壓電型傳感器與測量電路

壓電型傳感器與測量電路第1頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五利用正壓電效應(yīng)，人們制成了加速度傳感器等器件。當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場，這些電介質(zhì)也會產(chǎn)生幾何變形，這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)”(電致伸縮效應(yīng))。利用電致伸縮效應(yīng)，人們制作了超聲波發(fā)生器，用于金屬材料探傷等領(lǐng)域。具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料，壓電材料能實(shí)現(xiàn)機(jī)一電能量的相互轉(zhuǎn)換，如圖5-1所示。

FF極化面Q壓電介質(zhì)正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)T(S)電能Q(E)機(jī)械能圖5-1壓電效應(yīng)

(a)(b)+-在自然界中大多數(shù)晶體都具有壓電效應(yīng)，但壓電效應(yīng)十分微弱。隨著對材料的深入研究，發(fā)現(xiàn)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。第2頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五壓電材料可以分為兩大類：壓電晶體和壓電陶瓷。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態(tài)特性。③介電常數(shù)：對于一定形狀、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)：它的意義是，在壓電效應(yīng)中，轉(zhuǎn)換輸出能量(如電能)與輸入的能量(如機(jī)械能)之比的平方根，這是衡量壓電材料機(jī)—電能量轉(zhuǎn)換效率的一個重要參數(shù)。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)溫度：它是指壓電材料開始喪失壓電特性的溫度。第3頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五5.1.2壓電材料的加載結(jié)構(gòu)壓電式傳感器的基本原理就是利用壓電材料的壓電效應(yīng)這個特性，即當(dāng)有力作用在壓電材料上時，傳感器就有電荷(或電壓)輸出。單片壓電元件產(chǎn)生的電荷量甚微，為了提高壓電傳感器的輸出靈敏度，在實(shí)際應(yīng)用中常采用兩片(或兩片以上)同型號的壓電元件粘結(jié)在一起。由于壓電材料的電荷是有極性的，因此接法也有兩種。如圖5-2所示，從作用力看，元件是串接的，因而每片受到的作用力相同，產(chǎn)生的變形和電荷數(shù)量大小都與單片時相同。圖5-2(a)是兩個壓電片的負(fù)端粘結(jié)在一起，中間插入的金屬電極成為壓電片的負(fù)極，正電極在兩邊的電極上。從電路上看，這是并聯(lián)接法，類似兩個電容的并聯(lián)。所以，外力作用下正負(fù)電極上的電荷量增加了1倍，電容量也增加了1倍，輸出電壓與單片時相同。圖5-2(b)是兩壓電片不同極性端粘結(jié)在一起，從電路上看是串聯(lián)的，兩壓電片中間粘接處正負(fù)電荷中和，上、下極板的電荷量與單片時相同，總電容量為單片的一半，輸出電壓增大了1倍。

第4頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五在上述兩種接法中，并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大，時間常數(shù)大，適宜用在測量慢變信號并且以電荷作為輸出量的場合。而串聯(lián)接法輸出電壓大，本身電容小，適宜用于以電壓作輸出信號，并且測量電路輸入阻抗很高的場合。圖5-2壓電元件的連接方式（a）相同極型端粘接——并聯(lián)（b）不同極性端粘接——串聯(lián)壓電式傳感器中的壓電元件，按其受力和變形方式不同，大致有厚度變形、長度變形、體積變形和厚度剪切變形等幾種形式，如圖5-3所示。目前最常使用的是厚度變形的壓縮式和剪切變形的剪切式兩種。第5頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五壓電式傳感器在測量低壓力時線性度不好，這主要是傳感器受力系統(tǒng)中力傳遞系數(shù)為非線性所致，即低壓力下力的傳遞損失較大。為此，在力傳遞系統(tǒng)中加入預(yù)加力，稱預(yù)載。這除了消除低壓力使用中的非線性外，還可以消除傳感器內(nèi)外接觸表面的間隙，提高剛度。特別是，它只有在加預(yù)載后才能用壓電傳感器測量拉力和拉、壓交變力及剪力與扭矩。圖5-3壓電元件加載方式第6頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五5．2壓電式傳感器的測量電路5.2.1壓電式傳感器的等效電路由壓電元件的工作原理可知，壓電式傳感器可以看做一個電荷發(fā)生器。同時，它也是一個電容器，晶體上聚集正負(fù)電荷的兩表面相當(dāng)于電容的兩個極板，極板間物質(zhì)等效于一種介質(zhì)，則其電容量為因此，壓電傳感器可以等效為一個與電容相串聯(lián)的電壓源。如圖5-4(a)所示，電容器上的電壓Ua、電荷量q和電容量Ca三者關(guān)系為第7頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五壓電傳感器也可以等效為一個電荷源。如圖5-4(b)所示。CaUaCaQ(a)(b)圖5-4壓電元件的等效電路（a）電壓源（b）電流源壓電傳感器在實(shí)際使用時總要與測量儀器或測量電路相連接，因此還需考慮連接電纜的等效電容Cc，放大器的輸入電阻Ri、輸入電容Ci以及壓電傳感器的泄漏電阻Ra。這樣一來，壓電傳感器在測量系統(tǒng)中的實(shí)際等效電路如圖5-5所示。圖5-5壓電傳感器的實(shí)際等效電路（a）電壓源（b）電流源CaUaCaQ(a)(b)CcRaRiCiRiCiCcRa第8頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五5.2.2壓電式傳感器的測量電路1．電壓放大器(阻抗變換器)電壓放大器(阻抗變換器)因其電路簡單、成本低、工作穩(wěn)定可靠而被采用。目前解決電纜干擾的有效措施是采用與傳感器一體化的超小型阻抗變換器，如圖5-6(a)所示，它用于組合一體化壓電加速度傳感器（ICP型加速度傳感器）。這種傳感器的信號輸出，可采用普通的同軸電纜，二線制傳輸，中心線接電源正極，屏蔽網(wǎng)接地，這個電路是做在一塊專用硅片上，安放在傳感器探頭中。采用恒流源供電，2～10mA（12～28VDC），其后續(xù)儀表電路見圖5-7。圖5-6阻抗變換器電路圖第9頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五圖5-6(b)為國產(chǎn)ZK一2型阻抗變換器。電路第一級為MOS場效應(yīng)源輸出器；第二級用3AX構(gòu)成對輸入的負(fù)反饋，以進(jìn)一步提高輸入阻抗，降低輸出阻抗。兩只二極管2CP作過載保護(hù)，并有一定的溫度補(bǔ)償作用。其主要性能指標(biāo)：輸入阻抗大于2000MΩ,，輸出阻抗小于100Ω，頻率范圍2Hz～100kHz，電壓增益±0.05dB，動態(tài)范圍200μV～5V。圖5-7中，恒流源PS輸出的4mA電流（各公司產(chǎn)品存在差異），因隔直電容C的作用，全部要通過加速度傳感器的阻抗變換電路。隨加速度的變化，阻抗也變化，引起阻抗變換電路兩端電壓的變化，電壓的變化通過電容C，經(jīng)放大器A輸出。當(dāng)無加速度變化時，輸出為零。注意：C與R組成了高通濾波器電路，因此應(yīng)根據(jù)需要合理地選擇C、R參數(shù)。

圖5-7ICP型加速度計測量電路第10頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五2．電荷放大器電路電荷放大器的電路圖如圖5-8所示。它的特點(diǎn)是，能把壓電器件高內(nèi)阻的電荷源變換為傳感器低內(nèi)阻的電壓源，以實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，并使其輸出電壓與輸入電荷成正比；而且，傳感器的靈敏度不受電纜變化的影響。圖5-8電荷放大器的具體電路之一圖5-8的電荷放大器電路中通過頻率fH的上限主要取決于壓電元件的Ca、電纜電容Cc和電纜電阻Rc，它們構(gòu)成第一級低通濾波器，其上限截止頻率fH按式（5-3）計算

第11頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五3．壓電加速度傳感器的集成信號處理電路TB6066FNG是東芝公司生產(chǎn)的振動傳感器集成電路，它集成了100MΩ高輸入阻抗差分放大器、基準(zhǔn)電壓源、緩沖放大器、比較器等電路。工作電源電壓為2.7～5.5V。FB6066振動傳感器電路如圖5-9所示。圖5-9TB6066FNG壓電傳感器電路圖第12頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五壓電式振動傳感器S輸出信號加到TB6066的1腳、16腳，經(jīng)差分放大后從14腳輸出，C3、R1耦合到運(yùn)算放大器A3進(jìn)一步放大后從5腳輸出。5腳輸出的信號可以送往其他電路，也可以送到6腳與內(nèi)部的比較器進(jìn)行電壓比較，比較后從7腳輸出低電平信號。電路的外部增益調(diào)節(jié)由R2／R1決定，假設(shè)壓電式傳感器的靈敏度Qs=0.34（Pc/g），R1=10KΩ，R2=100KΩ，欲測加速度最大值為5g。g為作用于傳感器上的加速度大小，1g=9.8m/s2。各項(xiàng)阻、容參數(shù)的計算如下：

1）計算電容C1，C2（pF）公式中的常數(shù)5可能是A3的前級放大器固定增益為5倍，滿量程5g時輸出電壓0.4V。第13頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五5.3壓電式傳感器的應(yīng)用5.3.1壓電式測力傳感器

1．單向力傳感器一種用于機(jī)床動態(tài)切削力測量的單向壓電石英力傳感器的結(jié)構(gòu)如圖5-11所示。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(Φ8mm×1mm)作傳感元件，被測力通過傳力上蓋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)電荷由形電極3輸出，壓電晶片正電荷一側(cè)與底座連接。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)，可檢測高達(dá)5000N的動態(tài)力，分辨率為10-3N。第14頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五圖5-11YDS-781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.絕緣材料圖5-12雙向壓電式力傳感器（a）雙向力傳感器；（b）yx切型示意圖第15頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五2．雙向力傳感器雙向力傳感器基本用于測量垂直分力Fx與切向分力Fy，以及測量互相垂直的兩個切向分辦，即Fx和Fy。無論哪一種測量，傳感器的結(jié)構(gòu)形式相似。圖5-12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量兩個分力，下面一組采用xy(x0°)切型，通過dll實(shí)現(xiàn)力一電轉(zhuǎn)換，測量軸向力Fx；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σ6(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5-12(b)所示。這一組石英晶體通過d26實(shí)現(xiàn)力一電轉(zhuǎn)換來測量Fy。第16頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五5.3.2壓電式加速度傳感器1．工作原理圖5-13所示為壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。壓電元件由兩塊壓電片(石英晶片或壓電陶瓷片)組成，在壓電片的兩個表面上鍍銀并焊接輸出引線，或在兩塊壓電片之間夾金屬薄片，輸出引線焊接在金屬薄片上，輸出端的另一根引線直接與傳感器基座相連。在壓電元件上，以一定的預(yù)緊力安裝一慣性質(zhì)量塊，整個組件裝在一個厚基座的金屬殼體中。圖5-13壓電式加速度傳感器第17頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五測量時，通過基座底部的螺孔將傳感器與試件剛性地固定在一起，傳感器感受與試件相同頻率的振動。由于壓緊在質(zhì)量塊上的彈簧剛度很大，質(zhì)量塊的質(zhì)量相對較小，可認(rèn)為質(zhì)量塊的慣性很小，所以質(zhì)量塊也感受與試件相同的振動。質(zhì)量塊以正比于加速度的交變力作用在壓電元件上，壓電元件的兩個表面就有交變電荷產(chǎn)生，傳感器的輸出電荷(或電壓)與作用力成正比，即與試件的加速度成正比。2．結(jié)構(gòu)形式壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)形式主要有壓縮型、剪切型和組合型三種。1)壓縮型壓縮型壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)如圖5-14所示。圖5-14(a)為正裝中心壓縮式，質(zhì)量塊和壓電片通過中心螺栓固緊在基座上形成獨(dú)立的體系，與易受非振動環(huán)境干擾的殼體分開，殼體僅起防護(hù)和屏蔽作用。第18頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五圖5-14(b)為改進(jìn)型的隔離基座壓縮式，圖5-14(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5-14(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。

圖5-14壓縮型壓電式加速度傳感器第19頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五2)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5-15所示。

圖5-15剪切型壓電式加速度傳感器第20頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五3）應(yīng)用舉例圖5-16所示為用壓電式加速度傳感器探測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(激振器)，橋墩將承受垂直方向的激勵，用壓電式加速度傳感器測量橋墩的響應(yīng)，將信號經(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。圖5-16探測橋墩水下部分裂紋示意圖圖5-16(a)為探測示意圖。沒有缺陷的橋墩為一堅固整體，加速度響應(yīng)曲線為單峰，如圖5-16(b)所示。若橋墩有缺陷，其力學(xué)系統(tǒng)變得更為復(fù)雜，激勵后的加速度響應(yīng)曲線將顯示出雙峰或多峰，如圖5-16(c)所示。

第21頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五壓電式力傳感器土層壓力傳感器壓電陀螺儀壓電傾斜測量儀第22頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五第23頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五5.4超聲波傳感器及其應(yīng)用5.4.1超聲波的特性人們能聽到的聲音是由物體振動產(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。檢測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)的振動方向與波的傳播方向一致的波稱為縱波；質(zhì)點(diǎn)的振動方向與波的傳播方向垂直的波稱為橫波；質(zhì)點(diǎn)的振動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。超聲波具有以下基本性質(zhì)。第24頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五1．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+0.607t／℃(m/s)(5-9)2．反射和折射現(xiàn)象超聲波在通過兩種不同的介質(zhì)時，會產(chǎn)生反射和折射現(xiàn)象，如圖5-17所示，有如下的關(guān)系：圖5-17超聲波的折射和反射第25頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五3．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(5-12)式中，d為介質(zhì)的厚度；A為介質(zhì)對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。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。第26頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五5.4.2超聲波傳感器的應(yīng)用

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)。1．超聲波傳感器在液位測量中的應(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，可以測量出液位的高度，常見的液位測量方法如圖5-18所示。圖5-18超聲波測量液位第27頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五超聲波在某一介質(zhì)中傳播速度一定，遇到兩種介質(zhì)分界面時會產(chǎn)生反射現(xiàn)象，所以，只要知道超聲波在介質(zhì)中的傳播速度C，測出超聲波從開始發(fā)射至接收到超聲波的這段時間t，就可以計算出超聲波行進(jìn)的距離，從而得出超聲波探頭到介質(zhì)面的距離L。圖5-18(a)中的測量方法比較簡單，精度較高，但用于石油、化工中的液位測量就顯得不太方便。此外，這種測量方法對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5-18（b）中在容器殼外的測量方法就可以克服上述問題。第28頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五2．超聲波探傷超聲波探傷是無損探傷技術(shù)中的一種主要檢測手段。它主要用于檢測板材、管材、鍛件和焊縫等材料中的缺陷(如裂縫、氣孔、夾渣等)，測定材料的厚度。超聲波探傷具有檢測靈敏度高、速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn)，因而得到人們普遍的重視，在生產(chǎn)實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用。超聲波探傷方法很多，最常用的是脈沖反射法。脈沖反射法根據(jù)超聲波波形的不同又分為縱波探傷、橫波探傷和表面波探傷。1）縱波探傷縱波探傷使用直探頭。測試前，先將探頭壓在與被測件同材質(zhì)等厚的無缺陷試件上調(diào)整顯示屏，使發(fā)射脈沖T和回波脈沖B的尖峰圖像位于屏幕的兩邊。測試時探頭放于被測工件上，在工件上來回移動進(jìn)行檢測，探頭發(fā)出的縱波超聲波以一定速度向工件內(nèi)部傳播，如工件中沒有缺陷，則超聲波傳到工件底部才發(fā)生反射，在顯示屏上只出現(xiàn)始脈沖T和底脈沖B，如圖5-19（a）所示。

第29頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五如工件中有缺陷，一部分聲脈沖在缺陷處產(chǎn)生反射，另一部分繼續(xù)傳播到工件底面產(chǎn)生反射。在顯示屏上除出現(xiàn)始脈沖T和底脈沖B外，還會出現(xiàn)缺陷脈沖F，如圖5-19(b)所示。顯示屏上的水平亮線為掃描線(時間基線)，其長度與工件的厚度成正比(可調(diào))。通過缺陷脈沖F在顯示屏上的位置可確定缺陷在工件中的位置；通過缺陷脈沖的幅度的高低可判斷缺陷當(dāng)量的大小，缺陷面積大，缺陷脈沖幅度就高。移動探頭還可確定缺陷大致長度。圖5-19超聲波縱波探傷第30頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五2）橫波探傷橫波探傷法多采用斜探頭進(jìn)行探傷。超聲波的一個顯著特點(diǎn)是：超聲波波束中心線與缺陷截面積垂直時，探頭靈敏度最高，但如遇到如圖5-20所示的缺陷時，用直探頭探測雖然可探測出缺陷存在，但并不能真實(shí)反映缺陷大小。如果用斜探頭探測，則探傷效果較佳。因此實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)不同缺陷性質(zhì)、取向，采用不同的探頭進(jìn)行探傷。有些工件的缺陷性質(zhì)及取向事先不能確定，為了保證探傷質(zhì)量則應(yīng)采用幾種不同的探頭進(jìn)行多次探測。3）表面波探傷圖5-20橫波探傷法圖5-21表面波探傷第31頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五表面波探傷主要是檢測工件表面附近的缺陷存在與否，如圖5-21所示。當(dāng)超聲波的入射角超過一定值后，折射角可達(dá)到90°，這時固體表面受到超聲波能量引起的交替變化的表面張力作用，質(zhì)點(diǎn)在介質(zhì)表面的平衡位置附近做橢圓軌跡振動，這種振動稱為表面波。當(dāng)工件表面存在缺陷時，表面波被反射回探頭，可以在顯示屏上顯示出來。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，目前所使用的探傷儀大都采用數(shù)字顯示或點(diǎn)陣液晶顯示，并使用單片機(jī)進(jìn)行處理，從而使探傷儀的準(zhǔn)確度及精度大大提高。第32頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五5.4.3超聲波測距1．超聲波探頭針對不同的用途，超聲波探頭的結(jié)構(gòu)和形式有非常多的變化。多數(shù)情況下超聲波測距是在空氣中進(jìn)行，為適應(yīng)對探測范圍、探測距離的不同要求，超聲波探頭也有多種不同的型號。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用，即為可逆元件。市售的超聲渡傳感器有專用型和兼用型，專用型就是發(fā)送器用作發(fā)送超聲波，接收器用作接收超聲波；兼用型就是發(fā)送器(接收器)即可發(fā)送超聲波(接收超聲波)，又可接收超聲波(發(fā)送超聲波)。市售超聲波傳感器的諧振頻率(中心頻率)為23kHz，40kHz，75kHz，200kHz，400kHz等。在諧振頻率上有最高的發(fā)射功率，諧振頻率變高，則檢測距離變短，分解力也變高。第33頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五圖5-22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，在長度方向上，一片伸長，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(振動板)接到一個電極端，下面用引線直接接到另一個電極端。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)就成為振子振動的節(jié)點(diǎn)。金屬板的中心有圓錐形振子，發(fā)送超聲波時，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，超聲波的振動集中于振子的中心，高效應(yīng)地產(chǎn)生高頻電壓。圖5-22超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)第34頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五圖5-23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。

圖5-23超聲波傳感器工作原理示意圖第35頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五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、汽車測速等場合。d）高頻型超聲波傳感器低頻超聲波的散射角較大，探測范圍寬，探測距離較遠(yuǎn)。當(dāng)遇到尺寸小于半波長的物體時會發(fā)生繞射，對于細(xì)小物體的探測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)行較高分辨率的測量。第36頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五2．超聲波傳感器的基本電路圖5-24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，放大的信號經(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。圖5-24采用脈沖變壓器的超聲波振蕩電路第37頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五圖5-25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。

圖5-25采用運(yùn)放的超聲波接收電路第38頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五圖5-26是超聲波發(fā)送接收兩用電路，用一個超聲波傳感器發(fā)送信號的同時還可以接收信號。

圖5-26超聲波發(fā)送接收兩用電路第39頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五3．采用超聲波專用集成