压电元件与超声波传感器
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。
超声波传感器应用课件
CATALOGUE
超声波传感器在医疗领域的应用
超声波在医学影像中的应用
01
02
诊断疾病
监测胎儿发育
03 辅助手术
超声波在生物组织检测中的应用
生物组织检测
药物作用机制研究
生物组织损伤评估
超声波在药物传递和基因治疗中的应用
药物传递
基因治疗
细胞和组织修复
CATALOGUE
超声波传感器在其他领域的应用
复合材料检测
超声波传感器可以检测复合材料内部 的缺陷和损伤，如分层、脱粘等。
玻璃和陶瓷检测
超声波传感器可以检测玻璃和陶瓷等 材料的内部缺陷和损伤。
管道和容器检测
超声波传感器可以用于管道和容器等 设备的内部检测，检测其内部的腐蚀 和裂纹等。
超声波无损检测的局限性
经验要求高
对环境因素敏感
对操作者技能要求高 成本较高
磁致伸缩式超声波传感器
利用磁致伸缩材料的磁致伸缩效应产 生超声波信号。
超声波传感器的应用领域
01
工业检测
02
医学诊断
03
环境监测
04
军事应用
CATALOGUE
超声波传感器在无损检测中的应用
超声波在无损检测中的优势
无损检测
。
高精度
实时性 可靠性
超声波在无损检测中的主要应用场景
金属材料检测
超声波传感器可以检测金属材料内部 的缺陷和损伤，如焊接缝、裂纹等。
超声波在军事领域的应用
声呐系统 引信技术 声学武器
CATALOGUE
超声波传感器的未来发展
新型超声波传感器的研发
微型化超声波传感器
01
高频超声波传感器
3.超声波传感器
为电信号输出。因此，压电式超声波传感器实质上是一种压电式传
感器。
2.磁致式超声波传感器
磁致式超声波传感器的结构如图所示，主要由铁磁材料和 线圈组成。超声波的发射原理是:把铁磁材料置于交变磁场中， 产生机械振动，发射出超声波。其接收原理是:当超声波作用在 磁致材料上时，使磁致材料振动，引起内部磁场变化，根据电
在选择时，首先应了解测试目的，判断是定性分析还是定量
分析。如果是相对比较性的试验研究，只需获得相对比较值即可， 如果是定量分析，那么必须获得精确量值。 但在某些情况下，要求传感器的精确度愈高愈好。例如，对 现代超精密切削机床，测量其运动部件的定位精度，主轴的回转 运动误差、振动及热形变等时，往往要求它们的测量精确度在
湿度的影响或油剂浸人间隙时，会改变电容器的介质。光电传感 器的感光表面有尘埃或水泡时，会改变感光性质。对于磁电式传
感器或霍尔效应元件等，当在电场、磁场中工作时，亦会带来测
量误差。滑线电阻式传感器表面有灰尘时，将会引入噪声。
其二;要创造或保持一个良好的环境，在要求传感器长期地工
作而不需经常地更换或校准的情况下，应对传感器的稳定性有严
四、稳定性 传感器的稳定性是经过长期使用以后，其输出特性不发生变 化的性能。影响传感器稳定性的因素是时间与环境。
为了保证稳定性，在选择传感器时，一般应注意两个问题。
其一，根据环境条件选择传感器。例如，选择电阻应变式传感 器时，应考虑到湿度会影响其绝缘性，湿度会产生零漂，长期使
用会产生蠕动现象等。又如，对电势输出。
3.超声波传感器的应用
利用超声波反射、折射、衰减等物理性质，可以实现液位、
流量、粘度、厚度、距离以及探伤等参数的测量。所以，超声
波传感器已广泛地应用于工业、农业、轻工业以及医疗等各技 术领域。
3.2压电式压力传感器解析
§7.6 压电传感器的应用
地 震 的 巨 大 威 力
33
§7.6 压电传感器的应用
南海Ms7.2地震波形记录图
34
§7.6 压电传感器的应用 3) 压电式振动加速度传感器结构及外形
横向振动测振器
纵向振动测振器
35
4火炮堂内压力测试
发射药在堂内燃烧形成压力完成炮弹的发射。 堂内压力的大小，不仅决定着炮弹的飞行速 度，而且与火炮、弹丸的设计有着密切关系。
12
二、压电材料 1、种类：
石英晶体：如石英等； 压电陶瓷：如钛酸钡、锆钛酸铅等； 压电半导体：如硫化锌、碲化镉等； 高分子压电材料：聚二氟乙烯等。 2、对压电材料特性要求： ①转换性能：要求具有较大压电常数； ②机械性能： 机械强度高、刚度大，以期获得宽的线性
范围和高的固有振动频率； ③电性能：具有高电阻率和大介电常数，以减弱外部分布 电容的影响并获得良好的低频特性； ④环境适应性强：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； 13 ⑤时间稳定性：要求压电性能不随时间变化。
从作用力看，元件是串接的，因而每片受到的作用力相同，产生的变 形和电荷数量大小都与单片时相同。
图a）从电路上看，这是并联接法， 类似两个电容的并联。所以， 外力作用下正负电极上的 电荷量增加了1倍，电容量也增加了1倍，输 出电压与单片时相同。 图b）从电路上看是串联的，两压电片中间粘接处正负电荷中和， 上、 下极板的电荷量与单片时相同，总电容量为单片的一半，输出电 压增大了1倍。
3. 交通监测
将高分子压电电 缆埋在公路上，可以 获取车型分类信息 （包括轴数、轴距、 轮距、单双轮胎）、 车速监测、收费站地 磅、闯红灯拍照、停 车区域监控、交通数 据信息采集（道路监 控）及机场滑行道等。
超声波传感器工作原理
超声波传感器工作原理超声波传感器是一种常用的无接触式传感器，通过发射超声波并接收其反射信号来实现测量、距离和检测等功能。
在工业、汽车、医疗和消费电子等领域被广泛应用。
本文将介绍超声波传感器的工作原理。
超声波传感器的工作原理基于声波的特性。
声波是一种机械波，传播速度较快，频率一般在20kHz至200kHz之间。
传感器通过发射超声波并接收其反射信号，可以测量物体的距离、位置和速度等参数。
超声波传感器通常由发射器、接收器和控制电路组成。
发射器产生超声波，通常采用压电材料，如PZT（铅锆酸钛）晶体。
当施加电压时，PZT晶体会振动，并在其表面产生超声波。
超声波的频率可以根据应用的需求进行调整。
发射的超声波在空气中以声速传播，当超声波与物体相遇时，会发生反射。
接收器接收到反射的超声波，并将其转换成电信号。
接收器通常也是采用压电材料，同样是PZT晶体。
当超声波击打到PZT 晶体上时，晶体被压缩产生电荷，这个电信号被传送到控制电路。
控制电路对接收到的电信号进行处理，计算出超声波的往返时间。
根据声波的速度和往返时间，可以计算出物体与超声波传感器之间的距离。
传感器可以通过测量超声波的往返时间来检测物体的位置或移动速度。
超声波传感器具有高精度、快速响应和广泛的测量范围等优点。
它可以测量非常小的距离，例如几毫米，也可以测量较长的距离，例如几米。
这使得超声波传感器在许多应用中变得非常重要。
超声波传感器广泛应用于工业自动化中的测距和检测任务。
例如，在机器人操作中，超声波传感器可以帮助机器人感知并避开障碍物。
在汽车行业，超声波传感器用于倒车雷达系统，可以帮助驾驶员避免碰撞。
此外，超声波传感器还用于医疗行业的诊断设备和消费电子产品，如智能手机的距离检测。
尽管超声波传感器在许多应用中具有优势，但也存在一些限制。
例如，超声波的传播受到环境因素的影响，如温度、湿度和空气密度等。
此外，超声波传感器对目标物体的特性也有一定的要求，如目标物体必须具有足够的表面反射性。
超声波传感器 课件
−
c
+
L
v cos
=
2Lv cos
c2 − v2 cos2
（8-18）
• 由于 c v，故上式可近似为 2Lv cos c2
则流体的平均速度为
v c2 2L cos
（8-19） （8-20）
相位法测流量以测相位角代替时差法测时间，提高了测量精度。
但同样由于超声波在流体中的传播速度受温度影响将会产生一定 的测量误差。
波，不会产生横波和表面波。
8.2 超声波传感器
•
利用超声波在超声场中的物理特性
和各种效应而制成的装置称为超声波传感
器，又称为超声波换能器或超声波探头。
超声波传感器可以实现声能和电能的互换
。以超声波作为检测技术手段，必须要产
生超声波和接收超声波。
•
超声波传感器按其工作原理，可分
为压电式、磁致伸缩式、电磁式等，其中
对于单个超声探头而言，超声波从发射到液面，又从液
面发射到探头的时间间隔为 t = 2h • 式中，h—探头到液面的距离； v
（8-6）
v—超声波在介质中的传播速度。
则
h = v t 2
（8-7）
对于两个超声探头而言，超声波从发射到被接收经过的路程
为，而
s = v t 2
（8-8）
则液位的高度为 h = s2 − a2
的在（1～4）×103dB/mm之间。
• 3 超声波的波形转换
•
当超声波以某一角度入射到第二介质（固体）的界
面上，除有纵波的反射和折射外，还有横波的反射和折射
，如图8-3所示。在一定的条件下，还能产生表面波。
L
1
L1
超声波发射原理
超声波发射原理
超声波发射是利用超声波传感器或超声波发射器将电能转换为声能的过程。
其原理基于压电效应，即当施加电场或电压时，某些材料会发生机械变形。
超声波发射器内部通常包含一个压电陶瓷晶体，如压电陶瓷片。
当施加电压到陶瓷片上时，陶瓷片会发生机械振动，进而产生超声波。
这样的压电陶瓷片属于压电传感器的一种，也被称为电声换能器。
压电陶瓷片在机械振动时会以较高的频率振动，其频率一般在20kHz至200kHz之间，这就是超声波的产生频率范围。
超声
波具有极高的频率，因此人类听觉范围之外，无法被人类直接感知。
在超声波发射器的设计中，通常会选择频率稳定、机械振动范围合适以及能够产生高能量输出的压电材料。
石英和铅锆钛酸盐（PZT）是常用的材料。
超声波发射器将电能转换为声能后，通过某种传导介质（如空气或液体）传播。
超声波在传播过程中会受到不同介质的影响，例如传播速度和幅度的衰减等。
利用超声波传感器可以探测介质中的物理特性变化，如密度、粘度、温度等。
总结来说，超声波发射的原理是利用压电陶瓷片的机械振动将电能转换为声能，产生超声波。
超声波通过传导介质传播，并可以用于测量介质的物理特性。
压电器件的种类特点及应用
压电器件的种类特点及应用压电器件是一类利用压电效应进行能量转换和信号转换的器件。
根据其结构和性能特点的不同，压电器件可以分为多种类型。
下面将分别介绍几种常见的压电器件的种类特点及应用。
1. 压电陶瓷压电陶瓷具有良好的压电效应和尺寸效应特点。
它通常由铅锆钛酸钡等复合材料制成。
压电陶瓷具有高的机械耐久性和耐腐蚀性，可在宽温度范围内工作。
它被广泛应用于超声波传感器、超声波发生器、压力传感器、压电加速度计等领域。
2. 压电薄膜压电薄膜是将压电材料制成薄膜状的器件。
它具有厚度较小、重量轻、柔韧性好等特点，可以与其它材料结合使用。
压电薄膜广泛应用于压力传感器、触控屏、声波酒塞等领域。
3. 压电陶瓷复合材料压电陶瓷复合材料是将压电陶瓷和其它材料复合在一起得到的一种新型压电材料。
它综合了不同材料的优点，既具有压电陶瓷的压电效应，又具有其它材料的特性。
压电陶瓷复合材料被广泛应用于声波滤波器、声波振荡器、微机械系统等领域。
4. 压电压敏电阻压电压敏电阻是一种同时具有压电效应和电阻特性的器件。
它可以将机械能转换为电能，并且具有电阻随压力变化的特点。
压电压敏电阻被广泛应用于压力传感器、动态测量系统等领域。
5. 压电液体晶体压电液体晶体是一种在电场和机械力共同作用下会出现液体结构变化的压电材料。
它具有密度变化大、响应速度快等特点。
压电液体晶体被广泛应用于声波传感器、液体振荡器等领域。
压电器件的应用非常广泛。
它们在工业、医疗、汽车、通信、军事等领域都扮演着重要的角色。
以下是一些常见的应用案例：1. 超声波传感器：利用压电陶瓷或压电薄膜的压电效应，将机械能转换为电能，实现对超声波的检测和测量。
广泛应用于医疗、无损检测、仪器仪表等领域。
2. 压电陶瓷振荡器：利用压电陶瓷的压电效应，将电能转换为机械振动，实现高精度的振荡器功能。
广泛应用于时钟、无线通信、音频设备等领域。
3. 压力传感器：利用压电器件的压电效应，将被测压力转换为相应的电信号。