传感及其基础检测 7

《传感器与智能检测技术》第5章

压电式与

热释电传感器【学习目标】1.了解压电效应基本原理；2.了解压电材料及其特点；3.掌握压电传感器测量电路；4.了解压电传感器相关应用；5.了解热释电传感器基本原理及结构；6.了解超声波相关基础知识；7.了解超声波相关应用。【重点和难点】重点：压电效应原理，压电材料特性，热释电基本原理，超声相关声学基础知识，压电、热释电及超声相关应用；难点：压电传感器测量电路，热释电器件结构；【职业素养】1.通过相关现象及相关原理介绍，培养学生热爱科学，探索自然的热情；2.通过传感器结构分析及相关应用的介绍，培养学生好学爱问、勤于思索的良好学习习惯。学习内容一、压电传感器工作原理二、压电传感器测量电路三、热释电传感器四、超声传感器第一节：压电传感器的工作原理一、压电传感器工作原理定义

压电效应正压电效应：某些物质沿一定方向施加外力使其变形，其内部会产生极化效应，从而在表面产生电荷集聚的现象。

压->电。逆压电效应：在压电材料某两端施加交流电压，压电片会产生相应的机械振动，即发生形状改变。逆压电效应也是一种电致伸缩的现象。一、压电传感器工作原理原理解析1、石英晶体一、压电传感器工作原理结构原理

石英晶体一、压电传感器工作原理原理解析

石英晶体石英晶体结构如前图所示，其内部原子排列为规则的六边形结构。以局部分析为例，不受力时，3个氧原子和3个硅原子的几何中心及电荷中心重合，对外显示电中性，如前图左。在X轴向受到压力时，材料发生几何形变，氧原子和硅原子的电荷中心分离，正电荷中心下移，负电荷中心上移，局部形成定向电场，如前图中；Y方向受到压力时，效果相反，如前图右。由于单晶体结构的特点，石英晶体整体上每个局部结构会具有一致性，都会具备相同的特征。因此，晶体受压变形，在局部产生定向电场时，晶体其它部分也会产生一致的定向电场。这些电场的积分，就会在晶体对应方向的表面形成一个宏观的电压输出。一、压电传感器工作原理原理解析

石英晶体当我们在外部对应方向施加电压时，该电压对应的电场，会对晶体内部的正负电荷中心形成相应的力的作用，晶体内部正负离子会在该电场力的作用下产生对应方向位移，从而形成形变效应。这个形变就是逆压电效应现象。一、压电传感器工作原理

压电效应表达式

-线性建模Q=D·F一、压电传感器工作原理

压电效应表达式

-线性建模不同方向压电系数数不同的。对于石英晶体，沿x轴和y轴施压，均可在x方向产生电荷；但是沿z轴施压，则无电荷产生。一、压电传感器工作原理压电材料

2、压电材料1.压电单晶材料2.压电陶瓷3.高分子材料及其它一、压电传感器工作原理单晶材料

压电材料石英晶体是最早发现并使用的压电材料，其机械强度高，居里点温度高（500°C-600°C）等特点，使得其在实际工作中得到广泛应用。但是它也有灵敏度低的缺点，因此，在传感器领域逐渐被压电陶瓷、压电高分子材料等新兴材料所取代。妮酸锂晶体：人工制成，也是单晶材料，时间稳定性好，居里点温度可高达1300°C，是较好的高温传感器材料。但材料比较脆，耐冲击性差，使用时要注意。小知识：居里点温度-压电材料在工作温度高于该温度时，将失去压电效应。它是衡量一种压电材料实际适应工作范围的重要指标。一、压电传感器工作原理压电陶瓷

压电材料极化处理：对压电陶瓷在一个方向施加一定的压力，使得材料内部各个局部晶体均产生极化，形成空间正负离子对。同时我们在给定方向上施加一个较强的外电场，如右图所示。这样，已经极化形成的局部各个空间离子对在外电场力矩作用下会发生旋转，只要其极化方向与外电场方向一致，达到稳定态为止。通常，我们同时还会对材料施加一定的高温，这样，让材料具备较好的塑性，让各个局部晶体结构更容易旋转到位。一、压电传感器工作原理高分子等

压电材料有机高分子聚合物，如聚氟乙烯（PVF），聚偏二氟乙烯（PVF2），聚氯乙烯（PVC）等这类材料制成的压电薄膜，具有灵敏度高，比压电陶瓷还要高一个数量级，测量频率范围大，机械强度高，柔性，耐冲击，易加工，价格便宜等特点。压电半导体，如硫化锌（ZnS）、碲化镉（CdTe）等。这些材料即有压电特性，又具备半导体特性，可以制成新型传感器实用。一、压电传感器工作原理性能对比

压电材料性能参数压电材料

石英钛酸钡PZT系列

PZT-4PZT-5PZT-6压电系数/（10-12C/N）d11=2.3d14=0.73d15=260d31=-78d33=190d15=410d31=-100d33=230d15=670d31=-185d33=600d15=330d31=-90d33=200弹性系数/（108N/m2）8011083.3117123相对介电常数（εr）4.51200105021001000居里点/（°C）573115310260300体积电阻率/Ω·m>10121010(25°C)>10101011(25°C)

最大安全应力/（105N/m2）95-10081767683一、压电传感器工作原理选型

压电材料压电材料选型时，我们希望材料的灵敏度高，机械强度高、刚性大，电性能好（等效电阻、等效电容大），温度、湿度稳定性好，同时还要时间稳定性好。总体而言，压电陶瓷要优于压电单晶体材料，只是时间稳定性略差。PZT系列材料性能优良，灵敏度高，居里点温度高，性能稳定；但是其极化制备比较困难。讨论：各种压电材料的优缺点？选型注意事项？第二节：压电传感器的测量电路二、压电传感器测量电路

压电元件等效电路Q=

Ca·U二、压电传感器测量电路测量电路

电压放大器-电路图二、压电传感器测量电路测量电路

电压放大器：特性思考：压电检测电路的频率响应特性？上下限？二、压电传感器测量电路静态及低频特性

当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失二、压电传感器测量电路测量电路电荷放大器：电路图二、压电传感器测量电路测量电路

电荷放大器：C两端电压为Ui，我们有Qc=C·Ui；Cf两端电压为Ui-Uo=Ui-（-K）Ui=（1+K）Ui，K为运放开环放大倍率；我们有QCf

=Cf·UCf=Cf·（1+K）Ui。注意，QCf和Qc均由压电元件产生！我们有Q=Qc+QCf，有d·F=C·Ui+Cf·（1+K）Ui，有Ui=d·F/（C+（1+K）Cf）；由于Uo=-K·Ui；我们有Uo=-K·d·F/（C+（1+K）Cf）；当K>>1时，我们得到：Uo≈

-d·F/Cf。与电压放大电路相比，电荷放大电路输出与元件受力呈很好的线性关系，且只与反馈电容有关。而电压放大器，输出受系统元件等效电阻及电容等分布式参数影响，不太稳定，并有一定个体差异。因此，电荷放大器电路在实际中，使用更为广泛。思考：电荷放大器简化电路中，我们忽略了电阻的影响。如果考虑其影响，我们应当如何分析该电路的频率特性？与电压放大器相比，其低频特性如何？高频特性又如何？二、压电传感器测量电路

压电元件的连接并联：与电容并联类似，并联后，元件等效电容增加1倍，产生的电荷也增加一倍，但是输出电压与单片一样。主要用于电荷放大电路，以提高系统灵敏度。串联：与电容串联类似，串联后，元件等效电容减小为一半，产生的电压增加一倍，但是输出电荷与单片一样。主要用于电压放大电路。二、压电传感器测量电路典型应用

压力传感器两片压电晶体并联连接，外接电荷放大器即可。该传感器可用于机械加工时的动态载荷、外界冲击力、设备振动监测等动态力的测量。但是不能测量静态及变化较慢的力，如称重。二、压电传感器测量电路典型应用

加速度传感器利用牛顿运动方程，我们可以把物理加速度的测量转换为物体对应受力的测量。质量快m受到弹簧的预紧压力F1以及与压电元件的接触力F2的作用。F1-F2=ma；预应力F1已知且不变，通过压电传感器测量得到F2，即可计算出质量块的加速度a。二、压电传感器测量电路典型应用PVDF心音脉搏传感器利用高分子压电材料柔性、灵敏度高、频响范围宽等特点，可制成心音脉搏传感器。第三节：热释电传感器三、热释电传感器

热释电效应热释电效应是指当某些晶体因温度发生变化而产生电场的现象。它是晶体内部温度变化时，产生极化现象引起的，通常只在晶体温度变化时，才显示电场。小知识：古希腊学者泰奥弗拉斯托斯（公元前372～前286年）在他的《石头论》中提到了一种奇怪石头，它在太阳暴晒之后能够吸附周围一些轻、小的物体，如羽毛、树叶等。思考：为什么这种石头能够吸引周边物体？三、热释电传感器原理分析

热释电效应热释电效应的原理就是晶体内部的极化产生电场。前边我们讲了，压电材料在受力变形后会产生极化电场。这里，热释电材料在热胀冷缩时也会产生变形，从而产生极化现象。两者原理是一致的，同样，热释电材料在静态下也无法保持电场。思考：为什么热释电材料只有在温度变化时才显示对外电场？三、热释电传感器

热释电材料由于生成机理一致，热释电材料通常都是压电类材料，有TGS（硫酸三甘钛）、LiTaO3、LiNbO3（铌酸俚）等单晶材料，PbTiO3、PZT（锆钛酸铅）等陶瓷多晶材料和以及偏氟乙烯高分子材料制成的薄膜。三、热释电传感器结构

热释电传感器结构菲涅尔透镜：菲涅尔透镜利用其特殊的光学原理，在完成聚焦的同时，把前方探测区域分为敏感区和盲区，如图5-3-1（b）。这样，当有人在探测区移动时，就会在焦点的热释电元件上形成交变辐射，使得热释电元件温度波动，从而产生持续的检测输出。三、热释电传感器结构

热释电传感器结构热释电元件：热释电元件是把聚焦的红外辐射转换为电信号。FET放大电路：由于热释电元件内阻高、对外驱动能力弱，这里采用高输入阻抗的JFET放大电路，以实现电压放大并完成阻抗转换。三、热释电传感器结构特点

热释电传感器结构热释电红外传感器光路上通常会设计两个焦点，放置两个热释电元件，两个焦点感知区域互补。这样移动热源会交替照射两个焦点，对两个焦点形成交流输出，并且两个焦点输出相位相差180°。在处理电路上，两个信号的输出做差分连接。这样，一方面可以提高系统灵敏度，同时可以有效消除面辐射等环境干扰信息，从而提高系统抗干扰能力。三、热释电传感器应用

热释电传感器应用第四节：超声波传感器四、超声波传感器

什么叫超声波频率小于20Hz的机械波我们称为次声波；频率高于20Hz，低于20kHz的，称为声波；频率高于20kHz的，称为超声波。四、超声波传感器

声学基本概念声压：当超声波在介质中传播时，质点所受交变压强与质点静压强之差称为声压p。声强：单位时间内，在垂直于声波传播方向上的单位面积A内所通过的声能称为声强I，声强与声压的平方成正比。声速：声速C恒等于声波的波长λ与频率f的乘积，即C=λf。声阻抗：指媒质在波阵面某个面积上的压强与通过这个面积的体积速度的复数比值。四、超声波传感器

声学基本概念反射定律：入射波与反射波的波形相同，波速相等，入射角等于反射角：ɑ

=ɑ’。折射定律：

ɑ为入射角，β为折射角，C1为入射侧材料声速，C2为折射侧材料声速。反射系数：四、超声波传感器特性

超声波相关特性超声波可分为纵波、横波和表面波。纵波在固体、液体、气体中均可传播，横波只能在固体中传播，表面波沿固体表面传播。声波在介质中传播时,随着传播距离的增加,能量逐渐衰减；传播媒介密度越大，超声波衰减越慢，超声波频率越高衰减越快。四、超声波传感器结构

超声波传感器结构思考：声波的产生，除了逆压电效应，还有别的方法吗？各有什么特点？思考：吸收材料的作用是什么？四、超声波传感器结构

超声波传感器结构四、超声波传感器结构

空气探头四、超声波传感器耦合剂

由声波传播的折射性质可知，当两个介质声阻抗相差太大时，超声波无法进入到另一介质中。因此，在利用超声波测量时，如果探头和被测物之间有空气层存在，则探头产生的超声波将难以进入被测物，完成探测。这时，我们必须使用耦合剂排除探头和被测物之间的空气。思考：我们做B超检测时，抹的糨糊状物体，其作用是什么？四、超声波传感器应用

超声波测距2h=t·C，h=t·C/2四、超声波传感器应用

超声波测流速时间差法：频差法来测量。令f1=1/t1，f2=1/t2，f1-f2=2vcosθ/L=kv。思考：频差法和时差法相比，有什么优点？四、超声波传感器应用

其它指纹识别：在智能防盗门、智能手机上使用十分广泛。由于人的指纹有凹凸，凸起部分和测量面紧密结合，凹处，则充满空气。测量时，利用高频超声波对测量区域进行扫描，凸起部分，由于阻抗接近，反射信号较小；而凹处，由于是空气，反射信号很强，从而达到识别成像目的。超声波无损探伤、入侵检测、车辆测距......：相关应