傳感器原理與應(yīng)用CH7壓電與超聲波

第7章壓電元件與超聲波傳感器傳感器原理與應(yīng)用

傳感器原理與應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器主要內(nèi)容

7.1壓電效應(yīng)

7.2壓電材料

7.3測(cè)量電路

7.4壓電式傳感器的應(yīng)用

7.5超聲波傳感器傳感器原理與應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器概述

壓電式傳感器以電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，外力作用下在電介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量,是一種典型的發(fā)電型傳感器.

壓電式傳感器可以對(duì)各種動(dòng)態(tài)力、機(jī)械沖擊和振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，在聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、導(dǎo)航方面都得到廣泛的應(yīng)用。傳感器原理與應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器概述水聲（聲吶）換能器壓電陶瓷超聲換能器壓電加速度計(jì)壓電警號(hào)傳感器原理與應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.1壓電效應(yīng)

自然界中32種晶體點(diǎn)陣，分為中心對(duì)稱和非對(duì)稱兩大類，其中非中心對(duì)稱的21種有20種具有壓電效應(yīng)，壓電現(xiàn)象是晶體缺乏中心對(duì)稱引起的。壓電效應(yīng)：某些電介質(zhì)（晶體）當(dāng)沿著一定方向施加力變形時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它表面會(huì)產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力去掉后又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)；當(dāng)作用力方向改變后，電荷極性也隨之改變.圖7-1正（順）壓電效應(yīng)示意圖F－－－－－－＋＋＋＋＋＋FFF＋＋＋＋＋＋－－－－－－傳感器原理與應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.1壓電效應(yīng)

壓電效應(yīng)是可逆的。在介質(zhì)極化的方向施加電場(chǎng)時(shí)，電介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生形變，將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，這種現(xiàn)象稱“逆壓電效應(yīng)”。壓電元件可以將機(jī)械能電能也可以將電能機(jī)械能

壓電元件機(jī)械能電能正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)

傳感器原理與應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.2壓電材料自然界許多晶體具有壓電效應(yīng)，但十分微弱，研究發(fā)現(xiàn)石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛是優(yōu)能的壓電材料。壓電材料可以分為兩類：壓電晶體、壓電陶瓷。

石英晶體特征天然、人工晶體兩種都屬于單晶體化學(xué)式為——

SiO2，外形無(wú)論再小都呈六面體結(jié)構(gòu)

石英晶體沿各個(gè)方向的特征不同，需按特定方向切片。7.2.1石英晶體

傳感器原理與應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.2.1

石英晶體——

單晶體（水晶）壓電晶片按特定方向切片人工合成水晶傳感器原理與應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.2.1

石英晶體

沿X（電軸）作用產(chǎn)生電荷稱縱向壓電效應(yīng)沿Y（機(jī)械軸）作用產(chǎn)生電荷稱橫向壓電效應(yīng)沿Z（光軸）不產(chǎn)生壓電效應(yīng)

石英晶體沿各個(gè)方向的特征不同（按特定方向切片）傳感器原理與應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.2.1石英晶體

壓電特性的各向異性可用矩陣表示（略）壓電元件受力后,表面電荷與外力成正比關(guān)系:

d為壓電系數(shù)（與材料有關(guān)的常數(shù)）在X軸方向施力時(shí),產(chǎn)生電荷大小為:

d11縱向壓電系數(shù)，σx為X方向應(yīng)力在Y軸方向施力時(shí),產(chǎn)生電荷大小為:

d12橫向壓電系數(shù)，σy為Y方向應(yīng)力根據(jù)晶體的對(duì)稱性，壓電系數(shù)d12=-d11

a、b是晶體切片幾何尺寸(長(zhǎng)、厚)，qx、qy

符號(hào)決定力的方向。傳感器原理與應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.2.1石英晶體石英晶體的上述特征與內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)有關(guān)，分子六邊形分布，三個(gè)電偶極矩。當(dāng)晶體不受力時(shí)（F=0），正負(fù)離子分布在六邊形頂角，電偶極矩互成1200夾角，矢量和為零，晶體呈中性；當(dāng)晶體受沿X軸方向的應(yīng)力時(shí)，X方向壓縮形變，電偶極矩在X軸方向的分量由于出現(xiàn)上負(fù)下正電荷；動(dòng)畫演示傳感器原理與應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.2.1石英晶體當(dāng)晶體受沿Y軸方向的應(yīng)力時(shí)，Y方向壓縮形變，電偶極矩在X軸方向的分量由于出現(xiàn)上正下負(fù)電荷；晶體受沿Z軸方向的應(yīng)力時(shí)X、Y方向形變相同不產(chǎn)生壓電效應(yīng)；應(yīng)力方向?yàn)槔r(shí)，電荷極性與上述相反。動(dòng)畫演示傳感器原理與應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.2壓電材料

7.2.1石英晶體石英晶體壓電模型傳感器原理與應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.2壓電材料

7.2.1石英晶體傳感器原理與應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器石英晶體壓電模型動(dòng)畫演示例7-1石英晶體的d11為2×10-12CN-1，石英晶體的長(zhǎng)度是寬度的2倍，是厚度的3倍。（1）當(dāng)沿著電軸施加3×106N的壓力時(shí)，求電量qx；（2）當(dāng)沿著機(jī)械軸施加3×106N的壓力時(shí)，求電量qx；（3）若沿電軸施加作用Fx，用反饋電容Cf=0.01uF的電荷放大器測(cè)出其輸出電壓幅值Uo=0.4V，求作用力Fx。解：（1）qx=

d11×Fx=2×10-12×3×106=6×10-6（C）（2）qx=

-d11×（長(zhǎng)度/厚度）×Fx=-2×10-12×

3×3×106=-1.8×10-5（C）（3）qx

=Cf

×

Uo

=0.01×10-6×0.4

=4×10-9（C）

Fx

=qx/d11=(4×10-9)/(2×10-12)=2×103（N）傳感器原理與應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.2.4壓電元件結(jié)構(gòu)形式

在實(shí)際應(yīng)用中為提高靈敏度使表面有足夠的電荷，常常把兩片、四片壓電元件組成在一起使用。由于壓電材料有極性，因此存在連接方法，雙片連接時(shí)：

壓電晶片按+-+-粘貼時(shí)電路并聯(lián)+_+_U’+++++++++++_______________________+++++++++++輸出電荷量大、電容大、時(shí)間常數(shù)大，適宜測(cè)量緩變信號(hào)和以電荷輸出的場(chǎng)合。電荷增加一倍，適用于電荷放大器。傳感器原理與應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.2.4壓電元件結(jié)構(gòu)形式

U’+__+++++++++++___________++++++++++____________

壓電晶片按+--+粘貼時(shí)電路串聯(lián)串聯(lián)時(shí)，輸出電壓大、電容小、時(shí)間常數(shù)小，適宜測(cè)量高頻信號(hào)和以電壓輸出的場(chǎng)合。電壓增加一倍適用于電壓放大器。傳感器原理與應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.2.4壓電元件結(jié)構(gòu)形式

傳感器原理與應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.3測(cè)量電路

7.3.1壓電傳感器等效電路

壓電傳感器可視為電荷源視為電荷輸出時(shí)可等效為電荷源Q和電容Ca并聯(lián)，開路狀態(tài)輸出端電荷為：視為電壓輸出時(shí)可等效為電壓源U與電容Ca串聯(lián)，開路狀態(tài)輸出端電壓為：看成具有+、-極性的電容器，可等效為一個(gè)電容器Ca；電容極板上電壓大小與極板間電荷成正比傳感器原理與應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.3.1壓電傳感器等效電路

根據(jù)等效電路，壓電傳感器靈敏度有兩種等效電壓源

等效電流源根據(jù)它們之間的關(guān)系有：電壓靈敏度電荷靈敏度傳感器原理與應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.3.1壓電傳感器等效電路

等效電壓源

等效電流源

當(dāng)傳感器接測(cè)量電路時(shí)要考慮以下主要因素：電纜等效電容Cc

接入電路的輸入電容Ci

放大器輸入電阻Ri

傳感器漏電電阻Ra。

傳感器原理與應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.3.1壓電傳感器等效電路

壓電元件內(nèi)阻很高，需要系統(tǒng)前置電路具有高的輸入阻抗。解決傳感器與前級(jí)電路的連接…壓電元件輸出可以是電壓源也可以是電荷源。因此，前置放大器也有兩種形式：電壓放大器、電荷放大器由等效電路可見，只有在負(fù)載RL→∞時(shí)受力產(chǎn)生的電荷才能長(zhǎng)期保存下來(lái)，否則放電回路很快將電荷放掉，因此測(cè)量頻率較低時(shí)必須保證RL很大，即時(shí)間常數(shù)RLCa=τ大。

前置電路有兩個(gè)作用：一是放大微弱的信號(hào)、二是阻抗變換

電壓放大器討論：壓電傳感器不能測(cè)量靜態(tài)物理量；優(yōu)點(diǎn):高頻響應(yīng)特性好。

一般認(rèn)為當(dāng)ωτ

≥3時(shí)輸入電壓與信號(hào)頻率無(wú)關(guān)。缺點(diǎn)：低頻響應(yīng)差，提高低頻響應(yīng)的辦法是增大τ，但不能靠增加輸入電容Ca（RLCa=τ），因?yàn)殡妷红`敏度與電容成反比。實(shí)際是增大前置輸入回路電阻Ri

。從電壓靈敏度Ku可見，連接電纜的分布電容Cc影響傳感器靈敏度，使用時(shí)更換電纜就要求重新標(biāo)定，測(cè)量系統(tǒng)對(duì)電纜長(zhǎng)度變化很敏感，這是電壓放大器的缺點(diǎn)。傳感器原理與應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器電荷放大器的輸出電壓U0只取決于輸入電荷量Q和反饋電容Cf

，輸出電壓與電纜電容Cc無(wú)關(guān)，與Q成正比，與電容Cf

成反比，這是電荷放大器的突出優(yōu)點(diǎn)。使用電荷放大器時(shí)，電纜長(zhǎng)度變化影響可忽略，并且允許使用長(zhǎng)電纜工作?？紤]不同量程因素，Cf

的容量做成可以選擇的電容，一般為100～104pF。缺點(diǎn)是電路復(fù)雜、價(jià)格昂貴。電荷放大器討論：電壓放大器的輸出電荷放大器的輸出傳感器原理與應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.4壓電傳感器的應(yīng)用1．壓電晶體振蕩器；2.壓電式測(cè)力傳感器3．壓電加速度計(jì)傳感器；4.振動(dòng)測(cè)量；5．壓電換能器，發(fā)射（揚(yáng)聲器）、接收（麥克風(fēng)）、收聽器、超聲波換能器。壓電元件符號(hào)傳感器原理與應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.4壓電傳感器的應(yīng)用壓電晶體濾波器壓電蜂鳴片傳感器原理與應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.4壓電傳感器的應(yīng)用壓電式壓力傳感器具有加速度補(bǔ)償?shù)膲弘娛綁毫鞲衅?，壓電晶體被夾在兩塊膜片之間，壓電晶體在振動(dòng)時(shí)受到來(lái)自兩個(gè)膜片上同方向的力，使壓電晶片無(wú)電荷輸出。但靈敏度低一半。傳感器原理與應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.4壓電傳感器的應(yīng)用石英壓電式壓力傳感器傳感器原理與應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.4壓電傳感器的應(yīng)用壓電加速度傳感器利用壓電效應(yīng)，在加速度計(jì)受振動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊加在壓電元件上的力（F=ma）也隨之變化。當(dāng)被測(cè)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于加速度計(jì)的固有頻率時(shí)，則產(chǎn)生的電壓（或電荷）與被測(cè)加速度成正比。1.靈敏度及其產(chǎn)生誤差的原因靈敏度有電壓靈敏度和電荷靈敏度兩種表示方法：選用壓電系數(shù)大的壓電元件，對(duì)給定的壓電材料而言，靈敏度隨質(zhì)量塊的增大或壓電元件的增多（串聯(lián)或并聯(lián)）而增大。串聯(lián)：上下極板的電荷量與單片相同，電容值為單片的一半，輸出電壓增大1倍。則電荷靈敏度不變，電壓靈敏度增大1倍。并聯(lián)：輸出電荷量增大，電壓不變，電容值增大，則電荷靈敏度增大，電壓靈敏度不變。加速度計(jì)尺寸越大，其固有頻率越低。因此選用加速度計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)權(quán)衡靈敏度和結(jié)構(gòu)尺寸、附加質(zhì)量的影響和頻率響應(yīng)特性之間的利弊。2.壓電振動(dòng)加速度傳感器的性能指標(biāo)：靈敏度壓電式加速度傳感器屬于自發(fā)電型傳感器。輸出為電荷量，以pC為單位（1pC=10-12C）；輸入量為加速度，單位為m/s2，所以靈敏度以pC/(m/s2)為單位。大多數(shù)測(cè)量振動(dòng)的儀器都用標(biāo)準(zhǔn)重力加速度g作為加速度的單位，并在儀器的面板上以及說(shuō)明書中標(biāo)出。靈敏度的范圍約為10~100pC/g。許多壓電加速度傳感器的靈敏度單位為mV/g，通常為10~1000mV/g。高靈敏度的壓電傳感器可用于測(cè)量微弱的振動(dòng)。低靈敏度的壓電傳感器可用于測(cè)量劇烈的振動(dòng)。2.壓電振動(dòng)加速度傳感器的性能指標(biāo)（續(xù)）：常見的壓電加速度傳感器的頻率范圍為0.01Hz~20kHz.常見的測(cè)量范圍為0.1~100g。對(duì)于又窄又陡的沖擊信號(hào)，測(cè)量沖擊振動(dòng)時(shí)應(yīng)選用100~10000g的高頻加速度傳感器；測(cè)量橋梁、地基等微弱振動(dòng)，要選擇0.001~10g的高靈敏度的低頻加速度傳感器。傳感器原理與應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.4壓電傳感器的應(yīng)用超聲波傳感器振動(dòng)式液位開關(guān)超聲波換能器傳感器原理與應(yīng)用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.4壓電傳感器的應(yīng)用點(diǎn)火器晶體傳感器原理與應(yīng)用第7章