压电式传感器

第6章压电式传感器 压电式传感器是一种有源的双向机电传感器 它的工作原理是基于压电材料的压电效应 石英晶体的压电效应早在1680年即已发现 1948年制作出第一个石英传感器 下页 返回 第6章压电式传感器 6 1压电转换元件的工作原理 压电效应6 2影响压电传感器的因素6 3压电材料6 4等效电路6 5测量电路6 6压电式传感器的应用举例6 7新型压电材料及应用6 8超声波传感器原理及应用本章要点 下页 上页 返回 6 1压电转换元件的工作原理 某些晶体或多晶陶瓷 当沿着一定方向受到外力作用时 内部就产生极化现象 同时在某两个表面上产生符号相反的电荷 当外力去掉后 又恢复到不带电状态 当作用力方向改变时 电荷的极性也随着改变 晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比 上述现象称为正压电效应 反之 如对晶体施加一定变电场 晶体本身将产生机械变形 外电场撤离 变形也随着消失 称为逆压电效应 下页 上页 返回 6 1压电转换元件的工作原理 压电式传感器大都是利用压电材料的压电效应制成的 在电声和超声工程中也有利用逆压电效应制作的传感器 压电转换元件受力变形的状态可分为图6 1所示的几种基本形式 但由于压电晶体的各向异性 并不是所有的压电晶体都能在这几种变形状态下产生压电效应 例如石英晶体就没有体积变形压电效应 但它具有良好的厚度变形和长度变形压电效应 下页 上页 返回 6 1压电转换元件的工作原理 压电方程和压电常数矩阵压电效应正压电效应 某些晶体或多晶陶瓷受到外力作用时 内部就产生极化现象 表面上产生符号相反的电荷的现象 逆压电效应 如对晶体施加一定电场 晶体本身将产生机械变形的现象 下页 上页 返回 6 1压电转换元件的工作原理 天然石英晶体的结构外形光轴 Z轴 晶体的对称轴 光线沿Z轴通过晶体不产生双折射现象 且无压电效应 电轴 X轴 与该压轴垂直的面 压电效应最为显著 机械轴 Y轴 在外电场作用时 在此轴上产生的机械变形最大 下页 上页 返回 6 1压电转换元件的工作原理 压电方程 压电效应的数学表达式压电效应 晶体表面上产生的电荷与外力作用大小成正比 精确表达式式中 dij是压电常数 单位为 C N Pi是电荷的表面密度 单位为 C cm2 i是单位面积上的作用力 应力 单位为 N cm2 下页 上页 返回 6 1压电转换元件的工作原理 压电常数矩阵 下页 上页 返回 一般情况下压电方程 6 1压电转换元件的工作原理 石英晶体压电效应机理 下页 上页 返回 6 1压电转换元件的工作原理 下页 上页 返回 6 1压电转换元件的工作原理 下页 上页 返回 6 1压电转换元件的工作原理 下页 上页 返回 6 1压电转换元件的工作原理 下页 上页 返回 压电陶瓷压电效应机理压电陶瓷是一种经过极化处理的人工多晶铁电体 多晶 由无数细微单晶组成 铁电体 具有电畴结构 电畴 分子自发形成的极化方向相同的小区域 6 1压电转换元件的工作原理 下页 上页 返回 极化处理 在一定温度下 以强电场使 电畴 规则排列 余下了很强的剩余极化 压电陶瓷材料表面出现束缚电荷 吸附空气中的自由电荷 形成压电陶瓷 压电常数矩 注意事项 极化面在Z轴 而X Y轴各向同性 6 1压电转换元件的工作原理 下页 上页 返回 压电陶瓷与石英晶体比较压电陶瓷效果显著 6 2影响压电式传感器主要因数 横向灵敏度横向灵敏度是衡量横向干扰效应的指标 一只理想的单轴压电传感器 应该仅敏感其轴向的作用力 而对横向作用力不敏感 产生原因是压电片制造得作用面不平行 粗糙 以及安装不精确 使得力轴Sm与电轴SL 极化轴 不重合 二者成 角 其定义用其相对轴向灵敏度的百分比表示 下页 上页 返回 6 2影响压电式传感器主要因数 定义 用轴向灵敏度的百分比表示 最大横向灵敏度Km Ky Kz 100 tg 100 一般横向灵敏度Kt Kt Kz 100 tg cos 100 下页 上页 返回 6 2影响压电式传感器主要因数 产生横向灵敏度的必要条件 1 伴随轴向作用力的同时 存在横向力 2 压电元件本身具有横向压电效应 消除横向灵敏度的技术途径 1 从设计 工艺和使用诸方面确保力与电轴的一致 2 尽量采取剪切型的力 电转换方式 一只较好的压电传感器 最大横向灵敏度不大于5 下页 上页 返回 6 2影响压电式传感器主要因数 环境温度和湿度环境温度对传感器的影响主要通过三个因素 1 压电材料的特性参数 2 某些压电材料的热释电效应 当一些晶体受热时 在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷 这种由于热变化而产生的电极化现象称为热释电效应 3 传感器结构 环境温度变化会使压电材料的压电常数d 介电常数 电阻率 和弹性系数k等机电特性参数发生变化 d和k的变化将影响传感器的输出灵敏 和 的变化会导致时间常数 RC的变化 从而使传感器的低频响应变化 下页 上页 返回 6 3压电材料 选用合适的压电材料是设计高性能传感器的关键 一般应考虑以下几个方面 转换性能 具有较高的耦合系数或具有较大的压电常数 机械性能 压电元件作为受力元件 希望它的机械强度高 机械刚度大 以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率 电性能 希望具有高的电阻率和大的介电常数 以期望减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性 温度和湿度稳定性要好 具有较高的居里点 以期望得到宽的工作温度范围 时间稳定性 压电特性不随时间蜕变 下页 上页 返回 6 4等效电路 压电式传感器对被测量的变化是通过其压电元件产生电荷量的大小来反映的 因此它相当于一个电荷源 而压电元件电极表面聚集电荷时 它又相当于一个以压电材料为电介质的电容器 其电容量为 式中s 极板面积 r 压电材料相对介电常数 0 真空介电常数 压电元件厚度 下页 上页 返回 Ra是压电元件的漏电阻 6 4等效电路 当压电元件受外力作用时 两表面产生等量的正 负电荷Q 压电元件的开路电压 认为其负载电阻为无穷大 U为这样 可以把压电元件等效为一个电荷源Q和一个电容器Ca的等效电路 同时也等效为一个电压源U和一个电容器Ca串联的等效电路 其中Ra为压电元件的漏电阻 下页 上页 返回 6 4等效电路 压电式传感器的灵敏度电压灵敏度 单位力产生的电压 电荷灵敏度 单位力产生的电荷 下页 上页 返回 根据压电元件的工作原理及上节所述两种等效电路 与压电元件配套的测量电路的前置放大器也有两种形式 电压放大器 其输出电压与输入电压 压电元件的输出电压 成正比 电荷放大器 其输出电压与输入电荷成正比 6 5测量电路 下页 上页 返回 6 5测量电路 下页 上页 返回 Ri Ci Cc分别为放大器的输入电阻 输入电容和电缆线的电容 电压放大器和电荷放大器 6 5测量电路 6 4 1电压放大器电压放大器的作用是将压电式传感器的高输出阻抗经放大器变换为低阻抗输出 并将微弱的电压信号进行适当放大 因此也把这种测量电路称为阻抗变换器 下页 上页 返回 其中 6 5测量电路 6 4 1电压放大器以压电陶瓷为例设压电陶瓷受到交变外力F1作用 下页 上页 返回 用复数表示放大器的输入电压 6 5测量电路 6 4 1电压放大器电压Ui的幅值电压Ui与作用力之间的相位差 下页 上页 返回 令 6 5测量电路 6 4 1电压放大器得 下页 上页 返回 6 5测量电路 6 4 1电压放大器电压电压幅值比和相角与频率比的关系曲线从曲线知 0 Um 0 电荷被泄漏 压电式传感器不能测量静态量 灵敏度下降 3 1 Um与作用力的频率无关 高频响应非常好 下页 上页 返回 6 5测量电路 6 4 1电压放大器电压灵敏度 下页 上页 返回 由此可知 要扩大低频响应范围 必须增加R 而不是C 来增加测量回路的时间常数 R C Ca 否则 电压灵敏度kU下降 6 5测量电路 6 4 1电压放大器电压当 R 1时 说明 放大器输入电压及电压灵敏度与传感器自身电容 电缆线电容有关 更换电缆需重新标定系统灵敏度 下页 上页 返回 6 5测量电路 6 4 2电荷放大器由于电压放大器使所配接的压电式传感器的电压灵敏度将随电缆分布电容及传感器自身电容的变化而变化 而且电缆的更换得引起重新标定的麻烦 为此又发展了便于远距离测量的电荷放大器 目前它巳被公认是一种较好的冲击测量放大器 下页 上页 返回 6 5测量电路 6 4 2电荷放大器特点 消除电缆分布电容的影响 具有深度电容负反馈的高增益运算放大器 电路简化 忽略Ri Ra 运放的K足够大 高频忽略RF 低频时RF不能忽略 下页 上页 返回 6 5测量电路 6 4 2电荷放大器输出U0可以简化 下页 上页 返回 注意到 1 K CF CC Ca Ci 6 5测量电路 6 4 2电荷放大器 下页 上页 返回 特点 1 输出电压U正比于输入电荷Q 输出灵敏度不受电缆分布电容的影响 2 适用于 高频 gF j CF 低频时输出 RF不能忽略 6 5测量电路 下页 上页 返回 6 4 2电荷放大器 6 6压电式传感器的应用举例 下页 上页 返回 压电元件串并联使用并联增加输出电荷 电容变大 时间常数大 适合测量缓慢变化的信号 以及一电荷输出的场合 串联时 增加输出电压 电容小 时间常数小 适合测量高频信号 以及以电压的形式输出的场合 6 6压电式传感器的应用举例 下页 上页 返回 压电式压力传感器特点 压电元件并联使用 6 6压电式传感器的应用举例 压电式传感器的应用 压电元件是一种典型的力敏感元件 可用来测量最终能转换为力的多种物理量 常用来测量力和加速度 例如 玻璃破碎报警 埋在地下作为周界安全防护报警 交通道路监控 车床动态切削力测量 体育动态力 起跑 跳跃 测量 震动 爆破 地震 汽车安全气囊等 下页 上页 返回 土层压力传感器 压电式力传感器 压电倾斜测量仪 6 6压电式传感器的应用举例 压电式传感器的特点 是能量转换型 发电型 传感器 体积小 重量轻 刚性好 可以提高其固有频体积小 重量轻 刚性好 可以提高其固有频率 得到较宽的工作频率范围 灵敏度高 稳定性好 可靠 对应用纵向压电效应的传感器 电荷量与晶体的变形无关 因而灵敏度与传感器刚度无关 有比较理想的线性 且通常没有滞后现象 下页 上页 返回 6 6压电式传感器的应用举例 压电式传感器的应用 1 低频特性较差 主要用于动态测量低频特性较差 主要用于动态测量 2 存在横向效应 影响测量结果 3 应用中要求采取严格的绝缘措施 并采用低电容 低噪声电缆 4 工作原理可逆 5 应用 压电传感器可以直接用于测力或测量与力有关的压力 位移 振动加速度等 下页 上页 返回 6 6压电式传感器的应用举例 石英晶体几何切型 石英晶体优异的频率温度关系虽然能够提供稳定的频率输出 但这仅仅局限于特定的晶体方向 通常我们称这些特殊的方向为不同的切型 意味着可以通过晶体轴的旋转获得这些方向和以一种特别的方式来切割晶体 常用的切型有AT SC和ST等 下页 上页 返回 6 6压电式传感器的应用举例 石英晶体几何切型的分类 石英晶体在xyz直角坐标系中的方位可分为两大切族 X切族和Y切族 以厚度取向为切型 1 X切族 是以厚度方向平行于晶体X轴 长度方向平行于Y轴 宽度方向平等于Z轴这一原始位置旋出来的各种不同的几何切型 如图 a 2 Y切族 这是以厚度方向平行于晶体的Y轴 长度方向平行于X轴 宽度方向平行于Z轴这一原始位置旋转出来的各种几何切型 如图 b 下页 上页 返回 6 6压电式传感器的应用举例 石英晶体几何切型的表示方法 每一种切型的石英晶片用一组字母 x y z t l w和角度r来表示 任何一个切割方位都可以通过一个起始方位旋转得到 第一个字母表示起始方位厚度的方向 第二个字母表示起始方位长度的方向 如X切族以XY表示 Y切族以YX表示 用字母t 厚度 l 长度 w 宽度 来表示起始面转动时围绕的旋转轴 单转角切型后面的角度表示绕以第三个字母代表的轴向旋转的角度 双转角切型的第二个角度表示绕以第四个字母代表的轴向旋转的角度 角度为正时表示晶片绕轴作逆时针旋转 角度为负时表示顺时针旋转 其方向规定从x 或y 轴的正端看 若r角绕x 或y 轴逆时针旋转 取正值 顺时针旋转 取负值 下页 上页 返回 6 6压电式传感器的应用举例 石英晶体几何切型的表示方法 例 yxl 35 15 即 AT 切型 表示晶片的厚度方向与Y轴平行 长度方向与X轴平行 并在yx的原始位置上绕其长度l逆时针旋转35 15 的切割 例 xytl 5 50 切型 表示晶片的厚度方向与X轴平行 长度方向与Y轴平行 并且在XY原始位置上 先绕厚度T逆时针转5 再绕长度l顺时针转50 的切割 下页 上页 返回 AT切型 6 6压电式传感器的应用举例 压电式测力传感器 压电式测力传感器是利用压电元件直接实现力 电转换的传感器 在拉 压场合 通常采用双片或多片石英晶体作压电元件 如压电式三向动态测力仪用于测试动态切削力 还可以利用其它弹性材料做的敏感元件来测量力 即通过弹性膜 盒等 把压力收集转换成力 再传递给压电元件 在结构设计中 必须注意 1 确保弹性膜片与后接传力件间有良好的面接触 否则 接触不良会造成滞后或线性恶化 影响静 动态特性 2 传感器基体和壳体要有足够的刚度 以保证被测压力尽可能传递到压电元件上 3 压电元件的振动模式选择要考虑到频率覆盖 弯曲 压缩 剪切 4 涉及传力的元件 尽可能采用高音速材料和扁薄结构 以利快速 无损地传递弹性元件的弹性波 提高动态性能 5 考虑加速度 温度等环境干扰的补偿 下页 上页 返回 6 6压电式传感器的应用举例 压电式测力传感器 1 单向力传感器 1 仅用来测量单向的压力 如机床动态切削力的测量 压电元件采用xy 即x0 切型石英晶体 利用其纵向压电效应 实现力一电转换 它用两块晶片 8mm 1mm 作传感元件 被测力通过传力上盖l使石英晶片2沿电轴方向受压力作用 由于纵向压电效应使石英晶片在电轴方向上出现电荷 两块晶片沿电轴方向并联叠加 负电荷由电极3输出 压电晶片正电荷一侧与底座连接 下页 上页 返回 压电式力传感器1 传力上盖 2 石英晶片 3 电极 4 底座 5 电极引出头 6 绝缘材料 6 6压电式传感器的应用举例 压电式测力传感器 1 单向力传感器 2 两片并联可提高其灵敏度 压力元件弹性变形部分的厚度较薄 其厚度由测力大小决定 这种结构的单向力传感器体积小 质量轻 仅10g 固有频率高 约50 60kHz 可检测高达5000N的动态力 分辨率为10 3N 下页 上页 返回 压电式力传感器1 传力上盖 2 石英晶片 3 电极 4 底座 5 电极引出头 6 绝缘材料 6 6压电式传感器的应用举例 压电式测力传感器 2 双向力传感器 1 双向力传感器基本用于测量垂直分力Fx与切向分力Fy 以及测量互相垂直的两个切向分力 即Fx和Fy 无论哪一种测量 传感器的结构形式相似 图所示为双向压电石英晶片的力传感器结构 两组石英晶片分别测量两个分力 下面一组采用xy x0 切型 通过dll实现力 电转换 测量轴向力Fx 下页 上页 返回 双向压电式力传感器 a 双向力传感器 b yx切型示意图 6 6压电式传感器的应用举例 压电式测力传感器 2 双向力传感器 2 上面一组采用yx y0 切型 晶片的厚度方向为y轴方向 在平行于x轴的剪切应力 6 在xy平面内 的作用下 产生厚度剪切变形 所谓厚度剪切变形是指晶体受剪切应力的面与产生电荷的面不共面 如图 b 所示 这一组石英晶体通过d26实现力 电转换来测量Fy 下页 上页 返回 双向压电式力传感器 a 双向力传感器 b yx切型示意图 6 6压电式传感器的应用举例 举例 测加速度 1 当传感器感受振动时 质量块感受惯性力的作用 质量块有一正比于加速度的交变力作用在压电片上 由于压电片压电效应 两个表面上就产生交变电荷 当振动频率远低于传感器的固有频率时 传感器的输出电荷 电压 与作用力成正比 亦即与试件的加速度成正比 电荷量直接反映加速度大小 其灵敏度与压电材料压电系数和质量块质量有关 输出电量由传感器输出端引出 输入到前置放大器后就可以用普通的测量仪器测出试件的加速度 如在放大器中加进适当的积分电路 就可以测出试件的振动速度或位移 下页 上页 返回 6 6压电式传感器的应用举例 下页 上页 返回 举例 测加速度 2 为了提高传感器灵敏度 一般选择压电系数大的压电陶瓷片 若增加质量块质量会影响被测振动 同时会降低振动系统的固有频率 因此一般不用增加质量办法来提高传感器灵敏度 此外还可以用增加压电片数目和采用合理的连接方法也可提高传感器灵敏度 6 6压电式传感器的应用举例 压电加速度传感器结构形式 有压缩型 剪切型和复合型 压缩型 1 正装中心压缩式 正装中心压缩式如图 结构特点 质量快和弹性元件通过中心螺栓固紧在基座上形成独立的体系 壳体仅起防护和屏蔽作用 具有灵敏度高 性能稳定 频响好 工作可靠等优点 但基座的机械和热变仍有影响 下页 上页 返回 6 6压电式传感器的应用举例 压电加速度传感器结构形式 2 压缩型的改进型 图 b 为改进型的隔离基座压缩式 图 c 为改进型的倒装中心压缩式 这两种结构都可以避免基座变形影响 图 d 为双筒双屏蔽的新颖结构 除了外壳起屏蔽作用外 预载套筒也起内屏蔽作用 预载套筒横向刚度大 大大提高了传感器的综合刚度和横向抗干扰能力 下页 上页 返回 6 6压电式传感器的应用举例 压电加速度传感器结构形式 2 剪切型 剪切型压电式加速度传感器 是利用压电片受剪切应力而产生压电效应的原理制成的 这类传感器的压电片多采用压电陶瓷 按压电片的结构形式不同 又可分为柱形剪切型 三角剪切型 H剪切型等 其结构如图所示 下页 上页 返回 6 6压电式传感器的应用举例 压电加速度传感器结构形式 1 中空圆柱形如图 结构简单 轻巧 灵敏度高 下页 上页 返回 6 6压电式传感器的应用举例 压电加速度传感器结构形式 2 H形结构如图 左右压电元件通过横螺栓固紧在中心立柱上 具有更好的静态特性 更高的信噪比和宽的高低频特性 装配方便 下页 上页 返回 6 6压电式传感器的应用举例 压电加速度传感器结构形式 3 三角结构如图 三块压电片和扇形质量块呈三角空间分布 由预紧筒固紧在三角中心柱上 取消胶结 改善了线性和温度特性 下页 上页 返回 6 6压电式传感器的应用举例 压电加速度传感器结构形式 3 复合型 泛指那些具有组合结构 差动原理 合一体化或复合材料的压电传感器 1 多晶片压电加速度传感器如图 下页 上页 返回 6 6压电式传感器的应用举例 压电加速度传感器结构形式 3 复合型 2 压电圆管梁差动式加速度传感器如图 圆管外电极被槽1分成上下极 且径向极化方向相反 在惯性力F作用下 使压电圆管弯曲变形 上下极产生的电荷差动相加 提高了灵敏度 下页 上页 返回 6 6压电式传感器的应用举例 压电加速度传感器结构形式 3 复合型 3 组合一体化压电加速度传感器如图 集传感器与电子线路于一身的组合一体化压电 电子传感器 下页 上页 返回 6 6压电式传感器的应用举例 下页 上页 返回 振动测量及频谱分析 1 振动可分为机械振动 土木结构振动 运输工具振动 武器 爆炸引起的冲击振动等 从振动的频率范围来分 有高频振动 低频振动和超低频振动等 从振动信号的统计特征来看 可将振动分为周期振动 非周期振动以及随机振动等 6 6压电式传感器的应用举例 下页 上页 返回 振动测量及频谱分析 2 测振传感器分类测振用的传感器又称拾振器 它有接触式和非接触式之分 接触式中有磁电式 电感式 压电式等 非接触式中又有电涡流式 电容式 霍尔式 光电式等 下面介绍压电式测振传感器及其应用 横向振动测振器 纵向振动测振器 6 6压电式传感器的应用举例 下页 上页 返回 振动测量及频谱分析 3 地震的测量 地震波形 6 6压电式传感器的应用举例 下页 上页 返回 振动测量及频谱分析 4 减速箱故障分析 依靠频谱分析法进行故障诊断 a 时域波形b 频域波形 6 6压电式传感器的应用举例 下页 上页 返回 桥墩水下缺陷探测 1 图示为用压电式加速度传感器探测桥墩水下部位裂纹的示意图 通过放电炮的方式使水箱振动 激振器 桥墩将承受垂直方向的激励 用压电式加速度传感器测量桥墩的响应 将信号经电荷放大器进行放大后送入数据记录仪 再将记录下的信号输入频谱分析设备 经频谱分析后就可判定桥墩有无缺陷 6 6压电式传感器的应用举例 下页 上页 返回 桥墩水下缺陷探测 2 图 a 为探测示意图 没有缺陷的桥墩为一坚固整体 加速度响应曲线为单峰 如图 b 所示 若桥墩有缺陷 其力学系统变得更为复杂 激励后的加速度响应曲线将显示出双峰或多峰 如图 c 所示 6 6压电式传感器的应用举例 下页 上页 返回 压电式流量计利用超声波在顺流方向和逆流方向的传播速度进行测量 其测量装置是在管外设置两个相隔一定距离的收发两用压电超声换能器 每隔一段时间 如1 100s 发射和接收互换一次 在顺流和逆流的情况下 发射和接收的相位差与流速成正比 据这个关系 可精确测定流速 流速与管道横截面积的乘积等于流量 此流量计可测量各种液体的流速 中压和低压气体的流速 不受该流体的导电率 粘度 密度 腐蚀性以及成分的影响 其准确度可达0 5 有的可达到0 01 根据发射和接收的相位差随海洋深度深度的变化 测量声速随深度的分布情况 6 6压电式传感器的应用举例 下页 上页 返回 自来水管道测漏 1 检测原理 如果地面下有一条均匀的直管道某处O点为漏点 振动声音从O点向管道两端传播 传播速度为V 在管道上A B两点放两只传感器 A B距离为L 已知或可测 从A B两个传感器接收的由O点传来的t0时刻发出的振动信号所用时间为tA LA V 和tB LB V 两者时间差为 t tA tB LA LB V 1 又L LA LB 2 6 6压电式传感器的应用举例 下页 上页 返回 自来水管道测漏 2 检测原理 因为管道埋设在地下 看不到O点 也不知道LA和LB的长度 已知的是L和V 如果能设法求出 t 则联立 1 2 得 LA L tV 2 3 或者将 1 2 得 LB L tV 2 4 关键是确定 t 就可准确确定漏点O 如果从O点出发的是一极短暂的脉冲 在A B两点用双线扫描同时开始记录 在示波器上两脉冲到达的时间差就是 t 6 6压电式传感器的应用举例 下页 上页 返回 自来水管道测漏 3 水漏探测仪设计 实际的困难在于漏水声是连续不断发出的 在A B两传感器测得的是一片连续不断 幅度杂乱变化的噪声 相关检漏仪的功能就是要将这两路表面杂乱无章的信号找出规律来 把它们 对齐 对齐移动所需要的时间就是 t 6 6压电式传感器的应用举例 下页 上页 返回 金属加工切削力测量由于压电陶瓷元件的自振频率高 特别适合测量变化剧烈的载荷 图中压电传感器位于车刀前部的下方 当进行切削加工时 切削力通过刀具传给压电传感器 压电传感器将切削力转换为电信号输出 记录下电信号的变化便可测得切削力的变化 6 6压电式传感器的应用举例 下页 上页 返回 压电式血压传感器如图压电陶瓷 双晶片悬梁结构 双晶片极化方向相反 并联相接 在敏感振膜中央上下两侧各胶粘有半圆柱塑料块 被测动脉血压通过上塑料块 振膜 下塑料块传递到压电悬梁的自由端 压电梁弯曲变形产生的电荷输出 6 6压电式传感器的应用举例 下页 上页 返回 爆震测量 1 汽车发动机中的气缸点火时刻必须十分精确 如果恰当地将点火时间提前一些 即有一个提前角 就可使汽缸中汽油与空气的混合气体得到充分燃烧 使扭矩增大 排污减少 但提前角太大时 混合气体产生自燃 就会产生冲击波 发出尖锐的金属敲击声 称为爆震 可能使火花塞 活塞环熔化损坏 使缸盖 连杆 曲轴等部件过载 变形 可用压电传感器检测并控制之 爆震波形 6 6压电式传感器的应用举例 下页 上页 返回 爆震测量 2 还可安装在气缸的侧壁上 尽量使点火时刻接近爆震区而不发生爆震 但又能使发动机输出尽可能大的扭矩 压电振动加速度传感器可以用于判断汽车的碰撞 从而使安全气囊迅速充气 从而挽救生命 6 7新型压电材料及应用 下页 上页 返回 有机压电材料 1 某些合成高分子聚合物 又称压电聚合物 经延展拉伸和电极化后具有压电性高分子压电薄膜 如聚氟乙烯 PVF 偏聚氟乙烯 PVDF 薄膜 及其它为代表的其他有机压电 薄膜 材料等 特点 如这类材料及其材质柔韧 低密度 低阻抗等优点为世人瞩目 且发展十分迅速 现在水声超声测量 压力传感 引燃引爆等方面获得应用 不足之处是压电应变常数 d 偏低 使之作为有源发射换能器受到很大的限制 高分子压电薄膜及拉制 6 7新型压电材料及应用 下页 上页 返回 有机压电材料 2 原理 聚二氟乙烯 PVF2 是目前发现的压电效应较强的聚合物薄膜 这种合成高分子薄膜就其对称性来看 不存在压电效应 但是它们具有 平面锯齿 结构 存在抵消不了的偶极子 经延展和拉伸后可以使分子链轴成规则排列 并在与分子轴垂直方向上产生自发极化偶极子 当在膜厚方向加直流高压电场极化后 就可以成为具有压电性能的高分子薄膜 这种薄膜有可挠性 并容易制成大面积压电元件 这种元件耐冲击 不易破碎 稳定性好 频带宽 为提高其压电性能还可以掺入压电陶瓷粉末 制成混合复合材料 PVF2 PZT 6 7新型压电材料及应用 下页 上页 返回 复合压电材料 3 这类材料是在有机聚合物基底材料中嵌入片状 棒状 杆状 或粉末状压电材料构成的 高分子化合物中掺杂压电陶瓷PZT或BaTiO3粉末制成的高分子压电薄膜 至今已在水声 电声 超声 医学等领域得到广泛的应用 如果它制成水声换能器 不仅具有高的静水压响应速率 而且耐冲击 不易受损且可用于不同的深度 可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板 6 7新型压电材料及应用 下页 上页 返回 复合压电材料压电式脚踏报警器 压电式周界报警系统 用于重要位置出入口 周界安全防护 娱乐舞蹈机等 将长的压电电缆埋在泥土的浅表层 可起分布式地下麦克风或听音器的作用 可在几十米范围内探测人的步行 对轮式或履带式车辆也可以通过信号处理系统分辨出来 如图为测量系统的输出波形 6 7新型压电材料及应用 下页 上页 返回 交通监测将高分子压电电缆埋在公路上 可以获取车型分类信息 包括轴数 轴距 轮距 单双轮胎 车速监测 收费站地磅 闯红灯拍照 停车区域监控 交通数据信息采集 道路监控 及机场滑行道等 6 7新型压电材料及应用 下页 上页 返回 有机压电材料应用高分子压电薄膜制作的压电喇叭 逆压电效应 6 7新型压电材料及应用 下页 上页 返回 有机压电材料应用玻璃破碎传感器 将厚约0 2mm左右的PVDF薄膜裁制成10 20mm大小 在它的正反两面各喷涂透明的二氧化锡导电电极 再用超声波焊接上两根柔软的电极引线 并用保护膜覆盖 使用时 用瞬干胶将其粘贴在玻璃上 当玻璃遭暴力打碎的瞬间 压电薄膜感受到剧烈振动 表面产生电荷Q 在两个输出引脚之间产生窄脉冲报警信号 6 7新型压电材料及应用 下页 上页 返回 有机压电材料应用集成压电式传感器是一种高性能 低成本动态微压传感器 产品采用压电薄膜作为换能材料 动态压力信号通过薄膜变成电荷量 再经传感器内部放大电路转换成电压输出 该传感器具有灵敏度高 抗过载及冲击能力强 抗干扰性好 操作简便 体积小 重量轻 成本低等特点 广泛应用于医疗 工业控制 交通 安全防卫等领域 典型应用 脉搏计数探测 按键键盘 触摸键盘 振动 冲击 碰撞报警 振动加速度测量 管道压力波动 其它机电转换 动态力检测等 脉搏计 6 7新型压电材料及应用 下页 上页 返回 海啸预警系统地震是引发海啸的主要原因之一 地震中断层移动导致断层间产生空洞 当海水填充这个空洞时产生巨大的海水波动 这种海水波动从深海传至浅海时 海浪陡然升到十几米高 并以每秒数百米的速度传播 海浪冲到岸上后 将造成重大破坏 海啸预警系统通过海底的振动压力传感器记录海浪变化的数据 并传送到信息浮标 由信息浮标发送到气象卫星 再从气象卫星传送到卫星地面站 6 7新型压电材料及应用 下页 上页 返回 海啸预警系统 6 8超声波传感器原理及应用 下页 上页 返回 超声波的特性人们能听到的声音是由物体振动产生的 它的频率在20Hz 20KHz范围内 频率超过20kHz称为超声波 低于20Hz称为次声波 它具有频率高 波长短 绕射现象小 特别是方向性好 能够成为射线而定向传播等特点 超声波对液体 固体的穿透本领很大 尤其是在阳光不透明的固体中 它可穿透几十米的深度 超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波 碰到活动物体能产生多普勒效应 利用超声的反射来测距 利用大功率超声的振动来清除附着在锅炉上面的水垢 利用高能超声做成 超声刀 来消灭 击碎人体内的癌变 结石等 而利用超声的反射等效应和穿透力强 能够直线传播等的特性来进行检测也是其中一个很大的应用领域 因此超声波检测广泛应用在工业 国防 生物医学等方面 6 8超声波传感器原理及应用 下页 上页 返回 超声波的特性检测中常用的超声波频率范围为几十kHz到几十MHz 超声波是一种在弹性介质中的机械震荡 它的波形有纵波 横波 表面波三种 质点的振动方向与波的传播方向一致的波称为纵波 质点的振动方向与波的传播方向垂直的波称为横波 质点的振动介于纵波也横波之间 沿着表面传播 振幅随着深度的增加而迅速衰减的波称为表面波 横波 表面波只能在固体中传播 纵波可在固体 液体及气体中传播 超声的检测应用主要包括在工业上对各种材料的检测和在医疗上对人体的检测诊断 通过它人们可以探测出金属等工业材料中有没有气泡 伤痕 裂缝等缺陷 可以检测出人们身体的软组织 血流等是否正常 6 8超声波传感器原理及应用 下页 上页 返回 超声波的特性超声波的基本性质 1 1 传播速度超声波的传播速度与介质的密度和弹性特性有关 与环境条件也有关 在液体中传播速度为在气体中 超声波的传播速度与气体种类 压力及温度有关 在空气中传播速度为C 33l 5 0 607 m s 6 8超声波传感器原理及应用 下页 上页 返回 超声波的特性超声波的基本性质 2 2 反射和折射现象超声波在通过两种不同的介质时 会产生反射和折射现象 如图所示 有如下的关系 6 8超声波传感器原理及应用 下页 上页 返回 超声波的特性超声波的基本性质 3 3 传播中的衰减随着超声波在介质中传播距离的增加 介质吸收能量使超声波强度有所衰减 若超声波进入介质的强度为I0 通过介质后的强度为I 则它们之间的关系为I I0e Ad式中 d为介质的厚度 A为介质对超声波能量的吸收系数 介质的密度越小 衰减越快 频率高时则衰减更快 因此 在空气中常采用频率较低的超声波 而在固体 液体中则采用频率较高的超声波 6 8超声波传感器原理及应用 下页 上页 返回 超声波传感器的结构图是超声波传感器结构实例 它采用双晶振子 即把双压电陶瓷片以相反极化方向粘在一起 在长度方向上 一片伸长 另一片就缩短 在双晶振子的两面涂敷簿膜电极 其上面用引线通过金属板 振动板 接到一个电极端 下面用引线直接接到另一个电极端 双晶振子为正方形 正方形的左右两边由圆弧形凸起部分支撑着 这两处的支点就成为振子振动的节点 金属板的中心有圆锥形振子 发送超声波时 圆锥形振子有较强的方向性 高效率地发送超声波 接收超声波时 超声波的振动集中于振子的中心 高效应地产生高频电压 6 8超声波传感器原理及应用 下页 上页 返回 超声波传感器的工作原理图是采用双晶振子的超声波传感器的工作原理示意图 若在发送器的双晶振子上施加40KHz的高频电压 压电陶瓷片a b就根据所加的高频电压极性伸长与缩短 于是就发送40kHz频率的超声波 超声波以疏密波形式传播 送给超声波接收器就被其接收 超声波接收器是利用压电效应的原理 则产生一面为正极 另一面为负极的电压 当然这种电压非常小 要用放大器进行放大 6 8超声波传感器原理及应用 下页 上页 返回 超声波传感器的类型a 通用型超声波传感器通用型超声波传感器的带宽一般为几KHz 具有选频特性 频带窄 灵敏度较高 抗干扰性强 接收传感器与发送传感器是分开使用的 b 宽带型超声波传感器宽带型超声波传感器具有二个谐振频率 所以可兼作发送传感器和接收传感器 在较宽的频带内 都具有较高的灵敏度 c 密封型超声波传感器密封型超声波传感器主要用于室外 如汽车防撞 汽车测速等场合 d 高频型超声波传感器低频超声波的散射角较大 探测范围宽 探测距离较远 当遇到尺寸小于半波长的物体时会发生绕射 对于细小物体的探测就需要高频型超声波传感器 高频型超声波传感器的中心频率高于100kHz 指向性窄 可以进行较高分辨率的测量 6 8超声波传感器原理及应用 下页 上页 返回 超声波传感器的基本电路 1 超声波发生器电路 图是采用脉冲变压器的超声波振荡电路实例 电路中用NPN晶体管VT放大频率可调的振荡器OSC的输出信号 放大的信号经脉冲变压器T升压为较高的交流电压供给超声波传感器MA40S2S 超声波传感器MA40S2S产生40kHz能量的超声波 6 8超声波传感器原理及应用 下页 上页 返回 超声波传感器的基本电路 2 超声波接收器电路 图是采用运放的超声波接收电路 电路增益较高 电路输出为高频电压 实际上后面还要接检波电路 放大电路以及开关电路等 6 8超声波传感器原理及应用 下页 上页 返回 超声波传感器的基本电路 3 超声波发送接收两用电路 图是超声波发送接收两用电路 用一个超声波传感器发送信号的同时还可以接收信号 6 8超声波传感器原理及应用 下页 上页 返回 超声波传感器的基本电路 4 超声波专用集成电路 图是超声波测距集成电路TL851 TL852 TL851设计测距范围为2 10米 11脚 12脚外接420kHz陶瓷晶体 与内部形成振荡 在发射信号期间被8 5分频形成频率为49 4kHz的16个脉冲串 其余时间振荡信号被4 5分频 启动后 3 8ms为消隐时间而停止接收信号以避免超声波传感器在发射结束后产生的余振而导致接收信号错误 如果要测量小于0 5米的距离 必须使 BINH 变为高电平以缩短消隐时间 从而启动传感器接收输入信号 6 8超声波传感器原理及应用 下页 上页 返回 超声波传感器的应用利用超声波的特性 可做成各种超声波传感器 包括超声波的发射和接收 配上不同的电路 可制成各种超声波仪器及装置 应用于工业生产 医疗 家电等行业中 超声波传感器是一种可逆换能器 它可以将电能转换成机械能 超声波的发射 也可将机械能转换成电能 超声波接收 6 8超声波传感器原理及应用 下页 上页 返回 超声波传感器的应用1 超声波传感器在液位测量中的应用超声波的应用主要是利用它的透射和反射特性 利用这种特性 可以测量出液位的高度 常见的液位测量方法如图所示 6 8超声波传感器原理及应用 下页 上页 返回 超声波传感器的应用1 超声波传感器在液位测量中的应用只要知道超声波在介质中的传播速度C 测出超声波从开始发射至接收到超声波的这段时间t 就可以计算出超声波行进的距离 从而得出超声波探头到介质面的距离L 图 a 中的测量方法比较简单 精度较高 但用于石油 化工中的液位测量就显得不太方便 此外 这种测量方法对传感器的安全性能要求较高 尤其不适用于那些已经盛装液体的容器 由于化学工业中大部分液体具有易燃 易爆 有毒的特点 所以这种方法很难实现 而图 b 中在容器壳外的测量方法就可以克服上述问题 6 8超声波传感器原理及应用 下页 上页 返回 超声波传感器的应用2 超声波探伤超声波探伤是无损探伤技术中的一种主要检测手段 它主要用于检测板材 管材 锻件和焊缝等材料中的缺陷 如裂缝 气孔 夹渣等 测定材料的厚度 超声波探伤具有检测灵敏度高 速度快 成