壓電式傳感器VIP

第6章壓電式傳感器 壓電式傳感器是一種有源的雙向機(jī)電傳感器 它的工作原理是基于壓電材料的壓電效應(yīng) 石英晶體的壓電效應(yīng)早在1680年即已發(fā)現(xiàn) 1948年制作出第一個(gè)石英傳感器 下頁 返回 第6章壓電式傳感器 6 1壓電轉(zhuǎn)換元件的工作原理 壓電效應(yīng)6 2影響壓電傳感器的因素6 3壓電材料6 4等效電路6 5測(cè)量電路6 6壓電式傳感器的應(yīng)用舉例6 7新型壓電材料及應(yīng)用6 8超聲波傳感器原理及應(yīng)用本章要點(diǎn) 下頁 上頁 返回 6 1壓電轉(zhuǎn)換元件的工作原理 某些晶體或多晶陶瓷 當(dāng)沿著一定方向受到外力作用時(shí) 內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象 同時(shí)在某兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷 當(dāng)外力去掉后 又恢復(fù)到不帶電狀態(tài) 當(dāng)作用力方向改變時(shí) 電荷的極性也隨著改變 晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比 上述現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng) 反之 如對(duì)晶體施加一定變電場(chǎng) 晶體本身將產(chǎn)生機(jī)械變形 外電場(chǎng)撤離 變形也隨著消失 稱為逆壓電效應(yīng) 下頁 上頁 返回 6 1壓電轉(zhuǎn)換元件的工作原理 壓電式傳感器大都是利用壓電材料的壓電效應(yīng)制成的 在電聲和超聲工程中也有利用逆壓電效應(yīng)制作的傳感器 壓電轉(zhuǎn)換元件受力變形的狀態(tài)可分為圖6 1所示的幾種基本形式 但由于壓電晶體的各向異性 并不是所有的壓電晶體都能在這幾種變形狀態(tài)下產(chǎn)生壓電效應(yīng) 例如石英晶體就沒有體積變形壓電效應(yīng) 但它具有良好的厚度變形和長(zhǎng)度變形壓電效應(yīng) 下頁 上頁 返回 6 1壓電轉(zhuǎn)換元件的工作原理 壓電方程和壓電常數(shù)矩陣壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng) 某些晶體或多晶陶瓷受到外力作用時(shí) 內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象 表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷的現(xiàn)象 逆壓電效應(yīng) 如對(duì)晶體施加一定電場(chǎng) 晶體本身將產(chǎn)生機(jī)械變形的現(xiàn)象 下頁 上頁 返回 6 1壓電轉(zhuǎn)換元件的工作原理 天然石英晶體的結(jié)構(gòu)外形光軸 Z軸 晶體的對(duì)稱軸 光線沿Z軸通過晶體不產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象 且無壓電效應(yīng) 電軸 X軸 與該壓軸垂直的面 壓電效應(yīng)最為顯著 機(jī)械軸 Y軸 在外電場(chǎng)作用時(shí) 在此軸上產(chǎn)生的機(jī)械變形最大 下頁 上頁 返回 6 1壓電轉(zhuǎn)換元件的工作原理 壓電方程 壓電效應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式壓電效應(yīng) 晶體表面上產(chǎn)生的電荷與外力作用大小成正比 精確表達(dá)式式中 dij是壓電常數(shù) 單位為 C N Pi是電荷的表面密度 單位為 C cm2 i是單位面積上的作用力 應(yīng)力 單位為 N cm2 下頁 上頁 返回 6 1壓電轉(zhuǎn)換元件的工作原理 壓電常數(shù)矩陣 下頁 上頁 返回 一般情況下壓電方程 6 1壓電轉(zhuǎn)換元件的工作原理 石英晶體壓電效應(yīng)機(jī)理 下頁 上頁 返回 6 1壓電轉(zhuǎn)換元件的工作原理 下頁 上頁 返回 6 1壓電轉(zhuǎn)換元件的工作原理 下頁 上頁 返回 6 1壓電轉(zhuǎn)換元件的工作原理 下頁 上頁 返回 6 1壓電轉(zhuǎn)換元件的工作原理 下頁 上頁 返回 壓電陶瓷壓電效應(yīng)機(jī)理壓電陶瓷是一種經(jīng)過極化處理的人工多晶鐵電體 多晶 由無數(shù)細(xì)微單晶組成 鐵電體 具有電疇結(jié)構(gòu) 電疇 分子自發(fā)形成的極化方向相同的小區(qū)域 6 1壓電轉(zhuǎn)換元件的工作原理 下頁 上頁 返回 極化處理 在一定溫度下 以強(qiáng)電場(chǎng)使 電疇 規(guī)則排列 余下了很強(qiáng)的剩余極化 壓電陶瓷材料表面出現(xiàn)束縛電荷 吸附空氣中的自由電荷 形成壓電陶瓷 壓電常數(shù)矩 注意事項(xiàng) 極化面在Z軸 而X Y軸各向同性 6 1壓電轉(zhuǎn)換元件的工作原理 下頁 上頁 返回 壓電陶瓷與石英晶體比較壓電陶瓷效果顯著 6 2影響壓電式傳感器主要因數(shù) 橫向靈敏度橫向靈敏度是衡量橫向干擾效應(yīng)的指標(biāo) 一只理想的單軸壓電傳感器 應(yīng)該僅敏感其軸向的作用力 而對(duì)橫向作用力不敏感 產(chǎn)生原因是壓電片制造得作用面不平行 粗糙 以及安裝不精確 使得力軸Sm與電軸SL 極化軸 不重合 二者成 角 其定義用其相對(duì)軸向靈敏度的百分比表示 下頁 上頁 返回 6 2影響壓電式傳感器主要因數(shù) 定義 用軸向靈敏度的百分比表示 最大橫向靈敏度Km Ky Kz 100 tg 100 一般橫向靈敏度Kt Kt Kz 100 tg cos 100 下頁 上頁 返回 6 2影響壓電式傳感器主要因數(shù) 產(chǎn)生橫向靈敏度的必要條件 1 伴隨軸向作用力的同時(shí) 存在橫向力 2 壓電元件本身具有橫向壓電效應(yīng) 消除橫向靈敏度的技術(shù)途徑 1 從設(shè)計(jì) 工藝和使用諸方面確保力與電軸的一致 2 盡量采取剪切型的力 電轉(zhuǎn)換方式 一只較好的壓電傳感器 最大橫向靈敏度不大于5 下頁 上頁 返回 6 2影響壓電式傳感器主要因數(shù) 環(huán)境溫度和濕度環(huán)境溫度對(duì)傳感器的影響主要通過三個(gè)因素 1 壓電材料的特性參數(shù) 2 某些壓電材料的熱釋電效應(yīng) 當(dāng)一些晶體受熱時(shí) 在晶體兩端將會(huì)產(chǎn)生數(shù)量相等而符號(hào)相反的電荷 這種由于熱變化而產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng) 3 傳感器結(jié)構(gòu) 環(huán)境溫度變化會(huì)使壓電材料的壓電常數(shù)d 介電常數(shù) 電阻率 和彈性系數(shù)k等機(jī)電特性參數(shù)發(fā)生變化 d和k的變化將影響傳感器的輸出靈敏 和 的變化會(huì)導(dǎo)致時(shí)間常數(shù) RC的變化 從而使傳感器的低頻響應(yīng)變化 下頁 上頁 返回 6 3壓電材料 選用合適的壓電材料是設(shè)計(jì)高性能傳感器的關(guān)鍵 一般應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面 轉(zhuǎn)換性能 具有較高的耦合系數(shù)或具有較大的壓電常數(shù) 機(jī)械性能 壓電元件作為受力元件 希望它的機(jī)械強(qiáng)度高 機(jī)械剛度大 以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動(dòng)頻率 電性能 希望具有高的電阻率和大的介電常數(shù) 以期望減弱外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性 溫度和濕度穩(wěn)定性要好 具有較高的居里點(diǎn) 以期望得到寬的工作溫度范圍 時(shí)間穩(wěn)定性 壓電特性不隨時(shí)間蛻變 下頁 上頁 返回 6 4等效電路 壓電式傳感器對(duì)被測(cè)量的變化是通過其壓電元件產(chǎn)生電荷量的大小來反映的 因此它相當(dāng)于一個(gè)電荷源 而壓電元件電極表面聚集電荷時(shí) 它又相當(dāng)于一個(gè)以壓電材料為電介質(zhì)的電容器 其電容量為 式中s 極板面積 r 壓電材料相對(duì)介電常數(shù) 0 真空介電常數(shù) 壓電元件厚度 下頁 上頁 返回 Ra是壓電元件的漏電阻 6 4等效電路 當(dāng)壓電元件受外力作用時(shí) 兩表面產(chǎn)生等量的正 負(fù)電荷Q 壓電元件的開路電壓 認(rèn)為其負(fù)載電阻為無窮大 U為這樣 可以把壓電元件等效為一個(gè)電荷源Q和一個(gè)電容器Ca的等效電路 同時(shí)也等效為一個(gè)電壓源U和一個(gè)電容器Ca串聯(lián)的等效電路 其中Ra為壓電元件的漏電阻 下頁 上頁 返回 6 4等效電路 壓電式傳感器的靈敏度電壓靈敏度 單位力產(chǎn)生的電壓 電荷靈敏度 單位力產(chǎn)生的電荷 下頁 上頁 返回 根據(jù)壓電元件的工作原理及上節(jié)所述兩種等效電路 與壓電元件配套的測(cè)量電路的前置放大器也有兩種形式 電壓放大器 其輸出電壓與輸入電壓 壓電元件的輸出電壓 成正比 電荷放大器 其輸出電壓與輸入電荷成正比 6 5測(cè)量電路 下頁 上頁 返回 6 5測(cè)量電路 下頁 上頁 返回 Ri Ci Cc分別為放大器的輸入電阻 輸入電容和電纜線的電容 電壓放大器和電荷放大器 6 5測(cè)量電路 6 4 1電壓放大器電壓放大器的作用是將壓電式傳感器的高輸出阻抗經(jīng)放大器變換為低阻抗輸出 并將微弱的電壓信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)放大 因此也把這種測(cè)量電路稱為阻抗變換器 下頁 上頁 返回 其中 6 5測(cè)量電路 6 4 1電壓放大器以壓電陶瓷為例設(shè)壓電陶瓷受到交變外力F1作用 下頁 上頁 返回 用復(fù)數(shù)表示放大器的輸入電壓 6 5測(cè)量電路 6 4 1電壓放大器電壓Ui的幅值電壓Ui與作用力之間的相位差 下頁 上頁 返回 令 6 5測(cè)量電路 6 4 1電壓放大器得 下頁 上頁 返回 6 5測(cè)量電路 6 4 1電壓放大器電壓電壓幅值比和相角與頻率比的關(guān)系曲線從曲線知 0 Um 0 電荷被泄漏 壓電式傳感器不能測(cè)量靜態(tài)量 靈敏度下降 3 1 Um與作用力的頻率無關(guān) 高頻響應(yīng)非常好 下頁 上頁 返回 6 5測(cè)量電路 6 4 1電壓放大器電壓靈敏度 下頁 上頁 返回 由此可知 要擴(kuò)大低頻響應(yīng)范圍 必須增加R 而不是C 來增加測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù) R C Ca 否則 電壓靈敏度kU下降 6 5測(cè)量電路 6 4 1電壓放大器電壓當(dāng) R 1時(shí) 說明 放大器輸入電壓及電壓靈敏度與傳感器自身電容 電纜線電容有關(guān) 更換電纜需重新標(biāo)定系統(tǒng)靈敏度 下頁 上頁 返回 6 5測(cè)量電路 6 4 2電荷放大器由于電壓放大器使所配接的壓電式傳感器的電壓靈敏度將隨電纜分布電容及傳感器自身電容的變化而變化 而且電纜的更換得引起重新標(biāo)定的麻煩 為此又發(fā)展了便于遠(yuǎn)距離測(cè)量的電荷放大器 目前它巳被公認(rèn)是一種較好的沖擊測(cè)量放大器 下頁 上頁 返回 6 5測(cè)量電路 6 4 2電荷放大器特點(diǎn) 消除電纜分布電容的影響 具有深度電容負(fù)反饋的高增益運(yùn)算放大器 電路簡(jiǎn)化 忽略Ri Ra 運(yùn)放的K足夠大 高頻忽略RF 低頻時(shí)RF不能忽略 下頁 上頁 返回 6 5測(cè)量電路 6 4 2電荷放大器輸出U0可以簡(jiǎn)化 下頁 上頁 返回 注意到 1 K CF CC Ca Ci 6 5測(cè)量電路 6 4 2電荷放大器 下頁 上頁 返回 特點(diǎn) 1 輸出電壓U正比于輸入電荷Q 輸出靈敏度不受電纜分布電容的影響 2 適用于 高頻 gF j CF 低頻時(shí)輸出 RF不能忽略 6 5測(cè)量電路 下頁 上頁 返回 6 4 2電荷放大器 6 6壓電式傳感器的應(yīng)用舉例 下頁 上頁 返回 壓電元件串并聯(lián)使用并聯(lián)增加輸出電荷 電容變大 時(shí)間常數(shù)大 適合測(cè)量緩慢變化的信號(hào) 以及一電荷輸出的場(chǎng)合 串聯(lián)時(shí) 增加輸出電壓 電容小 時(shí)間常數(shù)小 適合測(cè)量高頻信號(hào) 以及以電壓的形式輸出的場(chǎng)合 6 6壓電式傳感器的應(yīng)用舉例 下頁 上頁 返回 壓電式壓力傳感器特點(diǎn) 壓電元件并聯(lián)使用 6 6壓電式傳感器的應(yīng)用舉例 壓電式傳感器的應(yīng)用 壓電元件是一種典型的力敏感元件 可用來測(cè)量最終能轉(zhuǎn)換為力的多種物理量 常用來測(cè)量力和加速度 例如 玻璃破碎報(bào)警 埋在地下作為周界安全防護(hù)報(bào)警 交通道路監(jiān)控 車床動(dòng)態(tài)切削力測(cè)量 體育動(dòng)態(tài)力 起跑 跳躍 測(cè)量 震動(dòng) 爆破 地震 汽車安全氣囊等 下頁 上頁 返回 土層壓力傳感器 壓電式力傳感器 壓電傾斜測(cè)量?jī)x 6 6壓電式傳感器的應(yīng)用舉例 壓電式傳感器的特點(diǎn) 是能量轉(zhuǎn)換型 發(fā)電型 傳感器 體積小 重量輕 剛性好 可以提高其固有頻體積小 重量輕 剛性好 可以提高其固有頻率 得到較寬的工作頻率范圍 靈敏度高 穩(wěn)定性好 可靠 對(duì)應(yīng)用縱向壓電效應(yīng)的傳感器 電荷量與晶體的變形無關(guān) 因而靈敏度與傳感器剛度無關(guān) 有比較理想的線性 且通常沒有滯后現(xiàn)象 下頁 上頁 返回 6 6壓電式傳感器的應(yīng)用舉例 壓電式傳感器的應(yīng)用 1 低頻特性較差 主要用于動(dòng)態(tài)測(cè)量低頻特性較差 主要用于動(dòng)態(tài)測(cè)量 2 存在橫向效應(yīng) 影響測(cè)量結(jié)果 3 應(yīng)用中要求采取嚴(yán)格的絕緣措施 并采用低電容 低噪聲電纜 4 工作原理可逆 5 應(yīng)用 壓電傳感器可以直接用于測(cè)力或測(cè)量與力有關(guān)的壓力 位移 振動(dòng)加速度等 下頁 上頁 返回 6 6壓電式傳感器的應(yīng)用舉例 石英晶體幾何切型 石英晶體優(yōu)異的頻率溫度關(guān)系雖然能夠提供穩(wěn)定的頻率輸出 但這僅僅局限于特定的晶體方向 通常我們稱這些特殊的方向?yàn)椴煌那行?意味著可以通過晶體軸的旋轉(zhuǎn)獲得這些方向和以一種特別的方式來切割晶體 常用的切型有AT SC和ST等 下頁 上頁 返回 6 6壓電式傳感器的應(yīng)用舉例 石英晶體幾何切型的分類 石英晶體在xyz直角坐標(biāo)系中的方位可分為兩大切族 X切族和Y切族 以厚度取向?yàn)榍行?1 X切族 是以厚度方向平行于晶體X軸 長(zhǎng)度方向平行于Y軸 寬度方向平等于Z軸這一原始位置旋出來的各種不同的幾何切型 如圖 a 2 Y切族 這是以厚度方向平行于晶體的Y軸 長(zhǎng)度方向平行于X軸 寬度方向平行于Z軸這一原始位置旋轉(zhuǎn)出來的各種幾何切型 如圖 b 下頁 上頁 返回 6 6壓電式傳感器的應(yīng)用舉例 石英晶體幾何切型的表示方法 每一種切型的石英晶片用一組字母 x y z t l w和角度r來表示 任何一個(gè)切割方位都可以通過一個(gè)起始方位旋轉(zhuǎn)得到 第一個(gè)字母表示起始方位厚度的方向 第二個(gè)字母表示起始方位長(zhǎng)度的方向 如X切族以XY表示 Y切族以YX表示 用字母t 厚度 l 長(zhǎng)度 w 寬度 來表示起始面轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)圍繞的旋轉(zhuǎn)軸 單轉(zhuǎn)角切型后面的角度表示繞以第三個(gè)字母代表的軸向旋轉(zhuǎn)的角度 雙轉(zhuǎn)角切型的第二個(gè)角度表示繞以第四個(gè)字母代表的軸向旋轉(zhuǎn)的角度 角度為正時(shí)表示晶片繞軸作逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) 角度為負(fù)時(shí)表示順時(shí)針旋轉(zhuǎn) 其方向規(guī)定從x 或y 軸的正端看 若r角繞x 或y 軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) 取正值 順時(shí)針旋轉(zhuǎn) 取負(fù)值 下頁 上頁 返回 6 6壓電式傳感器的應(yīng)用舉例 石英晶體幾何切型的表示方法 例 yxl 35 15 即 AT 切型 表示晶片的厚度方向與Y軸平行 長(zhǎng)度方向與X軸平行 并在yx的原始位置上繞其長(zhǎng)度l逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)35 15 的切割 例 xytl 5 50 切型 表示晶片的厚度方向與X軸平行 長(zhǎng)度方向與Y軸平行 并且在XY原始位置上 先繞厚度T逆時(shí)針轉(zhuǎn)5 再繞長(zhǎng)度l順時(shí)針轉(zhuǎn)50 的切割 下頁 上頁 返回 AT切型 6 6壓電式傳感器的應(yīng)用舉例 壓電式測(cè)力傳感器 壓電式測(cè)力傳感器是利用壓電元件直接實(shí)現(xiàn)力 電轉(zhuǎn)換的傳感器 在拉 壓場(chǎng)合 通常采用雙片或多片石英晶體作壓電元件 如壓電式三向動(dòng)態(tài)測(cè)力儀用于測(cè)試動(dòng)態(tài)切削力 還可以利用其它彈性材料做的敏感元件來測(cè)量力 即通過彈性膜 盒等 把壓力收集轉(zhuǎn)換成力 再傳遞給壓電元件 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中 必須注意 1 確保彈性膜片與后接傳力件間有良好的面接觸 否則 接觸不良會(huì)造成滯后或線性惡化 影響靜 動(dòng)態(tài)特性 2 傳感器基體和殼體要有足夠的剛度 以保證被測(cè)壓力盡可能傳遞到壓電元件上 3 壓電元件的振動(dòng)模式選擇要考慮到頻率覆蓋 彎曲 壓縮 剪切 4 涉及傳力的元件 盡可能采用高音速材料和扁薄結(jié)構(gòu) 以利快速 無損地傳遞彈性元件的彈性波 提高動(dòng)態(tài)性能 5 考慮加速度 溫度等環(huán)境干擾的補(bǔ)償 下頁 上頁 返回 6 6壓電式傳感器的應(yīng)用舉例 壓電式測(cè)力傳感器 1 單向力傳感器 1 僅用來測(cè)量單向的壓力 如機(jī)床動(dòng)態(tài)切削力的測(cè)量 壓電元件采用xy 即x0 切型石英晶體 利用其縱向壓電效應(yīng) 實(shí)現(xiàn)力一電轉(zhuǎn)換 它用兩塊晶片 8mm 1mm 作傳感元件 被測(cè)力通過傳力上蓋l使石英晶片2沿電軸方向受壓力作用 由于縱向壓電效應(yīng)使石英晶片在電軸方向上出現(xiàn)電荷 兩塊晶片沿電軸方向并聯(lián)疊加 負(fù)電荷由電極3輸出 壓電晶片正電荷一側(cè)與底座連接 下頁 上頁 返回 壓電式力傳感器1 傳力上蓋 2 石英晶片 3 電極 4 底座 5 電極引出頭 6 絕緣材料 6 6壓電式傳感器的應(yīng)用舉例 壓電式測(cè)力傳感器 1 單向力傳感器 2 兩片并聯(lián)可提高其靈敏度 壓力元件彈性變形部分的厚度較薄 其厚度由測(cè)力大小決定 這種結(jié)構(gòu)的單向力傳感器體積小 質(zhì)量輕 僅10g 固有頻率高 約50 60kHz 可檢測(cè)高達(dá)5000N的動(dòng)態(tài)力 分辨率為10 3N 下頁 上頁 返回 壓電式力傳感器1 傳力上蓋 2 石英晶片 3 電極 4 底座 5 電極引出頭 6 絕緣材料 6 6壓電式傳感器的應(yīng)用舉例 壓電式測(cè)力傳感器 2 雙向力傳感器 1 雙向力傳感器基本用于測(cè)量垂直分力Fx與切向分力Fy 以及測(cè)量互相垂直的兩個(gè)切向分力 即Fx和Fy 無論哪一種測(cè)量 傳感器的結(jié)構(gòu)形式相似 圖所示為雙向壓電石英晶片的力傳感器結(jié)構(gòu) 兩組石英晶片分別測(cè)量?jī)蓚€(gè)分力 下面一組采用xy x0 切型 通過dll實(shí)現(xiàn)力 電轉(zhuǎn)換 測(cè)量軸向力Fx 下頁 上頁 返回 雙向壓電式力傳感器 a 雙向力傳感器 b yx切型示意圖 6 6壓電式傳感器的應(yīng)用舉例 壓電式測(cè)力傳感器 2 雙向力傳感器 2 上面一組采用yx y0 切型 晶片的厚度方向?yàn)閥軸方向 在平行于x軸的剪切應(yīng)力 6 在xy平面內(nèi) 的作用下 產(chǎn)生厚度剪切變形 所謂厚度剪切變形是指晶體受剪切應(yīng)力的面與產(chǎn)生電荷的面不共面 如圖 b 所示 這一組石英晶體通過d26實(shí)現(xiàn)力 電轉(zhuǎn)換來測(cè)量Fy 下頁 上頁 返回 雙向壓電式力傳感器 a 雙向力傳感器 b yx切型示意圖 6 6壓電式傳感器的應(yīng)用舉例 舉例 測(cè)加速度 1 當(dāng)傳感器感受振動(dòng)時(shí) 質(zhì)量塊感受慣性力的作用 質(zhì)量塊有一正比于加速度的交變力作用在壓電片上 由于壓電片壓電效應(yīng) 兩個(gè)表面上就產(chǎn)生交變電荷 當(dāng)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于傳感器的固有頻率時(shí) 傳感器的輸出電荷 電壓 與作用力成正比 亦即與試件的加速度成正比 電荷量直接反映加速度大小 其靈敏度與壓電材料壓電系數(shù)和質(zhì)量塊質(zhì)量有關(guān) 輸出電量由傳感器輸出端引出 輸入到前置放大器后就可以用普通的測(cè)量?jī)x器測(cè)出試件的加速度 如在放大器中加進(jìn)適當(dāng)?shù)姆e分電路 就可以測(cè)出試件的振動(dòng)速度或位移 下頁 上頁 返回 6 6壓電式傳感器的應(yīng)用舉例 下頁 上頁 返回 舉例 測(cè)加速度 2 為了提高傳感器靈敏度 一般選擇壓電系數(shù)大的壓電陶瓷片 若增加質(zhì)量塊質(zhì)量會(huì)影響被測(cè)振動(dòng) 同時(shí)會(huì)降低振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率 因此一般不用增加質(zhì)量辦法來提高傳感器靈敏度 此外還可以用增加壓電片數(shù)目和采用合理的連接方法也可提高傳感器靈敏度 6 6壓電式傳感器的應(yīng)用舉例 壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)形式 有壓縮型 剪切型和復(fù)合型 壓縮型 1 正裝中心壓縮式 正裝中心壓縮式如圖 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 質(zhì)量快和彈性元件通過中心螺栓固緊在基座上形成獨(dú)立的體系 殼體僅起防護(hù)和屏蔽作用 具有靈敏度高 性能穩(wěn)定 頻響好 工作可靠等優(yōu)點(diǎn) 但基座的機(jī)械和熱變?nèi)杂杏绊?下頁 上頁 返回 6 6壓電式傳感器的應(yīng)用舉例 壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)形式 2 壓縮型的改進(jìn)型 圖 b 為改進(jìn)型的隔離基座壓縮式 圖 c 為改進(jìn)型的倒裝中心壓縮式 這兩種結(jié)構(gòu)都可以避免基座變形影響 圖 d 為雙筒雙屏蔽的新穎結(jié)構(gòu) 除了外殼起屏蔽作用外 預(yù)載套筒也起內(nèi)屏蔽作用 預(yù)載套筒橫向剛度大 大大提高了傳感器的綜合剛度和橫向抗干擾能力 下頁 上頁 返回 6 6壓電式傳感器的應(yīng)用舉例 壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)形式 2 剪切型 剪切型壓電式加速度傳感器 是利用壓電片受剪切應(yīng)力而產(chǎn)生壓電效應(yīng)的原理制成的 這類傳感器的壓電片多采用壓電陶瓷 按壓電片的結(jié)構(gòu)形式不同 又可分為柱形剪切型 三角剪切型 H剪切型等 其結(jié)構(gòu)如圖所示 下頁 上頁 返回 6 6壓電式傳感器的應(yīng)用舉例 壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)形式 1 中空?qǐng)A柱形如圖 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 輕巧 靈敏度高 下頁 上頁 返回 6 6壓電式傳感器的應(yīng)用舉例 壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)形式 2 H形結(jié)構(gòu)如圖 左右壓電元件通過橫螺栓固緊在中心立柱上 具有更好的靜態(tài)特性 更高的信噪比和寬的高低頻特性 裝配方便 下頁 上頁 返回 6 6壓電式傳感器的應(yīng)用舉例 壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)形式 3 三角結(jié)構(gòu)如圖 三塊壓電片和扇形質(zhì)量塊呈三角空間分布 由預(yù)緊筒固緊在三角中心柱上 取消膠結(jié) 改善了線性和溫度特性 下頁 上頁 返回 6 6壓電式傳感器的應(yīng)用舉例 壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)形式 3 復(fù)合型 泛指那些具有組合結(jié)構(gòu) 差動(dòng)原理 合一體化或復(fù)合材料的壓電傳感器 1 多晶片壓電加速度傳感器如圖 下頁 上頁 返回 6 6壓電式傳感器的應(yīng)用舉例 壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)形式 3 復(fù)合型 2 壓電圓管梁差動(dòng)式加速度傳感器如圖 圓管外電極被槽1分成上下極 且徑向極化方向相反 在慣性力F作用下 使壓電圓管彎曲變形 上下極產(chǎn)生的電荷差動(dòng)相加 提高了靈敏度 下頁 上頁 返回 6 6壓電式傳感器的應(yīng)用舉例 壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)形式 3 復(fù)合型 3 組合一體化壓電加速度傳感器如圖 集傳感器與電子線路于一身的組合一體化壓電 電子傳感器 下頁 上頁 返回 6 6壓電式傳感器的應(yīng)用舉例 下頁 上頁 返回 振動(dòng)測(cè)量及頻譜分析 1 振動(dòng)可分為機(jī)械振動(dòng) 土木結(jié)構(gòu)振動(dòng) 運(yùn)輸工具振動(dòng) 武器 爆炸引起的沖擊振動(dòng)等 從振動(dòng)的頻率范圍來分 有高頻振動(dòng) 低頻振動(dòng)和超低頻振動(dòng)等 從振動(dòng)信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特征來看 可將振動(dòng)分為周期振動(dòng) 非周期振動(dòng)以及隨機(jī)振動(dòng)等 6 6壓電式傳感器的應(yīng)用舉例 下頁 上頁 返回 振動(dòng)測(cè)量及頻譜分析 2 測(cè)振傳感器分類測(cè)振用的傳感器又稱拾振器 它有接觸式和非接觸式之分 接觸式中有磁電式 電感式 壓電式等 非接觸式中又有電渦流式 電容式 霍爾式 光電式等 下面介紹壓電式測(cè)振傳感器及其應(yīng)用 橫向振動(dòng)測(cè)振器 縱向振動(dòng)測(cè)振器 6 6壓電式傳感器的應(yīng)用舉例 下頁 上頁 返回 振動(dòng)測(cè)量及頻譜分析 3 地震的測(cè)量 地震波形 6 6壓電式傳感器的應(yīng)用舉例 下頁 上頁 返回 振動(dòng)測(cè)量及頻譜分析 4 減速箱故障分析 依靠頻譜分析法進(jìn)行故障診斷 a 時(shí)域波形b 頻域波形 6 6壓電式傳感器的應(yīng)用舉例 下頁 上頁 返回 橋墩水下缺陷探測(cè) 1 圖示為用壓電式加速度傳感器探測(cè)橋墩水下部位裂紋的示意圖 通過放電炮的方式使水箱振動(dòng) 激振器 橋墩將承受垂直方向的激勵(lì) 用壓電式加速度傳感器測(cè)量橋墩的響應(yīng) 將信號(hào)經(jīng)電荷放大器進(jìn)行放大后送入數(shù)據(jù)記錄儀 再將記錄下的信號(hào)輸入頻譜分析設(shè)備 經(jīng)頻譜分析后就可判定橋墩有無缺陷 6 6壓電式傳感器的應(yīng)用舉例 下頁 上頁 返回 橋墩水下缺陷探測(cè) 2 圖 a 為探測(cè)示意圖 沒有缺陷的橋墩為一堅(jiān)固整體 加速度響應(yīng)曲線為單峰 如圖 b 所示 若橋墩有缺陷 其力學(xué)系統(tǒng)變得更為復(fù)雜 激勵(lì)后的加速度響應(yīng)曲線將顯示出雙峰或多峰 如圖 c 所示 6 6壓電式傳感器的應(yīng)用舉例 下頁 上頁 返回 壓電式流量計(jì)利用超聲波在順流方向和逆流方向的傳播速度進(jìn)行測(cè)量 其測(cè)量裝置是在管外設(shè)置兩個(gè)相隔一定距離的收發(fā)兩用壓電超聲換能器 每隔一段時(shí)間 如1 100s 發(fā)射和接收互換一次 在順流和逆流的情況下 發(fā)射和接收的相位差與流速成正比 據(jù)這個(gè)關(guān)系 可精確測(cè)定流速 流速與管道橫截面積的乘積等于流量 此流量計(jì)可測(cè)量各種液體的流速 中壓和低壓氣體的流速 不受該流體的導(dǎo)電率 粘度 密度 腐蝕性以及成分的影響 其準(zhǔn)確度可達(dá)0 5 有的可達(dá)到0 01 根據(jù)發(fā)射和接收的相位差隨海洋深度深度的變化 測(cè)量聲速隨深度的分布情況 6 6壓電式傳感器的應(yīng)用舉例 下頁 上頁 返回 自來水管道測(cè)漏 1 檢測(cè)原理 如果地面下有一條均勻的直管道某處O點(diǎn)為漏點(diǎn) 振動(dòng)聲音從O點(diǎn)向管道兩端傳播 傳播速度為V 在管道上A B兩點(diǎn)放兩只傳感器 A B距離為L(zhǎng) 已知或可測(cè) 從A B兩個(gè)傳感器接收的由O點(diǎn)傳來的t0時(shí)刻發(fā)出的振動(dòng)信號(hào)所用時(shí)間為tA LA V 和tB LB V 兩者時(shí)間差為 t tA tB LA LB V 1 又L LA LB 2 6 6壓電式傳感器的應(yīng)用舉例 下頁 上頁 返回 自來水管道測(cè)漏 2 檢測(cè)原理 因?yàn)楣艿缆裨O(shè)在地下 看不到O點(diǎn) 也不知道LA和LB的長(zhǎng)度 已知的是L和V 如果能設(shè)法求出 t 則聯(lián)立 1 2 得 LA L tV 2 3 或者將 1 2 得 LB L tV 2 4 關(guān)鍵是確定 t 就可準(zhǔn)確確定漏點(diǎn)O 如果從O點(diǎn)出發(fā)的是一極短暫的脈沖 在A B兩點(diǎn)用雙線掃描同時(shí)開始記錄 在示波器上兩脈沖到達(dá)的時(shí)間差就是 t 6 6壓電式傳感器的應(yīng)用舉例 下頁 上頁 返回 自來水管道測(cè)漏 3 水漏探測(cè)儀設(shè)計(jì) 實(shí)際的困難在于漏水聲是連續(xù)不斷發(fā)出的 在A B兩傳感器測(cè)得的是一片連續(xù)不斷 幅度雜亂變化的噪聲 相關(guān)檢漏儀的功能就是要將這兩路表面雜亂無章的信號(hào)找出規(guī)律來 把它們 對(duì)齊 對(duì)齊移動(dòng)所需要的時(shí)間就是 t 6 6壓電式傳感器的應(yīng)用舉例 下頁 上頁 返回 金屬加工切削力測(cè)量由于壓電陶瓷元件的自振頻率高 特別適合測(cè)量變化劇烈的載荷 圖中壓電傳感器位于車刀前部的下方 當(dāng)進(jìn)行切削加工時(shí) 切削力通過刀具傳給壓電傳感器 壓電傳感器將切削力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出 記錄下電信號(hào)的變化便可測(cè)得切削力的變化 6 6壓電式傳感器的應(yīng)用舉例 下頁 上頁 返回 壓電式血壓傳感器如圖壓電陶瓷 雙晶片懸梁結(jié)構(gòu) 雙晶片極化方向相反 并聯(lián)相接 在敏感振膜中央上下兩側(cè)各膠粘有半圓柱塑料塊 被測(cè)動(dòng)脈血壓通過上塑料塊 振膜 下塑料塊傳遞到壓電懸梁的自由端 壓電梁彎曲變形產(chǎn)生的電荷輸出 6 6壓電式傳感器的應(yīng)用舉例 下頁 上頁 返回 爆震測(cè)量 1 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中的氣缸點(diǎn)火時(shí)刻必須十分精確 如果恰當(dāng)?shù)貙Ⅻc(diǎn)火時(shí)間提前一些 即有一個(gè)提前角 就可使汽缸中汽油與空氣的混合氣體得到充分燃燒 使扭矩增大 排污減少 但提前角太大時(shí) 混合氣體產(chǎn)生自燃 就會(huì)產(chǎn)生沖擊波 發(fā)出尖銳的金屬敲擊聲 稱為爆震 可能使火花塞 活塞環(huán)熔化損壞 使缸蓋 連桿 曲軸等部件過載 變形 可用壓電傳感器檢測(cè)并控制之 爆震波形 6 6壓電式傳感器的應(yīng)用舉例 下頁 上頁 返回 爆震測(cè)量 2 還可安裝在氣缸的側(cè)壁上 盡量使點(diǎn)火時(shí)刻接近爆震區(qū)而不發(fā)生爆震 但又能使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出盡可能大的扭矩 壓電振動(dòng)加速度傳感器可以用于判斷汽車的碰撞 從而使安全氣囊迅速充氣 從而挽救生命 6 7新型壓電材料及應(yīng)用 下頁 上頁 返回 有機(jī)壓電材料 1 某些合成高分子聚合物 又稱壓電聚合物 經(jīng)延展拉伸和電極化后具有壓電性高分子壓電薄膜 如聚氟乙烯 PVF 偏聚氟乙烯 PVDF 薄膜 及其它為代表的其他有機(jī)壓電 薄膜 材料等 特點(diǎn) 如這類材料及其材質(zhì)柔韌 低密度 低阻抗等優(yōu)點(diǎn)為世人矚目 且發(fā)展十分迅速 現(xiàn)在水聲超聲測(cè)量 壓力傳感 引燃引爆等方面獲得應(yīng)用 不足之處是壓電應(yīng)變常數(shù) d 偏低 使之作為有源發(fā)射換能器受到很大的限制 高分子壓電薄膜及拉制 6 7新型壓電材料及應(yīng)用 下頁 上頁 返回 有機(jī)壓電材料 2 原理 聚二氟乙烯 PVF2 是目前發(fā)現(xiàn)的壓電效應(yīng)較強(qiáng)的聚合物薄膜 這種合成高分子薄膜就其對(duì)稱性來看 不存在壓電效應(yīng) 但是它們具有 平面鋸齒 結(jié)構(gòu) 存在抵消不了的偶極子 經(jīng)延展和拉伸后可以使分子鏈軸成規(guī)則排列 并在與分子軸垂直方向上產(chǎn)生自發(fā)極化偶極子 當(dāng)在膜厚方向加直流高壓電場(chǎng)極化后 就可以成為具有壓電性能的高分子薄膜 這種薄膜有可撓性 并容易制成大面積壓電元件 這種元件耐沖擊 不易破碎 穩(wěn)定性好 頻帶寬 為提高其壓電性能還可以摻入壓電陶瓷粉末 制成混合復(fù)合材料 PVF2 PZT 6 7新型壓電材料及應(yīng)用 下頁 上頁 返回 復(fù)合壓電材料 3 這類材料是在有機(jī)聚合物基底材料中嵌入片狀 棒狀 桿狀 或粉末狀壓電材料構(gòu)成的 高分子化合物中摻雜壓電陶瓷PZT或BaTiO3粉末制成的高分子壓電薄膜 至今已在水聲 電聲 超聲 醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用 如果它制成水聲換能器 不僅具有高的靜水壓響應(yīng)速率 而且耐沖擊 不易受損且可用于不同的深度 可用于波形分析及報(bào)警的高分子壓電踏腳板 6 7新型壓電材料及應(yīng)用 下頁 上頁 返回 復(fù)合壓電材料壓電式腳踏報(bào)警器 壓電式周界報(bào)警系統(tǒng) 用于重要位置出入口 周界安全防護(hù) 娛樂舞蹈機(jī)等 將長(zhǎng)的壓電電纜埋在泥土的淺表層 可起分布式地下麥克風(fēng)或聽音器的作用 可在幾十米范圍內(nèi)探測(cè)人的步行 對(duì)輪式或履帶式車輛也可以通過信號(hào)處理系統(tǒng)分辨出來 如圖為測(cè)量系統(tǒng)的輸出波形 6 7新型壓電材料及應(yīng)用 下頁 上頁 返回 交通監(jiān)測(cè)將高分子壓電電纜埋在公路上 可以獲取車型分類信息 包括軸數(shù) 軸距 輪距 單雙輪胎 車速監(jiān)測(cè) 收費(fèi)站地磅 闖紅燈拍照 停車區(qū)域監(jiān)控 交通數(shù)據(jù)信息采集 道路監(jiān)控 及機(jī)場(chǎng)滑行道等 6 7新型壓電材料及應(yīng)用 下頁 上頁 返回 有機(jī)壓電材料應(yīng)用高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭 逆壓電效應(yīng) 6 7新型壓電材料及應(yīng)用 下頁 上頁 返回 有機(jī)壓電材料應(yīng)用玻璃破碎傳感器 將厚約0 2mm左右的PVDF薄膜裁制成10 20mm大小 在它的正反兩面各噴涂透明的二氧化錫導(dǎo)電電極 再用超聲波焊接上兩根柔軟的電極引線 并用保護(hù)膜覆蓋 使用時(shí) 用瞬干膠將其粘貼在玻璃上 當(dāng)玻璃遭暴力打碎的瞬間 壓電薄膜感受到劇烈振動(dòng) 表面產(chǎn)生電荷Q 在兩個(gè)輸出引腳之間產(chǎn)生窄脈沖報(bào)警信號(hào) 6 7新型壓電材料及應(yīng)用 下頁 上頁 返回 有機(jī)壓電材料應(yīng)用集成壓電式傳感器是一種高性能 低成本動(dòng)態(tài)微壓傳感器 產(chǎn)品采用壓電薄膜作為換能材料 動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)通過薄膜變成電荷量 再經(jīng)傳感器內(nèi)部放大電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出 該傳感器具有靈敏度高 抗過載及沖擊能力強(qiáng) 抗干擾性好 操作簡(jiǎn)便 體積小 重量輕 成本低等特點(diǎn) 廣泛應(yīng)用于醫(yī)療 工業(yè)控制 交通 安全防衛(wèi)等領(lǐng)域 典型應(yīng)用 脈搏計(jì)數(shù)探測(cè) 按鍵鍵盤 觸摸鍵盤 振動(dòng) 沖擊 碰撞報(bào)警 振動(dòng)加速度測(cè)量 管道壓力波動(dòng) 其它機(jī)電轉(zhuǎn)換 動(dòng)態(tài)力檢測(cè)等 脈搏計(jì) 6 7新型壓電材料及應(yīng)用 下頁 上頁 返回 海嘯預(yù)警系統(tǒng)地震是引發(fā)海嘯的主要原因之一 地震中斷層移動(dòng)導(dǎo)致斷層間產(chǎn)生空洞 當(dāng)海水填充這個(gè)空洞時(shí)產(chǎn)生巨大的海水波動(dòng) 這種海水波動(dòng)從深海傳至淺海時(shí) 海浪陡然升到十幾米高 并以每秒數(shù)百米的速度傳播 海浪沖到岸上后 將造成重大破壞 海嘯預(yù)警系統(tǒng)通過海底的振動(dòng)壓力傳感器記錄海浪變化的數(shù)據(jù) 并傳送到信息浮標(biāo) 由信息浮標(biāo)發(fā)送到氣象衛(wèi)星 再從氣象衛(wèi)星傳送到衛(wèi)星地面站 6 7新型壓電材料及應(yīng)用 下頁 上頁 返回 海嘯預(yù)警系統(tǒng) 6 8超聲波傳感器原理及應(yīng)用 下頁 上頁 返回 超聲波的特性人們能聽到的聲音是由物體振動(dòng)產(chǎn)生的 它的頻率在20Hz 20KHz范圍內(nèi) 頻率超過20kHz稱為超聲波 低于20Hz稱為次聲波 它具有頻率高 波長(zhǎng)短 繞射現(xiàn)象小 特別是方向性好 能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn) 超聲波對(duì)液體 固體的穿透本領(lǐng)很大 尤其是在陽光不透明的固體中 它可穿透幾十米的深度 超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波 碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng) 利用超聲的反射來測(cè)距 利用大功率超聲的振動(dòng)來清除附著在鍋爐上面的水垢 利用高能超聲做成 超聲刀 來消滅 擊碎人體內(nèi)的癌變 結(jié)石等 而利用超聲的反射等效應(yīng)和穿透力強(qiáng) 能夠直線傳播等的特性來進(jìn)行檢測(cè)也是其中一個(gè)很大的應(yīng)用領(lǐng)域 因此超聲波檢測(cè)廣泛應(yīng)用在工業(yè) 國防 生物醫(yī)學(xué)等方面 6 8超聲波傳感器原理及應(yīng)用 下頁 上頁 返回 超聲波的特性檢測(cè)中常用的超聲波頻率范圍為幾十kHz到幾十MHz 超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械震蕩 它的波形有縱波 橫波 表面波三種 質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向一致的波稱為縱波 質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向垂直的波稱為橫波 質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于縱波也橫波之間 沿著表面?zhèn)鞑?振幅隨著深度的增加而迅速衰減的波稱為表面波 橫波 表面波只能在固體中傳播 縱波可在固體 液體及氣體中傳播 超聲的檢測(cè)應(yīng)用主要包括在工業(yè)上對(duì)各種材料的檢測(cè)和在醫(yī)療上對(duì)人體的檢測(cè)診斷 通過它人們可以探測(cè)出金屬等工業(yè)材料中有沒有氣泡 傷痕 裂縫等缺陷 可以檢測(cè)出人們身體的軟組織 血流等是否正常 6 8超聲波傳感器原理及應(yīng)用 下頁 上頁 返回 超聲波的特性超聲波的基本性質(zhì) 1 1 傳播速度超聲波的傳播速度與介質(zhì)的密度和彈性特性有關(guān) 與環(huán)境條件也有關(guān) 在液體中傳播速度為在氣體中 超聲波的傳播速度與氣體種類 壓力及溫度有關(guān) 在空氣中傳播速度為C 33l 5 0 607 m s 6 8超聲波傳感器原理及應(yīng)用 下頁 上頁 返回 超聲波的特性超聲波的基本性質(zhì) 2 2 反射和折射現(xiàn)象超聲波在通過兩種不同的介質(zhì)時(shí) 會(huì)產(chǎn)生反射和折射現(xiàn)象 如圖所示 有如下的關(guān)系 6 8超聲波傳感器原理及應(yīng)用 下頁 上頁 返回 超聲波的特性超聲波的基本性質(zhì) 3 3 傳播中的衰減隨著超聲波在介質(zhì)中傳播距離的增加 介質(zhì)吸收能量使超聲波強(qiáng)度有所衰減 若超聲波進(jìn)入介質(zhì)的強(qiáng)度為I0 通過介質(zhì)后的強(qiáng)度為I 則它們之間的關(guān)系為I I0e Ad式中 d為介質(zhì)的厚度 A為介質(zhì)對(duì)超聲波能量的吸收系數(shù) 介質(zhì)的密度越小 衰減越快 頻率高時(shí)則衰減更快 因此 在空氣中常采用頻率較低的超聲波 而在固體 液體中則采用頻率較高的超聲波 6 8超聲波傳感器原理及應(yīng)用 下頁 上頁 返回 超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)圖是超聲波傳感器結(jié)構(gòu)實(shí)例 它采用雙晶振子 即把雙壓電陶瓷片以相反極化方向粘在一起 在長(zhǎng)度方向上 一片伸長(zhǎng) 另一片就縮短 在雙晶振子的兩面涂敷簿膜電極 其上面用引線通過金屬板 振動(dòng)板 接到一個(gè)電極端 下面用引線直接接到另一個(gè)電極端 雙晶振子為正方形 正方形的左右兩邊由圓弧形凸起部分支撐著 這兩處的支點(diǎn)就成為振子振動(dòng)的節(jié)點(diǎn) 金屬板的中心有圓錐形振子 發(fā)送超聲波時(shí) 圓錐形振子有較強(qiáng)的方向性 高效率地發(fā)送超聲波 接收超聲波時(shí) 超聲波的振動(dòng)集中于振子的中心 高效應(yīng)地產(chǎn)生高頻電壓 6 8超聲波傳感器原理及應(yīng)用 下頁 上頁 返回 超聲波傳感器的工作原理圖是采用雙晶振子的超聲波傳感器的工作原理示意圖 若在發(fā)送器的雙晶振子上施加40KHz的高頻電壓 壓電陶瓷片a b就根據(jù)所加的高頻電壓極性伸長(zhǎng)與縮短 于是就發(fā)送40kHz頻率的超聲波 超聲波以疏密波形式傳播 送給超聲波接收器就被其接收 超聲波接收器是利用壓電效應(yīng)的原理 則產(chǎn)生一面為正極 另一面為負(fù)極的電壓 當(dāng)然這種電壓非常小 要用放大器進(jìn)行放大 6 8超聲波傳感器原理及應(yīng)用 下頁 上頁 返回 超聲波傳感器的類型a 通用型超聲波傳感器通用型超聲波傳感器的帶寬一般為幾KHz 具有選頻特性 頻帶窄 靈敏度較高 抗干擾性強(qiáng) 接收傳感器與發(fā)送傳感器是分開使用的 b 寬帶型超聲波傳感器寬帶型超聲波傳感器具有二個(gè)諧振頻率 所以可兼作發(fā)送傳感器和接收傳感器 在較寬的頻帶內(nèi) 都具有較高的靈敏度 c 密封型超聲波傳感器密封型超聲波傳感器主要用于室外 如汽車防撞 汽車測(cè)速等場(chǎng)合 d 高頻型超聲波傳感器低頻超聲波的散射角較大 探測(cè)范圍寬 探測(cè)距離較遠(yuǎn) 當(dāng)遇到尺寸小于半波長(zhǎng)的物體時(shí)會(huì)發(fā)生繞射 對(duì)于細(xì)小物體的探測(cè)就需要高頻型超聲波傳感器 高頻型超聲波傳感器的中心頻率高于100kHz 指向性窄 可以進(jìn)行較高分辨率的測(cè)量 6 8超聲波傳感器原理及應(yīng)用 下頁 上頁 返回 超聲波傳感器的基本電路 1 超聲波發(fā)生器電路 圖是采用脈沖變壓器的超聲波振蕩電路實(shí)例 電路中用NPN晶體管VT放大頻率可調(diào)的振蕩器OSC的輸出信號(hào) 放大的信號(hào)經(jīng)脈沖變壓器T升壓為較高的交流電壓供給超聲波傳感器MA40S2S 超聲波傳感器MA40S2S產(chǎn)生40kHz能量的超聲波 6 8超聲波傳感器原理及應(yīng)用 下頁 上頁 返回 超聲波傳感器的基本電路 2 超聲波接收器電路 圖是采用運(yùn)放的超聲波接收電路 電路增益較高 電路輸出為高頻電壓 實(shí)際上后面還要接檢波電路 放大電路以及開關(guān)電路等 6 8超聲波傳感器原理及應(yīng)用 下頁 上頁 返回 超聲波傳感器的基本電路 3 超聲波發(fā)送接收兩用電路 圖是超聲波發(fā)送接收兩用電路 用一個(gè)超聲波傳感器發(fā)送信號(hào)的同時(shí)還可以接收信號(hào) 6 8超聲波傳感器原理及應(yīng)用 下頁 上頁 返回 超聲波傳感器的基本電路 4 超聲波專用集成電路 圖是超聲波測(cè)距集成電路TL851 TL852 TL851設(shè)計(jì)測(cè)距范圍為2 10米 11腳 12腳外接420kHz陶瓷晶體 與內(nèi)部形成振蕩 在發(fā)射信號(hào)期間被8 5分頻形成頻率為49 4kHz的16個(gè)脈沖串 其余時(shí)間振蕩信號(hào)被4 5分頻 啟動(dòng)后 3 8ms為消隱時(shí)間而停止接收信號(hào)以避免超聲波傳感器在發(fā)射結(jié)束后產(chǎn)生的余振而導(dǎo)致接收信號(hào)錯(cuò)誤 如果要測(cè)量小于0 5米的距離 必須使 BINH 變?yōu)楦唠娖揭钥s短消隱時(shí)間 從而啟動(dòng)傳感器接收輸入信號(hào) 6 8超聲波傳感器原理及應(yīng)用 下頁 上頁 返回 超聲波傳感器的應(yīng)用利用超聲波的特性 可做成各種超聲波傳感器 包括超聲波的發(fā)射和接收 配上不同的電路 可制成各種超聲波儀器及裝置 應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn) 醫(yī)療 家電等行業(yè)中 超聲波傳感器是一種可逆換能器 它可以將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能 超聲波的發(fā)射 也可將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能 超聲波接收 6 8超聲波傳感器原理及應(yīng)用 下頁 上頁 返回 超聲波傳感器的應(yīng)用1 超聲波傳感器在液位測(cè)量中的應(yīng)用超聲波的應(yīng)用主要是利用它的透射和反射特性 利用這種特性 可以測(cè)量出液位的高度 常見的液位測(cè)量方法如圖所示 6 8超聲波傳感器原理及應(yīng)用 下頁 上頁 返回 超聲波傳感器的應(yīng)用1 超聲波傳感器在液位測(cè)量中的應(yīng)用只要知道超聲波在介質(zhì)中的傳播速度C 測(cè)出超聲波從開始發(fā)射至接收到超聲波的這段時(shí)間t 就可以計(jì)算出超聲波行進(jìn)的距離 從而得出超聲波探頭到介質(zhì)面的距離L 圖 a 中的測(cè)量方法比較簡(jiǎn)單 精度較高 但用于石油 化工中的液位測(cè)量就顯得不太方便 此外 這種測(cè)量方法對(duì)傳感器的安全性能要求較高 尤其不適用于那些已經(jīng)盛裝液體的容器 由于化學(xué)工業(yè)中大部分液體具有易燃 易爆 有毒的特點(diǎn) 所以這種方法很難實(shí)現(xiàn) 而圖 b 中在容器殼外的測(cè)量方法就可以克服上述問題 6 8超聲波傳感器原理及應(yīng)用 下頁 上頁 返回 超聲波傳感器的應(yīng)用2 超聲波探傷超聲波探傷是無損探傷技術(shù)中的一種主要檢測(cè)手段 它主要用于檢測(cè)板材 管材 鍛件和焊縫等材料中的缺陷 如裂縫 氣孔 夾渣等 測(cè)定材料的厚度 超聲波探傷具有檢測(cè)靈敏度高 速度快 成