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1、本章学习 压电传感器和超声波传感器。,第9章 其它类型传感器及应用,9.1 压电传感器,压电式传感器是一种自发电式传感器。它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。 压电传感元件是一种力敏感元件，它可以测量最终能变换为力的那些非电物理量，如应力、压力、振动、加速度等，但不能用于静态参数的测量。,一、压电效应,某些电介质在沿一定方向上受到力的作用而变形时，内部会产生极化，同时在其表面有电荷产生，当外力去掉后，表面电荷消失，这种现象称为压电正向效应。 反之，在电介质的极化方向施加交变电场，它会产生机械变形。当去掉外加电场，电介质变形随之消失。这种
2、现象称为压电逆向效应（电致伸缩效应）。,石英晶体的压电效应演示,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。,硅离子有4个正电荷，氧离子有2个负电荷，一个硅离子和两个氧离子交替排列。如图示出了它们在一个平面上的投影。,石英晶体为例:,a)未受力的石英晶体 b)受x方向压力时的石英晶体 c)受y方向压力时的石英晶体,2、当晶体受到沿X轴方向的压力FX作用时，晶体沿X轴方向产生压缩变形，由于内部的极化，其表面将产生电荷。,、当外力为零时，正、负离子正好分布在正六边形的顶角上，此时正、负电荷等效中心重合，且电荷量相
3、等，因而晶体呈中性。,3、当晶体受到沿Y轴方向的压力Fy作用时，晶体的变形、极化、表面产生电荷如图c)所示。 4、如果沿Z轴方向作用力时，晶胞正六边形形状不变，因而不会产生压电效应。,结构特性,2）沿Y轴方向作用拉力与沿X轴方向作用压力，晶胞结构变形相同，因而产生的电荷极性相同。,3）在晶体的线性弹性范围内，当沿X轴方向作用压力FX时，在与X轴垂直的平面上产生的电荷量为 Qd11FX,4）如果沿Y轴方向作用压力Fy时，电荷仍出现在与X轴相垂直的平面上，其电荷量为 Qd12（l/）Fy d11（1/）Fy,1）沿X轴、Y轴方向作用力时，可产生压电效应。沿Z轴方向施力，无压电效应。,二、压电材料,
4、具有压电效应的电介物质称为压电材料。 压电传感器中的压电元件的材料一般有三类： 一类是压电晶体（如上述的石英晶体）； 另一类是经过极化处理的压电陶瓷； 第三类是高分子压电材料。,在自然界中已发现有0多种晶体具有压电效应，最具有代表性同时应用最广泛的是石英晶体。 石英晶体是一种单晶体结构，有天然和人工培养两种。 石英晶体的最大优点是温度稳定性好，因此大多用于标准传感器或使用温度较高的传感器中。,1、石英晶体,天然形成的石英晶体外形,天然形成的石英晶体外形（续）,2、压电陶瓷,压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它在高温高压下作极化处理后具有很强的压电效应。它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成本
5、却较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷 。 常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及非铅系压电陶瓷（如BaTiO3等）。,压电陶瓷外形,无铅压电陶瓷及其换能器外形,3、高分子压电材料,典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。 它是一种柔软的压电材料，可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。它不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面积或较长的尺度，价格便宜，测量动态范围宽。用于对测量精度要求不太高的场合。,高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆,可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板,压电式脚踏报警
6、器,三、测量电路,1压电元件的等效电路,压电元件相当于一个电荷发生器，同时，它又相当于一个以压电材料为绝缘介质的电容器，其电容值为 Ca=roA/ A压电元件电极面积；压电元件厚度；r 压电材料的相对介电常数；o真空介电常数。,因此压电元件可以等效为一个与电容相并联的电荷源，如下图a)所示，压电元件的端电压为,压电元件也可以等效为一个电压源，如图b）所示,压电传感器只能应用于动态测量。,由于在压电材料上产生的电荷只有在无泄露的情况下才能保存，因此压电式传感器不能用于静态测量。压电元件在交变力的作用下，电荷可以不断补充，可以供给测量回路以一定的电流，故只适用于动态测量。 用于脉冲力、冲击力、振动
7、加速度等动态力的测量。,四、应用,1. 玻璃打碎报警装置 将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到玻璃破碎时会发出的振动，并将电压信号传送给集中报警系统。,粘贴位置,2压电式报警系统 （用于重要位置出入口、周界安全防护等）,在警戒地区的四周埋设多根高分子压电电缆，当入侵者踩到电缆上面的柔性地面时，该压电电缆受到挤压，产生压电脉冲而引起报警。,3.交通监测,将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息、车速监测、收费站地磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。,高分子压电电缆的应用演示,将两根高分子压电电缆相距若干米，平行埋设于公路的路面下约5cm，可以
8、用来测量车速及汽车的载重量，并根据存储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。,4压电式单向测力传感器,被测力通过传力上盖使压电陶瓷片受压力作用而产生电荷。压电陶瓷片通常采用两片（或两片以上）粘结在一起。这种传感器主要用于变化频率不太高的动态力的测量。,1传力上盖 2压电片 3电极 4电极引出插头,5压电式振动加速度传感器,传感器的输出电荷即与被测物体的振动加速度成正比。,传感器和被测物体紧固在一起并且同频率振动，质量块就有一正比于加速度的惯性力作用在压电片上，方向与振动加速度方向相反，大小为：F=ma,9.2 超声波传感器,超声波检测就是利用不同介质的不同声学特性对超声波传播的影响来进行探查
9、和测量的一门技术。超声检测的最大特点是无损检测。 振动在弹性介质内的传播过程称机械波。 频率在202104 Hz之间, 能为人耳所闻的机械波, 称为声波; 低于20Hz的机械波, 称为次声波;频率高于2104Hz的机械波, 称为超声波。,概述： 声波的分类 1.次声波,次声波是频率低于20Hz的声波，人耳听不到，但可与人体器官发生共振，78Hz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。,2.可闻声波,美妙的音乐可使人陶醉。,3.超声波,蝙蝠能发出和听见超声波。,蝙蝠依靠超声波捕食,一、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
10、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。,1、超声波的波型分类,超声波的传播波型主要可分为纵波、横波、表面波等几种。,1）纵波 质点的振动方向与传播方向一致的波，称为纵波，它能在固体、液体和气体中传播。,2）横波 质点振动方向与传播方向相垂直的波，称为横波。它只能在固体中传播。,3）表面波 质点的振动介于纵波和横波之间，在固体表面的平衡位置作椭圆轨迹沿着固体的表面向前传播的波，称为表面波，显然它只能在固体中传播。,2、声速、声压、声强,1）声速 声速C 恒等于声波的波长
11、与频率f的乘积，即,Cf,在固体中，纵波、横波和表面波三者的声速有着一定的关系。通常横波的声波约为纵波声速的一半，表面波声速约为横波声速的90。,2）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。声压与介质密度、声速C、质点的振幅X及振动的角频率成正比，即： pCX,3）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。,I=,3、反射与折射,在两界面处，声波的传输与光传输类似，符合反射定律和折射定律。,1）反射定律 入射波与反射波的波形相同，波速相等时： =,2）折射定律,C1与C2为声波在第一介质和第二介质中传
12、播声速。,超声波的反射和折射,4、超声波的衰减 声波在介质中传播时, 随着传播距离的增加, 能量逐渐衰减,其衰减的程度与介质的密度、晶粒的粗细及超声波的频率等因素有关。 晶粒越粗或密度越小，衰减越快； 频率越高，衰减越快； 气体的密度很小，因此衰减较快，尤其在频率高时衰减更快。 ,为了以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。 完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器，或超声波探头。 超声波传感器根据工作原理有压电式、磁致伸缩式和电磁式等。在检测技术中主要采用压电式。,二、超声波传感器的应用,1、超声波的产生及超声探头结构,压电式超声波传感器利用压电材料的压电效应。
13、压电逆效应将高频电振动转换成同频机械振动，从而产生超声波，作为超声波的发射探头。 压电正效应则将接收的超声振动转换成电信号, 作为超声波的接收探头。,超声波探头又分为直探头、斜探头、双探头、表面波探头、聚焦探头、水浸探头、高温探头、空气传导探头等。,各种超声波探头,常用频率范围：0.510MHz，常见晶片直径：530mm,接触式直探头（纵波垂直入射到被检介质）,外壳用金属制作，保护膜用硬度很高的耐磨材料制作，防止压电晶片磨损。,保护膜,接插件,各种接触式斜探头,常用频率范围：15MHz,各种双晶直探头,频率范围：2.55MHz，钢中折射角：45 70,空气超声探头,a）超声发射器 b）超声接收
14、器 1外壳 2金属丝网罩 3锥形共振盘 4压电晶片 5引脚 6阻抗匹配器 7超声波束,空气超声探头的发射和接受装置是分开设置的。,空气超声探头外形,2、耦合剂,超声探头与被测物体接触时，探头与被测物体表面间存在一层空气薄层，空气将引起三个界面间强烈的杂乱反射波，造成干扰，并造成很大的衰减。 在工业中，经常使用一种称为耦合剂的液体物质，使之充满在接触层中，起到传递超声波的作用。常用的耦合剂有自来水、机油、甘油、水玻璃、胶水、化学浆糊等。,3、应用,1）超声波测厚度,左边的压电晶片发射超声脉冲，右边的压电晶片接收超声脉冲。 被测工件的厚度为,= Ct,由于不同介质试件的声速C各不相同，所以测试前必
15、须将C值由面板输入。,手持式超声波测厚仪,超声波手持式测厚,混凝土测厚,木材测厚,小提琴 木料测厚,测量流量原理分类,时间差法测量流量原理：在被测管道上下游的一定距离上，分别安装两对超声波发射和接收探头（K1，K2）、（K3，K4），其中K1，K2的超声波是顺流传播的，而K3，K4的超声波是逆流传播的。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声波传播的时间差t，可得到流体的平均速度及流量。,2）超声波流量计,K1、K3为超声波发射器，K2、K4为超声波接收器， K1、K2的超声波为顺流传播，传播时间为t1， K3、K4的超声波是逆流传播，传播时间为t2。,t1=,t2=,v=
16、,由上式知：流速与时间差成正比，另外还与声速有关。,如果采用频差法则可克服温度的影响。,T1t1， T2t2,式中K=2cos/L, 上式表示只与流体的平均速度v成正比。而与速c元关。,频率差法,3）超声波测液位或物位,它的作用原理也是采用脉冲反射原理。如同超声波测厚一样，根据超声波的往返时间就可测出液体的液面。,根据图示可得声速c为,h0为安装距离为已知，在显示屏上测得t0、t1,便可求得h1，也就求得液位h。此种方法也可测量粉体和粒状体的物位。,超声波测量液位和物位,喇叭形 超声发生器,人们在使用各种材料（尤其是金属材料）的长期实践中，观察到大量的断裂现象，它曾给人类带来许多灾难事故，涉及舰船、飞机、轴类、压力容器、宇航器、核设备等。 对缺陷的检测手段有破坏性试验和无损探伤。由于无损探伤以不损坏被检验对象为前提，所以得到广泛应用
