第7章 压电元件与超声波传感器
第7章 压电式传感器
1 第7章 压电式传感器（2学时）
本章主要内容
7.1 压电式传感器的基本原理
7.2 压电式传感器的测量转换电路
7.3 压电式传感器的应用
教学要求及重点、难点
一. 教学要求
1. 了解压电式传感器基本原理，
2. 熟悉压电式传感器的测量转换电路
3. 了解压电式传感器的应用
二. 重点、难点
压电式传感器的测量转换电路
2 概 述
压电式传感器是利用某些电介质材料(如石英晶体)具有压电效应现象制成的。有些电介质材料在一定方向上受到外力(压力或拉力)作用而变形时，在其表面上产生电荷从而可以实现对非电量的检测。压电式传感器具有体积小、重量轻、频带宽等特点，适用于对各种动态力、机械冲击与振动的测量，广泛应用在力学、声学、医学、宇航等方面。
压电式传感器是一种无源传感器，大多数是利用正向压电效应制成的。外力去掉后，又回到不带电状态，这种将机械能转换成电能的现象，称为正向压电效应，简称压电效应。当然这种电介质材料也具有逆压电效应，即在相应表面上施加电压后，电介质材料会发生机械变形；去掉电压后，变形立即消失，它将电能转换成机械能。逆压
电效应也称电致伸缩效应。
7.1 压电式传感器的基本原理
一. 压电效应与压电材料
1. 压电效应
某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用产生变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面产生电荷。当外力去掉后，又重新回到不带电状态，这种现象称为压电效应。
压电效应分为正向压电效应和逆向压电效应。某些电介质，当沿着一定方向对其施加外力而使它变形时，内部就产生极化现象，相应地会在它的两个表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新 3 恢复到不带电状态，这种现象称压电效应。
当外力方向改变时，电荷的极性也随之改变，这种将机械能转换为电能的现象，称为正压电效应。相反，当在电介质极化方向施加电场，这些电介质也会产生一定的机械变形或机械应力，这种现象称为逆向压电效应，也称为电致伸缩效应。
超声波传感器
超声波传感器的实验报告
一、超声波传感器的定义：
超声波传感器是将超声波信号转换成其他能量信号（通常是电信号）的传感器。超声波是振动频率高于20KHz的机械波。它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。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。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。超声波传感器广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。
超声波传感器的原理：
二、超声波传感器按其工作原理，可分为
1、压电式
2、磁致伸缩式
3、电磁式
压电式超声波传感器
压电式超声波传感器是利用压电材料的压电效应原理来工作的。常用的敏感元件材料主要有压电晶体和压电陶瓷。
根据正、逆压电效应的不同，压电式超声波传感器分为发生器（发射探头）和接收器（接收探头） 两种，根据结构和使用的波型不同可分为直探头、表面波探头、兰姆波探头、可变角探头、双晶探头、聚焦探头、水浸探头、喷水探头和专用探头等。
压电式超声波发生器是利用逆压电效应的原理将高频电振动转换成高频机械振动，从而产生超声波。当外加交变电压的频率等于压电材料的固有频率时会产生共振，此时产生的超声波最强。压电式超声波传感器可以产生几十千赫到几十兆赫的高频超声波，其声强可达几十瓦每平方厘米。
压电式超声波接收器是利用正压电效应原理进行工作的。当超声波作用到压电晶片上引起晶片伸缩，在晶片的两个表面上便产生极性相反的电荷，这些电荷被转换成电压经放大后送到测量电路，最后记录或显示出来。压电式超声波接收器的结构和超声波发生器基本相同，有时就用同一个传感器兼作发生器和接收器两种用途。
典型的压电式超声波传感器结构主要由压电晶片、吸收块（阻尼块）、保护膜等组成。压电晶片多为圆板形，超声波频率与其厚度成反比。压电晶片的两面镀有银层，作为导电的极板，底面接地，上面接至引出线。为了避免传感器与被测件直接接触而磨损压电晶片，在压电晶片下粘合一层保护膜。吸收块的作用是降低压电晶片的机械品质，吸收超声波的能量。 磁致伸缩式超声波传感器
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。因该高频电压幅值较小，故必须进行放大。超声波传感器使得驾驶员可以安全地倒车，其原理是利用探测倒车路径上或附近存在的任何障碍物，并及时发出警告。
《检测技术及仪表》模拟卷试题、参考文献
机电一体化技术（航空电
气方向）专业
《检测技术及仪表》
形成性考核作业册
姓名_________________
学号_________________
分校_ _ _ __
信息技术与机电工程系
2013年9月
第2 页共24 页《检测技术及仪表》形成性考试作业一
成绩__________
教师签名__________
日期__________第1章绪论
思考题与习题
1-1.单项选择题
1）用万用表交流电压档(频率上限仅为5kHz)测量频率高达100kHz、10V左右的
高频电压，发现示值还不到2V，该误差属于 B 。用该表直流电压档测量5号干电池电压，发现每次示值均为1.7V，该误差属于A 。
A.系统误差 B.粗大误差 C.随机误差 D.动态误差
1-2. 指出下列情况哪些属于随机误差，哪些属于系统误差，或两者皆有？
1）电压表刻度不均匀；2）米尺因温度改变而伸缩；3）天平未调水平；4）游标
卡尺零点不准；5）电子秤内部温度与环境不一致产生温漂；6）加热丝的电阻随
温度变化对恒温器温度带来的误差；7）电压表视差；8）电桥检流计的零点漂移；
9）欧姆表的接触电阻；10）电网电压的变化对恒温器加热功率带来的误差。
答：1、系统；2、系统；3、系统；4、系统；5、系统+随机；6、系统；7、随机；8、系统；9、系统+随机；10、随机。
1-3. 某压力表准确度为2.5级，量程为0～1.5MPa，求：1）可能出现的最大满度相对误差γm。2）可能出现的最大绝对误差△m为多少千帕？3）测量结果显
示为0.70MPa时，可能出现的最大示值相对误差γx。
答：1）可能出现的最大满度相对误差可以从准确度等级直接得到，即γm=±2.5% 2）△m=γmAm=±2.5%×1.5Mpa=±0.0375Mpa=±37.5kPa
3）γx=△m×100%/Ax=±0.0375×100%/0.70=±5.36%
1-4. 现有准确度为0.5级的0～300℃的和准确度为1.0级的0～100℃的两个温度计，要测量80℃的温度，试问采用哪一个温度计好？
超声探头简介
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Word 文档 超声探头
句光宇
1、 超声波传感器工作的原理
1) 压电效应
某些晶体材料受到外力作用时，不仅发生变形，而且部被极化表面产生电荷；当外力去掉后，又回到原来状态，这种现象称为压电效应。
在自然界多数晶体具有压电效应, 但压电效应十分微弱。随着对材料的深入研究, 发现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。
正压电效应：
一些晶体结构的材料，当沿着一定方向受到外力作用时，部产生极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；
而当外力去掉后，又恢复不带电的状态；
当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变；
晶体受作用力产生的电荷量与外力的大小成正比，这种机械能转换为电能的现象称为正压电效应。
逆压电效应：
如果给晶体施加以交变电场，晶体本身则产生机械变形，这种现象称为逆压电效应，又称电致伸缩效应。
压电效应具有可逆性。
2)石英与压电瓷的压电效应机理
压电式超声波传感器（超声波探头）是利用压电元件的逆压电效应，将高频交变电场转换成高频机械振动而产生超声波（发射探头）；再利用正压电效应将超声振动波转换成电信号（接收探头)。发射探头和接收探头结构基本相同，有时可用一个探头完成两种任务。
石英晶体的压电效应
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Word 文档
X轴：电轴或1轴； Y轴：机械轴或2轴； Z轴：光轴或3轴。
“纵向压电效应”：沿电轴（X轴）方向的力作用下产生电荷
“横向压电效应”：沿机械轴（Y轴）方向的力作用下产生电荷
在光轴（Z轴）方向时则不产生压电效应。
当沿x轴方向加作用力Fx时，则在与x轴垂直的
平面上产生电荷
xxFdQ•11 d11——压电系数（C/N）
作用力是沿着y轴方向电荷仍在与x轴垂直的平面
检测与转换技术
第一章 检测技术的基本概念
1、某压力仪表厂生产的压力表满度相对误差均控制在0.4%~0.6%，该压力表的精度等级应定为多少级？答：1 .0
2、某仪器厂需要购买压力表，希望压力表的满度相对误差小于0.9%，应购买精度等级为多少 级的压力表？ 答：0 .5 a
3、对同一被测量进行多次重复测量时，误差的绝对值和符号不可预知地随机变化，但总体满足一定的统计规律性，该误差称为什么误差？ 答： 随机误差
4、多次重复测量时，误差的大小或符号保持不变，或按一定规律出现（始终偏大、偏小或周期性变化），该误差称为什么误差？ 答： 系统误差
5、检测中使用一次仪表，新的国家标准规定电流输出和电压输出是多少？
答： 4～20mA、 1～5V
6、检测中由于电流信号不易受干扰，且便于远距离传输，所以在一次仪表中多采用电流输出型，新的国家标准规定电流输出为多少？ 答： 4～20mA
7、什么是系统误差？答：在重复性条件下，对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值与被测量的真值之差，称为系统误差。
8、什么是粗大误差？答：超出在规定条件下预计的误差，或明显偏离真值的误差称为粗大误差，也叫过失误差、疏忽误差或粗差，应予以剔除。
9、什么是测量
答：测量过程实质上是一个比较的过程，即将被测量与一个同性质的、作为测量单位的标准量进行比较，从而确定被测量是标准量的若干倍或几分之几的比较过程。
10、什么是测量结果？
答：测量结果可以表现为一定的数字，也可表现为一条曲线，或者显示成某种图形等，测量结果包含数值（大小和符号）以及单位。有时还要给出误差范围
11、什么是静态测量？什么是动态测量？
答：在检测技术中，对缓慢变化的对象所进行的测量，亦属于静态测量。工程中，有时可认为几十赫兹以上的测量称为动态测量。
12、传感器有哪三部分组成？答：传感器由敏感元件、传感元件及测量转换电路三部分组成。
13、某数字表满量程为99.9A，该表的分辨力和分辨率为多少？
压电超声波传感器的工作原理
压电超声波传感器的工作原理
压电超声波传感器是一种常见于医疗设备、工业控制和汽车领域的传感器，它能够利用压电效应来生成和感知超声波，从而实现对各种物体和介质的检测和测量。下面将详细介绍压电超声波传感器的工作原理。
一、压电效应
压电效应是指某些晶体在受到机械应力作用时会产生电荷分布不均，从而产生电压的现象。常见的压电材料包括石英、硼酸盐晶体和钛酸锆晶体等。这些材料在外加压力的作用下会发生畸变，从而在晶体内部产生电荷分布的不均，最终产生电压。这种现象被称为正压电效应。
二、超声波的产生和传播
超声波是一种频率高于人类听觉范围（20kHz）的机械波，通常在20kHz到100MHz之间。它的产生和传播需要一个能够振动的源，当源振动时，会在介质中产生机械波，这些机械波以声速传播，这就是超声波的基本特性。超声波具有波长短、穿透力强、衍射小等特点，常被用于检测和成像。
三、压电超声波传感器的工作原理
压电超声波传感器是一种利用压电效应产生超声波的传感器。其基本工作原理分为两个部分：超声波的发射和接收。
1. 超声波的发射
当传感器的压电材料受到外力振动时，根据正压电效应产生电荷分布的不均，从而产生电压信号。利用这个电压信号可以通过电路和控制器来激励压电材料，产生与外力频率相同的机械振动。这样，压电材料就能够通过振动产生超声波，将机械能转换为声能。
2. 超声波的接收
当外部有超声波穿过传感器时，这些超声波会在压电材料上产生机械振动。由于正压电效应，这种机械振动会导致压电材料内部电荷分布的不均，从而产生电压信号。这个电压信号就代表着传感器接收到的超声波信息。
四、应用
压电超声波传感器具有频率高、穿透力强、波束狭窄等特点，因此在很多领域有着广泛的应用，包括但不限于：
- 医疗领域：超声波探测器、超声波成像设备等； - 工业领域：材料检测、液位检测、位移测量等；
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。
压电式传感器原理与应用
压电式传感器原理与应用
在寒假里学院给我们留了一些论文题目，希望可以开拓我们的视野。我对电磁方面比较感兴趣，于是就选了宋老师的压电式传感器原理与应用。并在网上深入的了解了一下，结合以前所学，完成了这篇报告，写的十分粗浅，只是一些关于压电式传播器的原理和应用前景，望老师指正。
引言 ：
压电现象是100多年前居里兄弟研究石英时发现的。居里兄弟在研究热电性与晶体对称的关系时，发现压力可产生电效应，即在某些晶体的特定方向加压力时，相应的表面上出现正负的电荷，而且电荷密度与压力大小成正比。居里兄弟所报道的这些晶体中就有后来广为研究的铁电体酒石酸钾钠（罗息盐）。1881年Lippman应用热力学原理预言了逆压电效应（converse piezoelectric effect），即电场可以引起与之成正比的应变。很快这一预言被居里兄弟用实验所证实了。 接着Hankl引入了piezoelectricity（压电性）这个名词。Voigt应用对称性原理建立了压电性的唯象理论。他将弹性顺度张量和极化矢量的分量与晶体的对称操作联系起来，得知在32个晶体点群中作为三阶张量的压电常量有哪些张量元不为零，并指出它们之间有什么关系。在微观理论方面，玻恩和他合作者在晶格动力学的框架内研究了压电效应，并且计算了一些晶体（如闪锌矿）的压电常量。[1]
压电材料的实用化是进一步研究压电效应的推动力。实用化方面早期有两个奠定性的工作。第一，1916年郎之万发明了用石英晶体制作的水声发射器和接收器，并用于探测水下的物体。第二，1918年Cady通过对罗息盐晶体在机械谐振频率附近的特异的电性能研究发明了谐振器。前者是最早的压电换能器，后者则为压电材料材料在在通信技术和频率控制等方面的应用奠定基础[2]
1．压电原理
1.1线性状态方程和线性响应系数
处理电介质平衡性质的基本理论是线性理论。该理论成立条件是系统状态相对其初始态的偏离较小，在特征函数对独立变量的展开式中可忽略二次以上的高次项，而在热力学量对独立变量的展开式中可以只取线性项。
超声波传感器及应用
超声波传感器及应用
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文章来源：中国功率超声网 添加人：admin 添加时间：2006-6-23 16:11:45
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原理简述：
超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频 率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。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产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。
超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。
超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。超声波传感器的主要性能指标
包括；
（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产生失效。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。