压电与超声波.ppt

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1、第7章 压电元件与超声波传感器,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,主要内容 7.1 压电效应 7.2 压电材料 7.3 测量电路 7.4 压电式传感器的应用 7.5 超声波传感器,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,概述,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.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。,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,概述,水声（声呐）换能器,压电陶瓷超声换能器,压电加速度计,压电警号,传感与检测技术,

2、第7章 压电元件与超声波传感器,7.1 压电效应,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.,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.1 压电效应,压电效应是可逆的 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”。压电元件可以将机械能 电能 也可以将电能 机械能,传感与检测技术,第7

3、章 压电元件与超声波传感器,7.2 压电材料,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。压电材料可以分为两类：压电晶体、压电陶瓷。,石英晶体特征 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,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,石英晶体 单晶体（水晶）,压电晶片,按特定方向切片,人工合成水晶,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,石英晶体,Z轴（光轴），晶体的对称轴，不产生压电效应X轴（电轴），通过六棱柱相对的两个棱

4、线且垂直于光轴Z，压电效应最为显著。Y轴（机械轴），垂直于X轴和Z轴，加力产生的变形最大。,石英晶体沿各个方向的特征不同（按特定方向切片）,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.2.1 石英晶体,压电特性的各向异性可用矩阵表示（略）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）在X 轴方向施力时,产生电荷大小为:d11纵向压电系数，x为X方向应力 在Y 轴方向施力时,产生电荷大小为:d12横向压电系数，y为Y方向应力 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。,传感与检测技术,第7

5、章 压电元件与超声波传感器,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。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；,动画演示,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.2.1 石英晶体,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；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。,动画演示,

6、传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.2 压电材料7.2.1 石英晶体,石英晶体压电模型,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.2 压电材料7.2.1 石英晶体,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,动画演示,石英晶体压电模型动画演示,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.2 压电材料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

7、程度时，所有的电畴与外电场一致。,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.2.2 压电陶瓷（多晶体）,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。,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,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

8、延长（2年后）d33会下降，作为传感器使用时要经常校准修正。,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.2.4 压电元件主要参数性能,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。,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.2 压电材料7.2.3 新型压电材料,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。

9、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),传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,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CF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。,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.2.5 压电元件结构形式,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

10、。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,电荷增加一倍，适用于电荷放大器,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.2.5 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,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.2.5 压电元件结构形式,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.3 测量电路 7.3.1 压电传感器等效电路,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：

11、,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,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,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,等效电压源,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,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,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：电缆等效电容Cc 接入电路的输入电容Ci 放大器输入电阻Ri 传感器漏电电阻Ra。,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.3.1 压电传感器等效电路,压电元件内

12、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=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,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.3.2 测量电路,（1）电压放大器（阻抗变换器）,电压放大器及等效电路示意图,如果压电元件为正弦作用力变化,电压放大器的输入端,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,

13、7.3.2 测量电路,送入放大器输入端的电压ui写成复数形式 实际幅值（有效值）,d 压电系数；信号频率；R=Ra/Ri,传感器上产生的电荷与电压也按正弦变化:,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.3.2 测量电路,输入电压幅值,幅值,相位差,传感器电压灵敏度,实际输入,理想情况,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.3.2 测量电路,前置放大器实际输入电压与理想输入电压的比值为,令前置放大器输入回路的时间常数为,分别得到相对幅频特性和相频特性：,理想,实际,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 3时输入电压与信号频率无关

14、；缺点：低频响应差，提高低频响应的办法是增大，但不能靠增加输入电容Ca（RLCa=），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。,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,R1、R2分压经 Rg 耦合作场效应管偏置。观察Rg两端电压，信号经C1耦合到Rg的A端，由于场效应管跟随作用，使S（源）G（栅）间电压大小近似相等、相位相同。,电压放大器实例：用场放应管实现高阻抗匹配的放大自举反馈电路（跟随器）阻抗变换电路,信号经C2耦

15、合到Rg的B端，这时Rg两端电压近似相等，相当于Rg上的电流很小，意味着场效应管输入阻抗并没有因偏置分压电路而降低。,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.3.2 测量电路,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,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,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 R

16、i 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,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.3.2 测量电路,由运放特性可求得电荷放大器输出电压,可认为电荷放大器 满足理想条件,当运算放大器增益满足 K 1（K=104108）,电荷放大器及等效电路,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.3.2 测量电路,通常:Ca=几十 pf Cc=100 pf/m Cf=102 108 pf K 105满足（1+K）Cf 10(Ca+Ci+Cc),电荷放大器及等效电路,满足理想条件时输出电压与输入电荷量成正比,传感与检测技术,第7章 压电元件

17、与超声波传感器,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100104pF。缺点是电路复杂、价格昂贵。,电荷放大器讨论：,电压放大器的输出,电荷放大器的输出,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.4 压电传感器的应用,1压电晶体振荡器；2.压电式测力传感器3压电加速度计传感器；4.振动测量；5压电换能器，发射（扬声器）、接收（麦克风）、收听器、超声波换能器；

18、,压电元件符号,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.4 压电传感器的应用,压电晶体,滤波器,压电蜂鸣片,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.4 压电传感器的应用,压电陶瓷片有2引脚和3引脚，其中两引脚方式是将铜片作为一个电极，两片陶瓷片的涂银面用引线连接起来作为另一个电极。,压电陶瓷片声控元件,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.4 压电传感器的应用,压电式压力传感器,具有加速度补偿的压电式压力传感器，压电晶体被夹在两块膜片之间，压电晶体在振动时受到来自两个膜片上同方向的力，使压电晶片无电荷输出。但灵敏度低一半。,传感与检测技术,第7章 压电元件

19、与超声波传感器,7.4 压电传感器的应用,石英压电式压力传感器,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.4 压电传感器的应用,压电式加速度传感器,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.4 压电传感器的应用,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,压电式玻璃破碎报警器,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.4 压电传感器的应用,压电式振动粘度计,液体粘度不同时，振动频率不同。,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.4 压电传感器的应用,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.4 压电传感器的应用,传感与检测技术,第7章 压

20、电元件与超声波传感器,7.4 压电传感器的应用,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.4 压电传感器的应用,超声波传感器,振动式液位开关,超声波换能器,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.4 压电传感器的应用,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.4 压电传感器的应用,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，可以作成轻小柔软的压电元件。,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，比石英十倍，压电陶瓷低十倍

21、。材料轻柔可按需要切割成薄片，可植入人体。,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.4 压电传感器的应用,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,蜂鸣片利用逆压电效应原理,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.4 压电传感器的应用,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。,PVF胎儿心音换能器,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.4 压电传

22、感器的应用,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。,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。,电雷管,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.4 压电传感器的应用,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

23、，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。,电雷管,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.4 压电传感器的应用,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。,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.4 压电传感器的应用,压电传感器使用时，要充分考虑环境温度、湿度的影响，基座的应变、电缆噪声的影响。实际应用中，地线的连接也十分重要。接地之间的电位差

24、U会形成回路电流产生噪声，消除接地回路噪声的有效方法是整个系统在一点接地。,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.4 压电传感器的应用,晶体管声、光控开关电路,7.5 超声波传感器,第7章 压电元件与超声波传感器,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，

25、而且不断得到扩展。,传感与检测技术,声波为一种机械波，人耳听到的频率在16Hz20kHz；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,第7章 压电元件与超声波传感器,传感与检测技术,1.次声波,次声波是频率低于16赫兹的声波，人耳听不到，但可与人体器官发生共振，7-8Hz的次声波会引起人的恐怖感，动作不协调，甚至导致心脏停止跳动。,第7章 压电元件与超声波传感器,传感与检测技术,2.可闻声波,美妙的音乐可使人陶醉。,第

26、7章 压电元件与超声波传感器,传感与检测技术,3.超声波,蝙蝠能发出和听见超声波。,第7章 压电元件与超声波传感器,传感与检测技术,蝙蝠依靠超声波捕食,第7章 压电元件与超声波传感器,传感与检测技术,超声波与可闻声波不同，它可以被聚焦，具有能量集中的特点。,超声波雾化器,超声波加湿器,第7章 压电元件与超声波传感器,传感与检测技术,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接。,超声波塑料焊接机,超声波金丝焊接机,超声波被聚焦后，具有较好的方向性，在遇到两种介质的分界面时，能产生明显的反射和折射现象，类似于光波。,便携式超声波探鱼器

27、,超声波在医学检查中的应用,胎儿的 B超影像,超声波清洗器,超声换能器,气泡,波浪,清洗物,超声波物理基础,频率高于20kHz的机械振动波称为超声波。它的指向性很好，能量集中，因此穿透本领大，能穿透几米厚的钢板，而能量损失不大。在遇到两种介质的分界面（例如钢板与空气的交界面）时，能产生明显的反射和折射现象，超声波的频率越高，其声场指向性就愈好。,当超声波从一种介质入射到另一种介质时，在界面上会产生反射、折射和波形转换；,7.5.1 超声波及物理特性,第7章 压电元件与超声波传感器,超声波的反射和折射,超声波传感器是通过超声波的产生 传播 接收 等物理过程完成。主要功能是产生、接收超声波信号。,

28、机械波、电磁波、物质波,波动的种类,能传播机械振动的媒质（空气，水，钢铁等）,介质,作机械振动的物体（声带，乐器等）,波源,传感与检测技术,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。,7.5.1 超声波及物理特性,第7章 压电元件与超声波传感器,几种常用介质的折射率,传感与检测技术,7.5.1 超声波及物理特性,第7章 压电元件与超声波传感器,在固体中，纵波、横波及其表面波三者的声速有一定的关系，纵波快，横波慢，通常可认为横波声速为纵波

29、的一半，表面波声速为横波声速的90%。,纵波,横波,传感与检测技术,7.5.1 超声波及物理特性,第7章 压电元件与超声波传感器,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3108m/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。波在媒质中传播的速度决定于媒质的弹性（弹性模量）和惯性（密度），传播速度与介质密度有关:,传感与检测技术,7.5.1 超声波及物理特性,第7章 压电元件与超声波传感器,钢铁中,在水中,例如，声波在空气中速度,金属、木材、玻

30、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。,液体中声速传播速度在9001900m/s，在液体和气体中只有纵波的传播。,传感与检测技术,声波在介质中传播时随距离的增加能量逐渐衰减,其衰减的程度与声波的扩散、散射及吸收等因素有关，衰减规律用两个能量描述：,声压,声强,声波与声源之间距离；,衰减系数Np/m（奈培/米）,分别为 x=0 处的声压、声强；,声波随距离增加，声能减弱较快，所以超声波不能进行较远距离传播；频率越高衰减越快。,7.5.1 超声波及物理特性,第7章 压电元件与超声波传感器,式中：,传感

31、与检测技术,7.5.2 超声波传感器,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,第7章 压电元件与超声波传感器,发射元件：利用压电材料的逆压电效应，将高频电振动转换为机械振动产生超声波，将电能机械能；接收元件：利用压电材料正压电效应，将超声波振动转换为电信号，将机械能电能。,超声波传感器工作形式,传感与检测技术,a）兼用型,发射探头（TX）,接收探头（RX）,第7章 压电元件与超声波传感器,超声波传感器的工作形式,反射式 直射式（透射式）,专用型；兼用型；,传感与检测技术,各种超声

32、波传感器产品,第7章 压电元件与超声波传感器,目前市场销售的超声波传感器有两种工作形式：专用型、兼用型。产品通常标有中心谐振频率：23kHz、40kHz、75kHz、200kHz、400kHz。,传感与检测技术,超声波传感器的工作形式,超声波传感器结构 主要由双压电振子、金属电极、锥形共振盘、引脚组成。,第7章 压电元件与超声波传感器,结构：压电晶片、吸收块（阻尼）、保护膜、引线；压电晶片两面镀银，作导线极板。压电晶片为圆形薄片，超声波频率f与圆片厚度成反比；阻尼块吸收声能，降低机械品质，无阻尼时，电脉冲停止晶片会继续振荡，加长脉冲宽度，使分辨率变差；,传感与检测技术,超声波传感器类型结构,第

33、7章 压电元件与超声波传感器,超声波传感器类型结构,传感与检测技术,超声波探头结构动画演示,第7章 压电元件与超声波传感器,压电晶片为圆形薄片，超声波频率f与压电圆片厚度成反比；阻尼块吸收声能，降低机械品质，无阻尼时，电脉冲停止晶片会继续振荡，加长脉冲宽度，使分辨率变差。,传感与检测技术,超声波传感器类型结构,第7章 压电元件与超声波传感器,开放型,密封型,高频,传感与检测技术,超声波传感器类型结构,超声波传感器的工作原理,发送器：在双压电振子上施加一定频率（40KHz）的电压，通过逆压电效应，将电能转换为机械能，送出超声波信号；接收探头：经正压电效应将机械能转换成电信号，转换电路将接收到的信

34、号放大处理。,第7章 压电元件与超声波传感器,7.5.3 超声波传感器基本电路,传感与检测技术,超声波传感器基本电路包括振荡发射电路、检测电路两部分组成：,超声波传感器发射电路,调整振荡器频率,7.5.3 超声波传感器基本电路,超声波发射电路：由反向器组成RC振荡器，经门电路完成功率放大，经CP耦合传送给超声波振子产生超声发射信号。CP电容防止传感器长期处于直流电压下工作。,第7章 压电元件与超声波传感器,传感与检测技术,CP,超声波传感器接收报警电路,超声波检测电路：接收到的超声波信号极微弱，需要高增益的放大电路用于检测反射波，输出的高频信号电压接检波、放大、开关电路输出或报警。,7.5.3

35、 超声波传感器基本电路,第7章 压电元件与超声波传感器,传感与检测技术,超声波测距集成模块：最大距离600cm，最小距离2cm,发送电路：555构成多谐振荡器，产生40KHz等幅波放大送功放输出；接收电路：放大、检波，信号处理根据被测物体的距离设定反射脉冲时间，调整振荡器触发时间。定时器控制触发电路和门电路。,7.5.3 超声波传感器基本电路,第7章 压电元件与超声波传感器,传感与检测技术,40kHz高频信号与20Hz周期信号调制成短脉冲群向外发送:周期 T=1/20=50ms，超声波在空气中传播速度为：340m/s50ms=17m，17m/2=850cm测距通过定时控制电路、触发电路、门电路

36、变换为与距离有关的信号;用时钟脉冲对这个信号的发送和接收之间的延迟时间进行计数，计数器的输出值就是检测的距离。时钟周期 T=1/40kHz=25m340m/s(n25s)=往返距离单程距离=往返距离/2,超声波传感器测距原理,第7章 压电元件与超声波传感器,传感与检测技术,40kHz高频信号与20Hz周期信号 调制成短脉冲群向外发送:周期 T=1/20Hz=50ms 超声波在空气中传播速度 340m/s50ms=17m 17m/2=850cm测距通过定时控制电路、触发电路变换为与距离有关的信号;用时钟脉冲对这个信号的发送和接收之间的延迟时间进行计数，计数器的输出值就是检测的距离。时钟周期 T=

37、1/40kHz=25S340m/s(n25S)=往返距离单程距离=往返距离/2,超声波测距原理时序波形示意图,超声波传感器测距原理,接收信号,7.5.3 超声波传感器基本电路,第7章 压电元件与超声波传感器,传感与检测技术,7.5.3 超声波传感器基本电路,第7章 压电元件与超声波传感器,7.5.3 超声波传感器基本电路,第7章 压电元件与超声波传感器,传感与检测技术,7.5.3 超声波传感器基本电路,第7章 压电元件与超声波传感器,传感与检测技术,超声波发送接收电路,7.5.3 超声波传感器基本电路,第7章 压电元件与超声波传感器,传感与检测技术,医学超声波检测采用多普勒效应,7.5.4 超

38、声波传感器应用,第7章 压电元件与超声波传感器,超声波频谱分析测流量,传感与检测技术,超声波测厚,7.5.4 超声波传感器应用,第7章 压电元件与超声波传感器,超声波液位计,传感与检测技术,超声波防盗报警器,第7章 压电元件与超声波传感器,传感与检测技术,接收连续信号,接收信号被调制,延迟时间,接收脉冲信号,直接传播信号,（测距）,超声波检测液位,超声波在空气中传播衰减大但在液体中传播衰减小,单换能器从发射到接收的时间 t=2h/C传感器到液面的距离 h=ct/2 双换能器经过的路程：2S=ct液位高度：,C-超声波在介质 中传播速度,第7章 压电元件与超声波传感器,超声波传感器可用于测量钻井

39、泥浆液位传感器；因为钻井过程中自始自终要监测泥浆液面。钻井过程中液位传感器有着重要的意义，它确保快速、优质安全钻井。,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,传感与检测技术,超声波检测液位,第7章 压电元件与超声波传感器,传感与检测技术,超声波检测厚度,超声波探伤传感器,第7章 压电元件与超声波传感器,传感与检测技术,超声波传感器探伤,第7章 压电元件与超声波传感器,传感与检测技术,超声波传感器探伤,第7章 压电元件与超声波传感器,传感与检测技术,超声波流速测量,超声波流速检测超声波在静止流体和流动流体中的传播速度是不同的,分别在流体上游和下游放两个传感器,同时发送、接收，顺流和逆流超

40、声波传播时间分别为:,第7章 压电元件与超声波传感器,流体流速远小于超声波在流体中传播速度c；可求出近似流速：,传感与检测技术,超声波流速测量,超声波流速检测,第7章 压电元件与超声波传感器,这种方法必须准确求出介质中超声波速度c,否则会引入误差。如何不用声速求流速？,实际应用中传感器安装在管道外 传播时间为:,传感与检测技术,辛格法流速测量:发送的超声波由接收器检出后，再发射下一个超声波脉冲，形成连续的脉冲发射状态，脉冲的发射频率为：,第7章 压电元件与超声波传感器,求出流速：不用声速求流速,超声波流速检测,传感与检测技术,多普勒流速测量法,多普勒流速测量法:流体内的微小颗粒物与流体有相同的

41、移动速度，利用超声波遇到物体会产生反射，并且传播频率发生变化；这种多普勒效应可以求出流速:接收频率f1和发送频率f2的差，称多普勒频率f,第7章 压电元件与超声波传感器,超声波流速检测,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,超声波流量计,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,超声波流量计,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,超声波流量计,传感与检测技术,超声波传感器测密度,第7章 压电元件与超声波传感器,传感与检测技术,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,本章小结：,压电效应、压电材料、压电元件及结构形式；压电传感器等效电路 测量电路（1）电压放大器

42、（2）电荷放大器；压电传感器的应用 超声波传感器及超声波传感器测距原理。,习题与思考题,什么是正压电效应和逆压电效应？纵向压电效应和横向压电效应的区别是什么？试结合压电晶体加以说明。2.压电传感器能否用于静态测量？为什么？说明压电式传感器可以测量动态信号的频率范围与哪些因素有关。3.电荷放大器和电压放大器各有何特点？它们分别适用于什么场合？4.己知电压前置放大器输人电阻及总电容分别为R=1M，C=100pF，求与压电加速度计相配测1Hz振动时幅值误差是多少？,习题与思考题,5.用石英晶体加速度计及电荷放大器测量加速度，已知：加速度计灵敏度为5pc/g，电荷放大器灵敏度为 50mV/pc，当机器

43、加速度达到最大值时，相应输出电压 幅值为2V，试求该机器的振动加速度。6.一压电加速度计，专用电缆的长度为1.2m，电缆电容为 100pF，压电片本身电容为1000pF。出厂标定电压灵敏 度为100V/q，若使用中改用另一根长2.9m电缆其电容量 为300pF，问其电压灵敏度如何改变？7.根据超声波物理性质说明超声波在介质中传播有哪些特征,利用这些特征超声波传感器可以进行哪些检测。8.超声波换能器利用什么效应?按测量方式有哪几种形式。简述超声波传感器距原理。,课堂练习,2.右图为热释电元件内部结构图，请说明图中FET是什么元件，Rg与FET起什么作用?,1.下图为超声波传感器的三种基本应用方式，请说明它们分别为什么工作方式，并解释发射与接收器件分别利用什么效应。,