采用了增益为20倍的变压器倍的变压器Tl。电路。电路中中VD1、VD2及稳压管及稳压管VD3、VD4用于保护。电路中用于保护。电路中T1也可用运放替代。也可用运放替代。 采用采用LM733视频放大器的接收电路视频放大器的接收电路1、超声测距、超声测距超声测距原理：超声测距原理：2/ctd 被测距离被测距离:c - 声速声速 t -

26、 往返飞行时间往返飞行时间应用：适于大目标、近距离、一般精度测距应用：适于大目标、近距离、一般精度测距 手持测距仪手持测距仪 - 盲人导盲盲人导盲 汽车倒车雷达汽车倒车雷达 - 汽车安全汽车安全 工业应用工业应用 - 超声测量液位、物位超声测量液位、物位特点：超声波束发散，测量范围小特点：超声波束发散，测量范围小 波束聚焦困难，测量精度低波束聚焦困难，测量精度低 测量目标不能太小；测量目标不能太小； 超生探头超生探头被测目标被测目标六、超声波传感器应用六、超声波传感器应用发送器：由门电路、缓冲器以及脉冲变压器的升压电路组成。用20Hz调制40kHz的高频信号加到脉冲变压器上，经脉冲变压器升压，得到较高的脉冲电压供给超声波传感器，传感器获得的能量以声能形式辐射出去。 接收器：由二极管