压电式传感器与超声波传感器

LM733的输入、输出都为差动式，为把差动输出电压变 为单端输出电压，采用了增益为20倍的变压器Tl。电路 中VD1、VD2及稳压管VD3、VD4用于保护。电路中T1 也可用运放替代。
六、超声波传感器应用 1、超声测距
超声测距原理： 被测距离: d ct / 2 超生探头 c --- 声速 t --- 往返飞行时间 被测目标
二、超声波传感器结构 • 压电陶瓷超声波传感器结构：由两个压电元件叠 合在一起构成。两个压电元件结构称双压电晶片， 一个压电元件结构称单压电晶片。如果超声波入 射到压电晶片上，压电元件就会产生电压。反之， 把电压加到压电元件上也会产生超声波。
屏蔽 外壳 锥形谐振板 双压电晶片振子 支点 端子 匹配器
1.压电式传感器
压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的 压电效应，是典型的有源传感器。 当某些材料受力作用而变形时，其表面会有电荷产 概述 生，从而实现非电量测量。 压电式传感器具有体积小，重量轻，工作频带宽、 灵敏度高、工作可靠、测量范围广等特点，因此在 各种动态力、 机械冲击与振动的测量，以及声学、 医学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用。
压电陶瓷蜂鸣片
压电陶瓷大功率超声换能器
压电陶瓷超声雾化片
一次性塑料打火机
压电陶瓷驱动器
压电陶瓷超声传感器
1 .压电式加速度传感器
压电加速度传感器又称压电加速度计或压电加速 度表。 压电加速度传感器广范用于检测导弹，飞机，车 壳体 辆等的冲击和振动
预紧弹簧 质量块 压电片
基座
基座
当振动频率远低于传感器的固有共振频率时,传感器 的输出电荷 ( 电压 ) 与作用力成正比。电信号经前 置放大器放大 , 即可由一般测量仪器测试出电荷 (电压)大小,从而得知物体的加速度。 采用不同的结构设计和选用不同性能的压电材料,可 以得到满足各种使用要求的压电加速度传感器。
• 石英晶体的突出优点是性能非常稳定，它有很大 的机械强度和稳定的机械性能。但石英材料价格 昂贵，且压电系数比压电陶瓷低得多。因此一般 仅用于标准仪器或要求较高的传感器中。
• 石英晶体有天然和人工培养两种类型。人工培养
的石英晶体的物理和化学性质几乎与天然石英晶
体没有区别，因此目前广泛应用成本较低的人造
一、超声波传感器原理与种类
• 超声波传感器（超声波探头），是实现声电转换 的装置（超声换能器）；能够发射超声波，也可 以接收超声回波，并转换成电信号。
声波：频率在20～2×104Hz之间，能为人耳所闻的机械波； 次声波：低于20Hz的机械波； 超声波：高于2×104Hz的机械波； 当超声波由一种介质入射到另一种介质时，由于在两种 介质中的传播速度不同，在异质界面上会产生反射、折射 等现象。
• 2. 锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT）
• 锆钛酸铅是由PbTiO3 （钛酸铅 ）和PbZrO3（锆 酸铅 ）组成的固溶体Pb（Zr、Ti）O3。它与钛酸 钡相比，压电系数更大，居里点温度在300℃以上， 各项机电参数受温度影响小，时间稳定性好。此 外，在锆钛酸中添加一种或两种其它微量元素 （如铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性 能的PZT材料。因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前 压电式传感器中应用最广泛的压电材料。
特点：超声波束发散，测量范围小 波束聚焦困难，测量精度低 测量目标不能太小； 应用：适于大目标、近距离、一般精度测距 手持测距仪 --- 盲人导盲 汽车倒车雷达 --- 汽车安全 工业应用 --- 超声测量液位、物位
发送信号脉冲40kHz
发送器T
脉冲变压器
1k
BG D3 MA40 被 测 物 体 25ms 直射波 D1 D2
压电材料介绍
• 压电材料应具备以下几个主要特性：
• ①转换性能。要求具有较大的压电常数。 • ②机械性能。机械强度高、刚度大。 • ③电性能。高电阻率和大介电常数。 • ④环境适应性。温度和湿度稳定性要好，要求具 有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。 • ⑤时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。
使用时传感器用胶粘贴在玻璃上, 然后通过电缆和报警 电路相连。为了提高报警器的灵敏度, 信号经放大后, 需经 带通滤波器进行滤波。 由于玻璃振动的波长在音频和超声波的范围内, 这就使 滤波器成为电路中的关键。当传感器输出信号高于设定的 阈值时, 才会输出报警信号, 驱动报警执行机构工作。
2.超声波传感器
3.3k
47k
3.7k
3 1
5.6k 0.001 F
UO
51k
7
22 F
6
0.47 F
2 4 5
3.3k
33 F
10 F
反射波（信号波）
接收信号脉冲
接收器R
发送器：由门电路、缓冲器以及脉冲变压器的升压电路组成。 用20Hz调制40kHz的高频信号加到脉冲变压器上，经脉冲变 压器升压，得到较高的脉冲电压供给超声波传感器，传感器 获得的能量以声能形式辐射出去。
发送信号脉冲40kHzBG D3 MA40 被 测 物 体 25ms 直射波 D1 D2
3.3k
47k
3.7k
3 1
5.6k 0.001 F
UO
51k
7
22 F
6
0.47 F
2 4 5
3.3k
33 F
10 F
反射波（信号波）
接收信号脉冲
接收器R
接收器：由二极管钳位电路以及交流放大器等组成，发送接 收信号共用一个超声传感器。
2、超声波测厚度
反射电路
放大器 换能器 被测物体
主控制器
扫描电路
标记发生器输出时 间标记脉冲信号， 同时加到该垂直偏 转板上
在很宽频带范围内具有较高灵敏度；
Ø 密封型超声波传感器：密封型超声波传感器对环境的适应 性较强，可应用于汽车后方检测物体的装置； Ø 高频型超声波传感器：中心频率高于100kHz。
五、超声波传感器驱动及接收电路
与晶体振荡一样，利用传感器本身的谐振特性在谐 振频率附近产生振荡的电路。
采用运放的接收电路
匹配器
三、超声波传感器等效电路
感性
C
感 性 频率 容 性
f1 f2
C'
并联谐振频率
(a)
等效LCR串并联谐振电路
容性
(b)
串联谐振频率
四、超声波传感器类型
Ø 通用型超声波传感：带宽一般为几千赫磁； Ø 宽带型超声波传感器：宽带型超声波传感器在工作带宽内 具有两个谐振频率，其频率特性相当于两种传感器的组合，
化后，具有一定的压电性能，这类薄膜称为高分
子压电薄膜。目前出现的压电薄膜有聚二氟乙烯
PVF2、聚氟乙烯PVF、聚氯乙烯PVC、聚γ甲基L谷氨酸脂PMG等。高分子压电材料是一种柔软 的压电材料，不易破碎，可以大量生产和制成较 大的面积。
压电式传感器的应用
根据压电传感器所检测的非电量种类，压 电传感器的典型结构有压电式力传感器．压 电式压力传感器、压电式加速度传感器以及 压电式声发射传感器等。
(2)横向压电效应 当晶体受到沿Y方向施加的压力时，电荷仍在垂直于X 轴的平面上出现，称为横向压电效应。 电荷量不仅与的力大小有关，也与晶片的几何尺寸有关 (3)切向压电效应 当沿晶片相对两平面施加外力时，晶体表面便产生电荷， 这种现象称为切向压电效应。
• 在几百摄氏度的温度范围内，其介电常数和压电 系数几乎不随温度而变化。但是当温度升高到 573℃时，石英晶体将完全丧去压电特性，这就是 它的居里点。
压电材料的主要特性参数有： （1） 压电常数：压电常数是衡量材料压电效应强 （2） 弹性常数：压电材料的弹性常数、 刚度决定 着压电器件的固有频率和动态特性。
（3） 介电常数：对于一定形状、尺寸的压电元件， 其固有电容与介电常数有关；而固有电容又影响 着压电传感器的频率下限。
(4） 机械耦合系数：在压电效应中，其值等于转换 （5）电阻压电材料的绝缘电阻：将减少电荷泄漏， 从而改善压电传感器的低频特性。 （6） 居里点：压电材料开始丧失压电特性的温度 称为居里点。
• 极化处理后陶瓷材料内部存在很强的剩余极化 , 当 陶瓷材料受到外力作用时 , 电畴的界限发生移动 , 电畴发生偏转, 从而引起剩余极化强度的变化, 因 而在垂直于极化方向的平面上将出现极化电荷的 变化。这种因受力而产生的由机械效应转变为电 效应, 将机械能转变为电能的现象, 就是压电陶瓷 的正压电效应。电荷量的大小与外力成正比关系:
• • q = d33 F F——作用力。 • 式中: d33—— 压电陶瓷的压电系数;
• 压电陶瓷主要有以下几种： • 1. 钛酸钡压电陶瓷
• 钛酸钡（BaTiO3）是由碳酸钡（BaCO3）和二氧 化钛（TiO2）按1：1分子比例在高温下合成的压 电陶瓷。
• 它具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为 石英晶体的50倍）。不足之处是居里点温度低 （120℃），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。
（3）新型压电材料
• 1. 压电半导体材料 • 压电半导体材料有ZnO、CdS（硫化镉 ） 、 CdTe（碲化镉 ）等，这种力敏器件具有灵敏度高， 响应时间短等优点。此外用ZnO作为表面声波振 荡器的压电材料，可检测力和温度等参数。
• 2. 高分子压电材料
• 某些合成高分子聚合物薄膜经延展拉伸和电场极
膜片 预紧筒
晶片组
电极 外壳 芯体
4、 压电式玻璃破碎报警器 • 利用压电元件对振动敏感的特性来感知玻璃受撞 击和破碎时产生的振动波。传感器把振动波转换 成电压输出 输出电压经放大、 滤波、 比较等处 理后提供给报警系统。 • 传感器的最小输出电压为 100 mV, 最大输出 电压为 100 V, 内阻抗为 15～20 kΩ。
检测的反射波从发射到接收要经过一段距离，能量衰 减较大，接收到的信号极其微弱，转换成电压后一般最大 约1V，最小约1mV；因此一股要接高增益放大器、高速运 放，精度与失真度也有一定的要求。如果一级运放增益不 够，可再增加一级，每级运放的增益小于100倍即可。