压电式传感器与超声波传感器

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。

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。

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，因此在各种动态力、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。概述1.压电式传感器某些晶体，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，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；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。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的压电材料。压电材料可以分为两大类：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。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，所以是较理想的压电材料。压电材料的主要特性参数有：

（1）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。（2）弹性常数：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。（3）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；而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。

(4）机械耦合系数：在压电效应中，其值等于转换（5）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。（6）居里点：压电材料开始丧失压电特性的温度称为居里点。压电材料介绍压电材料应具备以下几个主要特性：①转换性能。要求具有较大的压电常数。②机械性能。机械强度高、刚度大。③电性能。高电阻率和大介电常数。④环境适应性。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。⑤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3种正压电效应：纵向压电效应、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。（1）

石英晶体(1)纵向压电效应当晶体材料受到X方向压力时，在X方向产生正压电效应，而Y、Z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意璧的晶片几何尺寸无关。(2)横向压电效应当晶体受到沿Y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。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。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573℃时，石英晶体将完全丧去压电特性，这就是它的居里点。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石英晶体。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、温度特性等）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。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，从而存在电场。在无外电场作用时,电畴在晶体中杂乱分布,它们的极化效应被相互抵消,压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性,不具有压电性质。（2）压电陶瓷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,电畴的界限发生移动,电畴发生偏转,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的变化。这种因受力而产生的由机械效应转变为电效应,将机械能转变为电能的现象,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系:q=d33F式中:d33——

压电陶瓷的压电系数;F——作用力。压电陶瓷主要有以下几种：1.钛酸钡压电陶瓷钛酸钡（BaTiO3）是由碳酸钡（BaCO3）和二氧化钛（TiO2）按1：1分子比例在高温下合成的压电陶瓷。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50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。2.锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT）锆钛酸铅是由PbTiO3（钛酸铅

）和PbZrO3（锆酸铅

）组成的固溶体Pb（Zr、Ti）O3。它与钛酸钡相比，压电系数更大，居里点温度在300℃以上，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（如铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的PZT材料。因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式传感器中应用最广泛的压电材料。（3）新型压电材料1.压电半导体材料压电半导体材料有ZnO、CdS（硫化镉

）、CdTe（碲化镉）等，这种力敏器件具有灵敏度高，响应时间短等优点。此外用ZnO作为表面声波振荡器的压电材料，可检测力和温度等参数。2.高分子压电材料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PVF、聚氯乙烯PVC、聚γ甲基-L谷氨酸脂PMG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大的面积。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压电式声发射传感器等。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度表。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当振动频率远低于传感器的固有共振频率时,传感器的输出电荷(电压)与作用力成正比。电信号经前置放大器放大,即可由一般测量仪器测试出电荷(电压)大小,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,可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。可用于测应力，应变，压力，角速度，加速度，温度，湿度，流速及浓度等物理量，以数字输出。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。3.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输出电压经放大、滤波、比较等处理后提供给报警系统。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。使用时传感器用胶粘贴在玻璃上,然后通过电缆和报警电路相连。为了提高报警器的灵敏度,信号经放大后,需经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,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阈值时,才会输出报警信号,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，也可以接收超声回波，并转换成电信号。声波：频率在20～2×104Hz之间，能为人耳所闻的机械波；次声波：低于20Hz的机械波；超声波：高于2×104Hz的机械波；当超声波由一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介质中的传播速度不同，在异质界面上会产生反射、折射等现象。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。二、超声波传感器结构三、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、超声波传感器类型通用型超声波传感：带宽一般为几千赫磁；宽带型超声波传感器：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，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100kHz。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，能量衰减较大，接收到的信号极其微弱，转换成电压后一般最大约1V，最小约1mV；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够，可再增加一级，每级运放的增益小于100倍即可。采用运放的接收电路LM733的增益，可设定为l0、100、400倍，但增益越高，输入阻抗越低，一般使用设为100倍。LM733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20倍的变压器Tl。电路中VD1、VD2及稳压管VD3、VD4用于保护。电路中T1也可用运放替代。采用LM733视频放大器的接收电路1、超声测距超声测距原理：被测距离:c---声速t---往返飞行时间应用：适于大目标、近距离、一般精度测距手持测距仪---盲人导盲汽车倒车雷达---汽车安全工业应用---超声测量液位、物位特点：超声波束发散，测量范围小波束聚焦困难，测量精度低测量目标不能太小；

超生探头被测目标六、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：由二极管钳位电路以及交流放大器等组成，发送接收信号共用一个超声传感器。2、超声波测厚度主控制器控制发射电路，使探头发出的超声波到达被测物体底面反射回来，该脉冲信号又被探头接收，经放大器放大加到示波器垂直偏转板上标记发生器输出时间标记脉冲信号，同时加到该垂直偏转板上被测体的厚度h为h=ct/2式中c——超声波的传播速度。3、超声波测液位

图示为脉冲回波式测量液位的工作原理图。黄意璧的探头发出的脉冲通过介质到达液面，经液面反射后