壓電元件與超聲波傳感器

1、傳感器原理及應用傳感器原理及應用 第七章 壓電元件與超聲波傳感器 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 第七章 壓電元件與超聲波傳感器 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 一、壓電效應的基本概念一、壓電效應的基本概念 1 1、正壓電效應、正壓電效應 某些物質沿某一方向受到外力作用某些物質沿某一方向受到外力作用 時，會產生變形，同時內部產生極化現象，時，會產生變形，同時內部產生極化現象， 在這種材料的兩個表面產生符號相反的電在這種材料的兩個表面產生符號相反的電 荷，當外力去掉后，又重新恢復到不帶電荷，當外力去掉后，又重新恢復到不帶電 的狀態(tài)，這種現象稱為壓電效應。的狀態(tài)，這種現象稱為壓電效應。 當作用

2、力方向改變時，電荷極性也當作用力方向改變時，電荷極性也 隨之改變。隨之改變。 這種機械能轉化為電能的現象稱為這種機械能轉化為電能的現象稱為 “正壓電效應正壓電效應”或或“順壓電效應順壓電效應”。 7.1 壓電效應壓電效應 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 2 2、逆壓電效應、逆壓電效應 當在某些物質的極化方向上施加電場，這些材料在某一方向上當在某些物質的極化方向上施加電場，這些材料在某一方向上 產生機械變形或機械壓力；當外加電場撤去時，這些變形或應力也產生機械變形或機械壓力；當外加電場撤去時，這些變形或應力也 隨之消失。隨之消失。 這種電能轉化為機械能的現象稱為這種電能轉化為機械能的現象稱為“

3、逆壓電效應逆壓電效應”或或“電致伸電致伸 縮效應縮效應”。 壓電元件壓電元件 機械能機械能 電能電能 應力應力 應變應變 電荷電荷 電場電場 3 3、壓電效應的特點、壓電效應的特點 （1 1）壓電效應具有可逆性）壓電效應具有可逆性 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 （2 2）具有瞬時性）具有瞬時性 當力的方向改變時，電當力的方向改變時，電 荷的極性隨之改變，輸出電壓荷的極性隨之改變，輸出電壓 的頻率與動態(tài)力的頻率相同。的頻率與動態(tài)力的頻率相同。 （3 3）具有不穩(wěn)定性）具有不穩(wěn)定性 當動態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時，當動態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時， 電荷將由于表面漏電而很快泄電荷將由于表面漏電而很快泄 漏、消失。漏

4、、消失。 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 在自然界中大多數晶體具有壓電效應在自然界中大多數晶體具有壓電效應, , 但壓電效應十分但壓電效應十分 微弱。隨著對材料的深入研究微弱。隨著對材料的深入研究, , 發(fā)現石英晶體、鈦酸鋇、鋯發(fā)現石英晶體、鈦酸鋇、鋯 鈦酸鉛等材料是性能優(yōu)良的壓電材料。鈦酸鉛等材料是性能優(yōu)良的壓電材料。 壓電式傳感器中的壓電元件材料一般：壓電式傳感器中的壓電元件材料一般： 壓電晶體（單晶體）；壓電晶體（單晶體）； 經過極化處理的壓電陶瓷（多晶體）；經過極化處理的壓電陶瓷（多晶體）； 新型壓電材料（高分子和半導體）。新型壓電材料（高分子和半導體）。 7.2 壓電壓電材料材料

5、一、壓電材料分類及特點一、壓電材料分類及特點 壓電材料：具有壓電效應的材料稱為壓電材料壓電材料：具有壓電效應的材料稱為壓電材料。 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 壓電材料的主要特性參數有： 壓電常數壓電常數: : 壓電常數是衡量材料壓電效應強弱的參數，壓電常數是衡量材料壓電效應強弱的參數， 它直接關系到壓電輸出靈敏度。它直接關系到壓電輸出靈敏度。 彈性常數彈性常數: : 壓電材料的彈性常數、剛度決定著壓電器件壓電材料的彈性常數、剛度決定著壓電器件 的固有頻率和動態(tài)特性。的固有頻率和動態(tài)特性。 介電常數介電常數: : 對于一定形狀、尺寸的壓電元件，其固有電對于一定形狀、尺寸的壓電元件，其固有電

6、 容與介電常數有關；而固有電容又影響著壓電傳感器的頻容與介電常數有關；而固有電容又影響著壓電傳感器的頻 率下限。率下限。 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 機械耦合系數：它的意義是，在壓電效應中，轉換輸出機械耦合系數：它的意義是，在壓電效應中，轉換輸出 能量（如電能）與輸入的能量（如機械能）之比的平方根，能量（如電能）與輸入的能量（如機械能）之比的平方根， 這是衡量壓電材料機這是衡量壓電材料機電能量轉換效率的一個重要參數。電能量轉換效率的一個重要參數。 電阻電阻: : 壓電材料的絕緣電阻將減少電荷泄漏，從而改善壓電材料的絕緣電阻將減少電荷泄漏，從而改善 壓電傳感器的低頻特性。壓電傳感器的低頻特

7、性。 居里點溫度居里點溫度: : 它是指壓電材料開始喪失壓電特性的溫度。它是指壓電材料開始喪失壓電特性的溫度。 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 1.1.石英晶體石英晶體 石英晶體在幾百石英晶體在幾百的溫度范圍內，介電常數和壓電系的溫度范圍內，介電常數和壓電系 數幾乎不隨溫度而變化。數幾乎不隨溫度而變化。 當溫度超過當溫度超過573573居里點時，石英晶體完全喪失壓電特居里點時，石英晶體完全喪失壓電特 性。性。 石英晶體的突出優(yōu)點：石英晶體的突出優(yōu)點：性能非常穩(wěn)定，有很大的機械性能非常穩(wěn)定，有很大的機械 強度和穩(wěn)定的機械性能。強度和穩(wěn)定的機械性能。 但石英材料價格昂貴，且壓電系數比壓電陶瓷低得

8、多。但石英材料價格昂貴，且壓電系數比壓電陶瓷低得多。 因此一般僅用于標準儀器或要求較高的傳感器中。因此一般僅用于標準儀器或要求較高的傳感器中。 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 石英晶體的兩種類型：石英晶體的兩種類型： 天然和人工培養(yǎng)。人工培養(yǎng)的天然和人工培養(yǎng)。人工培養(yǎng)的 石英晶體的物理和化學性質幾乎與石英晶體的物理和化學性質幾乎與 天然石英晶體沒有區(qū)別，因此目前天然石英晶體沒有區(qū)別，因此目前 廣泛應用成本較低的人造石英晶體。廣泛應用成本較低的人造石英晶體。 天然天然 人造人造 晶片晶片 石英是一種各向異性晶體：石英是一種各向異性晶體： 按不同方向切割的晶片，其物按不同方向切割的晶片，其物 理

9、性質（如彈性、壓電效應、溫度理性質（如彈性、壓電效應、溫度 特性等）相差很大。特性等）相差很大。 在設計石英傳感器時，應根據在設計石英傳感器時，應根據 不同使用要求正確地選擇石英片的不同使用要求正確地選擇石英片的 切型切型。 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 壓電陶瓷主要有鈦酸鋇壓電壓電陶瓷主要有鈦酸鋇壓電 陶瓷、鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷等。陶瓷、鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷等。 （1 1）鈦酸鋇壓電陶瓷）鈦酸鋇壓電陶瓷 鈦酸鋇（鈦酸鋇（BaTiOBaTiO3 3）是由碳酸）是由碳酸 鋇（鋇（BaCOBaCO3 3）和二氧化鈦（）和二氧化鈦（TiOTiO2 2） 按按1:11:1分子比例在高溫下合成的壓分子比

10、例在高溫下合成的壓 電陶瓷。電陶瓷。 優(yōu)點：優(yōu)點：介電常數和壓電系數介電常數和壓電系數 大（約為石英晶體的大（約為石英晶體的5050倍）。倍）。 缺 點 ：缺 點 ： 居 里 點 溫 度 低居 里 點 溫 度 低 （120120），溫度穩(wěn)定性和機械強），溫度穩(wěn)定性和機械強 度不如石英晶體。度不如石英晶體。 2. 2. 壓電陶瓷壓電陶瓷 （2 2）鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷）鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷 鋯 鈦 酸 鉛 （鋯 鈦 酸 鉛 （ P Z TP Z T ） 是 由） 是 由 PbTiOPbTiO3 3和和PbZrOPbZrO3 3組成的固溶體組成的固溶體PbPb （ZrZr、TiTi）O O3 3。與鈦

11、酸鋇相比，。與鈦酸鋇相比， 壓電系數更大，居里點溫度在壓電系數更大，居里點溫度在 300300以上，各項機電參數受溫以上，各項機電參數受溫 度影響小，時間穩(wěn)定性好。度影響小，時間穩(wěn)定性好。 在鋯鈦酸中添加一種或兩在鋯鈦酸中添加一種或兩 種其它微量元素（如鈮、銻、種其它微量元素（如鈮、銻、 錫、錳、鎢等）還可獲得不同錫、錳、鎢等）還可獲得不同 性能的性能的PZTPZT材料。材料。 鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷是目鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷是目 前壓電式傳感器中應用最廣泛前壓電式傳感器中應用最廣泛 的壓電材料。的壓電材料。 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 壓電半導體材料有壓電半導體材料有ZnOZnO、CdSCdS

12、、 CdTeCdTe等，這種力敏器件具有靈敏度等，這種力敏器件具有靈敏度 高，響應時間短等優(yōu)點。高，響應時間短等優(yōu)點。 用用ZnOZnO作為表面聲波振蕩器的壓作為表面聲波振蕩器的壓 電材料，可檢測力和溫度等參數。電材料，可檢測力和溫度等參數。 3.3.新型壓電材料新型壓電材料 1) 1) 壓電半導體材料壓電半導體材料 某些合成高分子聚合物薄膜經某些合成高分子聚合物薄膜經 延展拉伸和電場極化后，具有一定延展拉伸和電場極化后，具有一定 的壓電性能，這類薄膜稱為高分子的壓電性能，這類薄膜稱為高分子 壓電薄膜，有聚二氟乙烯壓電薄膜，有聚二氟乙烯PVFPVF2 2、聚、聚 氟乙烯氟乙烯PVFPVF、聚氯

13、乙烯、聚氯乙烯PVCPVC等。等。 2) 2) 高分子壓電材料高分子壓電材料 高分子壓電材料是一種高分子壓電材料是一種 柔軟的壓電材料，不易破碎，柔軟的壓電材料，不易破碎， 可大量生產和制成較大的面可大量生產和制成較大的面 積。積。 高分子壓電薄膜拉制高分子壓電薄膜拉制 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 高分子壓電材料特點：高分子壓電材料特點： 柔軟；抗拉強度高；電阻大、擊柔軟；抗拉強度高；電阻大、擊 穿強度高；穩(wěn)定性好。穿強度高；穩(wěn)定性好。 高分子化合物參雜壓電陶瓷粉末，高分子化合物參雜壓電陶瓷粉末， 兩者優(yōu)點合一。兩者優(yōu)點合一。 高分子壓電材料應用：高分子壓電材料應用： 大面積陣列傳感器、

14、人工皮膚。大面積陣列傳感器、人工皮膚。 高分子壓電薄膜高分子壓電薄膜 制作的壓電喇叭制作的壓電喇叭 （逆壓電效應）（逆壓電效應） 高分子壓電薄膜高分子壓電薄膜 壓電式腳踏開關壓電式腳踏開關 高分子壓電薄膜高分子壓電薄膜和電纜和電纜 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 二、壓電效應的基本原理二、壓電效應的基本原理 天然石英晶體，結構形狀為天然石英晶體，結構形狀為 一個六角形晶柱，兩端為一對稱一個六角形晶柱，兩端為一對稱 的棱錐。的棱錐。 在晶體學中，用三根互相垂在晶體學中，用三根互相垂 直的軸建立描述晶體結構形狀的直的軸建立描述晶體結構形狀的 坐標系。坐標系。 縱軸縱軸Z Z稱為稱為光軸光軸，通過

15、六棱，通過六棱 線而垂直于光鈾的線而垂直于光鈾的X X鈾稱為鈾稱為電軸電軸， 與與X-XX-X軸和軸和Z-ZZ-Z軸垂直的軸垂直的Y-YY-Y軸軸 ( (垂直于六棱柱體的棱面垂直于六棱柱體的棱面) )稱為稱為機機 械軸械軸。 1 1、石英晶體壓電效應、石英晶體壓電效應 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 如果從石英晶體中切下一個平行六面體并如果從石英晶體中切下一個平行六面體并 使其晶面分別平行于使其晶面分別平行于Z-ZZ-Z、Y-YY-Y、X-XX-X軸線。晶片軸線。晶片 在正常情況下呈現電性。在正常情況下呈現電性。 縱向壓電效應：縱向壓電效應：沿電軸沿電軸(X(X軸軸) )方向的作用力產方向的

16、作用力產 生的壓電效應。生的壓電效應。 橫向壓電效應：橫向壓電效應：沿機械軸沿機械軸(Y(Y軸軸) )方向的作用力方向的作用力 產生的壓電效應產生的壓電效應 切向壓電效應：切向壓電效應：沿相對兩棱加力時產生的壓電沿相對兩棱加力時產生的壓電 效應。效應。 沿光軸沿光軸(Z(Z軸軸) )方向的作用力不產生壓電效應。方向的作用力不產生壓電效應。 壓電式傳感器主要是利用縱向壓電效應。壓電式傳感器主要是利用縱向壓電效應。 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 石英晶體具有壓電效應，由內部分石英晶體具有壓電效應，由內部分 子結構決定的。子結構決定的。 一個單元組體中，構成石英晶體的一個單元組體中，構成石英晶體

17、的 硅離子和氧離子，在垂直于硅離子和氧離子，在垂直于z z軸的軸的xyxy平面平面 上的投影，等效為一個正六邊形排列。上的投影，等效為一個正六邊形排列。 “”代表硅離子代表硅離子SiSi4+ 4+， ，“”代表氧代表氧 離子離子O O2- 2-。 。 2 2、石英晶體壓電效應的微觀機理、石英晶體壓電效應的微觀機理 當石英晶體未受外力作用時，正、負當石英晶體未受外力作用時，正、負 離子正好分布在正六邊形的頂角上，形成離子正好分布在正六邊形的頂角上，形成 三個互成三個互成120120夾角的電偶極矩為夾角的電偶極矩為P P1 1、P P2 2、 P P3 3。 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 因為

18、因為P=qL（q為電荷量，為電荷量，L為正負電為正負電 荷之間的距離），此時正負電荷中心重合，荷之間的距離），此時正負電荷中心重合， 電偶極矩的矢量和等于零，即電偶極矩的矢量和等于零，即P1+P2+P3 0 晶體表面不產生電荷，呈電中性。晶體表面不產生電荷，呈電中性。 當晶體受到沿當晶體受到沿x方向的壓力（方向的壓力（Fx0 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 在在x 方向上的分量不再等于零方向上的分量不再等于零 (P1+P2+P3)x0 在在y、z方向上的分量為方向上的分量為 (P1+P2+P3)y=0 (P1+P2+P3)z=0 在在x x軸的正向出現正電荷，在軸的正向出現正電荷，在y y、

19、 z z方向不出現電荷。方向不出現電荷。 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 在在x x軸的正向出現負電荷，在軸的正向出現負電荷，在y y、 z z方向依然不出現電荷。方向依然不出現電荷。 當晶體受到沿當晶體受到沿x方向的拉力方向的拉力 （Fx0）作用時，電偶極矩）作用時，電偶極矩P1增增 大，大， P2、 P3減小，在減小，在x、y、z三個三個 方向上的分量為方向上的分量為 (P1+P2+P3)y 1或者或者 趨近 于時。根據。根據Uim()的表達式，的表達式， 在理想情況下輸入電壓幅值為在理想情況下輸入電壓幅值為 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 222 ( )() ( ) 1() imac

20、i im aci UR CCC U R CCC ( ) m im aci dF U CCC 222 ( ) 1() m im aci dFR U R CCC () aci R CCC 1 2 ( ) ( ) 1 () im im U K U 1 tan () 2 (9070 ) 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 （1）壓電傳感器不能測量靜態(tài)物理量。）壓電傳感器不能測量靜態(tài)物理量。 （2）當）當1時（工程中認為時（工程中認為3可滿足要求），輸入可滿足要求），輸入 電壓與信號頻率無關。電壓與信號頻率無關。 優(yōu)點：優(yōu)點：時間常數一定時，高頻響應特性好。時間常數一定時，高頻響應特性好。 缺點：缺點：低

21、頻響應差。提高低頻響應的辦法是增大時間常數，低頻響應差。提高低頻響應的辦法是增大時間常數， 即增大電容或提高輸入電阻。即增大電容或提高輸入電阻。 1 2 ( ) ( ) 1 () im im U K U 1 tan () 2 (9070 ) 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 2 2）. .傳感器電壓靈敏度傳感器電壓靈敏度 前置電路要有高輸入阻抗：前置電路要有高輸入阻抗： 因為傳感器電壓靈敏度與電容成反比，因為傳感器電壓靈敏度與電容成反比， 所以提高低頻響應的辦法只能是增大前置輸所以提高低頻響應的辦法只能是增大前置輸 入回路電阻，這樣導致電壓放大器響應差。入回路電阻，這樣導致電壓放大器響應差。

22、ica ica ica m im U CCC d CCC R d CCCR Rd F U K 2 2 2 )( )( 1 )(1 壓電式傳感器的電壓靈敏度為壓電式傳感器的電壓靈敏度為 1R 因此，要求電壓放因此，要求電壓放 電器前置電路具有高輸電器前置電路具有高輸 入阻抗。入阻抗。 前置電壓放電器采前置電壓放電器采 用高輸入阻抗的運算放用高輸入阻抗的運算放 大器，具有阻抗變換的大器，具有阻抗變換的 作用。作用。 A uo CiRiCeRe Ca ua (a) CR Ca uaui (b) A uo CiRiCeRe Ca ua (a) CR Ca uaui (b) 傳感器原理及應用傳感器原理及

23、應用 從傳感器的輸出電壓和電壓靈敏度可從傳感器的輸出電壓和電壓靈敏度可 見，連接電纜的分布電容見，連接電纜的分布電容C Ce e影響傳感器輸出影響傳感器輸出 電壓和靈敏度，使用時更換電纜就要求重電壓和靈敏度，使用時更換電纜就要求重 新標定，測量系統對電纜長度變化很敏感，新標定，測量系統對電纜長度變化很敏感， 這是電壓放大器的缺點。這是電壓放大器的缺點。 因此，壓電傳感器因此，壓電傳感器 與前置放大器之間連接與前置放大器之間連接 電纜不能隨意更換，否電纜不能隨意更換，否 則將引入測量誤差。則將引入測量誤差。 解決電纜分布電容解決電纜分布電容 的影響和低頻響應差的的影響和低頻響應差的 缺點可采用電

24、荷放大。缺點可采用電荷放大。 ica m ica m im CCC dF CCCR RdF U 222 )(1 ica ica U CCC d CCCR Rd K 2 )(1 A uo CiRiCeRe Ca ua (a) CR Ca uaui (b) A uo CiRiCeRe Ca ua (a) CR Ca uaui (b) 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 運算放大器輸入阻抗極高，運算放大器輸入阻抗極高， 放大器輸入端幾乎沒有分流，放大器輸入端幾乎沒有分流， 故可等效成略去故可等效成略去Ra、 Rf和和Ri并并 聯電阻的電路。聯電阻的電路。 2.2.電荷放大器電荷放大器 電荷放大器是一種

25、輸出電電荷放大器是一種輸出電 壓與輸入電荷量成正比的前置壓與輸入電荷量成正比的前置 放大器。利用電容作反饋元件放大器。利用電容作反饋元件 的深度負反饋的高增益運放。的深度負反饋的高增益運放。 通常通常A=10 4108，當滿足 ，當滿足 (1+A)CrCa+Cc+Ci時，則有時，則有 (1) o acir AQ U CCCA C 1 1）. .電荷放電器輸出電壓電荷放電器輸出電壓 反饋電容反饋電容Cr折合到放大器折合到放大器 輸入端的有效電容為輸入端的有效電容為(1+A)Cr。 電荷放大器的輸出電壓為電荷放大器的輸出電壓為 / or UQ C Cc 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 電荷放大器

26、輸出電壓電荷放大器輸出電壓 2 2）. .電荷放電器的特點電荷放電器的特點 / or UQ C （1 1）電荷放大器的輸出電壓）電荷放大器的輸出電壓 只取決于輸入電荷與反饋電容，與只取決于輸入電荷與反饋電容，與 電纜電容無關，且與電荷成正比。電纜電容無關，且與電荷成正比。 （2 2）采用電荷放大器時，即）采用電荷放大器時，即 使連接電纜長度在百米以上，靈敏使連接電纜長度在百米以上，靈敏 度也無明顯變化，這是電荷放大器度也無明顯變化，這是電荷放大器 的最大特點。的最大特點。 （4）為了得到必要的測）為了得到必要的測 量精度，要求反饋電容量精度，要求反饋電容Cr的溫的溫 度和時間穩(wěn)定性都很好。在實

27、度和時間穩(wěn)定性都很好。在實 際電路中，考慮到不同的量程際電路中，考慮到不同的量程 等因素，等因素，Cr的容量做成可選擇的容量做成可選擇 的，范圍一般為的，范圍一般為102104pF。 （3）電路復雜，價格昂貴。）電路復雜，價格昂貴。 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 各種壓電材料的應用場合 石英晶體主要用于精密測量，多作為實驗室基 準傳感器； 壓電陶瓷靈敏度較高，機械強度稍低，多用作 測力和振動傳感器； 高分子壓電材料多用作定性測量。 7.4 壓電式傳感器的應用壓電式傳感器的應用 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 1壓電晶體振蕩器； 2. 壓電式測力傳感器 3壓電加速度計傳感器； 4. 振動測

28、量； 5壓電換能器，發(fā)射（揚聲器）、接收（麥克 風）、收聽器、超聲波換能器； 壓電元件符號 各種壓電材料的測量對象 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 1 1、壓電式力傳感器壓電式力傳感器 壓電式單向測力傳感器的壓電式單向測力傳感器的 結構，主要由石英晶片、結構，主要由石英晶片、 絕緣絕緣 套、電極、上蓋及基座等組成。套、電極、上蓋及基座等組成。 傳感器上蓋為傳力元件，傳感器上蓋為傳力元件， 外緣壁厚為外緣壁厚為0.10.5mm，當外力，當外力 作用時，產生彈性變形，將力作用時，產生彈性變形，將力 傳遞到石英晶片上。利用壓電傳遞到石英晶片上。利用壓電 效應，實現力效應，實現力電轉換。電轉換。 石

29、 英 晶 片 的 尺 寸 為石 英 晶 片 的 尺 寸 為 81mm。該傳感器的測力范。該傳感器的測力范 圍為圍為050N，最小分辨率為，最小分辨率為 0.01N，固有頻率為，固有頻率為5060 kHz， 整個傳感器重為整個傳感器重為10 g。 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 2 2、壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器 壓電式加速度傳感器的結構，主要由壓電式加速度傳感器的結構，主要由 壓電元件、質量塊、壓電元件、質量塊、預壓彈簧預壓彈簧、基座及外殼、基座及外殼 等組成。整個部件裝在外殼內，并由螺栓加等組成。整個部件裝在外殼內，并由螺栓加 以固定。以固定。 當壓電式加速度當壓電式加速度 傳感

30、器和被測物一起傳感器和被測物一起 受到沖擊振動時，壓受到沖擊振動時，壓 電元件受質量塊慣性電元件受質量塊慣性 力的作用。力的作用。 慣性力作用于壓慣性力作用于壓 電元件上，產生電荷。電元件上，產生電荷。 輸出電荷與加速度成輸出電荷與加速度成 正比。正比。 因此，根據加速因此，根據加速 度傳感器輸出電荷便度傳感器輸出電荷便 可知加速度的大小?？芍铀俣鹊拇笮?。 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 圖6.3.3是一種壓電式加 速度傳感器的結構圖。 它主要由壓電元件、質 量塊、預壓彈簧、基座 及外殼等組成。整個部 件裝在外殼內，并由螺 栓加以固定。 圖6.3.3 壓電式加速度傳感器結構圖 三、 壓電式

31、加速度傳感器 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 3 3、壓電式聲傳感器壓電式聲傳感器 當交變信號加在壓電陶瓷當交變信號加在壓電陶瓷 片兩端面時，因壓電陶瓷的逆片兩端面時，因壓電陶瓷的逆 壓電效應，陶瓷片會在電極方壓電效應，陶瓷片會在電極方 向產生周期性的伸長和縮短，向產生周期性的伸長和縮短， 產生振動發(fā)射聲波。產生振動發(fā)射聲波。 如果換能器中壓電陶瓷的振蕩如果換能器中壓電陶瓷的振蕩 頻率在超聲波范圍，則發(fā)射或接收頻率在超聲波范圍，則發(fā)射或接收 的聲頻信號即為超聲波。這樣的換的聲頻信號即為超聲波。這樣的換 能器稱為能器稱為壓電超聲換能器壓電超聲換能器。 當一定頻率的聲頻信號加當一定頻率的聲頻信號

32、加 在壓電陶瓷片上時，壓電陶瓷在壓電陶瓷片上時，壓電陶瓷 片受到外力作用而產生壓縮變片受到外力作用而產生壓縮變 形，壓電陶瓷上因正壓電效形，壓電陶瓷上因正壓電效 應出現充、放電現象，聲頻信應出現充、放電現象，聲頻信 號轉換成交變電信號，接收聲號轉換成交變電信號，接收聲 頻信號。頻信號。 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 4 4、壓電式流量計、壓電式流量計 超聲波流量計：超聲波流量計： 壓電超聲換能器壓電超聲換能器 每 隔 一 段 時 間 （ 如每 隔 一 段 時 間 （ 如 1/100s）發(fā)射和接收互）發(fā)射和接收互 換一次。換一次。 在順流和逆流的在順流和逆流的 情況下，發(fā)射和接收情況下，發(fā)射

33、和接收 的相位差與流速成正的相位差與流速成正 比。比。 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 5 5、壓電式傳感器管道檢漏、壓電式傳感器管道檢漏 地面下一均勻的自來水直管道某處地面下一均勻的自來水直管道某處O發(fā)生漏水，水漏引起的振動發(fā)生漏水，水漏引起的振動 從從O點向管道兩端傳播，在管道上點向管道兩端傳播，在管道上A、B兩點放兩只壓電傳感器，從兩兩點放兩只壓電傳感器，從兩 個傳感器接收到的由個傳感器接收到的由O點傳來的點傳來的t0時刻發(fā)出的振動信號所用時間差可時刻發(fā)出的振動信號所用時間差可 計算出計算出LA或或LB。 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 6 6、石英晶體振蕩器（晶振）、石英晶體振蕩器

34、（晶振） 石英晶體在振蕩石英晶體在振蕩 電路中工作時，電路中工作時，壓電壓電 效應與逆壓電效應效應與逆壓電效應交交 替作用，從而產生穩(wěn)替作用，從而產生穩(wěn) 定的振蕩輸出頻率。定的振蕩輸出頻率。 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 7 7、壓電式壓電式玻璃破碎報警裝置玻璃破碎報警裝置 高分子壓電測振薄膜粘貼在玻高分子壓電測振薄膜粘貼在玻 璃上，可以感受到玻璃破碎時會發(fā)璃上，可以感受到玻璃破碎時會發(fā) 出的振動，并將電壓信號傳送給集出的振動，并將電壓信號傳送給集 中報警系統。中報警系統。 厚約厚約0.2mm左右的左右的PVDF薄膜薄膜 裁制成裁制成1020mm大小。用瞬干膠大小。用瞬干膠 粘貼在玻璃上。

35、粘貼在玻璃上。 當玻璃遭暴力打碎的瞬間，壓當玻璃遭暴力打碎的瞬間，壓 電薄膜感受到劇烈振動，表面產生電薄膜感受到劇烈振動，表面產生 電荷，在兩個輸出引腳之間產生窄電荷，在兩個輸出引腳之間產生窄 脈沖報警信號。脈沖報警信號。 質質 量量 塊塊 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 圖6.3.4 壓電式玻璃破碎傳感器 圖6.3.5 壓電式玻璃破碎報警器電路框圖 執(zhí)行 機構 比較 帶通 濾波 放大 傳感器 玻璃 (a)(b) 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 8 8、壓電式周界報警系統、壓電式周界報警系統 壓電電纜埋在泥壓電電纜埋在泥 土的淺表層，可起分土的淺表層，可起分 布式地下麥克風或聽布式地下麥克

36、風或聽 音器的作用，可在幾音器的作用，可在幾 十米范圍內探測人的十米范圍內探測人的 步行步行, 對輪式或履帶對輪式或履帶 式車輛也可通過信號式車輛也可通過信號 處理系統分辨出來。處理系統分辨出來。 在重要位置出入在重要位置出入 口、周界安全防護等口、周界安全防護等 地方應用。地方應用。 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 圖6.3.6 高分子壓電電纜周界報警系統 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 9 9、壓電式交通監(jiān)測系統、壓電式交通監(jiān)測系統 高分子壓電電纜埋在高分子壓電電纜埋在 公路的路面下約公路的路面下約5cm，可，可 獲取車型分類信息（包括獲取車型分類信息（包括 軸數、軸距、輪距、單雙軸數

37、、軸距、輪距、單雙 輪胎）、車速監(jiān)測、收費輪胎）、車速監(jiān)測、收費 站地磅、闖紅燈拍照、停站地磅、闖紅燈拍照、停 車區(qū)域監(jiān)控、交通數據信車區(qū)域監(jiān)控、交通數據信 息采集（道路監(jiān)控）等。息采集（道路監(jiān)控）等。 也用于機場滑行道監(jiān)也用于機場滑行道監(jiān) 測等。測等。 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 壓電電纜測速原理圖 (a) 壓電電纜埋設示意圖；(b) A、B壓電電纜的輸出信號波形 1-公路；2-壓電電纜；3-車輪 (a) (b) 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 1010、壓電式動態(tài)力傳感器、壓電式動態(tài)力傳感器 在體育動態(tài)測量中應用。在體育動態(tài)測量中應用。 壓電式步態(tài)分析跑臺壓電式步態(tài)分析跑臺 壓電式

38、縱跳分析裝置壓電式縱跳分析裝置 在車床中動態(tài)切削力測量在車床中動態(tài)切削力測量 中應用。中應用。 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 由于壓電陶瓷 元件的自振頻率高， 特別適合測量變化 劇烈的載荷。圖中 壓電傳感器位于車 刀前部的下方，當 進行切削加工時， 切削力通過刀具傳 給壓電傳感器，壓 電傳感器將切削力 轉換為電信號輸出， 記錄下電信號的變 化便可測得切削力 的變化。 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 壓電式傳感器的高頻響應特別好，只要放大器的高頻截止 頻率遠高于傳感器自身的固有頻率。那么，傳感器的高頻響應 完全由自身的機械問題決定，因此，壓電式傳感器的高頻響應 只需考慮傳感器的固有頻率。

39、1111、振動測試、振動測試 實際測量的振動頻率 上限可達幾千赫，甚 至達十幾千赫。 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 引信由壓電元件和起爆裝置兩部分組成，壓電元件安引信由壓電元件和起爆裝置兩部分組成，壓電元件安 裝在彈丸的頭部，起爆裝置在彈丸的尾部，通過引線連裝在彈丸的頭部，起爆裝置在彈丸的尾部，通過引線連 接。接。 壓電壓電 元件元件 RE Sa b炸藥 壓電元件壓電元件 導線導線起爆裝置起爆裝置 破甲彈上的破甲彈上的 壓電引信結構壓電引信結構 藥型罩藥型罩 壓電引信是利用壓電元件制成的彈丸起爆裝置。觸發(fā)度高、 安全可靠、不需要安裝電源系統，常用于破甲彈上 。對彈丸 的破甲能力起著極重要的

40、作用。 電電 雷雷 管管 1212、壓電引信、壓電引信 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 原理：原理： 平時E（電雷管）處于短路保險安全狀態(tài)，壓電元件即使受 壓，產生的電荷會通過電阻放掉，不會觸發(fā)雷管。 而彈丸一旦發(fā)射，起爆裝置解除保險狀態(tài)，開關S從b處斷 開與a 接通，處于待發(fā)狀態(tài)。 當彈丸與裝甲目標相遇時，碰撞力使壓電元件產生電荷， 通過導線將電信號傳給電雷管使其引爆，并引起彈丸爆炸， 能量使藥型罩融化形成高溫高速的金屬流將鋼甲穿透。 壓電壓電 元件元件 RE Sa b炸藥 壓電元件壓電元件 導線導線起爆裝置起爆裝置 破甲彈上的破甲彈上的 壓電引信結構壓電引信結構 藥型罩藥型罩 電電 雷雷

41、 管管 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 1.石英晶體在沿機械軸y方向的力作用下會（ ） A產生縱向壓電效應 B. 產生橫向壓電效應 C不產生壓電效應 D. 產生逆向壓電效應 2.對石英晶體，下列說法正確的是（ ）。 A. 沿光軸方向施加作用力，不會產生壓電效應，也沒有電荷產生。 B. 沿光軸方向施加作用力，不會產生壓電效應，但會有電荷產生。 C. 沿光軸方向施加作用力，會產生壓電效應，但沒有電荷產生。 D. 沿光軸方向施加作用力，會產生壓電效應，也會有電荷產生。 3.壓電式傳感器目前多用于測量（ ）。 A靜態(tài)的力或壓力 B動態(tài)的力或壓力 C位移 D溫度 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 4.

42、石英晶體和壓電陶瓷的壓電效應對比正確的是（ ） A. 壓電陶瓷比石英晶體的壓電效應明顯，穩(wěn)定性也比石英晶體好 B. 壓電陶瓷比石英晶體的壓電效應明顯，穩(wěn)定性不如石英晶體好 C. 石英晶體比壓電陶瓷的壓電效應明顯，穩(wěn)定性也比壓電陶瓷好 D. 石英晶體比壓電陶瓷的壓電效應明顯，穩(wěn)定性不如壓電陶瓷好 5.兩個壓電元件相并聯與單片時相比說法正確的是（ ） A. 并聯時輸出電壓不變，輸出電容是單片時的一半 B. 并聯時輸出電壓不變，電荷量增加了2倍 C. 并聯時電荷量增加了2倍，輸出電容為單片時2倍 D. 并聯時電荷量增加了一倍，輸出電容為單片時的2倍 6.在運算放大器放大倍數很大時，壓電傳感器輸入電路

43、中的電荷 放大器的輸出電壓與（ ）成正比。 A輸入電荷 B.反饋電容 C電纜電容 D.放大倍數 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 1、壓電材料石英晶體具有各向異性，在沿電軸方向、機 械軸方向力的作用下 壓電效應，而沿光軸方向時 則 壓電效應。 2、單片壓電片的等效電容為C；輸出電荷為Q；輸出電壓 為U；若將相同兩片串接后， 則其總參數C1= C，U1= U。并接后，則其總參數C1= C，Q1= Q。 3、壓電材料將超聲波（機械振動波）轉換成電信號是利 用 ；蜂鳴器中發(fā)出“嘀嘀”聲的 壓電片發(fā)聲原理是利用壓電材料的 。 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 5、壓電式傳感器可以等效為 并聯，也可以

44、等效為 串聯。 4、壓電式傳感器的敏感元件壓電元件受力時將發(fā) 生形變，按其受力及變形方式的不同，一般可分為 變形、 變形、 變形和 變形等幾種形式。目前最常 用的是 和 兩種。 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 7.5 超聲波傳感器超聲波傳感器 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 n 超聲波的概念 振動在彈性介質內的傳播稱為波動。振動在彈性介質內的傳播稱為波動。 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 縱波質點振動方向與波的傳播方向一致的 波，稱為縱波。它能在固體、液體和氣體固體、液體和氣體中傳播； 橫波質點振動方向垂直于傳播方向的波，稱為 橫波。它只能在固體固體中傳播； 表面波質點的振動介于縱波與橫

45、波之間，沿著 表面?zhèn)鞑?，振幅隨深度增加而迅速衰減隨深度增加而迅速衰減的波，稱為 表面波。 測量時多采用縱波測量時多采用縱波 超聲波的波形 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 振動方向和波振動方向和波 的傳播方向一的傳播方向一 致。致。能在固體、能在固體、 液體和氣體中液體和氣體中 傳播。傳播。 振動方向和波振動方向和波 的傳播方向垂的傳播方向垂 直。直。只能在固只能在固 體中傳播。體中傳播。 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 n表面波振動軌跡是橢圓型，在固體表面波振動軌跡是橢圓型，在固體表面表面?zhèn)鞑ァ鞑ァ?傳感器原理及應用傳感器原理及應用 超聲波的傳播速度與介質密度和彈性特性有關。超聲波在 氣

46、體和液體中傳播時，由于不存在剪切應力，所以僅有縱波傳 播，其傳播速度c為 n B c 1 式中：介質的密度； Ba絕對壓縮系數。 上述的、Ba都是溫度的函數，所以超聲波在介質中的傳播 速度隨溫度的變化而變化。聲速隨溫度的增加而減小。 超聲波的聲速、波長 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 此外，水質、壓強也會引起聲速的變化。 在固體中，縱波、橫波及其表面波三者的聲速有一定的關系， 通?？烧J為橫波聲速為縱波的一半，表面波聲速為橫波聲速的 90%。氣體中縱波聲速為344 m/s，液體中縱波聲速在900 1900m/s。 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 超聲波波長、頻率與速度的關系為： v f 傳感

47、器原理及應用傳感器原理及應用 超聲波的反射和折射 84 。 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 。 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 超聲波的衰減 超聲波在介質中傳播，能量的衰減決定于超聲波 的擴散、散射和吸收。 聲波擴散引起的衰減 在理想介質中，超聲波的衰減僅來自于超聲波的 擴散。由于聲波擴散能量逐漸分散，使單位面積內超 聲波的能量隨傳播距離的增加而減弱，并且聲壓強也 隨之減弱。 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 散射引起的衰減 聲波在傳播過程中遇到不同聲阻抗介質組成的界面時， 將產生散射， 實際材料的金屬結晶組織的不均性或界面 的晶粒粗大引起的散射， 使部分超聲波能量以熱能的形 式損耗。 介

48、質吸收引起的衰減 由于介質的粘滯性而造成質點間的內摩擦， 從而將 消耗部分聲能， 并且介質的熱傳導及介質的稠密和稀疏 部分之間的熱交換都能導致聲能的損耗。 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 超聲波的衰減 超聲波在介質中傳播時，隨著傳播距離的增加，能 量逐漸衰減。其聲壓和聲強的衰減規(guī)律滿足以下函數 關系： 0 x PPe 2 0 x II e 00 PI、 -距聲源距聲源x=0處的超聲波聲壓和聲強處的超聲波聲壓和聲強 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 超聲波傳感器習慣上稱超聲波傳感器習慣上稱超聲波換能器超聲波換能器，或，或超聲波探頭超聲波探頭。 超聲波探頭又分為直探頭、斜探頭、雙探頭、表面波超聲

49、波探頭又分為直探頭、斜探頭、雙探頭、表面波 探頭、聚焦探頭、沖水探頭、水浸探頭、高溫探頭、探頭、聚焦探頭、沖水探頭、水浸探頭、高溫探頭、 空氣傳導探頭以及其他專用探頭等?？諝鈧鲗筋^以及其他專用探頭等。 超聲波傳感器有超聲波傳感器有發(fā)送器發(fā)送器和和接收器接收器。 專用型：發(fā)送器用作發(fā)送超聲波，接收器用作接收超專用型：發(fā)送器用作發(fā)送超聲波，接收器用作接收超 聲波。聲波。 兼用型：發(fā)送接受為同一部件。兼用型：發(fā)送接受為同一部件。 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 a）兼用型）兼用型 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 各種超聲波傳感器產品各種超聲波傳感器產品 傳感器

50、原理及應用傳感器原理及應用 l壓電式超聲波傳感器結構 主要由壓電晶片、吸收塊(阻尼塊)、 保護膜等組成。 結構：壓電晶片、吸收塊（阻尼）、結構：壓電晶片、吸收塊（阻尼）、 保護膜、引線；保護膜、引線； 壓電晶片兩面鍍銀，作導線極板。壓電晶片兩面鍍銀，作導線極板。 壓電晶片為圓形薄片，超聲波頻率壓電晶片為圓形薄片，超聲波頻率f 與圓片厚度成反比；與圓片厚度成反比； 阻尼塊吸收聲能，降低機械品質，無阻尼塊吸收聲能，降低機械品質，無 阻尼時，電脈沖停止晶片會繼續(xù)振蕩，阻尼時，電脈沖停止晶片會繼續(xù)振蕩， 加長脈沖寬度，使分辨率變差。加長脈沖寬度，使分辨率變差。 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 超聲波

51、傳感器的工作原理超聲波傳感器的工作原理 發(fā)送器：在雙壓電振子上施加一定頻率（發(fā)送器：在雙壓電振子上施加一定頻率（40KHz）的）的 電壓，通過逆壓電效應，將電能轉換為機械能，送出電壓，通過逆壓電效應，將電能轉換為機械能，送出 超聲波信號；超聲波信號； 接收探頭：經正壓電效應將機械能轉換成電信號，轉接收探頭：經正壓電效應將機械能轉換成電信號，轉 換電路將接收到的信號放大處理。換電路將接收到的信號放大處理。 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 超聲波傳感器基本電路包括振蕩發(fā)射電路、檢測電路超聲波傳感器基本電路包括振蕩發(fā)射電路、檢測電路 兩部分組成：兩部分組成： 超聲波傳感器發(fā)射電路超聲波傳感器發(fā)射電

52、路調整振蕩器頻率調整振蕩器頻率 超聲波發(fā)射電路：超聲波發(fā)射電路： 由反向器組成由反向器組成RC振蕩器，振蕩器， 經門電路完成功率放大，經門電路完成功率放大， 經經CP耦合傳送給超聲波耦合傳送給超聲波 振子產生超聲發(fā)射信號。振子產生超聲發(fā)射信號。 CP電容防止傳感器長期電容防止傳感器長期 處于直流電壓下工作。處于直流電壓下工作。 C CP P 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 超聲波檢測電路：超聲波檢測電路： 接收到的超聲波信號極微接收到的超聲波信號極微 弱，需要高增益的放大電路弱，需要高增益的放大電路 用于檢測反射波，輸出的高用于檢測反射波，輸出的高 頻信號電壓接檢波、放大、頻信號電壓接檢波、

53、放大、 開關電路輸出或報警。開關電路輸出或報警。 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 超聲波測距集成模塊：最大距離超聲波測距集成模塊：最大距離600cm600cm，最小距離，最小距離2cm2cm 功放功放 40KHz OSC 定時器定時器 前置放大前置放大檢波檢波平方放大平方放大輸出輸出 VCC 12V 三位三位LED 顯示器顯示器 被被 測測 物物 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 接收連續(xù)信接收連續(xù)信 號號 接收信號被接收信號被 調制調制 延遲時間延遲時間 接收脈沖信號接收脈沖信號 直接傳播信直接傳播信 號號 （測距） 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 空氣超聲探頭發(fā)射超聲脈沖，到達被測物時

54、，被反射回來 ，并被另一只空氣超聲探頭所接收。測出從發(fā)射超聲波脈沖到 接收超聲波脈沖所需的時間t，再乘以空氣的聲速（340m/s）， 就是超聲脈沖在被測距離所經歷的路程，除以2就得到距離。 超聲波測距超聲波測距 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 超聲波測距集成模塊：最大距離超聲波測距集成模塊：最大距離600cm600cm，最小距離，最小距離2cm2cm 功放功放 40KHz OSC 定時器定時器 前置放大前置放大檢波檢波平方放大平方放大輸出輸出 VCC 12V 三位三位LED 顯示器顯示器 被被 測測 物物 發(fā)送電路：發(fā)送電路：555構成多諧振蕩器，產生構成多諧振蕩器，產生40KHz等幅波放大

55、送功放輸出；等幅波放大送功放輸出； 接收電路：放大、檢波，信號處理根據被測物體的距離設定反射脈沖時間，接收電路：放大、檢波，信號處理根據被測物體的距離設定反射脈沖時間， 調整振蕩器觸發(fā)時間。定時器控制觸發(fā)電路和門電路。調整振蕩器觸發(fā)時間。定時器控制觸發(fā)電路和門電路。 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 40kHz高頻信號與高頻信號與20Hz周期信號調制成短脈沖群向外發(fā)送周期信號調制成短脈沖群向外發(fā)送: 周期周期 T=1/20=50ms，超聲波在空氣中傳播速度為：，超聲波在空氣中傳播速度為： 340m/s50ms= 17m，17m/2=850cm 測距通過定時控制電路、觸發(fā)電路、門電路變換為與距離

56、測距通過定時控制電路、觸發(fā)電路、門電路變換為與距離 有關的信號有關的信號; 用時鐘脈沖對這個信號的發(fā)送和接收之間的延遲時間進行用時鐘脈沖對這個信號的發(fā)送和接收之間的延遲時間進行 計數，計數器的輸出值就是檢測的距離。計數，計數器的輸出值就是檢測的距離。 時鐘周期時鐘周期 T=1/40kHz=25m 340m/s (n25s) = 往返距離往返距離 單程距離單程距離 = 往返距離往返距離/2 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 40kHz高頻信號與高頻信號與20Hz周期信號周期信號 調制成短脈沖群向外發(fā)送調制成短脈沖群向外發(fā)送: 周期周期 T=1/20Hz=50ms 超聲波在空氣中傳播速度超聲波在空

57、氣中傳播速度 340m/s50ms= 17m 17m/2=850cm 測距通過定時控制電路、觸發(fā)電測距通過定時控制電路、觸發(fā)電 路變換為與距離有關的信號路變換為與距離有關的信號; 用時鐘脈沖對這個信號的發(fā)送和用時鐘脈沖對這個信號的發(fā)送和 接收之間的延遲時間進行計數，接收之間的延遲時間進行計數， 計數器的輸出值就是檢測的距離計數器的輸出值就是檢測的距離。 時鐘周期時鐘周期 T=1/40kHz=25S 340m/s (n25S) = 往返距離往返距離 單程距離單程距離 = 往返距離往返距離/2 超聲波測距原理時序波形示意圖超聲波測距原理時序波形示意圖 接收信號接收信號 傳感器原理及應用傳感器原理及

58、應用 超聲波檢測液位超聲波檢測液位 h h s h 2a h 2a s 單換能器單換能器 從發(fā)射到接收的時間從發(fā)射到接收的時間 t = 2h/C 傳感器到液面的距離傳感器到液面的距離 h = ct/2 雙換能器雙換能器 經過的路程：經過的路程： 2S = ct 液位高度：液位高度： C - - 超聲波在介質超聲波在介質 中傳播速度中傳播速度 22 hsa 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 超聲波測厚超聲波測厚 脈沖回波法脈沖回波法 / 2vt 優(yōu)點優(yōu)點:量程大量程大,無損無損,便攜便攜; 缺點缺點:測量精度與材料的材質有關測量精度與材料的材質有關 對于聲衰很大的材料以及表 面凹凸不平或形狀很不

59、規(guī)則 的零件，測厚比較困難。 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 手持式超聲波測厚儀手持式超聲波測厚儀 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 超聲波流量計的測量原理是多樣的，如傳播速度變化超聲波流量計的測量原理是多樣的，如傳播速度變化 法、波速偏移法、多普勒效應法、流動聽聲法等。目前應法、波速偏移法、多普勒效應法、流動聽聲法等。目前應 用較廣的主要是超聲波傳輸時間差法。用較廣的主要是超聲波傳輸時間差法。 傳播速度變化法傳播速度變化法 超聲波在流動介質中傳播時，其傳輸速度與在靜止介超聲波在流動介質中傳播時，其傳輸速度與在靜止介 質中的傳播速度不同，其變化量與介質流速有關。測得這質中的傳播速度不同，其變

60、化量與介質流速有關。測得這 一變化量就能求得介質的流速，進而求出流量。一變化量就能求得介質的流速，進而求出流量。 超聲波流量計超聲波流量計 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 設設u為介質流速，為介質流速，C為介質靜止時聲速。順流中超聲波的為介質靜止時聲速。順流中超聲波的 傳播速度為傳播速度為C + u，逆流中超聲波的傳播速度為，逆流中超聲波的傳播速度為C - u ，順流，順流 和逆流之間速度差與介質流速和逆流之間速度差與介質流速u有關有關 ,測得這一差別可求得流測得這一差別可求得流 速，進而通過計算得到流量值。速，進而通過計算得到流量值。 聲波在順流、逆流中的傳播情況聲波在順流、逆流中的傳播情