压电型传感器与测量电路

压电型传感器与测量电路第1页，共47页，2023年，2月20日，星期五利用正压电效应，人们制成了加速度传感器等器件。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)。利用电致伸缩效应，人们制作了超声波发生器，用于金属材料探伤等领域。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5-1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5-1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。第2页，共47页，2023年，2月20日，星期五压电材料可以分为两大类：压电晶体和压电陶瓷。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：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，这是衡量压电材料机—电能量转换效率的一个重要参数。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居里点温度：它是指压电材料开始丧失压电特性的温度。第3页，共47页，2023年，2月20日，星期五5.1.2压电材料的加载结构压电式传感器的基本原理就是利用压电材料的压电效应这个特性，即当有力作用在压电材料上时，传感器就有电荷(或电压)输出。单片压电元件产生的电荷量甚微，为了提高压电传感器的输出灵敏度，在实际应用中常采用两片(或两片以上)同型号的压电元件粘结在一起。由于压电材料的电荷是有极性的，因此接法也有两种。如图5-2所示，从作用力看，元件是串接的，因而每片受到的作用力相同，产生的变形和电荷数量大小都与单片时相同。图5-2(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。所以，外力作用下正负电极上的电荷量增加了1倍，电容量也增加了1倍，输出电压与单片时相同。图5-2(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，两压电片中间粘接处正负电荷中和，上、下极板的电荷量与单片时相同，总电容量为单片的一半，输出电压增大了1倍。

第4页，共47页，2023年，2月20日，星期五在上述两种接法中，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场合。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，并且测量电路输入阻抗很高的场合。图5-2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5-3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。第5页，共47页，2023年，2月20日，星期五压电式传感器在测量低压力时线性度不好，这主要是传感器受力系统中力传递系数为非线性所致，即低压力下力的传递损失较大。为此，在力传递系统中加入预加力，称预载。这除了消除低压力使用中的非线性外，还可以消除传感器内外接触表面的间隙，提高刚度。特别是，它只有在加预载后才能用压电传感器测量拉力和拉、压交变力及剪力与扭矩。图5-3压电元件加载方式第6页，共47页，2023年，2月20日，星期五5．2压电式传感器的测量电路5.2.1压电式传感器的等效电路由压电元件的工作原理可知，压电式传感器可以看做一个电荷发生器。同时，它也是一个电容器，晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板，极板间物质等效于一种介质，则其电容量为因此，压电传感器可以等效为一个与电容相串联的电压源。如图5-4(a)所示，电容器上的电压Ua、电荷量q和电容量Ca三者关系为第7页，共47页，2023年，2月20日，星期五压电传感器也可以等效为一个电荷源。如图5-4(b)所示。CaUaCaQ(a)(b)图5-4压电元件的等效电路（a）电压源（b）电流源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5-5所示。图5-5压电传感器的实际等效电路（a）电压源（b）电流源CaUaCaQ(a)(b)CcRaRiCiRiCiCcRa第8页，共47页，2023年，2月20日，星期五5.2.2压电式传感器的测量电路1．电压放大器(阻抗变换器)电压放大器(阻抗变换器)因其电路简单、成本低、工作稳定可靠而被采用。目前解决电缆干扰的有效措施是采用与传感器一体化的超小型阻抗变换器，如图5-6(a)所示，它用于组合一体化压电加速度传感器（ICP型加速度传感器）。这种传感器的信号输出，可采用普通的同轴电缆，二线制传输，中心线接电源正极，屏蔽网接地，这个电路是做在一块专用硅片上，安放在传感器探头中。采用恒流源供电，2～10mA（12～28VDC），其后续仪表电路见图5-7。图5-6阻抗变换器电路图第9页，共47页，2023年，2月20日，星期五图5-6(b)为国产ZK一2型阻抗变换器。电路第一级为MOS场效应源输出器；第二级用3AX构成对输入的负反馈，以进一步提高输入阻抗，降低输出阻抗。两只二极管2CP作过载保护，并有一定的温度补偿作用。其主要性能指标：输入阻抗大于2000MΩ,，输出阻抗小于100Ω，频率范围2Hz～100kHz，电压增益±0.05dB，动态范围200μV～5V。图5-7中，恒流源PS输出的4mA电流（各公司产品存在差异），因隔直电容C的作用，全部要通过加速度传感器的阻抗变换电路。随加速度的变化，阻抗也变化，引起阻抗变换电路两端电压的变化，电压的变化通过电容C，经放大器A输出。当无加速度变化时，输出为零。注意：C与R组成了高通滤波器电路，因此应根据需要合理地选择C、R参数。

图5-7ICP型加速度计测量电路第10页，共47页，2023年，2月20日，星期五2．电荷放大器电路电荷放大器的电路图如图5-8所示。它的特点是，能把压电器件高内阻的电荷源变换为传感器低内阻的电压源，以实现阻抗匹配，并使其输出电压与输入电荷成正比；而且，传感器的灵敏度不受电缆变化的影响。图5-8电荷放大器的具体电路之一图5-8的电荷放大器电路中通过频率fH的上限主要取决于压电元件的Ca、电缆电容Cc和电缆电阻Rc，它们构成第一级低通滤波器，其上限截止频率fH按式（5-3）计算

第11页，共47页，2023年，2月20日，星期五3．压电加速度传感器的集成信号处理电路TB6066FNG是东芝公司生产的振动传感器集成电路，它集成了100MΩ高输入阻抗差分放大器、基准电压源、缓冲放大器、比较器等电路。工作电源电压为2.7～5.5V。FB6066振动传感器电路如图5-9所示。图5-9TB6066FNG压电传感器电路图第12页，共47页，2023年，2月20日，星期五压电式振动传感器S输出信号加到TB6066的1脚、16脚，经差分放大后从14脚输出，C3、R1耦合到运算放大器A3进一步放大后从5脚输出。5脚输出的信号可以送往其他电路，也可以送到6脚与内部的比较器进行电压比较，比较后从7脚输出低电平信号。电路的外部增益调节由R2／R1决定，假设压电式传感器的灵敏度Qs=0.34（Pc/g），R1=10KΩ，R2=100KΩ，欲测加速度最大值为5g。g为作用于传感器上的加速度大小，1g=9.8m/s2。各项阻、容参数的计算如下：

1）计算电容C1，C2（pF）公式中的常数5可能是A3的前级放大器固定增益为5倍，满量程5g时输出电压0.4V。第13页，共47页，2023年，2月20日，星期五5.3压电式传感器的应用5.3.1压电式测力传感器

1．单向力传感器一种用于机床动态切削力测量的单向压电石英力传感器的结构如图5-11所示。压电元件采用xy(即x0°)切型石英晶体，利用其纵向压电效应，实现力一电转换。它用两块晶片(Φ8mm×1mm)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，由于纵向压电效应使石英晶片在电轴方向上出现电荷，两块晶片沿电轴方向并联叠加，负电荷由形电极3输出，压电晶片正电荷一侧与底座连接。两片并联可提高其灵敏度。压力元件弹性变形部分的厚度较薄，其厚度由测力大小决定。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)，可检测高达5000N的动态力，分辨率为10-3N。第14页，共47页，2023年，2月20日，星期五图5-11YDS-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.绝缘材料图5-12双向压电式力传感器（a）双向力传感器；（b）yx切型示意图第15页，共47页，2023年，2月20日，星期五2．双向力传感器双向力传感器基本用于测量垂直分力Fx与切向分力Fy，以及测量互相垂直的两个切向分办，即Fx和Fy。无论哪一种测量，传感器的结构形式相似。图5-12所示为双向压电石英晶片的力传感器结构，两组石英晶片分别测量两个分力，下面一组采用xy(x0°)切型，通过dll实现力一电转换，测量轴向力Fx；上面一组采用yx(y0°)切型，晶片的厚度方向为y轴方向，在平行于x轴的剪切应力σ6(在xy平面内)的作用下，产生厚度剪切变形。所谓厚度剪切变形是指晶体受剪切应力的面与产生电荷的面不共面，如图5-12(b)所示。这一组石英晶体通过d26实现力一电转换来测量Fy。第16页，共47页，2023年，2月20日，星期五5.3.2压电式加速度传感器1．工作原理图5-13所示为压电式加速度传感器的结构原理图。压电元件由两块压电片(石英晶片或压电陶瓷片)组成，在压电片的两个表面上镀银并焊接输出引线，或在两块压电片之间夹金属薄片，输出引线焊接在金属薄片上，输出端的另一根引线直接与传感器基座相连。在压电元件上，以一定的预紧力安装一惯性质量块，整个组件装在一个厚基座的金属壳体中。图5-13压电式加速度传感器第17页，共47页，2023年，2月20日，星期五测量时，通过基座底部的螺孔将传感器与试件刚性地固定在一起，传感器感受与试件相同频率的振动。由于压紧在质量块上的弹簧刚度很大，质量块的质量相对较小，可认为质量块的惯性很小，所以质量块也感受与试件相同的振动。质量块以正比于加速度的交变力作用在压电元件上，压电元件的两个表面就有交变电荷产生，传感器的输出电荷(或电压)与作用力成正比，即与试件的加速度成正比。2．结构形式压电式传感器的结构形式主要有压缩型、剪切型和组合型三种。1)压缩型压缩型压电式加速度传感器的结构如图5-14所示。图5-14(a)为正装中心压缩式，质量块和压电片通过中心螺栓固紧在基座上形成独立的体系，与易受非振动环境干扰的壳体分开，壳体仅起防护和屏蔽作用。第18页，共47页，2023年，2月20日，星期五图5-14(b)为改进型的隔离基座压缩式，图5-14(c)为改进型的倒装中心压缩式，这两种结构都可以避免基座变形影响。图5-14(d)为双筒双屏蔽的新颖结构，除了外壳起屏蔽作用外，预载套筒也起内屏蔽作用。预载套筒横向刚度大，大大提高了传感器的综合刚度和横向抗干扰能力。

图5-14压缩型压电式加速度传感器第19页，共47页，2023年，2月20日，星期五2)剪切型剪切型压电式加速度传感器，是利用压电片受剪切应力而产生压电效应的原理制成的，这类传感器的压电片多采用压电陶瓷。按压电片的结构形式不同，又可分为柱形剪切型、三角剪切型、H剪切型等，其结构如图5-15所示。

图5-15剪切型压电式加速度传感器第20页，共47页，2023年，2月20日，星期五3）应用举例图5-16所示为用压电式加速度传感器探测桥墩水下部位裂纹的示意图。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，将信号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5-16探测桥墩水下部分裂纹示意图图5-16(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5-16(b)所示。若桥墩有缺陷，其力学系统变得更为复杂，激励后的加速度响应曲线将显示出双峰或多峰，如图5-16(c)所示。

第21页，共47页，2023年，2月20日，星期五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第22页，共47页，2023年，2月20日，星期五第23页，共47页，2023年，2月20日，星期五5.4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。第24页，共47页，2023年，2月20日，星期五1．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第25页，共47页，2023年，2月20日，星期五3．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。第26页，共47页，2023年，2月20日，星期五5.4.2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超声波测量液位第27页，共47页，2023年，2月20日，星期五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。第28页，共47页，2023年，2月20日，星期五2．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。

第29页，共47页，2023年，2月20日，星期五如工件中有缺陷，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超声波纵波探伤第30页，共47页，2023年，2月20日，星期五2）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表面波探伤第31页，共47页，2023年，2月20日，星期五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。第32页，共47页，2023年，2月20日，星期五5.4.3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。第33页，共47页，2023年，2月20日，星期五图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第34页，共47页，2023年，2月20日，星期五图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第35页，共47页，2023年，2月20日，星期五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。第36页，共47页，2023年，2月20日，星期五2．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第37页，共47页，2023年，2月20日，星期五图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第38页，共47页，2023年，2月20日，星期五图5-26是超声波发送接收两用电路，用一个超声波传感器发送信号的同时还可以接收信号。

图5-26超声波发送接收两用电路第39页，共47页，2023年，2月20日，星期五3．采用超声波专用集成