第3章 压电型传感器与测量电路111

第三章、压电型传感器与测量电路图:正（顺）压电效应示意图第3章、压电型传感器与测量电路

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，是一种典型的有源传感器。

通过材料受力作用变形时，其表面会有电荷产生而实现非电量测量。在各种动态力、机械冲击与振动测量，以及声学、医学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用。3.1压电效应及压电材料

3.1.1、压电效应及压电材料

某些离子型晶体电介质，当沿着一定方向对其施力而使晶体变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态，这种现象称压电效应。

当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。有时人们把这种机械能转换为电能的现象，称为“正压电效应”。

当在电介质极化方向施加电场，这些电介质也会产生几何变形，这种现象称为“逆压电效应”(电致伸缩效应)。具有压电效应的材料称为压电材料，压电材料能实现机一电能量的相互转换，如图3-1所示。

FF极化面Q压电介质正压电效应逆压电效应T(S)电能Q(E)机械能图3-1压电效应

(a)(b)+-

在自然界中大多数晶体都具有压电效应，但压电效应十分微弱。随着对材料的深入研究，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。二、压电材料及特性压电传感器中的压电元件材料一般有三类：压电晶体（如石英晶体）；经过极化处理的压电陶瓷；高分子压电材料；图:石英晶体(a)晶体外形；(b)切割方向；(c)晶片现象：（a）是在X轴方向受压力，（b）是在X轴方向受拉力，（c）是在Y轴方向受压力，（d）是在Y轴方向受拉力石英晶体的压电机理分析石英的晶体结构为六方晶体系，化学式为SiO2。

定义：x：垂直此轴压电效应最强。称为电轴。y：在电场作用下变形最大，称为机械轴。z：无压电效应，中心轴，也称光轴。当在轴x方向施加作用力时,在与电轴x垂直的平面上将产生电荷,其大小为qx=d11

Fx

式中:d11——x方向受力的压电系数;

Fx——作用力若在同一切片上,沿轴y方向施加作用力Fy,则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qy,其大小为：qy=d12fya/b式中:d12——y轴方向受力的压电系数,d12=-d11;a、b——晶体切片长度和厚度。一种天然晶体，压电系数d11＝2.31×10－12C/N；2、等效电路及信号变换电路压电元件的等效电路；压电式传感器的信号调节电路；1.压电元件的等效电路2.压电式传感器的等效电路

(a)、等效为一个电荷源Q与一个电容Ca并联的电路；(b)、等效成一个电源U=Q/Ca和一个电容Ca的串联电路；3、压电材料的加载结构由于压电材料的电荷是有极性的，因此接法也有两种。图2-2(a)是两个压电片的负端粘结在一起，中间插入的金属电极成为压电片的负极，正电极在两边的电极上。从电路上看，这是并联接法，类似两个电容的并联。图2-2(b)是两压电片不同极性端粘结在一起，从电路上看是串联的。图2-2压电元件的连接方式（a）相同极型端粘接——并联（b）不同极性端粘接——串联两个压电片的联结方式

（a）“并联”，Q’=2Q，U’=U，C’=2C；并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大；适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的地方。（b）“串联”Q’=Q，U’=2U，C’=C/2；而串联接法输出电压大，本身电容小；适宜用于以电压作输出信号，且测量电路输入阻抗很高的地方。

压电式传感器中的压电元件，按其受力和变形方式不同，大致有厚度变形、长度变形、体积变形和厚度剪切变形等几种形式，如图2-3所示。目前最常使用的是厚度变形的压缩式和剪切变形的剪切式两种。图2-3压电元件加载方式压电式传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号。电压放大器电荷放大器2.2、压电式传感器的测量电路（二）压电式传感器的信号调节电路压电式传感器要求负载电阻RL必须有很大的数值，才能使测量误差小到一定数值以内。常先接入一个高输入阻抗的前置放大器，然后再接一般的放大电路及其它电路。压电传感器在实际使用时总要与测量仪器或测量电路相连接，因此还需考虑连接电缆的等效电容Cc，放大器的输入电阻Ri、输入电容Ci以及压电传感器的泄漏电阻Ra。这样一来，压电传感器在测量系统中的实际等效电路如图2-5所示。图2-5压电传感器的实际等效电路（a）电压源（b）电流源(a)(b)CaUaCaQCcRaRiCiRiCiCcRa（1）电压放大器Ca：传感器的电容；Ra：传感器的漏电阻；Cc：连接电缆的等效电容；Ri：放大器的输入电阻；Ci：放大器的输入电容；电压放大器CaCa压电式传感器在与电压放大器配合使用时，连接电缆不能太长。电缆长，电缆电容Cc就大，电缆电容增大必然使传感器的电压灵敏度降低。若压电元件受正弦力F=Fmsinωt的作用，则其电压为:

式中：Um——压电元件输出电压幅值，Um=dFm/Ca；d——压电系数。当作用力是静态力（ω=0）时，前置放大器的输入电压为零。原理上决定了压电式传感器不能测量静态物理量。压电式传感器突出优点：高频响应相当好。

电荷放大器UoRaRiUiCfCcCiCaq

（1+A）CF>>（Ca+Cc+Ci）Ucf=Ui-（-A×Ui）=Ui×（1+A）;Q=Qa+Qc+Qi+Qf=Ui×（Ca+Cc+Ci+（1+A）Cf）1、加速度传感器:压电加速度传感器，如右图所示。使用时，传感器固定在被测物体上，感受该物体的振动，惯性质量块产生惯性力，使压电元件产生变形。压电元件的变形而产生的电荷与加速度成正比。三、压电式传感器的应用压电加速度传感器可以做得很小，重量很轻，故对被测机构的影响就小。压电加速度传感器的频率范围广、动态范围宽、灵敏度高、应用较为广泛。UoRaRiUiCfCcCiCaqU0=q/cf，q∝ka图2-6所示为用压电式加速度传感器探测桥墩水下部位裂纹。通过放电炮的方式使水箱振动(激振器)，桥墩将承受垂直方向的激励，用压电式加速度传感器测量桥墩的响应，压电元件受震动产生电荷。将压电元件受震动产生电荷经电荷放大器进行放大后送入数据记录仪，再将记录下的信号输入频谱分析设备，经频谱分析后就可判定桥墩有无缺陷。图2-6(a)为探测示意图。没有缺陷的桥墩为一坚固整体，加速度响应曲线为单峰，如图2-6(b)所示。若桥墩有缺陷，激励后的加速度响应曲线将显示出双峰或多峰，如图3-6(c)所示。图2-6探测桥墩水下部分裂纹示意图（3）压电式动态力传感器以及在车床中用于动态切削力的测量

三、压电式金属加工切削力测量如图是利用压电陶瓷传感器测量刀具切削力。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Q输出。电荷的变化便测得切削力的变化。U0=q/cf，q∝kF4、压电式测力传感器

压电式测力传感器它用两块晶片作传感元件，被测力通过传力上盖l使石英晶片2沿电轴方向受压力作用，由于正压电效应使石英晶片在电轴方向上出现电荷，两块晶片是并联叠加，负电荷由形电极3输出。两片并联可提高其灵敏度。电荷的变化便测得压力的变化。这种结构的单向力传感器体积小、质量轻(仅10g)，固有频率高（约50～60kHz)。图2-11YDS-781压电式力传感器1.传力上盖；2.石英晶片；3.电极；4.底座；5.电极引出头；6.绝缘材料U0=q/cf，q∝kF压电式传感器的应用压电式测力传感器粘贴位置压电式玻璃破碎报警器。使用时，用瞬干胶将其粘贴在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎的瞬间，压电薄膜感受到剧烈振动，表面产生电荷Q，在两个输出引脚之间产生窄脉冲电压输出，产生报警信号。传感器把振动波转换成电压输出,输出电压经放大、滤波、比较等处理后提供给报警系统。5、压电式玻璃破碎报警器5、压电式玻璃破碎报警器

BS—D2压电式传感器是专门用于检测玻璃破碎的一种传感器,它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。传感器的最小输出电压为100mV,最大输出电压为100V,内阻抗为15～20kΩ。

滤波器的用途

滤波器主要用来滤除信号中无用的频率成分，例如，有一个较低频率的信号，其中包含一些较高频率成分的干扰。1.一阶RC低通滤波器(无源)传递函数：截止频率：幅频特性：0.707H截止频率01|A|1.一阶RC高通滤波器(无源)传递函数：截止频率：幅频特性：+_+_CR

RC高通电路010.707L|A|低通滤波器（LPF）高通滤波器（HPF）带通滤波器（BPF）带阻滤波器（BEF）二.按通带和阻带的相互位置不同分为：ω|A|0ωC通带阻带A0ω|A|0ωCA0通带阻带ω|A|0ωC1A0阻阻ωC2通ω|A|0ωC1A0阻ωC2通通

各种滤波器理想的幅频特性：（1）低通（2）高通（1）带通（1）带阻

可由低通和高通串联得到低通截止频率高通截止频率必须满足三.有源带通滤波器可由低通和高通并联得到必须满足四.有源带阻滤波器带通滤波使玻璃振动频率范围内的输出电压信号通过，其它频段的信号滤除。比较器作用是当传感器输出信号高于设定的阈值时,输出报警信号,驱动报警执行机构工作。如进行声光报警。高分子压电电缆的应用演示将两根高分子压电电缆相距若干米，平行埋设于柏油公路的路面下约5cm，可以用来测量车速及汽车的载重量，并根据存储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。

6、压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用压电式步态分析跑台压电式纵跳训练分析装置压电传感器测量双腿跳的动态力压电式力传感器土层压力传感器压电陀螺仪压电倾斜测量仪5.4超声波传感器及其应用5.4.1超声波的特性人们能听到的声音是由物体振动产生的，它的频率在20Hz～20KHz范围内。频率超过20kHz称为超声波，低于20Hz称为次声波。检测中常用的超声波频率范围为几十kHz到几十MHz。超声波是一种在弹性介质中的机械震荡，它的波形有纵波、横波、表面波三种。质点的振动方向与波的传播方向一致的波称为纵波；质点的振动方向与波的传播方向垂直的波称为横波；质点的振动介于纵波也横波之间，沿着表面传播，振幅随着深度的增加而迅速衰减的波称为表面波。横波、表面波只能在固体中传播，纵波可在固体、液体及气体中传播。超声波具有以下基本性质。1．传播速度超声波的传播速度与介质的密度和弹性特性有关，与环境条件也有关。在液体中传播速度为在气体中，超声波的传播速度与气体种类、压力及温度有关，在空气中传播速度为C=33l.5+0.607t／℃(m/s)(5-9)2．反射和折射现象超声波在通过两种不同的介质时，会产生反射和折射现象，如图5-17所示，有如下的关系：图5-17超声波的折射和反射3．传播中的衰减随着超声波在介质中传播距离的增加，介质吸收能量使超声波强度有所衰减。若超声波进入介质的强度为I0，通过介质后的强度为I，则它们之间的关系为

I=I0e－Ad(5-12)式中，d为介质的厚度；A为介质对超声波能量的吸收系数。介质的密度越小，衰减越快，频率高时则衰减更快。因此，在空气中常采用频率较低的超声波，而在固体、液体中则采用频率较高的超声波。利用超声波的特性，可做成各种超声波传感器(包括超声波的发射和接收)；配上不同的电路，可制成各种超声波仪器及装置，应用于工业生产、医疗、家电等行业中。5.4.2超声波传感器的应用

超声波传感器是一种可逆换能器，它可以将电能转换成机械能(超声波的发射)，也可将机械能转换成电能(超声波接收)。1．超声波传感器在液位测量中的应用超声波的应用主要是利用它的透射和反射特性，利用这种特性，可以测量出液位的高度，常见的液位测量方法如图5-18所示。图5-18超声波测量液位超声波在某一介质中传播速度一定，遇到两种介质分界面时会产生反射现象，所以，只要知道超声波在介质中的传播速度C，测出超声波从开始发射至接收到超声波的这段时间t，就可以计算出超声波行进的距离，从而得出超声波探头到介质面的距离L。图5-18(a)中的测量方法比较简单，精度较高，但用于石油、化工中的液位测量就显得不太方便。此外，这种测量方法对传感器的安全性能要求较高。尤其不适用于那些已经盛装液体的容器。由于化学工业中大部分液体具有易燃、易爆、有毒的特点，所以这种方法很难实现。而图5-18（b）中在容器壳外的测量方法就可以克服上述问题。2．超声波探伤超声波探伤是无损探伤技术中的一种主要检测手段。它主要用于检测板材、管材、锻件和焊缝等材料中的缺陷(如裂缝、气孔、夹渣等)，测定材料的厚度。超声波探伤具有检测灵敏度高、速度快、成本低等优点，因而得到人们普遍的重视，在生产实践中得到广泛应用。超声波探伤方法很多，最常用的是脉冲反射法。脉冲反射法根据超声波波形的不同又分为纵波探伤、横波探伤和表面波探伤。1）纵波探伤纵波探伤使用直探头。测试前，先将探头压在与被测件同材质等厚的无缺陷试件上调整显示屏，使发射脉冲T和回波脉冲B的尖峰图像位于屏幕的两边。测试时探头放于被测工件上，在工件上来回移动进行检测，探头发出的纵波超声波以一定速度向工件内部传播，如工件中没有缺陷，则超声波传到工件底部才发生反射，在显示屏上只出现始脉冲T和底脉冲B，如图5-19（a）所示。

如工件中有缺陷，一部分声脉冲在缺陷处产生反射，另一部分继续传播到工件底面产生反射。在显示屏上除出现始脉冲T和底脉冲B外，还会出现缺陷脉冲F，如图5-19(b)所示。显示屏上的水平亮线为扫描线(时间基线)，其长度与工件的厚度成正比(可调)。通过缺陷脉冲F在显示屏上的位置可确定缺陷在工件中的位置；通过缺陷脉冲的幅度的高低可判断缺陷当量的大小，缺陷面积大，缺陷脉冲幅度就高。移动探头还可确定缺陷大致长度。图5-19超声波纵波探伤2）横波探伤横波探伤法多采用斜探头进行探伤。超声波的一个显著特点是：超声波波束中心线与缺陷截面积垂直时，探头灵敏度最高，但如遇到如图5-20所示的缺陷时，用直探头探测虽然可探测出缺陷存在，但并不能真实反映缺陷大小。如果用斜探头探测，则探伤效果较佳。因此实际应用中，应根据不同缺陷性质、取向，采用不同的探头进行探伤。有些工件的缺陷性质及取向事先不能确定，为了保证探伤质量则应采用几种不同的探头进行多次探测。3）表面波探伤图5-20横波探伤法图5-21表面波探伤表面波探伤主要是检测工件表面附近的缺陷存在与否，如图5-21所示。当超声波的入射角超过一定值后，折射角可达到90°，这时固体表面受到超声波能量引起的交替变化的表面张力作用，质点在介质表面的平衡位置附近做椭圆轨迹振动，这种振动称为表面波。当工件表面存在缺陷时，表面波被反射回探头，可以在显示屏上显示出来。随着电子技术的不断发展，目前所使用的探伤仪大都采用数字显示或点阵液晶显示，并使用单片机进行处理，从而使探伤仪的准确度及精度大大提高。5.4.3超声波测距1．超声波探头针对不同的用途，超声波探头的结构和形式有非常多的变化。多数情况下超声波测距是在空气中进行，为适应对探测范围、探测距离的不同要求，超声波探头也有多种不同的型号。超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用，即为可逆元件。市售的超声渡传感器有专用型和兼用型，专用型就是发送器用作发送超声波，接收器用作接收超声波；兼用型就是发送器(接收器)即可发送超声波(接收超声波)，又可接收超声波(发送超声波)。市售超声波传感器的谐振频率(中心频率)为23kHz，40kHz，75kHz，200kHz，400kHz等。在谐振频率上有最高的发射功率，谐振频率变高，则检测距离变短，分解力也变高。图5-22是超声波传感器结构实例。它采用双晶振子，即把双压电陶瓷片以相反极化方向粘在一起，在长度方向上，一片伸长，另一片就缩短。在双晶振子的两面涂敷簿膜电极，其上面用引线通过金属板(振动板)接到一个电极端，下面用引线直接接到另一个电极端。双晶振子为正方形，正方形的左右两边由圆弧形凸起部分支撑着，这两处的支点就成为振子振动的节点。金属板的中心有圆锥形振子，发送超声波时，圆锥形振子有较强的方向性；高效率地发送超声波；接收超声波时，超声波的振动集中于振子的中心，高效应地产生高频电压。图5-22超声波传感器的结构图5-23是采用双晶振子的超声波传感器的工作原理示意图。若在发送器的双晶振子上施加40KHz的高频电压，压电陶瓷片a、b就根据所加的高频电压极性伸长与缩短，于是就发送40kHz频率的超声波。超声波以疏密波形式传播，送给超声波接收器就被其接收。超声波接收器是利用压电效应的原理，则产生一面为正极，另一面为负极的电压。当然这种电压非常小。要用放大器进行放大。

图5-23超声波传感器工作原理示意图a）通用型超声波传感器通用型超声波传感器的带宽一般为几KHz，具有选频特性。频带窄，灵敏度较高，抗干扰性强。接收传感器与发送传感器是分开使用的。b）宽带型超声波传感器宽带型超声波传感器具有二个谐振频率，所以可兼作发送传感器和接收传感器。在较宽的频带内，都具有较高的灵敏度。c）密封型超声波传感器密封型超声波传感器主要用于室外，如汽车防撞、汽车测速等场合。d）高频型超声波传感器低频超声波的散射角较大，探测范围宽，探测距离较远。当遇到尺寸小于半波长的物体时会发生绕射，对于细小物体的探测就需要高频型超声波传感器。高频型超声波传感器的中心频率高于100kHz，指向性窄，可以进行较高分辨率的测量。2．超声波传感器的基本电路图5-24是采用脉冲变压器的超声波振荡电路实例。电路中用NPN晶体管VT放大频率可调的振荡器OSC的输出信号，放大的信号经脉冲变压器T升压为较高的交流电压供给超声波传感器MA40S2S。超声波传感器MA40S2S产生40kHz能量的超声波。图5-24采用脉冲变压器的超声波振荡电路图5-25是采用运放的超声波接收电路，电路增益较高。电路输出为高频电压，实际上后面还要接检波电路，放大电路以及开关电路等。

图5-25采用运放的超声波接收电路图5-26是超声波发送接收两用电路，用一