第7章壓電元件與超聲波傳感器傳感器原理與應用

傳感器原理與應用第7章壓電元件與超聲波傳感器主要內容

7.1壓電效應

7.2壓電材料

7.3測量電路

7.4壓電式傳感器的應用

7.5超聲波傳感器傳感器原理與應用第7章壓電元件與超聲波傳感器概述

壓電式傳感器以電介質的壓電效應為基礎，外力作用下在電介質表面產生電荷，從而實現非電量測量,是一種典型的發電型傳感器.

壓電式傳感器可以對各種動態力、機械沖擊和振動進行測量，在聲學、醫學、力學、導航方面都得到廣泛的應用。傳感器原理與應用第7章壓電元件與超聲波傳感器概述水聲（聲吶）換能器壓電陶瓷超聲換能器壓電加速度計壓電警號傳感器原理與應用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.1壓電效應

自然界中32種晶體點陣，分為中心對稱和非對稱兩大類，其中非中心對稱的21種有20種具有壓電效應，壓電現象是晶體缺乏中心對稱引起的。壓電效應：某些電介質（晶體）當沿著一定方向施加力變形時，內部產生極化現象，同時在它表面會產生符號相反的電荷；當外力去掉后又重新恢復不帶電狀態；當作用力方向改變后，電荷極性也隨之改變.圖7-1正（順）壓電效應示意圖F－－－－－－＋＋＋＋＋＋FFF＋＋＋＋＋＋－－－－－－傳感器原理與應用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.1壓電效應

壓電效應是可逆的。在介質極化的方向施加電場時，電介質會產生形變，將電能轉化成機械能，這種現象稱“逆壓電效應”。壓電元件可以將機械能電能也可以將電能機械能

壓電元件機械能電能正壓電效應逆壓電效應

傳感器原理與應用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.2壓電材料自然界許多晶體具有壓電效應，但十分微弱，研究發現石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛是優能的壓電材料。壓電材料可以分為兩類：壓電晶體、壓電陶瓷。

石英晶體特征天然、人工晶體兩種都屬于單晶體化學式為——

SiO2，外形無論再小都呈六面體結構

石英晶體沿各個方向的特征不同，需按特定方向切片。7.2.1石英晶體

傳感器原理與應用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.2.1

石英晶體——

單晶體（水晶）壓電晶片按特定方向切片人工合成水晶傳感器原理與應用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.2.1

石英晶體

沿X（電軸）作用產生電荷稱縱向壓電效應沿Y（機械軸）作用產生電荷稱橫向壓電效應沿Z（光軸）不產生壓電效應

石英晶體沿各個方向的特征不同（按特定方向切片）傳感器原理與應用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.2.1石英晶體

壓電特性的各向異性可用矩陣表示（略）壓電元件受力后,表面電荷與外力成正比關系:

d為壓電系數（與材料有關的常數）在X軸方向施力時,產生電荷大小為:

d11縱向壓電系數，σx為X方向應力在Y軸方向施力時,產生電荷大小為:

d12橫向壓電系數，σy為Y方向應力根據晶體的對稱性，壓電系數d12=-d11

a、b是晶體切片幾何尺寸(長、厚)，qx、qy

符號決定力的方向。傳感器原理與應用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.2.1石英晶體石英晶體的上述特征與內部分子結構有關，分子六邊形分布，三個電偶極矩。當晶體不受力時（F=0），正負離子分布在六邊形頂角，電偶極矩互成1200夾角，矢量和為零，晶體呈中性；當晶體受沿X軸方向的應力時，X方向壓縮形變，電偶極矩在X軸方向的分量由于出現上負下正電荷；動畫演示傳感器原理與應用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.2.1石英晶體當晶體受沿Y軸方向的應力時，Y方向壓縮形變，電偶極矩在X軸方向的分量由于出現上正下負電荷；晶體受沿Z軸方向的應力時X、Y方向形變相同不產生壓電效應；應力方向為拉力時，電荷極性與上述相反。動畫演示傳感器原理與應用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.2壓電材料

7.2.1石英晶體石英晶體壓電模型傳感器原理與應用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.2壓電材料

7.2.1石英晶體傳感器原理與應用第7章壓電元件與超聲波傳感器石英晶體壓電模型動畫演示例7-1石英晶體的d11為2×10-12CN-1，石英晶體的長度是寬度的2倍，是厚度的3倍。（1）當沿著電軸施加3×106N的壓力時，求電量qx；（2）當沿著機械軸施加3×106N的壓力時，求電量qx；（3）若沿電軸施加作用Fx，用反饋電容Cf=0.01uF的電荷放大器測出其輸出電壓幅值Uo=0.4V，求作用力Fx。解：（1）qx=

d11×Fx=2×10-12×3×106=6×10-6（C）（2）qx=

-d11×（長度/厚度）×Fx=-2×10-12×

3×3×106=-1.8×10-5（C）（3）qx

=Cf

×

Uo

=0.01×10-6×0.4

=4×10-9（C）

Fx

=qx/d11=(4×10-9)/(2×10-12)=2×103（N）傳感器原理與應用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.2.4壓電元件結構形式

在實際應用中為提高靈敏度使表面有足夠的電荷，常常把兩片、四片壓電元件組成在一起使用。由于壓電材料有極性，因此存在連接方法，雙片連接時：

壓電晶片按+-+-粘貼時電路并聯+_+_U’+++++++++++_______________________+++++++++++輸出電荷量大、電容大、時間常數大，適宜測量緩變信號和以電荷輸出的場合。電荷增加一倍，適用于電荷放大器。傳感器原理與應用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.2.4壓電元件結構形式

U’+__+++++++++++___________++++++++++____________

壓電晶片按+--+粘貼時電路串聯串聯時，輸出電壓大、電容小、時間常數小，適宜測量高頻信號和以電壓輸出的場合。電壓增加一倍適用于電壓放大器。傳感器原理與應用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.2.4壓電元件結構形式

傳感器原理與應用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.3測量電路

7.3.1壓電傳感器等效電路

壓電傳感器可視為電荷源視為電荷輸出時可等效為電荷源Q和電容Ca并聯，開路狀態輸出端電荷為：視為電壓輸出時可等效為電壓源U與電容Ca串聯，開路狀態輸出端電壓為：看成具有+、-極性的電容器，可等效為一個電容器Ca；電容極板上電壓大小與極板間電荷成正比傳感器原理與應用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.3.1壓電傳感器等效電路

根據等效電路，壓電傳感器靈敏度有兩種等效電壓源

等效電流源根據它們之間的關系有：電壓靈敏度電荷靈敏度傳感器原理與應用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.3.1壓電傳感器等效電路

等效電壓源

等效電流源

當傳感器接測量電路時要考慮以下主要因素：電纜等效電容Cc

接入電路的輸入電容Ci

放大器輸入電阻Ri

傳感器漏電電阻Ra。

傳感器原理與應用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.3.1壓電傳感器等效電路

壓電元件內阻很高，需要系統前置電路具有高的輸入阻抗。解決傳感器與前級電路的連接…壓電元件輸出可以是電壓源也可以是電荷源。因此，前置放大器也有兩種形式：電壓放大器、電荷放大器由等效電路可見，只有在負載RL→∞時受力產生的電荷才能長期保存下來，否則放電回路很快將電荷放掉，因此測量頻率較低時必須保證RL很大，即時間常數RLCa=τ大。

前置電路有兩個作用：一是放大微弱的信號、二是阻抗變換

電壓放大器討論：壓電傳感器不能測量靜態物理量；優點:高頻響應特性好。

一般認為當ωτ

≥3時輸入電壓與信號頻率無關。缺點：低頻響應差，提高低頻響應的辦法是增大τ，但不能靠增加輸入電容Ca（RLCa=τ），因為電壓靈敏度與電容成反比。實際是增大前置輸入回路電阻Ri

。從電壓靈敏度Ku可見，連接電纜的分布電容Cc影響傳感器靈敏度，使用時更換電纜就要求重新標定，測量系統對電纜長度變化很敏感，這是電壓放大器的缺點。傳感器原理與應用第7章壓電元件與超聲波傳感器電荷放大器的輸出電壓U0只取決于輸入電荷量Q和反饋電容Cf

，輸出電壓與電纜電容Cc無關，與Q成正比，與電容Cf

成反比，這是電荷放大器的突出優點。使用電荷放大器時，電纜長度變化影響可忽略，并且允許使用長電纜工作。考慮不同量程因素，Cf

的容量做成可以選擇的電容，一般為100～104pF。缺點是電路復雜、價格昂貴。電荷放大器討論：電壓放大器的輸出電荷放大器的輸出傳感器原理與應用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.4壓電傳感器的應用1．壓電晶體振蕩器；2.壓電式測力傳感器3．壓電加速度計傳感器；4.振動測量；5．壓電換能器，發射（揚聲器）、接收（麥克風）、收聽器、超聲波換能器。壓電元件符號傳感器原理與應用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.4壓電傳感器的應用壓電晶體濾波器壓電蜂鳴片傳感器原理與應用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.4壓電傳感器的應用壓電式壓力傳感器具有加速度補償的壓電式壓力傳感器，壓電晶體被夾在兩塊膜片之間，壓電晶體在振動時受到來自兩個膜片上同方向的力，使壓電晶片無電荷輸出。但靈敏度低一半。傳感器原理與應用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.4壓電傳感器的應用石英壓電式壓力傳感器傳感器原理與應用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.4壓電傳感器的應用壓電加速度傳感器利用壓電效應，在加速度計受振動時，質量塊加在壓電元件上的力（F=ma）也隨之變化。當被測振動頻率遠低于加速度計的固有頻率時，則產生的電壓（或電荷）與被測加速度成正比。1.靈敏度及其產生誤差的原因靈敏度有電壓靈敏度和電荷靈敏度兩種表示方法：選用壓電系數大的壓電元件，對給定的壓電材料而言，靈敏度隨質量塊的增大或壓電元件的增多（串聯或并聯）而增大。串聯：上下極板的電荷量與單片相同，電容值為單片的一半，輸出電壓增大1倍。則電荷靈敏度不變，電壓靈敏度增大1倍。并聯：輸出電荷量增大，電壓不變，電容值增大，則電荷靈敏度增大，電壓靈敏度不變。加速度計尺寸越大，其固有頻率越低。因此選用加速度計時，應當權衡靈敏度和結構尺寸、附加質量的影響和頻率響應特性之間的利弊。2.壓電振動加速度傳感器的性能指標：靈敏度壓電式加速度傳感器屬于自發電型傳感器。輸出為電荷量，以pC為單位（1pC=10-12C）；輸入量為加速度，單位為m/s2，所以靈敏度以pC/(m/s2)為單位。大多數測量振動的儀器都用標準重力加速度g作為加速度的單位，并在儀器的面板上以及說明書中標出。靈敏度的范圍約為10~100pC/g。許多壓電加速度傳感器的靈敏度單位為mV/g，通常為10~1000mV/g。高靈敏度的壓電傳感器可用于測量微弱的振動。低靈敏度的壓電傳感器可用于測量劇烈的振動。2.壓電振動加速度傳感器的性能指標（續）：常見的壓電加速度傳感器的頻率范圍為0.01Hz~20kHz.常見的測量范圍為0.1~100g。對于又窄又陡的沖擊信號，測量沖擊振動時應選用100~10000g的高頻加速度傳感器；測量橋梁、地基等微弱振動，要選擇0.001~10g的高靈敏度的低頻加速度傳感器。傳感器原理與應用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.4壓電傳感器的應用超聲波傳感器振動式液位開關超聲波換能器傳感器原理與應用第7章壓電元件與超聲波傳感器7.4壓電傳感器的應用點火器晶體傳感器原理與應用第7章