物性型传感器

第4章 物性型传感器
图4-1 （a) 石英晶体外表； (b) 石英晶体切片
第4章 物性型传感器 2）
对X切族的晶体切片， 当沿电轴方向有作用力Fx时，在与 电轴垂直的平面上产生电荷。在晶体的线性弹性范围内，电
荷量与力成正比， 可表示为
Qxx=d11Fx
（4-1）
式中，d11称为纵向压电系数［CN-1］， 典型值为2.31，双角 标第一位表示产生电荷表面所垂直的轴， 第二位表示外力平 行的轴，x为1， y为2， z为3。
沿极化方向（定为z轴）施力时，则在垂直于该方向的两个极化 面上产生正、 负电荷，其电荷量Q与力F成正比，即
Q=d33F
（4-3）
式中，d33称为纵向压电系数，可达几十至数百。实用的压电陶 瓷片的结构形式与压电极性如图4-3所示。三角牌压电陶瓷片的
特性见表4-2。
第4章 物性型传感器 图4-3 压电陶瓷片
在晶体的线性弹性范围内电荷量与力成正比可表示为11称为纵向压电系数cn1典型值为231双角标第一位表示产生电荷表面所垂直的轴第二位表示外力平石英晶体切片受力与电荷极性的关系示意图物性型传感器横向压电效应如果沿y轴施力为f时电荷仍出现在与x轴垂直的平面上其电荷量为11为横向压电系数
第4章 物性型传感器
图4-12
RS-2410的测距计， RS-2401
模块内有发送与接收电路以及相应的定时控制电路等。KD-
300为数字显示电路， 用三位数字显示RS-2410的输出，单位
为cm， 因此， 显示最大距离为999 cm。
第4章 物性型传感器
图4-4 (a) 原理图； (b) 电荷源； (c) 电压源； (d) 电路符号
第4章 物性型传感器
2. 电荷放大器
压电式传感器测量电路的关键是高输入阻抗的前置放大器， 它有电压放大器和电荷放大器两种形式。考虑到压电片的泄漏 电阻Ra、连接电缆的等效电容Cc、前置放大器的输入电阻Ri和 输入电容Ci，其等效电路如图4-5的左半部分所示。由于电压放 大器输出电压与电缆分布电容有关，故目前多采用电荷放大器。 电荷放大器是一个电容深度负反馈的高增益运算放大器，其原 理电路如图4-5所示。
第4章 物性型传感器 表4-1 常见的压电材料及性能
第4章 物性型传感器
2. 石英晶体的压电效应
1）
如图4-1所示，我们用三条互相垂直的轴来表示石英晶体的 各方向。 其中， 纵向轴称为光轴(z轴)； 经过棱线并垂直于光 轴的称为电轴(x轴)； 与光轴、 电轴同时垂直的称为机械轴(y 轴)。 从晶体上切下的一片平行六面体， 称为压电晶体切片， 如图4-1（b）所示。按照与z轴的不同夹角，多种切片可形成一 个系列家族，切片长边平行于y轴的称为X切族，平行于x轴的称 为Y切族。通常把沿电轴方向的力作用下产生电荷的压电效应称 为纵向压电效应； 而把沿机械轴方向的力作用下产生电荷的压 电效应称为横向压电效应。 在光轴方向受力时不产生压电效应。
第4章 物性型传感器 表4-3 T/R40型超声传感器的外形与尺寸
第4章 物性型传感器 2. 超声波发射电路
图4-8是由数字集成电路构成的超声波振荡电路，振荡器产
生的高频电压通过耦合电容CP供给超声波振子MA40S2S。 CC4049的H1和H2产生与超声波频率相对应的高频电压信号， H3～H6进行功率放大，再经过耦合电容CP MA40S2S。超声波振子若长时间加直流电压，会使传感器特性
第4章 物性型传感器
4.1.2 电荷放大器
1. 压电元件的等效电路和电路符号
如图4-4所示，当压电片受力时，在两电极表面出现等量而 极性相反的电荷，根据电容器原理，它可等效为一个电容器。 当两极板聚集一定电荷时，两极板就呈现一定的电压。因此， 压电元件可等效为一个电荷源Q和一个电容Ca的并联电路；也 可等效为一个电压源Ua和一个电容Ca的串联电路。 图（d）为 压电元件的电路符号。 由于材料存在泄漏电阻Ra，压电片的电 荷不可能长久保存，只有外力以较高频率不断作用，传感器的 电荷才能得以补充。因此，压电式传感器不适用于静态测量， 在测量交变信号时，也应该注意其下限频率范围， 常用于加速 度和动态压力的测量。
第4章 物性型传感器 图4-10 晶体管超声波接收电路
第4章 物性型传感器
图4-11是采用运放的超声波接收电路，电路增益较高。电 路输出为高频电压， 实际上后面还要接检波电路、放大电路以 及开关电路等。
第4章 物性型传感器 图4-11 集成运放超声波接收电路
第4章 物性型传感器
4. 采用超声波模块RS-2410的测距计
第4章 物性型传感器 表4-2 三角牌压电蜂鸣器的特性
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4. 高分子压电材料（PVDF）
PVDF有很强的压电特性，同时还具有类似铁电晶体的迟滞 特性和热释电特性， 因此广泛应用于压力、 加速度、 温度、 声和无损检测等领域。 尤其在医学中， 由于它与人体声阻抗十 分接近， 无需阻抗变换， 且便于和人体贴紧接触、 安全舒适、 灵敏度高、 频带宽， 故广泛用作脉搏计、 血压计、 起搏计、 生理移植和胎心音探测器等传感元件。 PVDF有很好的柔性和 加工性能， 可制成有不同厚度和形状各异的大面积有挠性的膜， 适于做大面积的传感阵列器件。PVDF分子结构链中有氟原子， 使其化学稳定性和耐疲劳性高、吸湿性低，并具有良好的热稳 定性。
第4章 物性型传感器
图4-6 （a） 直探头；（b） 斜探头；（c） 双探头
第4章 物性型传感器
图4-7 (a) 诊断用阵列型超声波传感器； (b) 水听器； (c) 空气中用超声波传感器
第4章 物性型传感器
4.2.3 空气中传播的超声波传感器及其基本电路
1. 遥控用超声波传感器
超声波遥控电路采用专用的在空气中传播的超声发射器 （用符号T表示）与接收器(用符号R表示)成对配套使用。 超声 波传感器的结构如图4-7（c）所示，采用双压电陶瓷晶片结构。 将双压电陶瓷晶片固装在基座上，为了增强其效果，在压电晶 片上面加装了锥形喇叭，最后将其装在金属壳体中并伸出两根 引线。它所发射的超声波采用固定的中心频率，谐振频率f0一般 为40kHz。这种传感器有一种单峰特性，即在中心频率f0处灵敏 度最高，输出信号幅度最大，接收器的接收灵敏度最高， 而在 中心频率两侧则迅速衰减。由于超声波接收器具有很好的选频 特性， 因此在组成电路系统时，不必另设选频网络。由于发射 器需要发射出强度较高的超声波信号，所以它的灵敏度大于100 dB。接收器应能良好地接收超声波信号，因此它的灵敏度大于 －60 dB。
第4章 物性型传感器
（3） 超声波的反射与折射： 当超声波从一种介质传播 到另一种介质时， 在两种介质的分界面上，会发生反射与折 射。同样遵循反射定律和折射定律：入射角与反射角、折射角 的正弦比等于入射波速与反射波速、折射波速之比。
（4） 超声波的波形转换： 若选择适当的入射角， 使纵 波全反射， 那么在折射中只有横波出现； 如果横波也全反射， 那么在工件表面上只有表面波存在。
第4章 物性型传感器 图4-2 石英晶体切片受力与电荷极性的关系示意图
第4章 物性型传感器 3）
如果沿y轴施力为Fy时，电荷仍出现在与x轴垂直的平面上， 其电荷量为
Qxy d12l Fy
（4-2）
式中，d12=-d11为横向压电系数;l为压电片的长度;δ为压电片的 厚度。
由式（4-2）可以看出， 横向压电效应与晶片的几何尺寸 有关； 横向压电效应的方向与纵向压电效应相反。
第4章 物性型传感器
（1） 传播速度：超声波的传播速度与波长及频率成正比，
即声速为
C=λf
（4-6）
式中，λ为超声波的波长； f为超声波的频率。
（2） 超声波的衰减：超声波在介质中传播时，由于声波的 扩散、散射及吸收，能量按指数规律衰减。如平面波传播时的 衰减公式可写作Ix= I0e-2αx。其中，I0为声源处的声强; Ix为距声源 x处的声强; α为衰减系数（单位为1×10-3dB/mm），水和一般低 衰减材料的的取值α为1～4。
第4章 物性型传感器
图中，Cf为反馈电容，与Cf并联的Rf用于为Cf提供电荷泄
放回路和为运算放大器反相输入端的偏置电流提供回路。 Rf
的阻值由Cf的放电时间常数确定。 一般，Rf取10kΩ～10 MΩ，
Cf在50～104pF范围内，电路能稳定地工作。由于运算放大器
的增益A和输入电阻Ri都很大，根据放大电路原理，当（1+A）
第4章 物性型传感器 3. 压电陶瓷的压电效应
压电陶瓷属于铁电体物质，是一种人造的多晶体压电材料。
它由无数细微的电畴组成。在无外电场时，各电畴杂乱分布，
其极化效应相互抵消，因此原始的压电陶瓷不具有压电特性。
只有在一定的高温(100～170℃)下，对两个极化面加高压电场
进行人工极化后，陶瓷体内部保留有很强的剩余极化强度， 当
明显变差， 因此，一般用交流电压通过耦合电容CP 供给传感 器。该电路通过调节R可改变振荡频率：
f0
1 (电路
第4章 物性型传感器
图4-9是采用脉冲变压器的超声波振荡电路实例。电路中用 NPN晶体管V放大频率可调振荡器OSC的输出信号，放大的信 号经脉冲变压器T升压为较高的交流电压供给超声波传感器 MA40S2S。 超声波传感器MA40S2S产生40 kHz能量的超声波。
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4.2 超声波传感器
4.2.1 超声波的传输特性 人耳能够听到的机械波，频率在16 Hz～20 kHz之间，称为
声波。人耳听不到的机械波， 频率高于20 kHz的称为超声波； 频率低于16 Hz的称为次声波。超声波的频率越高，就越接近 光学的反射、折射等特性。
第4章 物性型传感器
第4章 物性型传感器
4.2.2 超声波换能器
超声波换能器也称为超声波探头， 即超声波传感器。 按 原理有压电式、 磁致伸缩式、 电磁式等， 其中压电式最常用。 压电式利用压电材料的逆压电效应制成超声波发射头， 利用压 电效应制成超声波接收头。 按照不同的应用目的， 超声波传 感器有不同的结构形式。 探伤用超声波传感器的结构如图4-6 所示。 诊断及水和空气中用超声波传感器的结构如图4-7所示。
Cf >>Ca+Cc+Ci、ωCf >>1/URf时o ，电CQ荷f 放大器的输（出4-电4）压为
可见，输出电压Uo正比于输入电荷Q， 放大倍数仅取决于1/Cf，
与其他因素无关。但当频率很低时，1/Rf与ωCf相比不可忽略。
当ωCf =1/Rf时，电路的下限截止频率为
fL
1
2Rf Cf
（4-5）
第4章 物性型传感器 图4-5 电荷放大器的原理电路
超声波可分为纵波、横波和表面波。质点的振动方向和波 的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。质点的振动方向和波的传播方面相垂直的波称为横波， 它只能在固体中传播。质点的振动介于横波和纵波之间，沿着 表面传播，振幅随着深度的增加而迅速衰减的波称为表面波。
超声波在介质中的传播速度取决于介质密度、 介质的弹性 系数及波型。一般来说， 在同一固体中横波声速为纵波声速的 一半左右，而表面波声速又低于横波声速。当超声波在某一介 质中传播，或者从一种介质传播到另一介质时，遵循如下一些 规律：
第4章 物性型传感器
4.1 压电式传感器 4.2 超声波传感器 4.3 磁敏传感器 4.4 光电式传感器 4.5 光纤与激光传感器
第4章 物性型传感器
4.1 压电式传感器
4.1.1 压电效应与压电元件
1. 压电效应与压电材料
当某些电介质受到一定方向外力作用而变形时， 其内部便 会产生极化现象， 在它们的上、 下表面会产生符号相反的等量 电荷； 当外力的方向改变时， 其表面产生的电荷极性也随之改 变； 当外力消失后又恢复不带电状态， 这种现象称为压电效应。 反之， 若在电介质的极化方向上施加电场， 也将产生机械形变， 这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）。 有压电效应的物 质很多， 但可用的有石英晶体， 压电陶瓷， 压电薄膜等， 其 性能见表4-1。
第4章 物性型传感器 图4-9 采用脉冲变压器的超声波振荡电路
第4章 物性型传感器
3. 超声波接收电路
由于超声波传感器接收到的信号极其微弱，因此，一般要 接几十dB以上的高增益放大器。
如图4-10所示，采用NPN晶体管V进行放大构成超声波接 收电路，超声波传感器采用MA40S2R。 超声波传感器一般用 于检测反射波，它远离超声波发生源，能量衰减较大，只能接 收到几mV左右的微弱信号。因此，实际应用时要加多级放大 器。