《传感器技术与应用》课件-项目6：压电式与超声波传感器

传感器技术与应用7.1压电效应与石英晶体压电式传感器以电介质的压电效应为基础，外力作用下在电介质表面产生电荷，从而实现非电量测量,是一种典型的发电型传感器.概述压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动进行测量，在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用。压电陶瓷超声换能器压电加速度计压电警号水声（声呐）换能器概述自然界中32种晶体点阵，分为中心对称和非对称两大类，其中非中心对称的21种有20种具有压电效应，压电现象是晶体缺乏中心对称引起的。某些电介质（晶体）当沿着一定方向施加力变形时，内部产生极化现象，同时在它表面会产生符号相反的电荷；当外力去掉后又重新恢复不带电状态；当作用力方向改变后，电荷极性也随之改变。概述在介质极化的方向施加电场时，电介质会产生形变，将电能转化成机械能，这种现象称“逆压电效应”。压电元件机械能电能压电效应是可逆的

机械能

电能也可以将电能

机械能

自然界许多晶体具有压电效应，但十分微弱，研究发现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅是优能的压电材料。

天然、人工晶体两种都属于单晶体化学式为——SiO2，外形无论再小都呈六面体结构石英晶体沿各个方向的特征不同，需按特定方向切片。7.2.1石英晶体压电材料可以分为两类：压电晶体、压电陶瓷。

石英晶体特征沿X（电轴）作用产生电荷称纵向压电效应沿Y（机械轴）作用产生电荷称横向压电效应沿Z（光轴）不产生压电效应

石英晶体沿各个方向的特征不同（按特定方向切片）7.2.1石英晶体压电元件受力后,表面电荷与外力成正比关系:d为压电系数（与材料有关的常数）

根据晶体的对称性，压电系数

d12=-d11。a、b是晶体切片几何尺寸(长、厚)，qx、qy

符号决定力的方向。7.2.1石英晶体石英晶体的上述特征与内部分子结构有关，分子六边形分布，三个电偶极矩。7.2.1石英晶体

当晶体不受力时（F=0），正负离子分布在六边形顶角，电偶极矩互成1200夹角，矢量和为零，晶体呈中性；

当晶体受沿X轴方向的应力时，X方向压缩形变，电偶极矩在X轴方向的分量由于

出现上负下正电荷；当晶体受沿Y轴方向的应力时，Y方向压缩形变，电偶极矩在X轴方向的分量由于出现上正下负电荷；

7.2.1石英晶体晶体受沿Z轴方向的应力时X、Y方向形变相同不产生压电效应；应力方向为拉力时，电荷极性与上述相反。总结与思考总结压电效应；石英晶体。思考结合实际，调研石英晶体的应用场景传感器技术与应用传感器原理与应用7.2.2压电陶瓷（多晶体）压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料，材料的内部晶粒有许多自发极化的电畴，具有一定的极化方向。无电场作用时，电畴在晶体中分布杂乱分布，极化相互抵消呈中性。施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向外电场方向排列。外电场强度达到饱和程度时，所有的电畴与外电场一致。外电场去掉后，电畴极化方向基本不变，剩余极化强度很大。所以，压电陶瓷极化后才具有压电特性，未极化时是非压电体。7.2.2压电陶瓷（多晶体）晶体极化后，沿极化方向（垂直极化平面）作用力时，引起剩余极化强度变化，在极化面上产生电荷，电荷量的大小与外力成正比关系，电荷密度：d33

—压电陶瓷的纵向压电常数，d33

比

d11、d12大的多所以压电陶瓷制作的传感器灵敏度比压电晶体高，但极化后的压电陶瓷受温度影响又使压电特性减弱。随时间延长（2年后）d33会下降，作为传感器使用时要经常校准修正。7.2.2压电陶瓷（多晶体）

性能参数：

压电常数；

介电常数（高）；

弹性常数；

机械耦合系数；

工作温度。锆钛酸铅（压电陶瓷PZT）是一种性能优越的压电陶瓷，是目前最普遍使用的压电材料。压电元件主要参数性能石英和压电陶瓷是性能较好的压电材料，但有共同的缺点，密度大、硬、易碎，不耐冲击，难以加工。新型合成高分子材料：PVF聚氟乙烯、PVF2聚偏二氟乙烯、PVC聚氯乙烯等能很好的克服这一缺陷，可以作成轻小柔软的压电元件。灵敏度比PZT（压电陶瓷）大17倍。压电半导体材料，具有压电特性又有半导体特性，可研制集成压电传感器系统。这些材料有：(ZnS)(CdTe)(ZnO)(CdS)(GaAs)7.2.3新型压电材料聚偏氟乙烯压电效应而这些新型合成材料的分子链中C—F键具有极性，有一定的偶极矩；通常晶胞内的极矩相互抵消整体不显极性，没有压电效应；必须经过拉伸、极化过程，特殊处理才会具有良好的压电效应。7.2.3新型压电材料在实际应用中为提高灵敏度使表面有足够的电荷，常常把两片、四片压电元件组成在一起使用。由于压电材料有极性，因此存在连接方法，双片连接时：

压电晶片按+-+-粘贴时电路并联

C=2C

Q’=2Q

U’=U+_+_U’电荷增加一倍，适用于电荷放大器7.2.4压电元件结构形式+++++++++++_______________________+++++++++++U’+__+++++++++++___________++++++++++____________

压电晶片按+--+粘贴时电路串联电压增加一倍适用于电压放大器7.2.4压电元件结构形式C=2/CU’=2UQ’=Q7.2.4压电元件结构形式总结与思考总结压电陶瓷；新型合成高分子材料；压电半导体材料；思考复习以上压电材料的特性；结合实际，调研压电材料的实际应用场景传感器技术与应用7.3

测量电路

压电传感器可视为电荷源视为电荷输出时可等效为电荷源Q和电容Ca并联，开路状态输出端电荷为：视为电压输出时可等效为电压源U与电容Ca串联，开路状态输出端电压为：看成具有+、-极性的电容器，可等效为一个电容器Ca；电容极板上电压大小与极板间电荷成正比7.3.1压电传感器等效电路

根据等效电路，压电传感器灵敏度有两种等效电流源根据它们之间的关系有：电压灵敏度电荷灵敏度等效电压源7.3.1压电传感器等效电路压电元件内阻很高，需要系统前置电路具有高的输入阻抗。解决传感器与前级电路的连接。压电元件输出可以是电压源也可以是电荷源。因此，前置放大器也有两种形式：电压放大器、电荷放大器。由等效电路可见，只有在负载RL→∞时受力产生的电荷才能长期保存下来，否则放电回路很快将电荷放掉，因此测量频率较低时必须保证RL很大，即时间常数RLCa=τ大。

前置电路有两个作用：一是放大微弱的信号、二是阻抗变换7.3.1压电传感器等效电路等效电压源等效电流源

当传感器接测量电路时要考虑以下主要因素：传感器漏电电阻Ra。

放大器输入电阻Ri

接入电路的输入电容Ci

电缆等效电容Cc

7.3.1压电传感器等效电路（1）电压放大器（阻抗变换器）

电压放大器及等效电路示意图7.3.2测量电路

如果压电元件为正弦作用力变化电压放大器的输入端F=Fmsinωτu=Umsinωτ7.3.2测量电路电压放大器讨论：压电传感器不能测量静态物理量；优点:

高频响应特性好。

一般认为当ωτ

≥3时输入电压与信号频率无关；缺点：低频响应差，提高低频响应的办法是增大τ，但不能靠增加输入电容Ca（RiCa=τ），因为电压灵敏度与电容成反比

。实际是增大前置输入回路电阻Ri

。从电压灵敏度Ku可见，连接电缆的分布电容Cc影响传感器灵敏度，使用时更换电缆就要求重新标定，测量系统对电缆长度变化很敏感，这是电压放大器的缺点。为解决电缆分布电容Cc对传感器灵敏度的影响和低频响应差的缺点，可采用电荷放大，集成运放组成的电荷放大器有较好的性能。电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的前置放大器。可利用电容作反馈元件的深度负反馈的高增益运放。（2）电荷放大器7.3.2测量电路理想情况输出电压为：压电传感器的输入电路由一个反馈电容Cf和高增益运算放大器构成。因运放输入端Ri阻抗很高，几乎无分流，可忽略Ra//Ri并联，输入只对Cf充电。（2）电荷放大器7.3.2测量电路电荷放大器的输出电压U0只取决于输入电荷量Q

和反馈电容Cf

，输出电压与电缆电容Cc无关，与Q成正比，与电容Cf

成反比，这是电荷放大器的突出优点。使用电荷放大器时，电缆长度变化影响可忽略，并且允许使用长电缆工作。考虑不同量程因素，Cf

的容量做成可以选择的电容，一般为100～104pF。缺点是电路复杂、价格昂贵。电荷放大器的输出

电荷放大器讨论：总结与思考总结1.压电传感器等效电路；2.两种常见的前置放大器：电压放大器和电荷放大器。思考1.复习电压放大器和电荷放大器的电路工作原理。2.归纳其优缺点并寻找合适的应用案例。传感器技术与应用7.4压电式传感器的应用1．压电式测力传感器2．压电加速度计传感器；3．振动测量；4．压电换能器，发射（扬声器）、接收（麦克风）、收听器、超声波换能器；压电元件符号石英压电式压力传感器压电式玻璃破碎报警器石英和压电陶瓷是性能较好的压电材料，但有共同的缺点，密度大、硬、易碎，不耐冲击，难以加工。而PVF2材料能很好的克服这一缺陷，可以做成轻小柔软的压电元件。PVF2压电膜硬币铜柱投币计数传感器PVF2高分子聚偏二氟乙烯是一种良好的热塑性工程塑料，密度小、柔性好，有较高的压电效应，比石英晶体高十倍。材料轻柔可按需要切割成薄片，可植入人体。压电膜话筒话筒中，压电膜以一定的支撑形式保持膜内一定张力。在外来声压作用下，膜面的曲率发生变化，使膜内应力改变，产生相应的压电信号。蜂鸣片利用逆压电效应压电膜话筒结构示意图

PVF2压电膜

絮状材料垫声压蜂鸣片利用逆压电效应原理人体生理量测量如血压、心音、脉搏等体内和体表检测是PVF2最有前景的场合。柔软、无毒、化学性能稳定，可与血液直接接触。φ68mm

检测区（接收）

激振（发射）公共电极FPVF2胎儿心音换能器压电引信压电引信是利用压电元件制成的弹丸起爆装置。触发度高、安全可靠、不需要安装电源系统，常用于破甲弹上。对弹丸的破甲能力起着极重要的作用。引信由压电元件和起爆装置两部分组成，压电元件安装在弹丸的头部，起爆装置在弹丸的尾部，通过引线连接。原理：平时

E（电雷管）处于短路保险安全状态，压电元件即使受压，产生的电荷会通过电阻放掉，不会触发雷管。而弹丸一旦发射起爆装置解除保险状态，开关S从b处断开与a

接通，处于待发状态。当弹丸与装甲目标相遇时，碰撞力使压电元件产生电荷，通过导线将电信号传给电雷管使其引爆，并引起弹丸爆炸，能量使药型罩融化形成高温高速的金属流将钢甲穿透。压电传感器测振动对于多功能转子实验台底座的振动，可采用加速度传感器和速度传感器两种方式进行测量。将带有磁座的加速度和速度传感器放置在试验台的底座上，将传感器的输出接到变送器相应的端口到计算机中。启动转子试验台，可观察并记录到的振动信号波形和频谱。加速度和速度传感器振动测量小结1.压电式测力传感器2.压电加速度计传感器3.压电换能器4.振动测量传感器技术与应用7.5

超声波传感器概述超声波技术是以物理、电子、机械及材料学为基础的通用技术，超声波传感器是向空气中发射超声波，再通过探测来自某个物体的反射波检测物体有无或距离；超声波传感器具有多种用途：如防盗报警系统、自动门启闭装置、汽车倒车传感器及各种电子设备的遥控装置；利用超声波的各种物理特性，可以实现超声波测距、测厚、测流量、无损探伤、超声成像；随着信息技术的迅猛发展，新的超声波应用领域越来越广泛，而且不断得到扩展。7.5.1超声波及物理特性声波为一种机械波，人耳听到的频率在16Hz～20kHz；频率低于16Hz的机械波称为次声波；频率高于20kHz的机械波称为超声波；频率在300MHz～300GHz之间的波称为微波；频率超过20kHz的声音为超声波，是人耳无法听到的。声波频率界限7.5.1超声波及物理特性超声波以直线传播方式，频率越高绕射越弱，但反射越强，利用这种性质可以制成超声波测距传感器；超声波在液体、固体中衰减很小，穿透能力强，特别是不透光的固体能穿透几十米，利用这种性质可以制成超声波探伤传感器。（（几种常用介质的折射率媒质折射率空气1.00029水1.333普通玻璃1.468冕牌玻璃1.516火石玻璃1.603重火石玻璃1.7557.5.1超声波及物理特性超声波在空气中传播速度较慢，为344m/s（20℃时）速度低、波长短，意味着可获得较高的距离、方向分辨率。（电磁波的传播速度为3×108m/s），这一特点使得超声波应用变得非常简单，测量时可获得较高的精确度，可以通过测量波的传播时间，测量距离、厚度等。金属、木材、玻璃、混凝土、橡胶和纸张可近乎反射100%的超声速，因此检测这些物体时较容易发现。而棉花、布、绒毛等物体吸收超声波，因此很难用超声波检测。7.5.2超声波传感器超声波传感器工作形式超声波传感器有压电式、磁致伸缩式、电磁式，其中最常用的是压电式。压电式超声波探头主要有压电晶体和压电陶瓷，利用压电材料的压电效应工作，分为发射、接收两部分。