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1、第6章 壓電式傳感器,壓電式傳感器是一種有源的雙向機(jī)電傳感器。它的工作原理是基于壓電材料的壓電效應(yīng)。石英晶體的壓電效應(yīng)早在1680年即已發(fā)現(xiàn)，1948年制作出第一個(gè)石英傳感器。,下頁,返回,第6章 壓電式傳感器,6.1 壓電轉(zhuǎn)換元件的工作原理--壓電效應(yīng) 6.2 影響壓電傳感器的因素 6.3 壓電材料 6.4 等效電路 6.5 測(cè)量電路 6.6 壓電式傳感器的應(yīng)用舉例 6.7 新型壓電材料及應(yīng)用 6.8 超聲波傳感器原理及應(yīng)用 本章要點(diǎn),下頁,上頁,返回,6.1 壓電轉(zhuǎn)換元件的工作原理,某些晶體或多晶陶瓷，當(dāng)沿著一定方向受到外力作用時(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在某兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；

2、當(dāng)外力去掉后，又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)；當(dāng)作用力方向改變時(shí)，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。上述現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。反之，如對(duì)晶體施加一定變電場(chǎng)，晶體本身將產(chǎn)生機(jī)械變形，外電場(chǎng)撤離，變形也隨著消失，稱為逆壓電效應(yīng)。,下頁,上頁,返回,6.1 壓電轉(zhuǎn)換元件的工作原理,壓電式傳感器大都是利用壓電材料的壓電效應(yīng)制成的。在電聲和超聲工程中也有利用逆壓電效應(yīng)制作的傳感器。壓電轉(zhuǎn)換元件受力變形的狀態(tài)可分為 圖6-1所示的幾種基本形式。 但由于壓電晶體的各向異性，并不是所有的壓電晶體都能在這幾種變形狀態(tài)下產(chǎn)生壓電效應(yīng)。例如石英晶體就沒有體積變形壓電效應(yīng)。但它具有良好的厚度變形和長

3、度變形壓電效應(yīng)。,下頁,上頁,返回,6.1 壓電轉(zhuǎn)換元件的工作原理,壓電方程和壓電常數(shù)矩陣 壓電效應(yīng) 正壓電效應(yīng)某些晶體或多晶陶瓷受到外力作用時(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷的現(xiàn)象； 逆壓電效應(yīng)如對(duì)晶體施加一定電場(chǎng)，晶體本身將產(chǎn)生機(jī)械變形的現(xiàn)象。,下頁,上頁,返回,6.1 壓電轉(zhuǎn)換元件的工作原理,天然石英晶體的結(jié)構(gòu)外形 光軸( Z軸):晶體的對(duì)稱軸,光線沿Z軸通過晶體不產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象,且無壓電效應(yīng)； 電軸(X軸):與該壓軸垂直的面，壓電效應(yīng)最為顯著; 機(jī)械軸(Y軸):在外電場(chǎng)作用時(shí)，在此軸上產(chǎn)生的機(jī)械變形最大。,下頁,上頁,返回,6.1 壓電轉(zhuǎn)換元件的工作原理,壓電方程壓電效應(yīng)

4、的數(shù)學(xué)表達(dá)式 壓電效應(yīng)：晶體表面上產(chǎn)生的電荷與外力作用大小成正比。 精確表達(dá)式 式中：dij是壓電常數(shù)，單位為(C/N)； Pi是電荷的表面密度，單位為(C/cm2); i是單位面積上的作用力（應(yīng)力）， 單位為(N/cm2）。,下頁,上頁,返回,6.1 壓電轉(zhuǎn)換元件的工作原理,壓電常數(shù)矩陣：,下頁,上頁,返回,一般情況下壓電方程：,6.1 壓電轉(zhuǎn)換元件的工作原理,石英晶體壓電效應(yīng)機(jī)理：,下頁,上頁,返回,6.1 壓電轉(zhuǎn)換元件的工作原理,下頁,上頁,返回,6.1 壓電轉(zhuǎn)換元件的工作原理,下頁,上頁,返回,6.1 壓電轉(zhuǎn)換元件的工作原理,下頁,上頁,返回,6.1 壓電轉(zhuǎn)換元件的工作原理,下頁,上頁

5、,返回,壓電陶瓷壓電效應(yīng)機(jī)理 壓電陶瓷是一種經(jīng)過極化處理的人工多晶鐵電體。 多晶：由無數(shù)細(xì)微單晶組成； 鐵電體：具有電疇結(jié)構(gòu)； 電疇：分子自發(fā)形成的極化方向相同的小區(qū)域。,6.1 壓電轉(zhuǎn)換元件的工作原理,下頁,上頁,返回,極化處理：在一定溫度下，以強(qiáng)電場(chǎng)使“電疇”規(guī)則排列，余下了很強(qiáng)的剩余極化，壓電陶瓷材料表面出現(xiàn)束縛電荷，吸附空氣中的自由電荷，形成壓電陶瓷。 壓電常數(shù)矩：,注意事項(xiàng)：極化面在Z軸，而X，Y軸各向同性。,6.1 壓電轉(zhuǎn)換元件的工作原理,下頁,上頁,返回,,壓電陶瓷與石英晶體比較 壓電陶瓷效果顯著。,6.2 影響壓電式傳感器主要因數(shù),橫向靈敏度 橫向靈敏度是衡量橫向干擾效應(yīng)的指標(biāo)

6、。一只理想的單軸壓電傳感器，應(yīng)該僅敏感其軸向的作用力，而對(duì)橫向作用力不敏感。產(chǎn)生原因是壓電片制造得作用面不平行，粗糙， 以及安裝不精確，使得力軸 Sm與電軸SL（極化軸）不重 合。二者成角。其定義用其 相對(duì)軸向靈敏度的百分比表 示。,下頁,上頁,返回,,6.2 影響壓電式傳感器主要因數(shù),定義（用軸向靈敏度的百分比表示）： 最大橫向靈敏度 Km=(Ky/Kz)100% =tg100%; 一般橫向靈敏度 Kt=(Kt/Kz)100% =tgcos100%;,下頁,上頁,返回,6.2 影響壓電式傳感器主要因數(shù),產(chǎn)生橫向靈敏度的必要條件 （1）伴隨軸向作用力的同時(shí)，存在橫向力；

7、 （2）壓電元件本身具有橫向壓電效應(yīng)。 消除橫向靈敏度的技術(shù)途徑 （1）從設(shè)計(jì)、工藝和使用諸方面確保力與電軸的一致； （2）盡量采取剪切型的力-電轉(zhuǎn)換方式。一只較好的壓電傳感器，最大橫向靈敏度不大于5%。,下頁,上頁,返回,6.2 影響壓電式傳感器主要因數(shù),環(huán)境溫度和濕度 環(huán)境溫度對(duì)傳感器的影響主要通過三個(gè)因素： （1）壓電材料的特性參數(shù)； （2）某些壓電材料的熱釋電效應(yīng)（當(dāng)一些晶體受熱時(shí)，在晶體兩端將會(huì)產(chǎn)生數(shù)量相等而符號(hào)相反的電荷。這種由于熱變化而產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng) ）； （3）傳感器結(jié)構(gòu)。 環(huán)境溫度變化會(huì)使壓電材料的壓電常數(shù)d、介電常數(shù)、電阻率和彈性系數(shù)k等機(jī)電特性參數(shù)發(fā)生變化

8、。d 和k 的變化將影響傳感器的輸出靈敏； 和的變化會(huì)導(dǎo)致時(shí)間常數(shù)RC的變化，從而使傳感器的低頻響應(yīng)變化。,下頁,上頁,返回,6.3 壓電材料,選用合適的壓電材料是設(shè)計(jì)高性能傳感器的關(guān)鍵。一般應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面： 轉(zhuǎn)換性能：具有較高的耦合系數(shù)或具有較大的壓電常數(shù)； 機(jī)械性能：壓電元件作為受力元件，希望它的機(jī)械強(qiáng)度高、機(jī)械剛度大。以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動(dòng)頻率； 電性能：希望具有高的電阻率和大的介電常數(shù)，以期望減弱外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性； 溫度和濕度穩(wěn)定性要好：具有較高的居里點(diǎn)、以期望得到寬的工作溫度范圍； 時(shí)間穩(wěn)定性：壓電特性不隨時(shí)間蛻變。,下頁,上頁,返回,6.4 等

9、效電路,壓電式傳感器對(duì)被測(cè)量的變化是通過其壓電元件產(chǎn)生電荷量的大小來反映的，因此它相當(dāng)于一個(gè)電荷源。 而壓電元件電極表面聚集電荷時(shí)，它又相當(dāng)于一個(gè)以壓電材料為電介質(zhì)的電容器，其電容量為：,式中 s--極板面積 r--壓電材料相對(duì)介電常數(shù) 0 --真空介電常數(shù) --壓電元件厚度,下頁,上頁,返回,Ra是壓電元件的漏電阻,6.4 等效電路,當(dāng)壓電元件受外力作用時(shí)，兩表面產(chǎn)生等量的正、負(fù)電荷Q，壓電元件的開路電壓(認(rèn)為其負(fù)載電阻為無窮大)U為 這樣，可以把壓電元件等效為一個(gè)電荷源Q 和一個(gè)電容器Ca的等效電路；同時(shí)也等效為 一個(gè)電壓源U和一個(gè)電

10、容器Ca串聯(lián)的等效電 路。其中Ra為壓電元件的漏電阻。,下頁,上頁,返回,6.4 等效電路,壓電式傳感器的靈敏度 電壓靈敏度：?jiǎn)挝涣Ξa(chǎn)生的電壓； 電荷靈敏度：?jiǎn)挝涣Ξa(chǎn)生的電荷； ， 。,下頁,上頁,返回,根據(jù)壓電元件的工作原理及上節(jié)所述兩種等效電路，與壓電元件配套的測(cè)量電路的前置放大器也有兩種形式： 電壓放大器：其輸出電壓與輸入電壓(壓電元件的輸出電壓)成正比。 電荷放大器：其輸出電壓與輸入電荷成正比。,6.5 測(cè)量電路,下頁,上頁,返回,6.5 測(cè)量電路,下頁,上頁,返回,Ri、Ci、Cc分別為放大器的輸入電阻、輸入電容和電纜線的電容,電壓放大器和電荷放大器：,

11、6.5 測(cè)量電路,6.4.1電壓放大器 電壓放大器的作用是將壓電式傳感器的高輸出阻抗經(jīng)放大器變換為低阻抗輸出，并將微弱的電壓信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)放大因此也把這種測(cè)量電路稱為阻抗變換器。,下頁,上頁,返回,其中,6.5 測(cè)量電路,6.4.1電壓放大器 以壓電陶瓷為例 設(shè)壓電陶瓷受到交變外力F1作用,下頁,上頁,返回,用復(fù)數(shù)表示放大器的輸入電壓,6.5 測(cè)量電路,6.4.1電壓放大器 電壓Ui的幅值 電壓Ui與作用力之間的相位差：,下頁,上頁,返回,令,6.5 測(cè)量電路,6.4.1電壓放大器 得,下頁,上頁,返回,6.5 測(cè)量電路,6.4.1電壓放大器 電壓電壓幅值比和相角與頻率比的關(guān)系曲線 從曲線知

12、=0 ，Um=0，電荷被泄漏，壓電式 傳感器不能測(cè)量靜態(tài)量(靈敏度下降)； 31, Um與作用力的頻率無關(guān), 高頻響應(yīng)非常好;,下頁,上頁,返回,6.5 測(cè)量電路,6.4.1電壓放大器 電壓靈敏度,下頁,上頁,返回,由此可知：要擴(kuò)大低頻響應(yīng)范圍, 必須增加R(而不是C)來增加測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)=R(C+Ca),否則,電壓靈敏度kU下降;,6.5 測(cè)量電路,6.4.1電壓放大器 電壓當(dāng)R1時(shí), 說明：放大器輸入電壓及電壓靈敏度與傳感器自身電容,電纜線電容有關(guān)。更換電纜需重新標(biāo)定系統(tǒng)靈敏度。,下頁,上頁,返回,,6.5 測(cè)量電路,6.4.2電荷放大器 由于電壓放大器使所配接的壓電式傳感器的電

13、壓靈敏度將隨電纜分布電容及傳感器自身電容的變化而變化，而且電纜的更換得引起重新標(biāo)定的麻煩，為此又發(fā)展了便于遠(yuǎn)距離測(cè)量的電荷放大器，目前它巳被公認(rèn)是一種較好的沖擊測(cè)量放大器。,下頁,上頁,返回,6.5 測(cè)量電路,6.4.2電荷放大器 特點(diǎn)：消除電纜分布電容的影響；具有深度電容負(fù)反饋的高增益運(yùn)算放大器。 電路簡(jiǎn)化：忽略Ri，Ra（ ），運(yùn)放的K足夠大,高頻忽略RF ； (低頻時(shí)RF不能忽略)。,下頁,上頁,返回,,6.5 測(cè)量電路,6.4.2電荷放大器 輸出U0可以簡(jiǎn)化,下頁,上頁,返回,,注意到(1+K)CF(CC+Ca+Ci),,6.5 測(cè)量電路,6.4.2電荷放大器,下頁,上頁,返回,特點(diǎn)

14、：(1)輸出電壓U正比于輸入電荷Q，輸出靈敏度不受電纜分布電容的影響;(2) 適用于高頻(gF<

15、件是一種典型的力敏感元件?？捎脕頊y(cè)量最終能轉(zhuǎn)換為力的多種物理量。常用來測(cè)量力和加速度。例如，玻璃破碎報(bào)警；埋在地下作為周界安全防護(hù)報(bào)警；交通道路監(jiān)控，車床動(dòng)態(tài)切削力測(cè)量；體育動(dòng)態(tài)力 (起跑，跳躍)測(cè)量；震動(dòng)，爆破，地震，汽車安全氣囊等。,下頁,上頁,返回,土層壓力傳感器,壓電式力傳感器,壓電傾斜測(cè)量儀,6.6 壓電式傳感器的應(yīng)用舉例,壓電式傳感器的特點(diǎn)： 是能量轉(zhuǎn)換型（發(fā)電型）傳感器； 體積小，重量輕，剛性好，可以提高其固有頻體積小，重量輕，剛性好，可以提高其固有頻率，得到較寬的工作頻率范圍。 靈敏度高，穩(wěn)定性好，可靠。對(duì)應(yīng)用縱向壓電效應(yīng)的傳感器，電荷量與晶體的變形無關(guān)，因而靈敏度與傳感器剛

16、度無關(guān)。 有比較理想的線性，且通常沒有滯后現(xiàn)象。,下頁,上頁,返回,6.6 壓電式傳感器的應(yīng)用舉例,壓電式傳感器的應(yīng)用： 1.低頻特性較差，主要用于動(dòng)態(tài)測(cè)量低頻特性較差，主要用于動(dòng)態(tài)測(cè)量； 2.存在橫向效應(yīng)，影響測(cè)量結(jié)果； 3.應(yīng)用中要求采取嚴(yán)格的絕緣措施，并采用低電容、低噪聲電纜； 4.工作原理可逆； 5.應(yīng)用：壓電傳感器可以直接用于測(cè)力或測(cè)量與力有關(guān)的壓力、位移、振動(dòng)加速度等。,下頁,上頁,返回,6.6 壓電式傳感器的應(yīng)用舉例,石英晶體幾何切型： 石英晶體優(yōu)異的頻率溫度關(guān)系雖然能 夠提供穩(wěn)定的頻率輸出，但這僅僅局 限于特定的晶體方向。通常我們稱這 些特殊的方向?yàn)椴煌那行?，意味?可以通過

17、晶體軸的旋轉(zhuǎn)獲得這些方向 和以一種特別的方式來切割晶體。常 用的切型有AT，SC和ST等。,下頁,上頁,返回,6.6 壓電式傳感器的應(yīng)用舉例,石英晶體幾何切型的分類： 石英晶體在xyz直角坐標(biāo)系中的方位可分為兩大切族：X切族和Y切族（以厚度取向?yàn)榍行停?（1）X切族：是以厚度方向平行于晶體X軸，長度方向平行于Y軸，寬度方向平等于Z軸這一原始位置旋出來的各種不同的幾何切型。如圖（a）。 （2）Y切族：這是以厚度方向平行于晶體的Y軸，長度方向平行于X軸，寬度方向平行于Z軸這一原始位置旋轉(zhuǎn)出來的各種幾何切型。如圖（b）。,下頁,上頁,返回,6.6 壓電式傳感器的應(yīng)用舉例,石英晶體幾何切型的表示方法

18、： 每一種切型的石英晶片用一組字母：x,y,z,t,l,w和角度r來表示。任何一個(gè)切割方位都可以通過一個(gè)起始方位旋轉(zhuǎn)得到。第一個(gè)字母表示起始方位厚度的方向，第二個(gè)字母表示起始方位長度的方向，如X切族以XY表示；Y切族以YX表示。用字母t（厚度）、l（長度）、w（寬度）來表示起始面轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)圍繞的旋轉(zhuǎn)軸。 單轉(zhuǎn)角切型后面的角度表示繞以第三個(gè)字母代表的軸向旋轉(zhuǎn)的角度。雙轉(zhuǎn)角切型的第二個(gè)角度表示繞以第四個(gè)字母代表的軸向旋轉(zhuǎn)的角度。角度為正時(shí)表示晶片繞軸作逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，角度為負(fù)時(shí)表示順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。其方向規(guī)定從x(或y)軸的正端看，若r角繞x(或y)軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，取正值；順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，取負(fù)值。,下頁,上頁,返回,

19、6.6 壓電式傳感器的應(yīng)用舉例,石英晶體幾何切型的表示方法： 例：(yxl)+3515 即（AT）切型，表示晶片的厚度方向與Y軸平行，長度方向與X軸平行，并在yx的原始位置上繞其長度l逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)3515的切割。 例：(xytl)+5/(-50)切型,表示晶片的厚度方向與X軸平行，長度方向與Y軸平行，并且在XY原始位置上，先繞厚度T逆時(shí)針轉(zhuǎn)5，再繞長度l順時(shí)針轉(zhuǎn)50的切割。,下頁,上頁,返回,AT切型,6.6 壓電式傳感器的應(yīng)用舉例,壓電式測(cè)力傳感器 ： 壓電式測(cè)力傳感器是利用壓電元件直接實(shí)現(xiàn)力電轉(zhuǎn)換的傳感器，在拉、壓場(chǎng)合，通常采用雙片或多片石英晶體作壓電元件。如壓電式三向動(dòng)態(tài)測(cè)力儀用于測(cè)

20、試動(dòng)態(tài)切削力。 還可以利用其它彈性材料做的敏感元件來測(cè)量力。即通過彈性膜、盒等，把壓力收集轉(zhuǎn)換成力，再傳遞給壓電元件。 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，必須注意： （1）確保彈性膜片與后接傳力件間有良好的面接觸，否則，接觸不良會(huì)造成滯后或線性惡化，影響靜、動(dòng)態(tài)特性。 （2）傳感器基體和殼體要有足夠的剛度，以保證被測(cè)壓力盡可能傳遞到壓電元件上。 （3）壓電元件的振動(dòng)模式選擇要考慮到頻率覆蓋：彎曲；壓縮；剪切。 （4）涉及傳力的元件，盡可能采用高音速材料和扁薄結(jié)構(gòu)，以利快速、無損地傳遞彈性元件的彈性波，提高動(dòng)態(tài)性能。 （5）考慮加速度，溫度等環(huán)境干擾的補(bǔ)償。,下頁,上頁,返回,6.6 壓電式傳感器的應(yīng)用舉例,壓電式

21、測(cè)力傳感器 ： 1.單向力傳感器(1) 僅用來測(cè)量單向的壓力，如機(jī)床動(dòng)態(tài)切削力的 測(cè)量。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(8mm1mm)作傳感元件，被測(cè)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)電荷由電極3輸出，壓電晶片正電荷一側(cè)與 底座連接。,下頁,上頁,返回,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,6.6 壓電式傳感器的應(yīng)用舉例,壓電式測(cè)力傳感器 ： 1.單向力傳感器(2) 兩片并聯(lián)可

22、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(cè)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10 g)，固有頻率高 （約5060 kHz)，可檢測(cè)高達(dá)5000 N 的動(dòng)態(tài)力，分辨率為10-3N。,下頁,上頁,返回,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,6.6 壓電式傳感器的應(yīng)用舉例,壓電式測(cè)力傳感器 ： 2.雙向力傳感器(1) 雙向力傳感器基本用于測(cè)量垂直分力Fx與切向分力Fy，以及測(cè)量互相垂直的兩個(gè)切向分力，即Fx和Fy。無論哪一種測(cè)量，傳感器的結(jié)構(gòu)形式相似。 圖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

23、分別測(cè)量 兩個(gè)分力，下面一組采用xy(x0) 切型，通過dll實(shí)現(xiàn)力-電轉(zhuǎn)換，測(cè) 量軸向力Fx；,下頁,上頁,返回,雙向壓電式力傳感器 （a）雙向力傳感器； （b）yx切型示意圖,6.6 壓電式傳感器的應(yīng)用舉例,壓電式測(cè)力傳感器 ： 2.雙向力傳感器(2) 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6 (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(b)所示。 這一組石英晶體通過d26實(shí)現(xiàn)力- 電轉(zhuǎn)換來測(cè)量Fy。,下頁,上頁,返回,雙向壓電式力傳感器 （a）雙向力傳感器； （b）yx切型示意

24、圖,6.6 壓電式傳感器的應(yīng)用舉例,舉例：測(cè)加速度(1). 當(dāng)傳感器感受振動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊感受慣性力的作用。質(zhì)量塊有一正比于加速度的交變力作用在壓電片上。由于壓電片壓電效應(yīng)，兩個(gè)表面上就產(chǎn)生交變電荷，當(dāng)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于傳感器的固有頻率時(shí)，傳感器的輸出電荷（電壓）與作用力成正比，亦即與試件的加速度成正比。電荷量直接反映加速度大小。其靈敏度與壓電材料壓電系數(shù)和質(zhì)量塊質(zhì)量有關(guān)。 輸出電量由傳感器輸出端引出，輸入到前置放大器后就可以用普通的測(cè)量儀器測(cè)出試件的加速度，如在放大器中加進(jìn)適當(dāng)?shù)姆e分電路，就可以測(cè)出試件的振動(dòng)速度或位移。,下頁,上頁,返回,6.6 壓電式傳感器的應(yīng)用舉例,,下頁,上頁,返回,舉例：測(cè)

25、加速度(2). 為了提高傳感器靈敏度， 一般選擇壓電系數(shù)大的壓電陶瓷片。 若增加質(zhì)量塊質(zhì)量會(huì)影響被測(cè)振動(dòng)，同時(shí)會(huì)降低振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率，因此一般不用增加質(zhì)量辦法來提高傳感器靈敏度。此外還可以用增 加壓電片數(shù)目和采用合理的 連接方法也可提高傳感器靈 敏度。,6.6 壓電式傳感器的應(yīng)用舉例,壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)形式： 有壓縮型、剪切型和復(fù)合型。 壓縮型： （1）正裝中心壓縮式：正裝中心壓縮式如圖。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：質(zhì)量快和彈性元件通過中心螺栓固緊在基座上形成獨(dú)立的體系，殼體僅起防護(hù)和屏蔽作用。 具有靈敏度高、性能穩(wěn)定，頻響好，工作可靠等優(yōu)點(diǎn)。但基座的機(jī)械和熱變?nèi)杂杏绊憽?下頁,上頁,返回,6.6

26、壓電式傳感器的應(yīng)用舉例,壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)形式： （2） 壓縮型的改進(jìn)型。 圖(b)為改進(jìn)型的隔離基座壓縮式，圖(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(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。,下頁,上頁,返回,6.6 壓電式傳感器的應(yīng)用舉例,壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)形式： 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)

27、構(gòu)如圖所示。,下頁,上頁,返回,6.6 壓電式傳感器的應(yīng)用舉例,壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)形式： （1）中空?qǐng)A柱形如圖 。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕巧，靈敏度高。,下頁,上頁,返回,6.6 壓電式傳感器的應(yīng)用舉例,壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)形式： （2）H形結(jié)構(gòu)如圖。左右壓電元件通過橫螺栓固緊在中心立柱上，具有更好的靜態(tài)特性，更高的信噪比和寬的高低頻特性，裝配方便。,下頁,上頁,返回,6.6 壓電式傳感器的應(yīng)用舉例,壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)形式： （3）三角結(jié)構(gòu)如圖。三塊壓電片和扇形質(zhì)量塊呈三角空間分布，由預(yù)緊筒固緊在三角中心柱上，取消膠結(jié)，改善了線性和溫度特性。,下頁,上頁,返回,6.6 壓電式傳感器的應(yīng)用舉例,壓電加速

28、度傳感器結(jié)構(gòu)形式： 3. 復(fù)合型。泛指那些具有組合結(jié)構(gòu)、差動(dòng)原理、合一體化或復(fù)合材料的壓電傳感器。 (1)多晶片壓電加速度傳感器如圖。,下頁,上頁,返回,6.6 壓電式傳感器的應(yīng)用舉例,壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)形式： 3. 復(fù)合型。 (2)壓電圓管梁差動(dòng)式加速度傳感器如圖,圓管外電極被槽1分成上下極,且徑向極化方向相反,在慣性力F 作用下,使壓電圓管彎曲變形,上下極產(chǎn)生的電荷差動(dòng)相加,提高了靈敏度。,下頁,上頁,返回,6.6 壓電式傳感器的應(yīng)用舉例,壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)形式： 3. 復(fù)合型。 (3)組合一體化壓電加速度傳感器如圖，集傳感器與電子線路于一身的組合一體化壓電 電子傳感器。,下頁,上頁,

29、返回,6.6 壓電式傳感器的應(yīng)用舉例,下頁,上頁,返回,振動(dòng)測(cè)量及頻譜分析(1) 振動(dòng)可分為機(jī)械振動(dòng)、土木結(jié)構(gòu)振動(dòng)、運(yùn)輸工具振動(dòng)、武器、爆炸引起的沖擊振動(dòng)等。 從振動(dòng)的頻率范圍來分，有高頻振動(dòng)、低頻振動(dòng)和超低頻振動(dòng)等。 從振動(dòng)信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特征來看，可將振動(dòng)分為周期振動(dòng)、非周期振動(dòng)以及隨機(jī)振動(dòng)等。,6.6 壓電式傳感器的應(yīng)用舉例,下頁,上頁,返回,振動(dòng)測(cè)量及頻譜分析 (2) 測(cè)振傳感器分類 測(cè)振用的傳感器又稱拾振器，它有接觸式和非接觸式之分。接觸式中有磁電式、電感式、壓電式等；非接觸式中又有電渦流式、電容式、霍爾式、光電式等。下面介紹壓電式測(cè)振傳感器及其應(yīng)用。,橫向振動(dòng) 測(cè)振器,縱向振動(dòng) 測(cè)振器

30、,6.6 壓電式傳感器的應(yīng)用舉例,下頁,上頁,返回,振動(dòng)測(cè)量及頻譜分析 (3) 地震的測(cè)量,地震波形,6.6 壓電式傳感器的應(yīng)用舉例,下頁,上頁,返回,振動(dòng)測(cè)量及頻譜分析 (4) 減速箱故障分析 ----依靠頻譜分析法進(jìn)行故障診斷,a）時(shí)域波形 b）頻域波形,6.6 壓電式傳感器的應(yīng)用舉例,下頁,上頁,返回,橋墩水下缺陷探測(cè)(1) 圖示為用壓電式加速度傳感器探測(cè)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(dòng)(激振器)，橋墩將承受垂直方向的激勵(lì)，用壓電式加速度傳感器測(cè)量橋墩的響應(yīng)，將信號(hào)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(hào)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

31、。,6.6 壓電式傳感器的應(yīng)用舉例,下頁,上頁,返回,橋墩水下缺陷探測(cè)(2) 圖(a)為探測(cè)示意圖。沒有缺陷的橋墩為一堅(jiān)固整體，加速度響應(yīng)曲線為單峰，如圖(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(lì)后的加速度響應(yīng)曲線將顯示出雙峰或多峰，如圖(c)所示。,6.6 壓電式傳感器的應(yīng)用舉例,下頁,上頁,返回,壓電式流量計(jì) 利用超聲波在順流方向和逆流方向的傳播速度進(jìn)行測(cè)量。其測(cè)量裝置是在管外設(shè)置兩個(gè)相隔一定距離的收發(fā)兩用壓電超聲換能器，每隔一段時(shí)間(如1/100s)，發(fā)射和接收互換一次。在順流和逆流的情況下，發(fā)射和接收的相位差與流速成正比。據(jù)這個(gè)關(guān)系，可精確測(cè)定流速。流速與管道橫截面積的乘積

32、等于流量。 此流量計(jì)可測(cè)量各種液體的流速，中壓和低壓氣體的流速，不受該流體的導(dǎo)電率、粘度、密度、腐蝕性以及成分的影響。其準(zhǔn)確度可達(dá)0.5%，有的可達(dá)到0.01%。根據(jù)發(fā)射和接收的相位差隨海洋深度深度的變化，測(cè)量聲速隨深度的分布情況.,6.6 壓電式傳感器的應(yīng)用舉例,下頁,上頁,返回,自來水管道測(cè)漏(1) 檢測(cè)原理： 如果地面下有一條均勻的直管道某處O點(diǎn)為漏點(diǎn)，振動(dòng)聲音從O點(diǎn)向管道兩端傳播，傳播速度為V，在管道上A、B兩點(diǎn)放兩只傳感器，A、B距離為L（已知或可測(cè)），從A、B兩個(gè)傳感器接收的由O點(diǎn)傳來的t0時(shí)刻發(fā)出的振動(dòng)信號(hào)所用時(shí)間為 tA（=LA/V）和tB（=LB/V），兩者時(shí)間差為

33、t=tA- tB=（LA- LB）/V （1） 又 L =LA+LB （2）,6.6 壓電式傳感器的應(yīng)用舉例,下頁,上頁,返回,自來水管道測(cè)漏(2) 檢測(cè)原理： 因?yàn)楣艿缆裨O(shè)在地下，看不到O點(diǎn)，也不知道LA和LB的長度，已知的是L和V，如果能設(shè)法求出t，則聯(lián)立（1）+（2）得： LA =(L+tV)/2 （3） 或者將（1）-（2）得： LB=（L-tV）/2 （4） 關(guān)鍵是確定t，就可準(zhǔn)確確定漏點(diǎn)O。如果從O點(diǎn)出發(fā)的是一極短暫的脈沖，在A、B兩點(diǎn)用雙線掃描同時(shí)開始記錄，在示波器上兩脈沖到達(dá)的時(shí)

34、間差就是t。,6.6 壓電式傳感器的應(yīng)用舉例,下頁,上頁,返回,自來水管道測(cè)漏(3) 水漏探測(cè)儀設(shè)計(jì)： 實(shí)際的困難在于漏水聲是連續(xù)不斷發(fā)出的，在A、B兩傳感器測(cè)得的是一片連續(xù)不斷，幅度雜亂變化的噪聲。相關(guān)檢漏儀的功能就是要將這兩路表面雜亂無章的信號(hào)找出規(guī)律來，把它們“對(duì)齊”，對(duì)齊移動(dòng)所需要的時(shí)間就是t。,6.6 壓電式傳感器的應(yīng)用舉例,下頁,上頁,返回,金屬加工切削力測(cè)量 由于壓電陶瓷元件的自振頻率高，特別適合測(cè)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(dāng)進(jìn)行切削加工時(shí)，切削力通過刀具傳給壓電傳感器，壓電傳感器將切削力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，記錄下電信號(hào)的變化便可測(cè)得切削力的變化。,6.

35、6 壓電式傳感器的應(yīng)用舉例,下頁,上頁,返回,壓電式血壓傳感器 如圖壓電陶瓷，雙晶片懸梁結(jié)構(gòu)。雙晶片極化方向相反，并聯(lián)相接。在敏感振膜中央上下兩側(cè)各膠粘有半圓柱塑料塊。被測(cè)動(dòng)脈血壓通過上塑料塊、振膜、下塑料塊傳遞到壓電懸梁的自由端。壓電梁彎曲變形產(chǎn)生的電荷輸出。,6.6 壓電式傳感器的應(yīng)用舉例,下頁,上頁,返回,爆震測(cè)量(1) 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中的氣缸點(diǎn)火時(shí)刻必須十分精確。如果恰當(dāng)?shù)貙Ⅻc(diǎn)火時(shí)間提前一些，即有一個(gè)提前角，就可使汽缸中汽油與空氣的混合氣體得到充分燃燒，使扭矩增大，排污減少。但提前角太大時(shí)，混合氣體產(chǎn)生自燃，就會(huì)產(chǎn)生沖擊波，發(fā)出尖銳的金屬敲擊聲，稱為爆震，可能使火花塞、活塞環(huán)熔化損壞，使缸

36、蓋、連桿、曲軸等部件過載、變形，可用壓電傳感器檢測(cè)并控制之。,爆震波形,6.6 壓電式傳感器的應(yīng)用舉例,下頁,上頁,返回,爆震測(cè)量(2) 還可安裝在氣缸的側(cè)壁上，盡量使點(diǎn)火時(shí)刻接近爆震區(qū)而不發(fā)生爆震，但又能使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出盡可能大的扭矩。 壓電振動(dòng)加速度傳感器可以用于判斷汽車的碰撞，從而使安全氣囊迅速充氣，從而挽救生命；,,6.7 新型壓電材料及應(yīng)用,下頁,上頁,返回,有機(jī)壓電材料(1) 某些合成高分子聚合物（又稱壓電聚合物），經(jīng)延展拉伸和電極化后具有壓電性高分子壓電薄膜，如聚氟乙烯(PVF)，偏聚氟乙烯（PVDF）（薄膜）及其它為代表的其他有機(jī)壓電（薄膜）材料等。 特點(diǎn)：如這類材料及其材質(zhì)柔韌，

37、低密度，低阻抗等優(yōu)點(diǎn)為世人矚目，且發(fā)展十分迅速，現(xiàn)在水聲超聲測(cè)量，壓力傳感，引燃引爆等方面獲得應(yīng)用。不足之處是壓電應(yīng)變常數(shù)（d）偏低，使之作為有源發(fā)射換能器受到很大的限制。,高分子壓電薄膜及拉制,6.7 新型壓電材料及應(yīng)用,下頁,上頁,返回,有機(jī)壓電材料(2) 原理：聚二氟乙烯（PVF2）是目前發(fā)現(xiàn)的壓電效應(yīng)較強(qiáng)的聚合物薄膜，這種合成高分子薄膜就其對(duì)稱性來看，不存在壓電效應(yīng)，但是它們具有“平面鋸齒”結(jié)構(gòu)，存在抵消不了的偶極子。經(jīng)延展和拉伸后可以使分子鏈軸成規(guī)則排列，并在與分子軸垂直方向上產(chǎn)生自發(fā)極化偶極子。當(dāng)在膜厚方向加直流高壓電場(chǎng)極化后，就可以成為具有壓電性能的高分子薄膜。這種薄膜有可撓性，

38、并容易制成大面積壓電元件。這種元件耐沖擊、不易破碎、穩(wěn)定性好、頻帶寬。為提高其壓電性能還可以摻入壓電陶瓷粉末，制成混合復(fù)合材料(PVF2PZT)。,6.7 新型壓電材料及應(yīng)用,下頁,上頁,返回,復(fù)合壓電材料(3) 這類材料是在有機(jī)聚合物基底材料中嵌入片狀、棒狀、桿狀、或粉末狀壓電材料構(gòu)成的(高分子化合物中摻雜壓電陶瓷PZT或BaTiO3粉末制成的高分子壓電薄膜)。至今已在水聲、電聲、超聲、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。如果它制成水聲換能器，不僅具有高的靜水壓響應(yīng)速率，而且耐沖擊，不易受損且可用于不同的深度。,可用于波形分析及報(bào)警 的高分子壓電踏腳板,6.7 新型壓電材料及應(yīng)用,下頁,上頁,返回,復(fù)

39、合壓電材料 壓電式腳踏報(bào)警器(壓電式周界報(bào)警系統(tǒng)) （用于重要位置出入口、周界安全防護(hù)、娛樂舞蹈機(jī)等） 將長的壓電電纜埋在泥土的淺表層，可起分布式地下麥克風(fēng)或聽音器的作用，可在幾十米范圍內(nèi)探測(cè)人的步行, 對(duì)輪式或履帶式車輛也可以通過信號(hào)處理系統(tǒng)分辨出來。如圖為測(cè)量系統(tǒng)的輸出波形。,6.7 新型壓電材料及應(yīng)用,下頁,上頁,返回,交通監(jiān)測(cè) 將高分子壓電電纜埋在公路上，可以獲取車型分類信息（包括軸數(shù)、軸距、輪距、單雙輪胎）、車速監(jiān)測(cè)、收費(fèi)站地磅、 闖紅燈拍照、停車區(qū) 域監(jiān)控、交通數(shù)據(jù)信 息采集（道路監(jiān)控） 及機(jī)場(chǎng)滑行道等。,6.7 新型壓電材料及應(yīng)用,下頁,上頁,返回,有機(jī)壓電材料應(yīng)用 高分子壓電薄

40、膜制作的壓電喇叭（逆壓電效應(yīng)）,6.7 新型壓電材料及應(yīng)用,下頁,上頁,返回,有機(jī)壓電材料應(yīng)用 玻璃破碎傳感器：將厚約0.2mm左右的PVDF薄膜裁制成1020mm大小。在它的正反兩面各噴涂透明的二氧化錫導(dǎo)電電極，再用超聲波焊接上兩根柔軟的電極引線。并用保護(hù)膜覆蓋。使用時(shí)，用瞬干膠將其粘貼在玻璃上。 當(dāng)玻璃遭暴力打碎的瞬間， 壓電薄膜感受到劇烈振動(dòng)， 表面產(chǎn)生電荷Q，在兩個(gè) 輸出引腳之間產(chǎn)生窄脈沖 報(bào)警信號(hào)。,6.7 新型壓電材料及應(yīng)用,下頁,上頁,返回,有機(jī)壓電材料應(yīng)用 集成壓電式傳感器 是一種高性能、低成本動(dòng)態(tài)微壓傳感器，產(chǎn)品采用壓電薄膜作為換能材料，動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)通過薄膜變成電荷量，再經(jīng)傳

41、感器內(nèi)部放大電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出。該傳感器具有靈敏度高，抗過載及沖擊能力強(qiáng)，抗干擾性好，操作簡(jiǎn)便，體積小、重量輕、成本低等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、工業(yè)控制、交通、安全防衛(wèi)等領(lǐng)域。 典型應(yīng)用： 脈搏計(jì)數(shù)探測(cè) 按鍵鍵盤，觸摸鍵盤 振動(dòng)、沖擊、碰撞報(bào)警 振動(dòng)加速度測(cè)量 管道壓力波動(dòng) 其它機(jī)電轉(zhuǎn)換、動(dòng)態(tài)力檢測(cè)等,脈搏計(jì),6.7 新型壓電材料及應(yīng)用,下頁,上頁,返回,海嘯預(yù)警系統(tǒng) 地震是引發(fā)海嘯的主要原因之一。地震中斷層移動(dòng)導(dǎo)致斷層間產(chǎn)生空洞，當(dāng)海水填充這個(gè)空洞時(shí)產(chǎn)生巨大的海水波動(dòng)。這種海水波動(dòng)從深海傳至淺海時(shí)，海浪陡然升到十幾米高，并以每秒數(shù)百米的速度傳播。海浪沖到岸上后，將造成重大破壞。海嘯預(yù)警系統(tǒng)通過

42、海底的振動(dòng)壓力傳感器記錄海浪變化的數(shù)據(jù)，并傳送到信息浮標(biāo)，由信息浮標(biāo)發(fā)送到氣象衛(wèi)星，再從氣象衛(wèi)星傳送到衛(wèi)星地面站。,6.7 新型壓電材料及應(yīng)用,下頁,上頁,返回,海嘯預(yù)警系統(tǒng),6.8 超聲波傳感器原理及應(yīng)用,下頁,上頁,返回,超聲波的特性 人們能聽到的聲音是由物體振動(dòng)產(chǎn)生的，它的頻率在20Hz20KHz范圍內(nèi)。頻率超過20kHz稱為超聲波，低于20Hz稱為次聲波。它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)。超聲波對(duì)液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生

43、多普勒效應(yīng)。利用超聲的反射來測(cè)距，利用大功率超聲的振動(dòng)來清除附著在鍋爐上面的水垢，利用高能超聲做成 超聲刀來消滅、擊碎人體內(nèi)的癌變、結(jié)石等，而利用超聲的反射等效應(yīng)和穿透力強(qiáng)、能夠直線傳播等的特性來進(jìn)行檢測(cè)也是其中一個(gè)很大的應(yīng)用領(lǐng)域。因此超聲波檢測(cè)廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面。,6.8 超聲波傳感器原理及應(yīng)用,下頁,上頁,返回,超聲波的特性 檢測(cè)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(dòng)方向與波的傳播方向一致的波稱為縱波；質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向垂直的波稱為橫波；質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于縱波也橫波之間，沿著表

44、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。 超聲的檢測(cè)應(yīng)用主要包括在工業(yè)上對(duì)各種材料的檢測(cè)和在醫(yī)療上對(duì)人體的檢測(cè)診斷，通過它人們可以探測(cè)出金屬等工業(yè)材料中有沒有氣泡、傷痕、裂縫等缺陷，可以檢測(cè)出人們身體的軟組織、血流等是否正常。,6.8 超聲波傳感器原理及應(yīng)用,下頁,上頁,返回,超聲波的特性 超聲波的基本性質(zhì)(1) 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+0.60

45、7 (m/s),6.8 超聲波傳感器原理及應(yīng)用,下頁,上頁,返回,超聲波的特性 超聲波的基本性質(zhì)(2) 2反射和折射現(xiàn)象 超聲波在通過兩種不同的介質(zhì)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生反射和折射現(xiàn)象，如圖所示，有如下的關(guān)系：,6.8 超聲波傳感器原理及應(yīng)用,下頁,上頁,返回,超聲波的特性 超聲波的基本性質(zhì)(3) 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 = I0 eAd 式中，d為介質(zhì)的厚度；A為介質(zhì)對(duì)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

46、高時(shí)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。,6.8 超聲波傳感器原理及應(yīng)用,下頁,上頁,返回,超聲波傳感器的結(jié)構(gòu) 圖是超聲波傳感器結(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(dòng)板)接到一個(gè)電極端，下面用引線直接接到另一個(gè)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(dòng)的節(jié)點(diǎn)。金屬板的中心有圓錐形振子，發(fā)送超聲波時(shí)，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(shí)，超聲波的振動(dòng)

47、集中于振子的中心，高效應(yīng)地產(chǎn)生高頻電壓。,6.8 超聲波傳感器原理及應(yīng)用,下頁,上頁,返回,超聲波傳感器的工作原理 圖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。,6.8 超聲波傳感器原理及應(yīng)用,下頁,上頁,返回,超聲波傳感器的類型 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，

48、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(gè)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(cè)速等場(chǎng)合。 d）高頻型超聲波傳感器 低頻超聲波的散射角較大，探測(cè)范圍寬，探測(cè)距離較遠(yuǎn)。當(dāng)遇到尺寸小于半波長的物體時(shí)會(huì)發(fā)生繞射，對(duì)于細(xì)小物體的探測(cè)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(cè)量。,6.8 超聲波傳感器原理及應(yīng)用,下頁,上頁,返回,

49、超聲波傳感器的基本電路 （1）超聲波發(fā)生器電路：圖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(hào)，放大的信號(hào)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。,6.8 超聲波傳感器原理及應(yīng)用,下頁,上頁,返回,超聲波傳感器的基本電路 （2）超聲波接收器電路：圖是采用運(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。,6.8 超聲波傳感器原理及應(yīng)用,下頁,上頁,返回,超聲波傳感器的基本電路 （3）超聲波發(fā)送接收兩用電路：

50、圖是超聲波發(fā)送接收兩用電路，用一個(gè)超聲波傳感器發(fā)送信號(hào)的同時(shí)還可以接收信號(hào)。,6.8 超聲波傳感器原理及應(yīng)用,下頁,上頁,返回,超聲波傳感器的基本電路 （4）超聲波專用集成電路：圖是超聲波測(cè)距集成電路TL851/ TL852。TL851設(shè)計(jì)測(cè)距范圍為210米，11腳、12腳外接420kHz陶瓷晶體，與內(nèi)部形成振蕩，在發(fā)射信號(hào)期間被8.5分頻形成頻率為49.4kHz的16個(gè)脈沖串，其余時(shí)間振蕩信號(hào)被4.5分 頻。啟動(dòng)后，3.8ms為消隱時(shí)間 而停止接收信號(hào)以避免超聲波傳 感器在發(fā)射結(jié)束后產(chǎn)生的余振而 導(dǎo)致接收信號(hào)錯(cuò)誤，如果要測(cè)量 小于0.5米的距離，必須使(BINH) 變?yōu)楦唠娖揭钥s

51、短消隱時(shí)間，從 而啟動(dòng)傳感器接收輸入信號(hào)。,6.8 超聲波傳感器原理及應(yīng)用,下頁,上頁,返回,超聲波傳感器的應(yīng)用 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。 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)。,6.8 超聲波傳感器原理及應(yīng)用,下頁,上頁,返回,超聲波傳感器的應(yīng)用 1超聲波傳感器在液位測(cè)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(cè)量出液位的高度，常見的液位測(cè)量方法如圖所示。,6.8 超

52、聲波傳感器原理及應(yīng)用,下頁,上頁,返回,超聲波傳感器的應(yīng)用 1超聲波傳感器在液位測(cè)量中的應(yīng)用 只要知道超聲波在介質(zhì)中的傳播速度C，測(cè)出超聲波從開始發(fā)射至接收到超聲波的這段時(shí)間t，就可以計(jì)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(a)中的測(cè)量方法比較簡(jiǎn)單，精度較高，但用于石油、化工中的液位測(cè)量就顯得不太方便。此外，這種測(cè)量方法對(duì)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（b）中在容器殼外的測(cè)量方法就可以克服上述問題。,6.8 超聲波傳感器原理及應(yīng)用,下頁,上頁,返回,超聲波

53、傳感器的應(yīng)用 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(cè)手段。它主要用于檢測(cè)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(cè)定材料的厚度。超聲波探傷具有檢測(cè)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。,6.8 超聲波傳感器原理及應(yīng)用,下頁,上頁,返回,超聲波傳感器的應(yīng)用 2超聲波探傷 1）縱波探傷 縱波探傷使用直探頭。測(cè)試前，先將探頭壓在與被測(cè)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

54、圖像位于屏幕的兩邊。測(cè)試時(shí)探頭放于被測(cè)工件上，在工件上來回移動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)，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（a）所示。,6.8 超聲波傳感器原理及應(yīng)用,下頁,上頁,返回,超聲波傳感器的應(yīng)用 2超聲波探傷 1）縱波探傷 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(huì)出現(xiàn)缺陷脈沖F，如圖(b)所示。顯示屏上的水平亮線為掃描線(時(shí)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

55、 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(dòng)探頭還可確定缺陷大致 長度。,6.8 超聲波傳感器原理及應(yīng)用,下頁,上頁,返回,超聲波傳感器的應(yīng)用 2超聲波探傷 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(gè)顯著特點(diǎn)是：超聲波波束中心線與缺陷截面積垂直時(shí)，探頭靈敏度最高，但如遇到如圖所示的缺陷時(shí)，用直探頭探測(cè)雖然可探測(cè)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(cè)，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，

56、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(cè)。,6.8 超聲波傳感器原理及應(yīng)用,下頁,上頁,返回,超聲波傳感器的應(yīng)用 2超聲波探傷 3）表面波探傷 表面波探傷主要是檢測(cè)工件表面附近的缺陷存在與否，如圖所示。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(shí)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(dòng)，這種振動(dòng)稱為表面波。當(dāng)工件表面存在缺陷時(shí)，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。

57、,6.8 超聲波傳感器原理及應(yīng)用,下頁,返回,超聲波傳感器的應(yīng)用 3超聲波測(cè)距 1）超聲波探頭 針對(duì)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(cè)距是在空氣中進(jìn)行，為適應(yīng)對(duì)探測(cè)范圍、探測(cè)距離的不同要求，超聲波探頭也有多種不同的型號(hào)。,上頁,6.8 超聲波傳感器原理及應(yīng)用,下頁,返回,超聲波傳感器的應(yīng)用 3超聲波測(cè)距 1）超聲波探頭 超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個(gè)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)

58、，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(cè)距離變短，分解力也變高。,上頁,6.8 超聲波傳感器原理及應(yīng)用,下頁,返回,超聲波傳感器的應(yīng)用 3超聲波測(cè)距 2）在造紙工業(yè)的應(yīng)用,上頁,6.8 超聲波傳感器原理及應(yīng)用,下頁,返回,超聲波傳感器的應(yīng)用 3超聲波測(cè)距 3）物料物位測(cè)量,上頁,6.8 超聲波傳感器原理及應(yīng)用,下頁,返回,超聲波傳感器的應(yīng)用 3超聲波測(cè)距 4）機(jī)器人的眼睛,上頁,第6章 本章要點(diǎn),壓電效應(yīng) 石英晶體的壓電效應(yīng) 壓電陶瓷的壓電效應(yīng) 高分子材料的壓電效應(yīng) 等效電路 測(cè)量電路 壓電傳感器應(yīng)用 超聲波傳感器原理與應(yīng)用,結(jié)束,上頁,返回,