压电式传感器课件

1、第六章 压电传感器 压电式传感器是一种典型的有源传感器，压电式传感器是一种典型的有源传感器， 它以某些电介质的它以某些电介质的为基础，为基础，在外力在外力 作用下，材料受力变形时，其表面会有电荷作用下，材料受力变形时，其表面会有电荷 产生产生，从而实现非电量检测的目的。，从而实现非电量检测的目的。 石英晶体石英晶体 天然形成的石英晶体外形 石英晶体切片及封装 石英晶体薄片 双面镀银 及封装 1.1.变换原理变换原理: :压电效应压电效应 某些物质，如石英，受到外力作用时，不仅几何某些物质，如石英，受到外力作用时，不仅几何 尺寸会发生变化，而且内部会被极化，表面产生电尺寸会发生变化，而且内部会被

2、极化，表面产生电 荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种 现象称为现象称为 逆压电效应：如果将这些物质逆压电效应：如果将这些物质 (物体物体)置于电场置于电场 中，其几何尺寸也会发生变化，这种由外电场作用中，其几何尺寸也会发生变化，这种由外电场作用 导致物质导致物质 (物体物体)产生机械变形的现象，称之为逆压产生机械变形的现象，称之为逆压 电效应，或称之为电致伸缩效应。电效应，或称之为电致伸缩效应。 沿电轴沿电轴(x(x轴轴) )方向的作用力产生的压电效应称为方向的作用力产生的压电效应称为“纵向压电效应纵向压电效应”； 沿机械轴沿机械轴(y(y

3、轴轴) )方向的作用力产生的压电效应称为方向的作用力产生的压电效应称为“横向压电效应横向压电效应”； 在光轴在光轴(z(z轴轴) )方向的作用力不产生压电效应。方向的作用力不产生压电效应。 Qxx=d11Fx d11 压电系数压电系数 Qxy=d12Fy b/a d12 = -d11压电系数压电系数 F 石英晶体压电效应演示 u力的方向改变时，力的方向改变时， 电荷的符号也随之改电荷的符号也随之改 变，外力去掉后，电变，外力去掉后，电 荷立刻消失。荷立刻消失。 石英晶体压电效应产生的过程 u 在正常情况下，石英晶体的每一个晶体单元中，有三个硅离子和六个氧离子，正负离子分在正常情况下，石英晶体的

4、每一个晶体单元中，有三个硅离子和六个氧离子，正负离子分 布在正六边形的顶角上，当无外力作用时，正、负电荷中心重合，对外不显电性。布在正六边形的顶角上，当无外力作用时，正、负电荷中心重合，对外不显电性。 图图 石英晶体的结构及压电效应石英晶体的结构及压电效应 当在当在X X轴向施加轴向施加 压力时，各晶压力时，各晶 格上的带电粒格上的带电粒 子均产生相对子均产生相对 位移，氧离子位移，氧离子 挤入两个硅离挤入两个硅离 子之间，而硅子之间，而硅 离子也挤入两离子也挤入两 个氧离子之间，个氧离子之间， 正电荷中心向正电荷中心向B B 面移动，负电面移动，负电 荷中心向荷中心向A A面移面移 动，因而

5、动，因而B B面呈面呈 现正电荷，现正电荷，A A面面 呈现负电荷。呈现负电荷。 当在当在X X轴向施加拉力时，轴向施加拉力时， 各晶格上的带电粒子均各晶格上的带电粒子均 沿沿X X轴向外产生位移，因轴向外产生位移，因 而而A A面呈现正电荷，面呈现正电荷， B B 面呈现负电荷。面呈现负电荷。 在在Y Y方向施加压力时，方向施加压力时， 晶格沿晶格沿y y轴被向内压缩，轴被向内压缩， A A面呈现正电荷，面呈现正电荷， B B面面 呈现负电荷呈现负电荷 在在Y Y方向施加拉力时，方向施加拉力时， 晶格在晶格在y y向被拉长，向被拉长，X X 向缩短，向缩短，B B面呈现正面呈现正 电荷，电荷

6、，A A面呈现负电面呈现负电 荷。荷。 若沿若沿Z Z 轴方向施加力的作用时，轴方向施加力的作用时， 由于硅离子和氧离子是对称的平移，由于硅离子和氧离子是对称的平移， 故在表面没有电荷出现，因而不产生故在表面没有电荷出现，因而不产生 压电效应。这就是石英晶体压电效应压电效应。这就是石英晶体压电效应 产生的过程。产生的过程。 压电材料的分类 压电材料压电材料近年来发展的新型材料。灵近年来发展的新型材料。灵 敏度最高。敏度最高。 压电材料或元件的分类压电材料或元件的分类 压电晶体压电晶体( (如石英晶体如石英晶体)-)-天然存在。最稳定，天然存在。最稳定， 居里点为居里点为573 压电陶瓷，如钛酸

7、钡、铌镁酸铅、锆压电陶瓷，如钛酸钡、铌镁酸铅、锆 钛酸铅等钛酸铅等人工制造。人工制造。 等效电路 u压电元件可以等效为一个与电容相并联的电荷源，如图压电元件可以等效为一个与电容相并联的电荷源，如图a a。 u由于电容电压由于电容电压ua、电荷、电荷Q与电容与电容Ca存在下列关系：存在下列关系： 压电元件的等效电路压电元件的等效电路 a a Q u C 因此，压电元件也可以等效为电压源和一个电容串联的因此，压电元件也可以等效为电压源和一个电容串联的 等效电路，如图等效电路，如图b b所示所示 压电传感器与测量仪表联接时，还必须考虑电缆电容压电传感器与测量仪表联接时，还必须考虑电缆电容CL， 输入

8、电容输入电容Ci， ，放大器的输入电阻 放大器的输入电阻Ri和传感器本身电阻和传感器本身电阻Ra形成形成 的的R0 0，等效电路为，等效电路为 压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能 量较小，因此它的测量电路通常需要接入一量较小，因此它的测量电路通常需要接入一 个高输入阻抗的个高输入阻抗的，其作用为：，其作用为： 。 压电传感器的输出可以是电压信号，也可压电传感器的输出可以是电压信号，也可 以是电荷信号，因此前置放大器也有两种形以是电荷信号，因此前置放大器也有两种形 式：式：电压放大器电压放大器和和电荷放大器电荷放大器。 电压放大器电压放大器是以电阻进行反馈，

9、其输出电压与是以电阻进行反馈，其输出电压与 输入电压输入电压( (即传感器的输出即传感器的输出) )成正比成正比；是是 以电容为反馈的，其以电容为反馈的，其。 由于电荷放大器电路的电缆长度变化的影响不大，由于电荷放大器电路的电缆长度变化的影响不大， 几乎几乎不计，故而电荷放大器应用不计，故而电荷放大器应用 日益广泛。日益广泛。 电荷放大器输出电荷放大器输出 式中，式中，K为开环放大系数。常为为开环放大系数。常为104 106，当，当K1，而，而(1+K)Cf Ca+CL +Ci时，放大器输出电压可以表示为时，放大器输出电压可以表示为 fiLa CKCCC KQ u )1( 0 f C Q u

10、0 F + q=DF + 串联串联 + 并联并联 在实际使用中，如仅用单片压电元件工作的话，要在实际使用中，如仅用单片压电元件工作的话，要 产生足够的表面电荷就要很大的作用力，因此一般采用产生足够的表面电荷就要很大的作用力，因此一般采用 两片或两片以上压电元件组合在一起使用。由于压电元两片或两片以上压电元件组合在一起使用。由于压电元 件是有极性的，因此连接方法有两种：并联连接和串联件是有极性的，因此连接方法有两种：并联连接和串联 连接。连接。 并联连接：并联连接： 此时电容量大，输此时电容量大，输 出电荷量大，时间常数大，适出电荷量大，时间常数大，适 用于测量用于测量和以电荷为和以电荷为 输出

11、的场合及电荷量输出信号。输出的场合及电荷量输出信号。 串联连接：传感器本身电容小，串联连接：传感器本身电容小， 响应较快，输出电压大，适用响应较快，输出电压大，适用 于要求以电压为输出的场合，于要求以电压为输出的场合， 并要求测量电路有高的输入阻并要求测量电路有高的输入阻 抗。抗。 故这种传感器适用于测量故这种传感器适用于测量 以电压作输出的信号和频率较以电压作输出的信号和频率较 高的信号。高的信号。 CQU/ 产品产品 压力变送器压力变送器 加速度计加速度计 力传感器力传感器 压电元件一般由两块压电片组成，在压电片的两表面上镀有银层，并在银压电元件一般由两块压电片组成，在压电片的两表面上镀有

12、银层，并在银 层上焊有引出线，输出端另一根引出线直接与基座相连。在压电片上放一个质层上焊有引出线，输出端另一根引出线直接与基座相连。在压电片上放一个质 量块，为了消除压电元件和质量块间的接触不良而引起的非线性误差及保证传量块，为了消除压电元件和质量块间的接触不良而引起的非线性误差及保证传 感器在交变力作用下能正常工作，要用硬弹簧对压电元件施加预压负荷。静态感器在交变力作用下能正常工作，要用硬弹簧对压电元件施加预压负荷。静态 预压负荷大小应远大于传感器在振动、冲击测试中可能承受的最大动应力。传预压负荷大小应远大于传感器在振动、冲击测试中可能承受的最大动应力。传 感器的整个组件装在一个厚基座上，并

13、用金属壳封罩。感器的整个组件装在一个厚基座上，并用金属壳封罩。 案例：飞机模态分析案例：飞机模态分析 超声波检测超声波检测 超声波超声波: :高于高于 20KHz20KHz的机械波。的机械波。 超声波与声波比，振动频率高，波长短，具有超声波与声波比，振动频率高，波长短，具有 束射特性，方向性强，可以定向传播，其能量远束射特性，方向性强，可以定向传播，其能量远 远大于振幅相同的声波，并具有很高的穿透能力。远大于振幅相同的声波，并具有很高的穿透能力。 超声波传感器是利用超声波传感器是利用 压电元件发射或接收超声压电元件发射或接收超声 波信号，也叫迢声波探头波信号，也叫迢声波探头 超声波与可闻声波不

14、同，超声波与可闻声波不同， 它可以被聚焦，具有能量集中它可以被聚焦，具有能量集中 的特点。的特点。 超声波雾化器超声波雾化器超声波加湿器超声波加湿器 压电陶瓷或磁致伸缩材料在高电压窄脉冲作用下，可得到压电陶瓷或磁致伸缩材料在高电压窄脉冲作用下，可得到 较大功率的超声波，可以被聚焦，能用于集成电路及塑料的焊较大功率的超声波，可以被聚焦，能用于集成电路及塑料的焊 接。接。 超声波塑料超声波塑料 焊接机焊接机 超声波金丝焊接机超声波金丝焊接机 超声波被聚焦后，具有较好的方向性，在遇到两超声波被聚焦后，具有较好的方向性，在遇到两 种介质的分界面时，能产生明显的反射和折射现象，这种介质的分界面时，能产生

15、明显的反射和折射现象，这 一现象类似于光波。一现象类似于光波。 便携式超声波便携式超声波 探鱼器探鱼器 超声波在医学检查中的应用超声波在医学检查中的应用 胎儿胎儿 的的B超超 影像影像 超声波用于高效清洗超声波用于高效清洗 当弱的声波信号作用于液体中时，会对液体产生一定当弱的声波信号作用于液体中时，会对液体产生一定 的负压，即液体体积增加，液体中分子空隙加大，形成许多的负压，即液体体积增加，液体中分子空隙加大，形成许多 微小的气泡；而当强的声波信号作用于液体时，则会对液体微小的气泡；而当强的声波信号作用于液体时，则会对液体 产生一定的正压，即液体体积被压缩减小，液体中形成的微产生一定的正压，即

16、液体体积被压缩减小，液体中形成的微 小气泡被压碎。经研究证明：超声波作用于液体中时，液体小气泡被压碎。经研究证明：超声波作用于液体中时，液体 中每个气泡的破裂会产生能量极大的冲击波，相当于瞬间产中每个气泡的破裂会产生能量极大的冲击波，相当于瞬间产 生几百度的高温和高达上千个大气压的压力，这种现象被称生几百度的高温和高达上千个大气压的压力，这种现象被称 之为之为“空化作用空化作用”，超声波清洗正是利用液体中气泡破裂所，超声波清洗正是利用液体中气泡破裂所 产生的冲击波来达到清洗和冲刷工件内外表面的作用。超声产生的冲击波来达到清洗和冲刷工件内外表面的作用。超声 清洗多用于半导体、机械、玻璃、医疗仪器

17、等行业。清洗多用于半导体、机械、玻璃、医疗仪器等行业。 超声波清洗原理及清洗器超声波清洗原理及清洗器 （参考湖南省浏阳市医用仪具厂（参考湖南省浏阳市医用仪具厂 、北京德泰隆科技发展有限责任公司资料）、北京德泰隆科技发展有限责任公司资料） 超声换能器超声换能器 气泡气泡 波浪波浪 清洗物清洗物 当超声发射器与接收器分别置于被测物两侧时，这种类当超声发射器与接收器分别置于被测物两侧时，这种类 型称为透射型。透射型可用于遥控器、防盗报警器、接近型称为透射型。透射型可用于遥控器、防盗报警器、接近 开关等。超声发射器与接收器置于同侧的属于反射型，反开关等。超声发射器与接收器置于同侧的属于反射型，反 射型

18、可用于接近开关、测距、测液位或物位、金属探伤以射型可用于接近开关、测距、测液位或物位、金属探伤以 及测厚等。及测厚等。 超声波传感器应用举例超声波传感器应用举例 超声波传感器应用举例（续）超声波传感器应用举例（续） 超声波传感器应用举例（续）超声波传感器应用举例（续） 质量检查质量检查 紧固件的安装错误检测紧固件的安装错误检测 叠放叠放高度测量高度测量 超声波传感器应用举例（续）超声波传感器应用举例（续） 超声波传感器应用举例（续）超声波传感器应用举例（续） 物物件放置错误检测件放置错误检测 超声波传感器应用举例（续）超声波传感器应用举例（续） 透明塑料张力控制透明塑料张力控制 机械手定位机械

19、手定位 超声波传感器应用举例（续）超声波传感器应用举例（续） 纸卷直径检测纸卷直径检测 超声波传感器超声波传感器 应用举例（续）应用举例（续） 平整度测量平整度测量 超声波传感器应用举例（续）超声波传感器应用举例（续） 超长距离检测超长距离检测 超声波传感器超声波传感器 应用举例（续）应用举例（续） 流水线计数流水线计数 超声波传感器超声波传感器 应用举例（续）应用举例（续） 一、超声波流量计一、超声波流量计 F1发射的超声波先到达发射的超声波先到达 T1 测量流量原理分类测量流量原理分类 时间差法测量流量原理：在被测管道上时间差法测量流量原理：在被测管道上 下游的一定距离上，分别安装两对超声

20、波发下游的一定距离上，分别安装两对超声波发 射和接收探头（射和接收探头（F F1 1，T T1 1）、（）、（F F2 2，T T2 2），其中），其中 F F1 1，T T1 1的超声波是顺流传播的，而的超声波是顺流传播的，而F F2 2，T T2 2的超的超 声波是逆流传播的。由于这两束超声波在液声波是逆流传播的。由于这两束超声波在液 体中传播速度的不同，测量两接收探头上超体中传播速度的不同，测量两接收探头上超 声波传播的时间差声波传播的时间差 t t，可得到流体的平均速，可得到流体的平均速 度及流量。度及流量。 F1发射的超声波到达发射的超声波到达 F2的时间较短的时间较短 频率差法测量

21、流量原理频率差法测量流量原理 F1、F2 是完全相同的超声探头，安装在管壁外面，通过是完全相同的超声探头，安装在管壁外面，通过 电子开关的控制，交替地作为超声波发射器与接收器用。首先电子开关的控制，交替地作为超声波发射器与接收器用。首先 由由F1发射出第一个超声脉冲，它通过管壁、流体及另一侧管壁发射出第一个超声脉冲，它通过管壁、流体及另一侧管壁 被被F2接收，此信号经放大后再次触发接收，此信号经放大后再次触发F1的驱动电路，使的驱动电路，使F1发射发射 第二个声脉冲第二个声脉冲 。紧接着，由紧接着，由F2发射超声脉冲，而发射超声脉冲，而F1作接收器，作接收器， 可以测得可以测得F1的脉冲重复频

22、率为的脉冲重复频率为f1。同理可以测得。同理可以测得F2的脉冲重复的脉冲重复 频率为频率为f2。顺流发射频率。顺流发射频率f1与逆流发射频率与逆流发射频率f 2的频率差的频率差 f与被与被 测流速测流速v成正比成正比 。 F2 F1 发射、接收探头发射、接收探头也可以安装在管道的同一侧也可以安装在管道的同一侧 同侧式同侧式超声波流量计的使用超声波流量计的使用 （参考北京菲波仪表有限公司资料）（参考北京菲波仪表有限公司资料） 超声波流量计现场使用超声波流量计现场使用 超声波多普勒测量车速超声波多普勒测量车速 多普勒效应多普勒效应 前进方向的频率升高前进方向的频率升高 如果波源和观察如果波源和观察

23、 者之间有相对运动，者之间有相对运动， 那么观察者接收到的那么观察者接收到的 频频率率和波源的频率就和波源的频率就 不相同了，这种现象不相同了，这种现象 叫做多普勒效应。测叫做多普勒效应。测 出出 f 就可得到运动速就可得到运动速 度。度。 超声波多普勒测量风速超声波多普勒测量风速 风 风引起超声波的频率风引起超声波的频率 变大或变小变大或变小 超声波测距超声波测距 空气超声探头发射超声脉冲，到达被测物时，被空气超声探头发射超声脉冲，到达被测物时，被 反射回来，并被另一只空气超声探头所接收。测出从反射回来，并被另一只空气超声探头所接收。测出从 发射超声波脉冲到接收超声波脉冲所需的时间发射超声波

24、脉冲到接收超声波脉冲所需的时间t t，再，再 乘以空气的声速（乘以空气的声速（340m/s340m/s），就是超声脉冲在被测距），就是超声脉冲在被测距 离所经历的路程，除以离所经历的路程，除以2 2就得到距离。就得到距离。 超声波测厚超声波测厚 双晶直探头中的压电晶片发射超声振动双晶直探头中的压电晶片发射超声振动 脉冲，超声脉冲到达试件底面时，被反射回脉冲，超声脉冲到达试件底面时，被反射回 来，并被另一只压电晶片所接收。只要测出来，并被另一只压电晶片所接收。只要测出 从发射超声波脉冲到接收超声波脉冲所需的从发射超声波脉冲到接收超声波脉冲所需的 时间时间t t，再乘以被测体的声速常数，再乘以被测

25、体的声速常数c c，就是超，就是超 声脉冲在被测件中所经历的来回距离，再除声脉冲在被测件中所经历的来回距离，再除 以以2 2，就得到厚度，就得到厚度 ： 5-7 2 1 ct 手持式超声波测厚仪手持式超声波测厚仪 某超声波测厚仪指标某超声波测厚仪指标 （参考北京北方大河仪器仪表有限公司资料）（参考北京北方大河仪器仪表有限公司资料） 显示方法显示方法128128* *32 LCD 32 LCD 点阵点阵 液晶显示（带背光）液晶显示（带背光） 显示位数：四位显示位数：四位 测量范围：测量范围：0.80.8200mm 200mm 示值精度：示值精度：0.1mm 0.1mm 声速范围：声速范围：100

26、0 1000 9999m/s 9999m/s 测量周期：测量周期：2 2次次/ /秒秒 自动关机时间：自动关机时间：9090秒秒 电源：二节七号（电源：二节七号（AAAAAA）电池，可）电池，可 连续工作不少于连续工作不少于7272小时小时 使用温度：使用温度：-10-10C C 40 40C C 存储温度：存储温度：-20-20C C 70 70C C 外形尺寸：外形尺寸：108x61x25mm 108x61x25mm 重量：重量：230g 230g （含电池）（含电池） 超声波测厚超声波测厚 石料测厚石料测厚 超声波手持式测厚超声波手持式测厚 混凝土测厚混凝土测厚 木材测厚木材测厚 小提琴小提琴 木料测厚木料测厚 双晶超声波测厚探头双晶超声波测厚探头 双晶超声波测厚探头（续）双晶超声波测厚探头（续） 超声波测量液位和物位原理超声