第7章壓電與超聲波新

第7章壓電式傳感器

傳感與檢測技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器主要內(nèi)容

7.1壓電效應(yīng)

7.2壓電材料

7.3測量電路

7.4壓電式傳感器的應(yīng)用

7.5超聲波傳感器傳感與檢測技術(shù)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(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，外力作用下在電介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷，從而實現(xiàn)非電量測量,是一種典型的發(fā)電型傳感器。壓電式傳感器可以對動態(tài)力、機械沖擊和振動進行測量。壓電式傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、頻響高、工作可靠等特點，非常適用于動態(tài)力測量；不能用于靜態(tài)力測量。傳感與檢測技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器7.1壓電效應(yīng)

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(yīng)，壓電現(xiàn)象是晶體缺乏中心對稱引起的。某些電介質(zhì)（晶體）當沿著一定方向施加力變形時，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它表面會產(chǎn)生符號相反的電荷；當外力去掉后又重新恢復不帶電狀態(tài)；當作用力方向改變后，電荷極性也隨之改變。傳感與檢測技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器7.1壓電效應(yīng)

壓電效應(yīng)是可逆的在介質(zhì)極化的方向施加電場時，電介質(zhì)會產(chǎn)生形變，將電能轉(zhuǎn)化成機械能，這種現(xiàn)象稱“逆壓電效應(yīng)”。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

傳感與檢測技術(shù)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(yīng)，但十分微弱，研究發(fā)現(xiàn)石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛是優(yōu)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(jié)構(gòu)。7.2.1石英晶體傳感與檢測技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器7.2.1

石英晶體壓電效應(yīng)

天然結(jié)構(gòu)石英晶體的理想外形是一個正六面體，在晶體學中它可用三根互相垂直的軸來表示，其中縱向軸Z－Z稱為光軸；經(jīng)過正六面體棱線，并垂直于光軸的X－X軸稱為電軸；與X－X軸和Z－Z軸同時垂直的Y－Y軸（垂直于正六面體的棱面）稱為機械軸。石英晶體(a)理想石英晶體的外形(b)坐標系ZXY(a)(b)ZYX

通常把沿電軸X－X方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)”，而把沿機械軸Y－Y方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)”，沿光軸Z－Z方向受力則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。

石英晶體具有壓電效應(yīng)，是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的。組成石英晶體的硅離子Si4+和氧離子O2-在Z平面投影，如圖(a)。為討論方便，將這些硅、氧離子等效為圖(b)中正六邊形排列，圖中“＋”代表Si4+，“－”代表2O2-。硅氧離子的排列示意圖(a)硅氧離子在Z平面上的投影(b)

等效為正六邊形排列的投影(b)(a)++---YXXY+傳感與檢測技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器7.2.1

石英晶體壓電效應(yīng)

傳感與檢測技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器7.2.1

石英晶體壓電效應(yīng)

當作用力FX=0時，正、負離子（即Si4+和2O2-）正好分布在正六邊形頂角上，形成三個互成120o夾角的電偶極矩P1、P2、P3，如圖（a）所示。此時正負電荷中心重合，電偶極矩的矢量和等于零，即

P1＋P2＋P3＝0

當晶體受到沿X方向的壓力（FX<0）作用時，晶體沿X方向?qū)a(chǎn)生收縮，正、負離子相對位置隨之發(fā)生變化，如圖（b）所示。此時正、負電荷中心不再重合，電偶極矩在X方向的分量為(P1+P2+P3)X>0在Y、Z方向上的分量為（P1+P2+P3）Y=0（P1+P2+P3）Z=0

由上式看出，在X軸的正向出現(xiàn)正電荷，在Y、Z軸方向則不出現(xiàn)電荷。Y(a)FX=0+++---XP1P2P3(b)FX<0FXXY++++－－－－FX+++---P1P2P3電偶極矩連接+Q和–Q兩個點電荷的直線稱為電偶極子的軸線，從–Q指向+Q的矢徑l和電量Q的乘積定義為電偶極子的電矩，也稱電偶極矩，通常用矢量p表示。即電偶極矩是電荷系統(tǒng)的極性的一種衡量。在兩個點電荷的簡單情形中，一個帶有電荷+q，另一個帶有電荷?q，則電偶極矩為：p=qr，其中r是從負電荷指向正電荷的位移向量。傳感與檢測技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器7.2.1

石英晶體壓電效應(yīng)

可見，當晶體受到沿X(電軸)方向的力FX作用時，它在X方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，而Y、Z方向則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。晶體在Y軸方向力FY作用下的情況與FX相似。當FY＞0時，晶體的形變與圖（b）相似；當FY＜0時，則與圖（c）相似。由此可見，晶體在Y（即機械軸）方向的力FY作用下，使它在X方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，在Y、Z方向則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。(P1+P2+P3)X<0(P1+P2+P3)Y=0(P1+P2+P3)Z=0Y(c)FX>0+++--X-+++－－－FXFXP2P3P1+－

當晶體受到沿X方向的拉力（FX＞0）作用時，其變化情況如圖（c）。此時電極矩的三個分量為在X軸的正向出現(xiàn)負電荷，在Y、Z方向則不出現(xiàn)電荷。傳感與檢測技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器7.2.1

石英晶體壓電效應(yīng)

晶體在Z軸方向力FZ的作用下，因為晶體沿X方向和沿Y方向所產(chǎn)生的正應(yīng)變完全相同，所以，正、負電荷中心保持重合，電偶極矩矢量和等于零。這就表明，沿Z(即光軸)方向的力FZ作用下，晶體不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。假設(shè)從石英晶體上切下一片平行六面體——晶體切片，使它的晶面分別平行于X、Y、Z軸，如圖。并在垂直X軸方向兩面用真空鍍膜或沉銀法得到電極面。

當晶片受到沿X軸方向的壓縮應(yīng)力σXX作用時，晶片將產(chǎn)生厚度變形，并發(fā)生極化現(xiàn)象。在晶體線性彈性范圍內(nèi)，極化強度PXX與應(yīng)力σXX成正比，即石英晶體切片ZYXblt傳感與檢測技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器7.2.1

石英晶體壓電效應(yīng)

式中FX——X軸方向的力；

d11——壓電系數(shù)，當受力方向和變形不同時，壓電系數(shù)也不同，石英晶體d11=2.3×10-12CN-1；

l、b——石英晶片的長度和寬度。極化強度PXX在數(shù)值上等于晶面上的電荷密度，即式中qX——垂直于X軸平面上的電荷。將上兩式整理，得式中——電極面間電容。其極間電壓為傳感與檢測技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器7.2.1

石英晶體壓電效應(yīng)

根據(jù)逆壓電效應(yīng)，晶體在X軸方向?qū)a(chǎn)生伸縮，即

或用應(yīng)變表示，則式中EX——X軸方向上的電場強度。在X軸方向施加壓力時，左旋石英晶體的X軸正向帶正電；如果作用力FX改為拉力，則在垂直于X軸的平面上仍出現(xiàn)等量電荷，但極性相反，見圖(a)、(b)。FXFX++++－－－－－－－－++++(a)(b)XXΔt=d11UX傳感與檢測技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器7.2.1

石英晶體壓電效應(yīng)

如果在同一晶片上作用力是沿著機械軸的方向，其電荷仍在與X軸垂直平面上出現(xiàn)，其極性見圖（c）、（d），此時電荷的大小為++++++++－－－－－－－－(c)(d)FYFYXX式中d12——石英晶體在Y軸方向受力時的壓電系數(shù)。根據(jù)石英晶體軸對稱條件：d11=－d12，則上式為式中t——晶片厚度。則其極間電壓為傳感與檢測技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器7.2.1

石英晶體壓電效應(yīng)

根據(jù)逆壓電效應(yīng)，晶片在Y軸方向?qū)a(chǎn)生伸縮變形，即或用應(yīng)變表示由上述可知：①無論是正或逆壓電效應(yīng)，其作用力（或應(yīng)變）與電荷（或電場強度）之間呈線性關(guān)系；②晶體在哪個方向上有正壓電效應(yīng)，則在此方向上一定存在逆壓電效應(yīng)；③石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應(yīng)的。傳感與檢測技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器7.2壓電材料

7.2.2壓電陶瓷（多晶體）

壓電陶瓷屬于鐵電體一類的物質(zhì)，是人工制造的多晶壓電材料，它具有類似鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)的電疇結(jié)構(gòu)。電疇是分子自發(fā)形成的區(qū)域，它有一定的極化方向，從而存在一定的電場。在無外電場作用時，各個電疇在晶體上雜亂分布，它們的極化效應(yīng)被相互抵消，因此原始的壓電陶瓷內(nèi)極化強度為零，見圖（a）。直流電場E剩余極化強度剩余伸長電場作用下的伸長(a)極化處理前(b)極化處理中(c)極化處理后傳感與檢測技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器

但是，當把電壓表接到陶瓷片的兩個電極上進行測量時，卻無法測出陶瓷片內(nèi)部存在的極化強度。這是因為陶瓷片內(nèi)的極化強度總是以電偶極矩的形式表現(xiàn)出來，即在陶瓷的一端出現(xiàn)正束縛電荷，另一端出現(xiàn)負束縛電荷。由于束縛電荷作用，在陶瓷片的電極面上吸附了一層來自外界的自由電荷。這些自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電荷符號相反而數(shù)量相等，它起著屏蔽和抵消陶瓷片內(nèi)極化強度對外界的作用。所以電壓表不能測出陶瓷片內(nèi)的極化程度，如圖所示

－－－－－

－－－－－

＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋自由電荷束縛電荷電極電極極化方向陶瓷片內(nèi)束縛電荷與電極上吸附的自由電荷示意圖傳感與檢測技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器

如果在陶瓷片上加一個與極化方向平行的壓力F，如圖，陶瓷片將產(chǎn)生壓縮形變，片內(nèi)的正、負束縛電荷之間的距離變小，極化強度也變小。因此，原來吸附在電極上的自由電荷，有一部分被釋放，而出現(xiàn)放電荷現(xiàn)象。當壓力撤消后，陶瓷片恢復原狀，片內(nèi)的正、負電荷之間的距離變大，極化強度也變大，因此電極上又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。這種由機械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，或者由機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，就是正壓電效應(yīng)。＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋

極化方向正壓電效應(yīng)示意圖（實線代表形變前的情況，虛線代表形變后的情況）F－＋傳感與檢測技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器

由此可見，壓電陶瓷所以具有壓電效應(yīng)，是由于陶瓷內(nèi)部存在自發(fā)極化。這些自發(fā)極化經(jīng)過極化工序處理而被迫取向排列后，陶瓷內(nèi)即存在剩余極化強度。如果外界的作用（如壓力或電場的作用）能使此極化強度發(fā)生變化，陶瓷就出現(xiàn)壓電效應(yīng)。此外，還可以看出，陶瓷內(nèi)的極化電荷是束縛電荷，而不是自由電荷，這些束縛電荷不能自由移動。所以在陶瓷中產(chǎn)生的放電或充電現(xiàn)象，是通過陶瓷內(nèi)部極化強度的變化，引起電極面上自由電荷的釋放或補充的結(jié)果。傳感與檢測技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器7.2.4壓電元件主要參數(shù)性能

性能參數(shù)：壓電常數(shù)；介電常數(shù)（高）；彈性常數(shù)；機械耦合系數(shù)；工作溫度。鋯鈦酸鉛（壓電陶瓷PZT）是一種性能優(yōu)越的壓電陶瓷，是目前最普遍使用的壓電材料。傳感與檢測技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器7.2壓電材料

7.2.3新型壓電材料

石英和壓電陶瓷是性能較好的壓電材料，但有共同的缺點，密度大、硬、易碎，不耐沖擊，難以加工。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這一缺陷，可以作成輕小柔軟的壓電元件。靈敏度比PZT（壓電陶瓷）大17倍。傳感與檢測技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器7.2.3新型壓電材料

而這些新型合成材料的分子鏈中C—F鍵具有極性，有一定的偶極矩；通常晶胞內(nèi)的極矩相互抵消整體不顯極性，沒有壓電效應(yīng)；必須經(jīng)過拉伸、極化特殊處理才會具有良好的壓電效應(yīng)。聚偏氟乙烯壓電效應(yīng)傳感與檢測技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器7.2.5壓電元件結(jié)構(gòu)形式

在實際應(yīng)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(lián)+_+_U’+++++++++++_______________________+++++++++++電荷增加一倍，適用于電荷放大器傳感與檢測技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器7.2.5壓電元件結(jié)構(gòu)形式

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

壓電晶片按+--+粘貼時電路串聯(lián)電壓增加一倍適用于電壓放大器

傳感與檢測技術(shù)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(lián)，開路狀態(tài)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(lián)，開路狀態(tài)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與檢測技術(shù)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(jù)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(jù)它們之間的關(guān)系有：電壓靈敏度電荷靈敏度傳感與檢測技術(shù)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。

傳感與檢測技術(shù)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(nèi)阻很高，需要系統(tǒng)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(chǎn)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(shù)RLCa=τ大。

前置電路有兩個作用：一是放大微弱的信號、二是阻抗變換傳感與檢測技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器7.3.2測量電路

（1）電壓放大器（阻抗變換器）

電壓放大器及等效電路示意圖

如果壓電元件為正弦作用力變化電壓放大器的輸入端傳感與檢測技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器7.3.2測量電路

送入放大器輸入端的電壓ui寫成復數(shù)形式實際幅值d

壓電系數(shù)；ω信號頻率；R=Ra//Ri

傳感器上產(chǎn)生的電荷與電壓也按正弦變化:傳感與檢測技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器7.3.2測量電路輸入電壓幅值幅值相位差

傳感器電壓靈敏度

實際輸入

理想情況傳感與檢測技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器7.3.2測量電路

前置放大器實際輸入電壓與理想輸入電壓的比值為令前置放大器輸入回路的時間常數(shù)為

分別得到相對幅頻特性和相頻特性：理想實際

電壓放大器討論：壓電傳感器不能測量靜態(tài)物理量；優(yōu)點:高頻響應(yīng)特性好。

一般認為當ωτ≥3時輸入電壓與信號頻率無關(guān)；缺點：低頻響應(yīng)差，提高低頻響應(yīng)的辦法是增大τ，但不能靠增加輸入電容，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(tǒng)對電纜長度變化很敏感，這是電壓放大器的缺點。傳感與檢測技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器7.3.2測量電路為解決電纜分布電容Cc對傳感器靈敏度的影響，和低頻響應(yīng)差的缺點可采用電荷放大器，集成運放組成的電荷放大器有較好的性能。電荷放大器是一種輸出電壓與輸入電荷量成正比的前置放大器?？衫秒娙葑鞣答佋纳疃蓉摲答伒母咴鲆孢\放。（2）電荷放大器傳感與檢測技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器電荷放大器是一個具有深度負反饋的高增益放大器，其基本電路如圖。若放大器的開環(huán)增益A0足夠大，并且放大器的輸入阻抗很高，則放大器輸入端幾乎沒有分流，運算電流僅流入反饋回路CF與RF。由圖可知i的表達式為：（2）電荷放大器－A0CaU∑USC電荷放大器原理電路圖iRaqCFRF根據(jù)上式畫出等效電路圖－A0CaRaR’C’USCU∑qCF、RF等效到A0的輸入端時，電容CF將增大(1＋A0)倍。電導1/RF也增大了(1＋A0)倍。所以圖中C′=(1＋A0)CF；1/R′=(1＋A0)1／RF，這就是所謂“密勒效應(yīng)”的結(jié)果。運放輸入電壓輸出電壓當A0足夠大時,傳感器本身的電容和電纜長短將不影響電荷放大器的輸出。因此輸出電壓USC只決定于輸入電荷q及反饋回路的參數(shù)CF和RF。由于1／RF<<ωCF,則若考慮電纜電容Cc，則有可見當A0足夠大時，輸出電壓與A0無關(guān)，只取決于輸入電荷q和反饋電容CF，改變CF的大小便可得到所需的電壓輸出。

CF一般取值100-104pF。運算放大器的開環(huán)放大倍數(shù)A0對精度有影響，當頻率很高時，則及由此得A0＞105。對線性集成運算放大器來說，這一要求是不難達到的。例,Ca=1000pF,CF=100pF,Cc=(100pF/m)×100m=105pF,當要求δ≤1%時，則有則可計算產(chǎn)生的誤差為傳感與檢測技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器7.4壓電傳感器的應(yīng)用

加速度傳感器可以用于判斷汽車的碰撞，從而使安全氣囊迅速充氣，從而挽救生命；還可安裝在氣缸的側(cè)壁上，盡量使點火時刻接近爆震區(qū)而不發(fā)生爆震，但又能使發(fā)動機輸出盡可能大的扭矩。1壓電式加速度傳感器傳感與檢測技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器7.4壓電傳感器的應(yīng)用2壓電式玻璃破碎報警器41

將兩根高分子壓電電纜相距若干米，平行埋設(shè)于柏油公路的路面下約5cm，可以用來測量車速及汽車的載重量，并根據(jù)存儲在計算機內(nèi)部的檔案數(shù)據(jù)，判定汽車的車型。傳感與檢測技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器7.4壓電傳感器的應(yīng)用3壓電式車速傳感器傳感與檢測技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器7.4壓電傳感器的應(yīng)用4壓電式動態(tài)力傳感器傳感與檢測技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器7.4壓電傳感器的應(yīng)用5壓電式振動粘度計液體粘度不同時，振動頻率不同。7.5超聲波傳感器簡介第7章壓電元件與超聲波傳感器超聲波傳感器是向空氣中發(fā)射超聲波，再通過探測來自某個物體的反射波檢測物體有無或距離；超聲波傳感器具有多種用途：

利用超聲波的各種物理特性，可以實現(xiàn)超聲波測距、測厚、測流量、無損探傷、超聲成像；隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，新的超聲波應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，而且不斷得到擴展。

傳感與檢測技術(shù)

聲波為一種機械波，人耳聽到的頻率在16Hz～20kHz；頻率低于16Hz的機械波稱為次聲波；頻率高于20kHz的機械波稱為超聲波；頻率在300MHz～

300GHz之間的波稱為微波；頻率超過20kHz的聲音為超聲波，是人耳無法聽到的。聲波頻率界限7.5.1超聲波第7章壓電元件與超聲波傳感器

傳感與檢測技術(shù)超聲波以直線方式傳播，頻率越高繞射越弱，但反射能力越強，利用這種性質(zhì)可以制作超聲波測距傳感器；超聲波在液體、固體中衰減很小，穿透能力強，特別是不透光的固體能穿透幾十米，利用這種性質(zhì)可以制成超聲波探傷傳感器。超聲波對密度大的物體反射能力強，如金屬、玻璃、混凝土、橡膠可近乎反射100%的超聲波，因此容易對這些問題進行檢測。而棉花、布、絨毛等物體吸收超聲波，因此很難用超聲波檢測。7.5.1超聲波傳播特性第7章壓電元件與超聲波傳感器

傳感與檢測技術(shù)7.5.1超聲波傳播速度第7章壓電元件與超聲波傳感器超聲波在空氣中傳播速度較慢，為344m/s（20℃時）速度低、波長短，意味著可獲得較高的距離、方向分辨率。（電磁波的傳播速度為3×108m/s），這一特點使得超聲波應(yīng)用變得非常簡單，測量時可獲得較高的精確度，可以通過測量波的傳播時間，測量距離、厚度等。波在媒質(zhì)中傳播的速度決定于媒質(zhì)的彈性（彈性模量）和慣性（密度），傳播速度與介質(zhì)密度有關(guān):

傳感與檢測技術(shù)7.5.1超聲波及物理特性第7章壓電元件與超聲波傳感器鋼鐵中

在水中例如，聲波在空氣中速度液體中聲速傳播速度在900～1900m/s，在液體和氣體中只有縱波的傳播。

傳感與檢測技術(shù)聲波在介質(zhì)中傳播時隨距離的增加能量逐漸衰減,其衰減的程度與聲波的擴散、散射及吸收等因素有關(guān)，衰減規(guī)律用兩個能量描述：

聲壓

聲強

聲波與聲源之間距離；

衰減系數(shù)Np/m（奈培/米）分別為x=0處的聲壓、聲強；

聲波隨距離增加，聲能減弱較快，所以超聲波不能進行較遠距離傳播；頻率越高衰減越快。7.5.1超聲波及物理特性第7章壓電元件與超聲波傳感器式中：

傳感與檢測技術(shù)7.5.2超聲波傳感器超聲波傳感器有壓電式、磁致伸縮式、電磁式，其中最常用的是壓電式。壓電式超聲波探頭主要有壓電晶體和壓電陶瓷，利用壓電材料的壓電效應(yīng)工作，分為發(fā)射、接收兩部分第7章壓電元件與超聲波傳感器發(fā)射元件：利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，將高頻電振動轉(zhuǎn)換為機械振動產(chǎn)生超聲波，將電能→機械能；接收元件：利用壓電材料正壓電效應(yīng)，將超聲波振動轉(zhuǎn)換為電信號，將機械能→電能。

超聲波傳感器工作形式

傳感與檢測技術(shù)ＲＸＴＸＴＸＲＸa）兼用型

發(fā)射探頭（TX）

接收探頭（RX）第7章壓電元件與超聲波傳感器

超聲波傳感器的工作形式

反射式

直射式（透射式）兼用型-發(fā)射接收元件制作在一起；專用型-發(fā)射接收原件獨立；

傳感與檢測技術(shù)第7章壓電元件與超聲波傳感器結(jié)構(gòu)：壓電晶片、吸收塊（阻尼）、保護膜、引線、金屬外殼；壓電晶片為圓形薄片，超聲波頻率f與圓片厚度成反比；阻尼塊吸收聲能，降低機械品質(zhì)，無阻尼時，電脈沖停止晶片會繼續(xù)振蕩，加長脈沖寬度，使分辨率變差；產(chǎn)品通常標有中心諧振頻率：23kHz、40kHz、75kHz、200kHz、400kHz。

傳感與檢測技術(shù)

超聲波傳感器類型結(jié)構(gòu)

超聲波傳感器的工作原理發(fā)送器：在雙壓電振子上施加一定頻率（40KHz）的電壓，通過逆壓電效應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)換為機械能，送出疏密不同的超聲波信號；接收探頭：經(jīng)正壓電效應(yīng)將機械能轉(zhuǎn)換成電信號，轉(zhuǎn)換電路將接收到的信號放大處理。第7章壓電元件與超聲波傳感器7.5.3超聲波傳感器基本電路

傳感與檢測技術(shù)超聲波傳感器基本電路包括振蕩發(fā)射電路、檢測電路兩部分組成：超聲波傳感器發(fā)射電路調(diào)整振蕩器頻率7.5.3超聲波傳感器基本電路

超聲波發(fā)射電路：由反向器組成RC振蕩器，經(jīng)門電路完成功率放大，經(jīng)CP耦合傳送給超聲波振子產(chǎn)生超聲發(fā)射信號。CP電容防止傳感器長期處于直流電壓下工作。第7章壓電元件與超聲波傳感器

傳感與檢測技術(shù)CP超聲波傳感器接收報警電路超聲波檢測電路：接收到的超聲波信號極微弱，需要高增益的放大電路用于檢測反射波，輸出的高頻信號電壓接檢波、放大、開關(guān)電路輸出或報警。7.5.3超聲波傳感器基本電路第7章壓電元件與超聲波傳感器

傳感與檢測技術(shù)

超聲波測距集成模塊：最大距離600cm，最小距離2cm功放40KHzOSC

定時器前置放大檢波平方放大輸出VCC12V三位LED顯示器被測物發(fā)送電路：555構(gòu)成多諧振蕩器，產(chǎn)生40KHz等幅波放大送功放輸出；接收電路：放大、檢波，信號處理根據(jù)被測物體的距離設(shè)定反射脈沖時間，調(diào)整振蕩器觸發(fā)時間。定時器控制觸發(fā)電路和門電路。7.5.3超聲波傳感器基本電路第7章壓電元件與超聲波傳感器

傳感與檢測技術(shù)40kHz高頻信號與20Hz周期信號

調(diào)制成短脈沖群向外發(fā)送:

周期T=1/20Hz=50ms

超聲波在空氣中傳播速度

340m/s×50ms=17m17m/2=850cm測距通過定時控制電路、觸發(fā)電路變換為與距離有關(guān)的信號;用時鐘脈沖對這個信號的發(fā)送和接收之間的延遲時間進行計數(shù)，計數(shù)器的輸出值就是檢測的距離。時鐘周期

T=1/40kHz=25μS340m/s×

(n×25μS)=往返距離單程距離

=往返距離/2超聲波測距原理時序波形示意圖

超聲波傳感器測距原理接收信號

超聲波檢測液位hhsh2ah2as超聲波在空氣中傳播衰減大但在液體中傳播衰減小

單換能器從發(fā)射到接收的時間

t=2h/v傳感器到液面的距離

h=vt/2

雙換能器經(jīng)過的路程：

2s=vt液位高度：

v--超聲波在介質(zhì)中傳播速度第7章壓