壓電式傳感器與超聲波傳感器

壓電式傳感器的工作原理是基于某些介質(zhì)材料的壓電效應(yīng)，是典型的有源傳感器。

當(dāng)某些材料受力作用而變形時(shí)，其表面會(huì)有電荷產(chǎn)生，從而實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量。

壓電式傳感器具有體積小，重量輕，工作頻帶寬、靈敏度高、工作可靠、測(cè)量范圍廣等特點(diǎn)，因此在各種動(dòng)態(tài)力、機(jī)械沖擊與振動(dòng)的測(cè)量，以及聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、宇航等方面都得到了非常廣泛的應(yīng)用。概述1.壓電式傳感器某些晶體，當(dāng)沿著一定方向受到外力作用而變形時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，而在其表面產(chǎn)生電荷，當(dāng)去掉外力后，又重新回到不帶電狀態(tài)；這種將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的現(xiàn)象，稱為正壓電效應(yīng)，又稱為壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力方向改變，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。壓電效應(yīng)及壓電材料

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。壓電材料可以分為兩大類(lèi)：壓電晶體和壓電陶瓷。前者為晶體，后者為極化處理的多晶體。他們都具有較大的壓電常數(shù)，機(jī)械性能良好，時(shí)間穩(wěn)定性好，溫度穩(wěn)定性好等特性，所以是較理想的壓電材料。壓電材料的主要特性參數(shù)有：

（1）壓電常數(shù)：壓電常數(shù)是衡量材料壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù)，它直接關(guān)系到壓電輸出的靈敏度。（2）彈性常數(shù)：壓電材料的彈性常數(shù)、剛度決定著壓電器件的固有頻率和動(dòng)態(tài)特性。（3）介電常數(shù)：對(duì)于一定形狀、尺寸的壓電元件，其固有電容與介電常數(shù)有關(guān)；而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限。

(4）機(jī)械耦合系數(shù)：在壓電效應(yīng)中，其值等于轉(zhuǎn)換（5）電阻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。（6）居里點(diǎn)：壓電材料開(kāi)始喪失壓電特性的溫度稱為居里點(diǎn)。壓電材料介紹壓電材料應(yīng)具備以下幾個(gè)主要特性：①轉(zhuǎn)換性能。要求具有較大的壓電常數(shù)。②機(jī)械性能。機(jī)械強(qiáng)度高、剛度大。③電性能。高電阻率和大介電常數(shù)。④環(huán)境適應(yīng)性。溫度和濕度穩(wěn)定性要好，要求具有較高的居里點(diǎn)，獲得較寬的工作溫度范圍。⑤時(shí)間穩(wěn)定性。要求壓電性能不隨時(shí)間變化。圖4-21壓電效應(yīng)示意圖(a)縱向壓電效應(yīng)(b)橫向壓電效應(yīng)(c)切向壓電效應(yīng)

石英晶體內(nèi)部存在3種正壓電效應(yīng)：縱向壓電效應(yīng)、橫向壓電效應(yīng)、切向壓電效應(yīng)。下圖是幾種壓電效應(yīng)的示意圖。（1）

石英晶體(1)縱向壓電效應(yīng)當(dāng)晶體材料受到X方向壓力時(shí)，在X方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，而Y、Z方向則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)，稱為縱向壓電效應(yīng)?？v向壓電效應(yīng)使晶面產(chǎn)生的電荷量和外力成正比而與黃意璧的晶片幾何尺寸無(wú)關(guān)。(2)橫向壓電效應(yīng)當(dāng)晶體受到沿Y方向施加的壓力時(shí)，電荷仍在垂直于X軸的平面上出現(xiàn)，稱為橫向壓電效應(yīng)。電荷量不僅與的力大小有關(guān)，也與晶片的幾何尺寸有關(guān)(3)切向壓電效應(yīng)當(dāng)沿晶片相對(duì)兩平面施加外力時(shí)，晶體表面便產(chǎn)生電荷，這種現(xiàn)象稱為切向壓電效應(yīng)。在幾百攝氏度的溫度范圍內(nèi)，其介電常數(shù)和壓電系數(shù)幾乎不隨溫度而變化。但是當(dāng)溫度升高到573℃時(shí)，石英晶體將完全喪去壓電特性，這就是它的居里點(diǎn)。石英晶體的突出優(yōu)點(diǎn)是性能非常穩(wěn)定，它有很大的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定的機(jī)械性能。但石英材料價(jià)格昂貴，且壓電系數(shù)比壓電陶瓷低得多。因此一般僅用于標(biāo)準(zhǔn)儀器或要求較高的傳感器中。石英晶體有天然和人工培養(yǎng)兩種類(lèi)型。人工培養(yǎng)的石英晶體的物理和化學(xué)性質(zhì)幾乎與天然石英晶體沒(méi)有區(qū)別，因此目前廣泛應(yīng)用成本較低的人造石英晶體。因?yàn)槭⑹且环N各向異性晶體，因此，按不同方向切割的晶片，其物理性質(zhì)（如彈性、壓電效應(yīng)、溫度特性等）相差很大。在設(shè)計(jì)石英傳感器時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同使用要求正確地選擇石英片的切型。壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料，內(nèi)部晶粒有許多自發(fā)極化的電疇，有一定的極化方向，從而存在電場(chǎng)。在無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí),電疇在晶體中雜亂分布,它們的極化效應(yīng)被相互抵消,壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零。因此原始的壓電陶瓷呈中性,不具有壓電性質(zhì)。（2）壓電陶瓷極化處理后陶瓷材料內(nèi)部存在很強(qiáng)的剩余極化,當(dāng)陶瓷材料受到外力作用時(shí),電疇的界限發(fā)生移動(dòng),電疇發(fā)生偏轉(zhuǎn),從而引起剩余極化強(qiáng)度的變化,因而在垂直于極化方向的平面上將出現(xiàn)極化電荷的變化。這種因受力而產(chǎn)生的由機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng),將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象,就是壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)。電荷量的大小與外力成正比關(guān)系:q=d33F式中:d33——

壓電陶瓷的壓電系數(shù);F——作用力。壓電陶瓷主要有以下幾種：1.鈦酸鋇壓電陶瓷鈦酸鋇（BaTiO3）是由碳酸鋇（BaCO3）和二氧化鈦（TiO2）按1：1分子比例在高溫下合成的壓電陶瓷。它具有很高的介電常數(shù)和較大的壓電系數(shù)（約為石英晶體的50倍）。不足之處是居里點(diǎn)溫度低（120℃），溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度不如石英晶體。2.鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷（PZT）鋯鈦酸鉛是由PbTiO3（鈦酸鉛

）和PbZrO3（鋯酸鉛

）組成的固溶體Pb（Zr、Ti）O3。它與鈦酸鋇相比，壓電系數(shù)更大，居里點(diǎn)溫度在300℃以上，各項(xiàng)機(jī)電參數(shù)受溫度影響小，時(shí)間穩(wěn)定性好。此外，在鋯鈦酸中添加一種或兩種其它微量元素（如鈮、銻、錫、錳、鎢等）還可以獲得不同性能的PZT材料。因此鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷是目前壓電式傳感器中應(yīng)用最廣泛的壓電材料。（3）新型壓電材料1.壓電半導(dǎo)體材料壓電半導(dǎo)體材料有ZnO、CdS（硫化鎘

）、CdTe（碲化鎘）等，這種力敏器件具有靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。此外用ZnO作為表面聲波振蕩器的壓電材料，可檢測(cè)力和溫度等參數(shù)。2.高分子壓電材料某些合成高分子聚合物薄膜經(jīng)延展拉伸和電場(chǎng)極化后，具有一定的壓電性能，這類(lèi)薄膜稱為高分子壓電薄膜。目前出現(xiàn)的壓電薄膜有聚二氟乙烯PVF2、聚氟乙烯PVF、聚氯乙烯PVC、聚γ甲基-L谷氨酸脂PMG等。高分子壓電材料是一種柔軟的壓電材料，不易破碎，可以大量生產(chǎn)和制成較大的面積。壓電式傳感器的應(yīng)用

根據(jù)壓電傳感器所檢測(cè)的非電量種類(lèi)，壓電傳感器的典型結(jié)構(gòu)有壓電式力傳感器．壓電式壓力傳感器、壓電式加速度傳感器以及壓電式聲發(fā)射傳感器等。壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器壓電陶瓷超聲傳感器壓電陶瓷超聲霧化片壓電陶瓷蜂鳴片壓電陶瓷大功率超聲換能器一次性塑料打火機(jī)基座1.壓電式加速度傳感器殼體預(yù)緊彈簧質(zhì)量塊壓電片基座壓電加速度傳感器又稱壓電加速度計(jì)或壓電加速度表。壓電加速度傳感器廣范用于檢測(cè)導(dǎo)彈，飛機(jī)，車(chē)輛等的沖擊和振動(dòng)當(dāng)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于傳感器的固有共振頻率時(shí),傳感器的輸出電荷(電壓)與作用力成正比。電信號(hào)經(jīng)前置放大器放大,即可由一般測(cè)量?jī)x器測(cè)試出電荷(電壓)大小,從而得知物體的加速度。

采用不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選用不同性能的壓電材料,可以得到滿足各種使用要求的壓電加速度傳感器。2壓電諧振式傳感器

壓電諧振式傳感器是利用壓電晶體諧振器的共振頻率隨被測(cè)物理量變化而變化進(jìn)行測(cè)量的?？捎糜跍y(cè)應(yīng)力，應(yīng)變，壓力，角速度，加速度，溫度，濕度，流速及濃度等物理量，以數(shù)字輸出。壓電晶體振蕩電路壓電式壓力傳感器由石英晶片、膜片、薄壁管、外殼等組成。石英晶片由多片疊放在薄壁管內(nèi)，并由拉緊的薄壁管對(duì)石英晶片加預(yù)載力。感受外部壓力的是位于外殼和薄壁管之間的膜片。膜片式壓力傳感器的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)靜態(tài)特性好，結(jié)構(gòu)緊湊。3.壓電式壓力傳感器芯體外殼晶片組電極預(yù)緊筒膜片4、壓電式玻璃破碎報(bào)警器利用壓電元件對(duì)振動(dòng)敏感的特性來(lái)感知玻璃受撞擊和破碎時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)波。傳感器把振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成電壓輸出輸出電壓經(jīng)放大、濾波、比較等處理后提供給報(bào)警系統(tǒng)。傳感器的最小輸出電壓為100mV,最大輸出電壓為100V,內(nèi)阻抗為15～20kΩ。使用時(shí)傳感器用膠粘貼在玻璃上,然后通過(guò)電纜和報(bào)警電路相連。為了提高報(bào)警器的靈敏度,信號(hào)經(jīng)放大后,需經(jīng)帶通濾波器進(jìn)行濾波。由于玻璃振動(dòng)的波長(zhǎng)在音頻和超聲波的范圍內(nèi),這就使濾波器成為電路中的關(guān)鍵。當(dāng)傳感器輸出信號(hào)高于設(shè)定的閾值時(shí),才會(huì)輸出報(bào)警信號(hào),驅(qū)動(dòng)報(bào)警執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作。2.超聲波傳感器超聲波傳感器（超聲波探頭），是實(shí)現(xiàn)聲電轉(zhuǎn)換的裝置（超聲換能器）；能夠發(fā)射超聲波，也可以接收超聲回波，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。聲波：頻率在20～2×104Hz之間，能為人耳所聞的機(jī)械波；次聲波：低于20Hz的機(jī)械波；超聲波：高于2×104Hz的機(jī)械波；當(dāng)超聲波由一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時(shí)，由于在兩種介質(zhì)中的傳播速度不同，在異質(zhì)界面上會(huì)產(chǎn)生反射、折射等現(xiàn)象。一、超聲波傳感器原理與種類(lèi)壓電陶瓷超聲波傳感器結(jié)構(gòu)：由兩個(gè)壓電元件疊合在一起構(gòu)成。兩個(gè)壓電元件結(jié)構(gòu)稱雙壓電晶片，一個(gè)壓電元件結(jié)構(gòu)稱單壓電晶片。如果超聲波入射到壓電晶片上，壓電元件就會(huì)產(chǎn)生電壓。反之，把電壓加到壓電元件上也會(huì)產(chǎn)生超聲波。二、超聲波傳感器結(jié)構(gòu)三、超聲波傳感器等效電路等效LCR串并聯(lián)諧振電路容性感性串聯(lián)諧振頻率并聯(lián)諧振頻率四、超聲波傳感器類(lèi)型通用型超聲波傳感：帶寬一般為幾千赫磁；寬帶型超聲波傳感器：寬帶型超聲波傳感器在工作帶寬內(nèi)具有兩個(gè)諧振頻率，其頻率特性相當(dāng)于兩種傳感器的組合，在很寬頻帶范圍內(nèi)具有較高靈敏度；密封型超聲波傳感器：密封型超聲波傳感器對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性較強(qiáng)，可應(yīng)用于汽車(chē)后方檢測(cè)物體的裝置；高頻型超聲波傳感器：中心頻率高于100kHz。五、超聲波傳感器驅(qū)動(dòng)及接收電路與晶體振蕩一樣，利用傳感器本身的諧振特性在諧振頻率附近產(chǎn)生振蕩的電路。

檢測(cè)的反射波從發(fā)射到接收要經(jīng)過(guò)一段距離，能量衰減較大，接收到的信號(hào)極其微弱，轉(zhuǎn)換成電壓后一般最大約1V，最小約1mV；因此一股要接高增益放大器、高速運(yùn)放，精度與失真度也有一定的要求。如果一級(jí)運(yùn)放增益不夠，可再增加一級(jí)，每級(jí)運(yùn)放的增益小于100倍即可。采用運(yùn)放的接收電路LM733的增益，可設(shè)定為l0、100、400倍，但增益越高，輸入阻抗越低，一般使用設(shè)為100倍。LM733的輸入、輸出都為差動(dòng)式，為把差動(dòng)輸出電壓變?yōu)閱味溯敵鲭妷海捎昧嗽鲆鏋?0倍的變壓器Tl。電路中VD1、VD2及穩(wěn)壓管VD3、VD4用于保護(hù)。電路中T1也可用運(yùn)放替代。采用LM733視頻放大器的接收電路1、超聲測(cè)距超聲測(cè)距原理：被測(cè)距離:c---聲速t---往返飛行時(shí)間應(yīng)用：適于大目標(biāo)、近距離、一般精度測(cè)距手持測(cè)距儀---盲人導(dǎo)盲汽車(chē)倒車(chē)?yán)走_(dá)---汽車(chē)安全工業(yè)應(yīng)用---超聲測(cè)量液位、物位特點(diǎn)：超聲波束發(fā)散，測(cè)量范圍小波束聚焦困難，測(cè)量精度低測(cè)量目標(biāo)不能太??；

超生探頭被測(cè)目標(biāo)六、超聲波傳感器應(yīng)用發(fā)送器：由門(mén)電路、緩沖器以及脈沖變壓器的升壓電路組成。用20Hz調(diào)制40kHz的高頻信號(hào)加到脈沖變壓器上，經(jīng)脈沖變壓器升壓，得到較高的脈沖電壓供給超聲波傳感器，傳感器獲得的能量以聲能形式輻射出去。接收器：由二極管鉗位電路以及交流放大器等組成，發(fā)送接收信號(hào)共用一個(gè)超聲傳感器。2、超聲波測(cè)厚度主控制器控制發(fā)射電路，使探頭發(fā)出的超聲波到達(dá)被測(cè)物體底面反射回來(lái)，該脈沖信號(hào)又被探頭接收，經(jīng)放大器放大加到示波器垂直偏轉(zhuǎn)板上標(biāo)記發(fā)生器輸出時(shí)間標(biāo)記脈沖信號(hào)，同時(shí)加到該垂直偏轉(zhuǎn)板上被測(cè)體的厚度h為h=ct/2式中c——超聲波的傳播速度。3、超聲波測(cè)液位

圖示為脈沖回波式測(cè)量液位的工作原理圖。黃意璧的探頭發(fā)出的脈沖通過(guò)介質(zhì)到達(dá)液面，經(jīng)液面反射后