压电与超声波课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,7,章 压电元件与超声波传感器,传感器原理与应用,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,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,压电元件,机械能,电能,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,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,SiO,2,，,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,7.2.1,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,7.2.1,石英晶体,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）,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,:,d,11,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,:,d,12,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,d,12,= - d,11,a,、,b,是晶体切片几何尺寸,(,长 、厚,),，,q,x,、,q,y,符号决定力的方向。,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,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,120,0,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,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：,d,33,压电陶瓷的纵向压电常数，,d,33,比,d,11,、,d,12,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）,d,33,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,、,PVF,2,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),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。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,+,_,+,_,U,+ + + + + + + + + + +,_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _,+ + + + + + + + + + +,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：,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,C,c,接入电路的输入电容,C,i,放大器输入电阻,R,i,传感器漏电电阻,R,a,。,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,R,L,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,R,L,很大,，即时间常数,R,L,C,a,= ,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,7.3.2,测量电路,送入放大器输入端的电压,u,i,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；,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,（,R,L,C,a,= ,），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,R,i,。,从,电压灵敏度,K,u,可见，连接电缆的分布电容,C,c,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,R,1,、,R,2,分压经,R,g,耦合作场效应管偏置。,观察,R,g,两端电压，信号到经,C,1,耦合到,R,g,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,C,2,耦合到,R,g,的,B,端，这时,R,g,两端电压近似相等，相当于,R,g,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,C,c,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,C,f,和高增益运算放大器构成。,因运放输入端,R,i,阻抗很高，几乎无分流，可忽略,R,a,/ R,i,并联，输入只对,C,f,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,=10,4,10,8,）,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,:,C,a,=,几,十,pf,C,c,=,100,pf / m,C,f,=,10,2,10,8,pf,K ,10,5,满足（,1+K,）,C,f,10 (,C,a,+C,i,+C,c,),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 压电元件与超声波传感器,电荷放大器的输出电压,U,0,只取决于输入电荷量,Q,和反馈电容,C,f,，输出电压与电缆电容,C,c,无关，与,Q,成正比，与电容,C,f,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，,C,f,的容量做成可以选择的电容，一般为,100,10,4,pF,。 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；,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,点火器,晶体,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,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,PVF,2,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。,PVF,2,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，比石英十倍，压电陶瓷低十倍。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,PVF,2,压电膜,絮状材料垫,声压,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,PVF,2,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。,68mm,检测区,（接收）,激振,（发射）,公共电极,F,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,元件,R,E,S,a,b,炸药,压电元件,导线,起爆装置,破甲弹上的,压电引信结构,药型罩,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，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,元件,R,E,S,a,b,炸药,压电元件,导线,起爆装置,破甲弹上的,压电引信结构,药型罩,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。,加速度和速度传感器振动测量,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,测量,仪器,前置,放大,传感器,压电传感器,简单测量系统,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,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,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,电感性,电容性,频率,f,r,f,a,f,r,: L,、,C,、,R,产生的串联谐振频率,f,a,：,L,、,C,、,C,产生的并联谐振频率,电抗特性,晶体谐振器的等效电路中，,C,，,为晶片与金属板之间的静电电容；,L,、,C,为压电谐振的等效参量；,R,为振动磨擦损耗的等效电阻。,超声波传感器可等效为一个,RLC,的,串、并联谐振电路,。石英晶体谐振器存在一个串联谐振频率,fr,（,1/2,），同时也存在一个并联谐振频率,fa,（,1/2),。,串联谐振频率时,阻抗,最小,。,由于,C,，,C,，,fr,与,fa,之间之差值很小，所以谐振电路的品质因数,Q,非常高（可达数百万），从而使石英晶体谐振器组成的振荡器频率稳定度十分高。,C,L,R,C,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,电,容,性,频率,f,r,f,a,f,r,: L,、,C,、,R,产生的串联谐振频率,f,a,：,L,、,C,、,C,产生的并联谐振频率,电抗特性,C,L,R,C,用石英晶体谐振器及其等效电路，取代,LC,振荡器中构成谐振回路的电感（,L,）和电容（,C,）元件，则很容易理解晶体振荡器的工作原理。,由电抗特性可见,，,fr,fa,中间是电感性，两边是电容性,，这是超声波传感器所特有的。,其中,低频,f,r,，,LCR,产生串联谐振频率,高频,f,a,，,LCC,产生并联谐振频率,电,感,性,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,石英晶体本身并非振荡器，它只有借助于有源激励,当外加电压频率等于晶体谐振器的固有频率时，就会发生压电谐振，从而导致机械变形的振幅突然增大。,石英晶体振子是振荡器中的重要元件，晶体的频率（基频或,n,次谐波频率）及其温度特性在很大程度上取决于其切割取向。,只要在晶体振子板极上施加,交变电压,，就会使晶片产生机械变形振动，此现象即所谓逆压电效应。,可利用这种性能制作送料装置。,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，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,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,第,7,章 压电元件与超声波传感器,传感与检测技术,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。,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,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,1.755,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,反射定律,折射定律,n,12,相对折射率,n,1,（,n,2,）绝对折射率,（相对于真空）,法线,分界面,入射光,L,折射光,反射光,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,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,310,8,m/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,900,1900m/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,N,p,/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,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,C,P,耦合传送给超声波振子产生超声发射信号。,C,P,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,C,P,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,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,功放,40KHz,OSC,定时器,前置放大,检波,平方放大,输出,V,CC,12V,三位,LED,显示器,被,测,物,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,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=25m,340m/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=1/40kHz=25S,340m/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,超声波测距集成模块,：最大距离,600cm,，最小距离,2cm,功放,40KHz,OSC,定时器,前置放大,检波,平方放大,输出,V,CC,12V,三位,LED,显示器,被,测,物,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,h,h,s,h,2a,h,2a,s,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,：,管道内,传感器,2,传感器,1,电路,B,2,L,B,1,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,传感器,1,管道外,D,传感器,1,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,接收器,f,1,f,2,驱动放大器,驱动放大器,检出放大器,检出放大器,发送器,发送器,接收器,L,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,f,1,和发送频率,f,2,的差，称多普勒频率,f,第,7,章 压电元件与超声波传感器,f,1,f,2,发射器,与流体一起移动的粒子,接收器,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,（,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,5,pc/g,，电荷放大器灵敏度为,50m,V/pc,，当机器加速度达到最大值时，相应输出电压,幅值为,2,V,，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,1.2,m,，电缆电容为,100,pF,，压电片本身电容为,1000,pF,。出厂标定电压灵敏,度为,100,V/q,，若使用中改用另一根长,2.9,m,电缆其电容量,为,300,pF,，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。,Thank you,Have a happy summer,