第7章-压电元件与超声波传感器

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。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.逆压电效应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石英晶体压电晶片按特定方向切片人工合成水晶•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）压电特性的各向异性可用矩阵表示•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，σx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，σy为Y方向应力•根据晶体的对称性，压电系数d12=-d11a、b是晶体切片几何尺寸(长、厚)，qx、qy符号决定力的方向。QdF11xxqd12yybqda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；123PPP123123,,()0PPPPPP•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。123123,,()0PPPPPP石英晶体压电模型7.2.2压电陶瓷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。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：33qd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。7.2.3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。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)7.3.1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：2'2'CCQQUU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7.3测量电路'2'2'CCUUQQ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7.3.2压电传感器等效电路QdF压电传感器可视为电荷源/aUQCaSCdaQCU/aUQC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根据等效电路，压电传感器灵敏度有两种uUKFqQKFquaKKCquaKKC等效电压源等效电荷源aQUC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等效电荷源当压电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。7.3.2压电传感器测量电路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前置电路有两个作用：一是放大微弱的信号、二是阻抗变换/,/aiaiciiaRRRRRCCCuQC电阻电容，而（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sinsinmmFFtuUt电压放大器的输入端sinmaadFQutCC222()1()mimacidFRURCCC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；ω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:1()imacijRUdFjRCCC()mimacidFUCCC输入电压幅值222()1()mimacidFRURCCC幅值()arctan()2aciCCCR()1aciRCCC当时（即）相位差传感器电压灵敏度imumaciUdKFCCC实际输入理想情况222()()()1()imaciimaciURCCCURCCC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()aciRCCC12()()1()imimUKU1tan()2分别得到相对幅频特性和相频特性：()mimacidFUCCC222()1()mimacidFRURCCC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（RLCa=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。12()()1()imimUKU/uqaKKC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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110()faciKCCCC当运算放大器增益满足K1（K=104～108）0(1)iacifQUUKKCCCCCKC电荷放大器及等效电路0(1)acifKQUCCCKC0fQUC通常:Ca=几十pfCc=100pf/mCf=102—108pfK105满足（1+K）Cf10(Ca+Ci+Cc)电荷放大器及等效电路0(1)acifKQUCCCKC满足理想条件时输出电压与输入电荷量成正比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；压电元件符号压电式加速度传感器压电式玻璃破碎报警器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RESab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。电雷管压电引信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RESab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7.5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。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1)超声波的传播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；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。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2）超声波传播速度1,cBB为介质密度，为绝对压缩系数超声波在空气中传播速度较慢，为344m/s（20℃时）超声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:钢铁中在水中例如，声波在空气中速度1sm3401sm15001sm5000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。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：0xxppe20xxIIe声压声强x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；0P0I•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。式中：3）超声波的衰减•结构：压电晶片、吸收块（阻尼）、保护膜、引