第7章压电元件与超声波传感器详解
超声波传感器原理与特性
Ultrasonic sensor principles and characteristics
课程内容 Course Contents
1.1超声波传感器的定义 1.2超声波传感器的原理
1.3超声波传感器的结构
1.4超声波传感器的特性 1.5超声波传感器的性能指标
1.1超声波传感器的定义
正向压电效应
逆向压电效应。
1.3 超声波传感器的结构
超声波探头结构如图所示，它主要 由压电晶片、吸收块（阻尼块）、保护 膜、引线等组成。
导电螺杆 接线片
金属壳
吸收块
压电晶片多为圆板形，厚度为 δ 。 超声波频率 f与其厚度δ成反比。压电晶 片的两面镀有银层，作导电的极板。 阻尼块的作用：降低晶片的机械品 质，吸收声能量。如果没有阻尼块,当激 励的电脉冲信号停止时,晶片将会继续振 荡，加长超声波的脉冲宽度，使分辨率 变差。
传感器的带宽较窄、具有单峰特性，即在中心频率处灵敏 度最高，输出信号幅度最大，也几乎在这个频点，接收器 的接收灵敏度最高， 而在中心频率两侧则迅速衰减。
接收超声波
发送超声波
1.4 超声波传感器的特性
(2) 指向性特性
方向角(-6dB) ：从超声波传感器轴线到声压降6dB处的角度
1.4 超声波传感器的特性
1.5 超声波传感器的性能指标
超声波传感器-性能参数
THANK YOU
(3) 阻抗特性
并联谐振
阻抗
串联谐振 频率 超声波传感器具有高阻特性，驱动电流小，要求驱 动电压较高，是电压驱动型传感器。
1.5 超声波传感器的性能指标
（1）工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加 到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输 出的能量最大，灵敏度也最高。 （2）工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别 时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低， 可以长时间地工作而不失效。医疗用的超声探头的温度比 较高，需要单独的制冷设备。 （3）灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大， 灵敏度高；反之，灵敏度低。
超声波传感器
第1讲 超声波传感器的特性
测距离
第1讲 超声波传感器的特性
第1讲 超声波传感器的特性
测料位
第1讲 超声波传感器的特性
B扫描超声成像技术
第1讲 超声波传感器的特性
美国的维吉尼亚级潜艇
超声波探头按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等，其
中以压电式最为常用。压电式超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶
瓷，这种传感器统称为压电式超声波探头。 它是利用压电材料的压电效应 来工作的。 压电效应有正向压电效应和逆向压电效应。 超声波发送器是利用逆向压电效应制成——即在压电元件上施加电压， 元件就变形（也称应变）引起空气振动产生超声波，超声波以疏密波形式 传播，传送给超声波接收器。
超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的
固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会 因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面 。
产生显著反射形成反射回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。
第1讲 超声波传感器的特性
第1讲 超声波传感器的特性
压电式超声波传感器的基本工作原理
子的形状、尺寸、数量、 介质的性质和散射粒子的性质有关。
吸收衰减是由于介质粘滞性，使超声波在介质中传播时造 成质点间的内摩擦，从而使一部分声能转换为热能，通过热传 导进行热交换，导致声能的损耗。
第1讲 超声波传感器的特性
（二） 超声波传感器的特性 3.1 频率特性
接收超声波
发送超声波
第1讲 超声波传感器的特性
第1讲 超声波传感器的特性
超声波传感器
第1讲 超声波传感器的特性
（一） 超声波传感器的原理及结构
利用超声波在超声场中的物理特性和各种效应而研制的装置 称为超声波传感器、探测器或换能器，也称为探头。
压电传感器(传感技术课件)
8.2 压电传感器
压电式传感器是一种自发电式传感器。它以某些电介质的压电效应为基 础，在外力作用下，在电介质表面产生电荷，从而实现测量非电量的目 的。
压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最终能变换为力的那些非电物 理量，例如动态力、动态压力、振动加速度等。
压电传感器的应用
1）行驶中称重 ：其主要用途是高速公路车辆超重超载监测的预选和桥 梁超载警告系统，既判断正在高速行驶中的车辆，尤其是驶过桥梁的车 辆是否超载，由视频系统拍下车牌号记录在案，并根据超载量罚款。
2）压电式周界报警系统（用于重要位置出入 口、周界安全防护等）
将长的压电电缆埋在泥土的浅表层，可起分布 式地下麦克风或听音器的作用，可在几十米范 围内探测人的步行, 对轮式或履带式车辆也可 以通过信号处理系统分辨出来。右图为测量系 统的输出波形。
压电薄膜传感器及其在心脏监测中的应用
PVDF压电薄膜是一种新型的高分子压电材料，在医用传感器中应用很普遍。 它既具有压电性又有薄膜柔软的机械性能，用它制作压力传感器，具有设 计精巧、使用方便、灵敏度高、频带宽、与人体接触安全舒适，能紧贴体 壁，以及声阻抗与人体组织声阻抗十分接近等一系列特点，可用于脉搏心 音等人体信号的检测。脉搏心音信号携带有人体重要的生理参数信息，通 过对该信号的有效处理，可准确得到波形、心率次数等可为医生提供可靠 的诊断依据。
压力式力传感器和测力锤
它利用石英晶体的纵向压电效应，将“力” 转换成“电荷”，并通过二次仪表转换成电 压，具有气密性好、硬度高、刚度大、动态 响应快等优点。可以测量动态力、准静态力 和冲击力。
压电MEMS传感器介绍及原理解析
压电MEMS传感器介绍及原理解析一、压电效应及压电材料1、压电效应压电材料是指受到压力作用在其两端面会出现电荷的一大类单晶或多晶的固体材料，它是进行能量转换和信号传递的重要载体。
最早报道材料具有压电特性的是法国物理学家居里兄弟，1880年他们发现把重物放在石英晶体上，晶体某些表面会产生电荷，电荷量与压力成正比，并将其成为压电效应。
压电效应可分为正压电效应和逆压电效应两种。
某些介电体在机械力作用下发生形变，使介电体内正负电荷中心发生相对位移而极化，以致两端表面出现符号相反的束缚电荷，其电荷密度与应力成比例。
这种由“压力”产生“电”的现象称为正压电效应。
反之，如果将具有压电效应的介电体置于外电场中，电场使介质内部正负电荷位移，导致介质产生形变。
这种由“电”产生“机械变形”的现象称为逆压电效应。
2、压电材料（1）压电单晶压电单晶是指按晶体空间点阵长程有序生长而成的晶体。
这种晶体结构无对称中心，因此具有压电性。
如石英晶体、镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛以及铁晶体管铌酸锂、钽酸锂等。
压电单晶材料的生长方法包括水热法、提拉法、坩埚下降法和泡生法等。
（2）压电陶瓷压电陶瓷则泛指压电多晶体，是指用必要成份的原料进行混合、成型、高温烧结，由粉粒之间的固相反应和烧结过程而获得的微细晶粒无规则集合而成的多晶体，具有压电性的陶瓷称压电陶瓷。
压电陶瓷材料具有良好的耐潮湿、耐磨和耐高温性能，硬度较高，物理和化学性能稳定。
压电陶瓷材料包括钛酸钡BT、锆钛酸铅PZT、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸铅钡锂PBLN、改性钛酸铅PT等。
（3）压电薄膜压电薄膜材料是原子或原子团经过或溅射的方法沉积在衬底上而形成的，其结构可以是费静态、多晶甚至是单晶。
压电薄膜制备的器件不需要使用价格昂贵的压电单晶，只要在衬底上沉积一层很薄的压电材料，因而具有经济和省料的特点。
而且制备薄膜过程中按照一定取向来沉积薄膜，不需要进行极化定向和切割等工艺。
另外，利用压电薄膜制备的器件应用范围广泛、制作简单、成本低廉，同时其能量转换效率高，还能与半导体工艺集成，符合压电器件微型化和集成化的趋势。
传感器课件-压电式传感器与超声波传感器
（ 3 ） 铌 镁 酸 铅 Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3 压 电 陶 瓷 （PMN）
具有较高的压电系数，在压力大至700kg/cm2仍能 继续工作，可作为高温下的力传感器。
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18
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20
1. 压电元件的等效电路
压电传感器在受外力作用时，在两个电极 表面将要聚集电荷，且电荷量相等，极性相 反。这时它相当于一个以压电材料为电介质 的电容器，其电容量为
Ca
r0S
ε0为真空介电常数；ε为压电材料的相对介电常数； δ为压电元件的厚度；S为压电元件极板面积。
21
Ca
s
h
r0s
h
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U Q Ca
22
压电式传感器的等效电路
(a)等效为一个电荷源Q与一个电容Ca并联的电路 (b) 等效成一个电源U = Q/Ca 和一个电容Ca的串联电路
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23
两个压电片的联结方式
（a） “并联”，Q’=2Q，U’=U，C’=2C 并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大， 适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的地方， （b） “串联” Q’=Q，U’=2U，C’=C/2 而串联接法输出电压大，本身电容小。 适宜用于以电压作输出信号，且测量电路输入阻抗很高的地方。
（1+K）Cf>>（Ca+Cc+Ci）
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35
电荷放大器能将压电传感器输出的电荷
转换为电压（Q/U转换器），但并无放大 电荷的作用，只是一种习惯叫法。
第七章超声波成像
第一章 概 述 声波的基本性质
10-4
100
104
1081012 Biblioteka Hz)•••
•
•
次声波 可闻声波 超声波 特超声波
地震 海啸 核爆炸
语言 音乐 自然界
老鼠 分子热振动 蝙蝠 海豚
第一章 概 述
• 医学超声学是一门将声学中的超声（ ultrasound）学与医学应用结合起来形成 的边缘科学，也是生物医学工程学中重要 的组成部分。医学超声影像仪器涉及到微 电子技术、计算机技术、信息处理技术、 声学技术及材料科学，是多学科边缘交叉 的结晶，是理工医相互合作与相互渗透的 结果。迄今超声成像与X-CT、ECT及MRI已 被公认为当代四大医学成像技术。
。
第二章 超声波的物理性质
二、超声波的物理量
• （四）声强
• 声强是表示声的客观强弱的物理量,它用每 秒钟通过垂直于声波传播方向的1平方厘米 面积的能量来度量。
• 单位是焦耳／(秒·平方厘米)［J/(s·cm2)］。
• 声强与声源的振幅有关,振幅越大,声强也 越大;振幅越小,声强也越小。声强随着距 离的增大而逐渐减弱。
X线属于电磁波。 纵波：质点的振动方向与波传播方向一致的波。 横波：质点的振动方向与波传播方向垂直的波。 在超声诊断中，声波在人体所有软组织中均以纵 波的形式传播，故诊断用超声都为纵波。
第二章 超声波的物理性质 （四）波长
对于纵波,等于两相邻密集点(或稀疏点)间的距离,如图(a) 所示; 对于横波,则是从一个波峰(或波谷)到相邻波峰(波谷)的距 离,如图(b)所示。
超声在传播时，遇到与超声波波长近似或小于波 长（小界面）的介质时，产生散射与绕射。 绕射是超声绕过障碍物的边缘，继续向前传播。
12第七章 压电式传感器7-2解析
q d 33 F d 33 ma
与加速度a成正比。因此，测得加速度传感
q=d11F=d11ma 器输出的电荷便可知加速度的大小。
压电式压力传感器
引线
壳体 基座
导电片 受压膜片 p
压电晶片
图7-19 压电式测压传感器
当膜片受到压力F作用后，在压电晶片表面
上产生电荷。在一个压电片上所产生的电荷 q为
管道上A、B两点放两只压电传感器，由从两个传
感器接收到的由O点传来的t0时刻发出的振动信号
所用时间差可计算出LA或LB。
地 L 面
LA
A O点
LB
B
两者时间差为
Δt= tA-tB=（LA - LB ）/v
又L=LA +LB ，所以
L t v LA 2 L t v LB 2
故可把压电传感器看成一个电荷源与一个
电容并联的电荷发生器。 其电容量为：
Ca q (a)
S r 0 S Ca
当两极板聚集异性电荷时，板间就呈现出
一定的电压，其大小为
q Ua Ca
因此，压电传感器还可以等效为电压源Ua 和一个电容器Ca的
Ca
串联电路，如图 (b)。
Ua (b)
（ ω=0 ）时，前置放大器的输出电压等于
零，因为电荷会通过放大器输入电阻和传 感器本身漏电阻漏掉，所以压电传感器不 能用于静态力的测量。
当 ω(Ca+Cc+Ci)R>>1 时，放大器输入 电压 Uim 如式（ 7-10 ）所示，式中 Cc 为连 接电缆电容，当电缆长度改变时，Cc也将 改变，因而 Uim 也随之变化。因此，压电
100~104pF。
超声波传感器的工作原理
超声波传感器的工作原理1、超声波传感器概述超声波传感器主要材料有压电晶体（电致伸缩）及镍铁铝合金（磁致伸缩）两类。
电致伸缩的材料有锆钛酸铅（PZT）等。
压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，所以它可以分成发送器或接收器。
有的超声波传感器既作发送，也作接收。
小型超声波传感器，发送与接收略有差别，它适用于在空气中传播，工作频率一般为23～25kHz及40～45kHz。
这类传感器适用于测距、遥控、防盗等用途。
另有一种密封式超声波传感器，它的特点是具有防水作用（但不能放入水中），可以作料位及接近开关用，它的性能较好，如下图所示。
▲超声波探头2、超声波传感器的类型与组成超声波应用有三种基本类型，透射型用于遥控器、防盗报警器、自动门、接近开关等；分离式反射型用于测距、液位或料位；反射型用于材料探伤、测厚等。
超声波传感器由发送传感器（或称波发送器）、接收传感器（或称波接收器）、控制部分与电源部分组成。
发送传感器由发送器与使用直径为15mm左右的陶瓷振子换能器组成，换能器的作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成超能量并向空中辐射；而接收传感器由陶瓷振子换能器与放大电路组成，换能器接收波产生机械振动，将其变换成电能量，作为传感器接收器的输出，从而对发送的超声波进行检测，如下图所示。
▲超声波发射接收器a）超声波发送器b）超声波接收器而实际使用中，用作发送传感器的陶瓷振子也可以用作接收传感器的陶瓷振子。
控制部分主要对发送器发出的脉冲链频率、占空比及稀疏调制和计数及探测距离等进行控制。
若对发送传感器内谐振频率为40kHz的压电陶瓷片（双晶振子）施加40kHz高频电压，则压电陶瓷片就根据所加高频电压极性伸长与缩短，于是发送40kHz频率的超声波，其超声波以疏密形式传播（疏密程度可由控制电路调制），并传给波接收器。
接收器是利用压力传感器所采用的压电效应的原理，即在压电元件上施加压力，使压电元件发生应变，则产生一面为“+”极，另一面为“-”极的40kHz正弦电压。
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• 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
➢ 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:
Q d为d F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:
q x dd1111纵向x 压电系数，σx为X方向应力
• 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：
q d 33
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。
Q
C aU
➢ 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：U Q / C a
❖ 根据等效电路，压电传感器灵敏度有两种
电荷灵敏度 电压灵敏度
Kq
Q F
U Ku F
根据它们之间的关系有：
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。
++++++++++ _
U’
____________
+
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
➢ 压电传感器可视为电荷源
➢ 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
Q dF
Ca
S
d
U Q /Ca
➢
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：
• 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；
P1 P2 P3
• 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
P1 , P2 , P3 ( P1 P2 P3 ) 0
• 出现上负下正电荷；
• 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
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。
P1 , P2 , P3 ( P1 P2 P3 ) 0
• 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。
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。
➢ 这些材料有：(ZnS) (CdTe) (ZnO) (CdS) (GaAs)
7.3 测量电路
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：
❖ 压电晶片按 + - + - 粘贴时电路并联
➢ 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
机 械 能
压电元件
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。
压电加速度计
压电警号
压电陶瓷超声换能器 水声（声呐）换能器
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；
➢ 压电材料可以分为两类： 压电晶体、压电陶瓷。
7.2.1 石英晶体
• 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。
压 电 晶 片
人工合成水晶
按特定方向切片
• 石英晶体沿各个方向的特征不同 （按特定方向切片）
C 2C
Q ' 2Q
U’
U 'U
电荷增加一倍，适用于电荷放大器
+++++++++++ + _____________ _ __________
+
_
+++++++++++
❖ 压电晶片按 + - - + 粘贴时电路串联
C' C 2
U ' 2U Q' Q
++++++++++ + ___________ _
• 在Y 轴方向施力时, 产生电荷大小为: q y d12d1ba2横向y压电系数，σy为Y方向应力
• 根据晶体的对称性ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ压电系数 d12 = - d11
a 、b 是晶体切片几何尺寸(长 、厚)，qx、qy 符号决定力的方向。
➢ 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。