壓電式傳感器課件

第六章

壓電傳感器壓電式傳感器是一種典型的有源傳感器，它以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，材料受力變形時(shí)，其表面會(huì)有電荷產(chǎn)生，從而實(shí)現(xiàn)非電量檢測(cè)的目的。石英晶體天然形成的石英晶體外形石英晶體切片及封裝石英晶體薄片雙面鍍銀及封裝1.變換原理:壓電效應(yīng)

某些物質(zhì)，如石英，受到外力作用時(shí)，不僅幾何尺寸會(huì)發(fā)生變化，而且內(nèi)部會(huì)被極化，表面產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力去掉時(shí)，又重新回到原來(lái)的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。

逆壓電效應(yīng)：如果將這些物質(zhì)(物體)置于電場(chǎng)中，其幾何尺寸也會(huì)發(fā)生變化，這種由外電場(chǎng)作用導(dǎo)致物質(zhì)(物體)產(chǎn)生機(jī)械變形的現(xiàn)象，稱之為逆壓電效應(yīng)，或稱之為電致伸縮效應(yīng)。沿電軸(x軸)方向的作用力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)”；沿機(jī)械軸(y軸)方向的作用力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)”；在光軸(z軸)方向的作用力不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。

縱向壓電效應(yīng)：Qxx=d11Fx

d11——壓電系數(shù)

橫向壓電效應(yīng)：Qxy=d12Fyb/a

d12=-d11——壓電系數(shù)F石英晶體壓電效應(yīng)演示力的方向改變時(shí)，電荷的符號(hào)也隨之改變，外力去掉后，電荷立刻消失。僅用于動(dòng)態(tài)測(cè)量石英晶體壓電效應(yīng)產(chǎn)生的過(guò)程在正常情況下，石英晶體的每一個(gè)晶體單元中，有三個(gè)硅離子和六個(gè)氧離子，正負(fù)離子分布在正六邊形的頂角上，當(dāng)無(wú)外力作用時(shí)，正、負(fù)電荷中心重合，對(duì)外不顯電性。圖

石英晶體的結(jié)構(gòu)及壓電效應(yīng)當(dāng)在X軸向施加壓力時(shí)，各晶格上的帶電粒子均產(chǎn)生相對(duì)位移，氧離子擠入兩個(gè)硅離子之間，而硅離子也擠入兩個(gè)氧離子之間，正電荷中心向B面移動(dòng)，負(fù)電荷中心向A面移動(dòng)，因而B面呈現(xiàn)正電荷，A面呈現(xiàn)負(fù)電荷。當(dāng)在X軸向施加拉力時(shí)，各晶格上的帶電粒子均沿X軸向外產(chǎn)生位移，因而A面呈現(xiàn)正電荷，B面呈現(xiàn)負(fù)電荷。在Y方向施加壓力時(shí)，晶格沿y軸被向內(nèi)壓縮，A面呈現(xiàn)正電荷，B面呈現(xiàn)負(fù)電荷在Y方向施加拉力時(shí)，晶格在y向被拉長(zhǎng)，X向縮短，B面呈現(xiàn)正電荷，A面呈現(xiàn)負(fù)電荷。若沿Z軸方向施加力的作用時(shí)，由于硅離子和氧離子是對(duì)稱的平移，故在表面沒(méi)有電荷出現(xiàn)，因而不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。這就是石英晶體壓電效應(yīng)產(chǎn)生的過(guò)程。壓電材料的分類高分子壓電材料——近年來(lái)發(fā)展的新型材料。靈敏度最高。

壓電材料或元件的分類單晶壓電晶體(如石英晶體)-天然存在。最穩(wěn)定，居里點(diǎn)為573℃極化的多晶壓電陶瓷，如鈦酸鋇、鈮鎂酸鉛、鋯鈦酸鉛等—人工制造。等效電路壓電元件可以等效為一個(gè)與電容相并聯(lián)的電荷源，如圖a。由于電容電壓ua、電荷Q與電容Ca存在下列關(guān)系：壓電元件的等效電路因此，壓電元件也可以等效為電壓源和一個(gè)電容串聯(lián)的等效電路，如圖b所示

6-2測(cè)量電路壓電傳感器與測(cè)量?jī)x表聯(lián)接時(shí)，還必須考慮電纜電容CL，輸入電容Ci，放大器的輸入電阻Ri和傳感器本身電阻Ra形成的泄漏電阻R0，等效電路為壓電傳感器本身的內(nèi)阻抗很高，而輸出能量較小，因此它的測(cè)量電路通常需要接入一個(gè)高輸入阻抗的前置放大器，其作用為：一是把它的高阻抗輸出變換為低輸出；二是放大傳感器輸出的微弱信號(hào)。壓電傳感器的輸出可以是電壓信號(hào)，也可以是電荷信號(hào)，因此前置放大器也有兩種形式：電壓放大器和電荷放大器。

電壓放大器是以電阻進(jìn)行反饋，其輸出電壓與輸入電壓(即傳感器的輸出)成正比；電荷放大器是以電容為反饋的，其輸出電壓與輸入電荷成正比。由于電荷放大器電路的電纜長(zhǎng)度變化的影響不大，電纜電容幾乎可以忽略不計(jì)，故而電荷放大器應(yīng)用日益廣泛。電荷放大器輸出式中，K為開環(huán)放大系數(shù)。常為104~106，當(dāng)K>>1，而(1+K)Cf>>Ca+CL

+Ci時(shí)，放大器輸出電壓可以表示為F+q=DF+串聯(lián)+并聯(lián)壓電元件常用的結(jié)構(gòu)形式

在實(shí)際使用中，如僅用單片壓電元件工作的話，要產(chǎn)生足夠的表面電荷就要很大的作用力，因此一般采用兩片或兩片以上壓電元件組合在一起使用。由于壓電元件是有極性的，因此連接方法有兩種：并聯(lián)連接和串聯(lián)連接。并聯(lián)連接：此時(shí)電容量大，輸出電荷量大，時(shí)間常數(shù)大，適用于測(cè)量緩變信號(hào)和以電荷為輸出的場(chǎng)合及電荷量輸出信號(hào)。串聯(lián)連接：傳感器本身電容小，響應(yīng)較快，輸出電壓大，適用于要求以電壓為輸出的場(chǎng)合，并要求測(cè)量電路有高的輸入阻抗。故這種傳感器適用于測(cè)量以電壓作輸出的信號(hào)和頻率較高的信號(hào)。迅變信號(hào)產(chǎn)品壓力變送器加速度計(jì)力傳感器

壓電元件一般由兩塊壓電片組成，在壓電片的兩表面上鍍有銀層，并在銀層上焊有引出線，輸出端另一根引出線直接與基座相連。在壓電片上放一個(gè)質(zhì)量塊，為了消除壓電元件和質(zhì)量塊間的接觸不良而引起的非線性誤差及保證傳感器在交變力作用下能正常工作，要用硬彈簧對(duì)壓電元件施加預(yù)壓負(fù)荷。靜態(tài)預(yù)壓負(fù)荷大小應(yīng)遠(yuǎn)大于傳感器在振動(dòng)、沖擊測(cè)試中可能承受的最大動(dòng)應(yīng)力。傳感器的整個(gè)組件裝在一個(gè)厚基座上，并用金屬殼封罩。案例：飛機(jī)模態(tài)分析超聲波檢測(cè)超聲波:高于20KHz的機(jī)械波。

超聲波與聲波比，振動(dòng)頻率高，波長(zhǎng)短，具有束射特性，方向性強(qiáng)，可以定向傳播，其能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于振幅相同的聲波，并具有很高的穿透能力。

超聲波傳感器是利用壓電元件發(fā)射或接收超聲波信號(hào)，也叫迢聲波探頭超聲波與可聞聲波不同，它可以被聚焦，具有能量集中的特點(diǎn)。

超聲波霧化器

超聲波加濕器壓電陶瓷或磁致伸縮材料在高電壓窄脈沖作用下，可得到較大功率的超聲波，可以被聚焦，能用于集成電路及塑料的焊接。

超聲波塑料焊接機(jī)超聲波金絲焊接機(jī)超聲波被聚焦后，具有較好的方向性，在遇到兩種介質(zhì)的分界面時(shí)，能產(chǎn)生明顯的反射和折射現(xiàn)象，這一現(xiàn)象類似于光波。便攜式超聲波探魚器超聲波在醫(yī)學(xué)檢查中的應(yīng)用胎兒的B超影像超聲波用于高效清洗

當(dāng)弱的聲波信號(hào)作用于液體中時(shí)，會(huì)對(duì)液體產(chǎn)生一定的負(fù)壓，即液體體積增加，液體中分子空隙加大，形成許多微小的氣泡；而當(dāng)強(qiáng)的聲波信號(hào)作用于液體時(shí)，則會(huì)對(duì)液體產(chǎn)生一定的正壓，即液體體積被壓縮減小，液體中形成的微小氣泡被壓碎。經(jīng)研究證明：超聲波作用于液體中時(shí)，液體中每個(gè)氣泡的破裂會(huì)產(chǎn)生能量極大的沖擊波，相當(dāng)于瞬間產(chǎn)生幾百度的高溫和高達(dá)上千個(gè)大氣壓的壓力，這種現(xiàn)象被稱之為“空化作用”，超聲波清洗正是利用液體中氣泡破裂所產(chǎn)生的沖擊波來(lái)達(dá)到清洗和沖刷工件內(nèi)外表面的作用。超聲清洗多用于半導(dǎo)體、機(jī)械、玻璃、醫(yī)療儀器等行業(yè)。超聲波清洗原理及清洗器

（參考湖南省瀏陽(yáng)市醫(yī)用儀具廠、北京德泰隆科技發(fā)展有限責(zé)任公司資料）超聲換能器氣泡波浪清洗物當(dāng)超聲發(fā)射器與接收器分別置于被測(cè)物兩側(cè)時(shí)，這種類型稱為透射型。透射型可用于遙控器、防盜報(bào)警器、接近開關(guān)等。超聲發(fā)射器與接收器置于同側(cè)的屬于反射型，反射型可用于接近開關(guān)、測(cè)距、測(cè)液位或物位、金屬探傷以及測(cè)厚等。超聲波傳感器應(yīng)用舉例

超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）

超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）質(zhì)量檢查緊固件的安裝錯(cuò)誤檢測(cè)疊放高度測(cè)量超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）物件放置錯(cuò)誤檢測(cè)超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）透明塑料張力控制機(jī)械手定位超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）紙卷直徑檢測(cè)超聲波傳感器

應(yīng)用舉例（續(xù)）平整度測(cè)量超聲波傳感器應(yīng)用舉例（續(xù)）超長(zhǎng)距離檢測(cè)超聲波傳感器

應(yīng)用舉例（續(xù)）流水線計(jì)數(shù)超聲波傳感器

應(yīng)用舉例（續(xù)）一、超聲波流量計(jì)

F1發(fā)射的超聲波先到達(dá)

T1測(cè)量流量原理分類

時(shí)間差法測(cè)量流量原理：在被測(cè)管道上下游的一定距離上，分別安裝兩對(duì)超聲波發(fā)射和接收探頭（F1，T1）、（F2，T2），其中F1，T1的超聲波是順流傳播的，而F2，T2的超聲波是逆流傳播的。由于這兩束超聲波在液體中傳播速度的不同，測(cè)量?jī)山邮仗筋^上超聲波傳播的時(shí)間差t，可得到流體的平均速度及流量。F1發(fā)射的超聲波到達(dá)

F2的時(shí)間較短

頻率差法測(cè)量流量原理

F1、F2是完全相同的超聲探頭，安裝在管壁外面，通過(guò)電子開關(guān)的控制，交替地作為超聲波發(fā)射器與接收器用。首先由F1發(fā)射出第一個(gè)超聲脈沖，它通過(guò)管壁、流體及另一側(cè)管壁被F2接收，此信號(hào)經(jīng)放大后再次觸發(fā)F1的驅(qū)動(dòng)電路，使F1發(fā)射第二個(gè)聲脈沖。緊接著，由F2發(fā)射超聲脈沖，而F1作接收器，可以測(cè)得F1的脈沖重復(fù)頻率為f1。同理可以測(cè)得F2的脈沖重復(fù)頻率為f2。順流發(fā)射頻率f1與逆流發(fā)射頻率f2的頻率差

f與被測(cè)流速v成正比。F2F1

發(fā)射、接收探頭也可以安裝在管道的同一側(cè)同側(cè)式超聲波流量計(jì)的使用

（參考北京菲波儀表有限公司資料）超聲波流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)使用超聲波多普勒測(cè)量車速多普勒效應(yīng)前進(jìn)方向的頻率升高

如果波源和觀察者之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，那么觀察者接收到的頻率和波源的頻率就不相同了，這種現(xiàn)象叫做多普勒效應(yīng)。測(cè)出f就可得到運(yùn)動(dòng)速度。超聲波多普勒測(cè)量風(fēng)速風(fēng)

風(fēng)引起超聲波的頻率變大或變小超聲波測(cè)距空氣超聲探頭發(fā)射超聲脈沖，到達(dá)被測(cè)物時(shí)，被反射回來(lái)，并被另一只空氣超聲探頭所接收。測(cè)出從發(fā)射超聲波脈沖到接收超聲波脈沖所需的時(shí)間t，再乘以空氣的聲速（340m/s），就是超聲脈沖在被測(cè)距離所經(jīng)歷的路程，除以2就得到距離。

超聲波測(cè)厚雙晶直探頭中的壓電晶片發(fā)射超聲振動(dòng)脈沖，超聲脈沖到達(dá)試件底面時(shí)，被反射回來(lái)，并被另一只壓電晶片所接收。只要測(cè)出從發(fā)射超聲波脈沖到接收超聲波脈沖所需的時(shí)間t，再乘以被測(cè)體的聲速常數(shù)c，就是超聲脈沖在被測(cè)件中所經(jīng)歷的來(lái)回距離，再除以2，就得到厚度：手持式超聲波測(cè)厚儀某超聲波測(cè)厚儀指標(biāo)

（參考北京北方大河儀器儀表有限公司資料）

顯示方法∶128*32LCD點(diǎn)陣液晶顯示（帶背光）

顯示位數(shù)：四位

測(cè)量范圍：0.8~200mm

示值精度：0.1mm

聲速范圍：1000~9999m/s

測(cè)量周期：2次/秒

自動(dòng)關(guān)機(jī)時(shí)間：90秒

電源：二節(jié)七號(hào)（AAA）電池，可連續(xù)工作不少于72小時(shí)

使用溫度：-10°C~40°C

存儲(chǔ)溫度：-20°C~70°C

外形尺寸：108x61x25mm

重量：230g（含電池）超聲波測(cè)厚石料測(cè)厚超聲波手持式測(cè)厚混凝土測(cè)厚木材測(cè)厚小提琴木料測(cè)厚雙晶超聲波測(cè)厚探頭雙晶超聲波測(cè)厚探頭（續(xù)）超聲波測(cè)量液位和物位原理在液罐上方安裝空氣傳導(dǎo)型超聲發(fā)射器和接收器，根據(jù)超聲波的往返時(shí)間，就可測(cè)得液體的液面。

超聲波液位計(jì)原理

1—液面2—直管3—空氣超聲探頭4—反射小板5—電子開關(guān)超聲波測(cè)量液位和物位

喇叭形超聲發(fā)生器超聲波傳感器對(duì)超聲波傳感器應(yīng)用

超聲波探傷/測(cè)距/測(cè)物tA案例：輸油管檢測(cè)檢測(cè)機(jī)器人倒車?yán)走_(dá)

魚群探測(cè)器

超聲波檢測(cè)傳感器超聲波流量計(jì)聲波在流體中傳播時(shí)，處在順流和逆流的不同條件下，其波速并不相同。聲發(fā)射傳感器也是采用壓電材料或結(jié)構(gòu)受外力或內(nèi)力作用產(chǎn)生變形或斷裂，以彈性波形式釋放出應(yīng)變能的現(xiàn)象稱聲發(fā)射。各種材料聲發(fā)射頻率范圍很寬，從次聲、聲頻到超聲。多