逆压电效应课件.ppt

1、感测技术基础感测技术基础 浙江师范大学电子信息技术研究所浙江师范大学电子信息技术研究所9.1 9.1 超声波传感器超声波传感器 一、超声波及其性质一、超声波及其性质 1.1.超声波的定义超声波的定义 振动在弹性介质中的传播称为波动，简称振动在弹性介质中的传播称为波动，简称波波。高于。高于2 210104 4HzHz的机械波称为的机械波称为超声波超声波。频率在频率在16Hz16Hz2 210104 4HzHz之间的机械波，能为人之间的机械波，能为人耳所闻，称为声波耳所闻，称为声波 高于高于100MHz100MHz的波，的波，称为特超声波称为特超声波 低于低于16Hz16Hz的的机械波，称机械波，

2、称为次声波为次声波 高于高于2 2104HzHz的的波，称为超声波波，称为超声波 感测技术基础感测技术基础 浙江师范大学电子信息技术研究所浙江师范大学电子信息技术研究所2.2.超声波与声波的异同超声波与声波的异同 相同点相同点：传播速度也取决于介质的密度和介质的弹性常数。（气体中传播速度也取决于介质的密度和介质的弹性常数。（气体中声速为声速为344m/s344m/s，液体中声速为，液体中声速为9009001900m/s。在不锈钢中，纵波。在不锈钢中，纵波速度是速度是5790米米/秒，横波速度是秒，横波速度是3100米米/秒。秒。）不同点不同点：振动频率高而波长短，因而振动频率高而波长短，因而具

3、有束射特性，方向性强，可具有束射特性，方向性强，可以定向传播。以定向传播。能量远远大于振幅相同的一般声能量远远大于振幅相同的一般声波，并具有很高的穿透能力。波，并具有很高的穿透能力。在两介质的分界面上将发生反射和折射及波型转换。超声波在两介质的分界面上将发生反射和折射及波型转换。超声波的频率越高，特性越与光波相似。的频率越高，特性越与光波相似。感测技术基础感测技术基础 浙江师范大学电子信息技术研究所浙江师范大学电子信息技术研究所3.3.超声波的波型分类超声波的波型分类 超声波的传播波型主要可分为纵波、横波、表面波等几种。超声波的传播波型主要可分为纵波、横波、表面波等几种。振动方向和波的振动方向

4、和波的传播方向一致。传播方向一致。能在固体、液体能在固体、液体和气体中传播。和气体中传播。振动方向和波的振动方向和波的传播方向垂直。传播方向垂直。只能在固体中传只能在固体中传播。播。固体中，横波声速为纵波声速的一半固体中，横波声速为纵波声速的一半感测技术基础感测技术基础 浙江师范大学电子信息技术研究所浙江师范大学电子信息技术研究所表面波表面波 质点的振动介于横波与纵波之间，沿着表面传播的波。表质点的振动介于横波与纵波之间，沿着表面传播的波。表面波随深度增加衰减很快。表面波振动轨迹是椭圆型，在面波随深度增加衰减很快。表面波振动轨迹是椭圆型，在固体固体表面表面传播。传播。感测技术基础感测技术基础

5、浙江师范大学电子信息技术研究所浙江师范大学电子信息技术研究所 声波在介质中传播时，随距离的增加，能量逐渐衰减，衰声波在介质中传播时，随距离的增加，能量逐渐衰减，衰减规律用两个能量描述：减规律用两个能量描述：0 xxpp e20 xxII e声压声压 声强声强 x：声波与声源之间距离；声波与声源之间距离；：衰减系数衰减系数Np/mNp/m（奈培（奈培/米）；米）；:为为 X=0 X=0 处声压、声强；处声压、声强；0P0IxPxI声波随声波随 X X 增加声能增加声能由于扩散吸收而减弱。由于扩散吸收而减弱。其衰减的程度与波的频率和介质密度有关。其衰减的程度与波的频率和介质密度有关。例，在气体密度

6、很小，超声波在气体中传播很快衰减。例，在气体密度很小，超声波在气体中传播很快衰减。感测技术基础感测技术基础 浙江师范大学电子信息技术研究所浙江师范大学电子信息技术研究所4.4.超声波的特点超声波的特点 超声波在液体、固体中衰减很小，穿透能力强，特别是不超声波在液体、固体中衰减很小，穿透能力强，特别是不透光的固体能穿透几十米；透光的固体能穿透几十米；超声波为直线传播方式，频率越高绕射越弱，但反射越强，超声波为直线传播方式，频率越高绕射越弱，但反射越强，利用这种性质可以制成超声波测距传感器。利用这种性质可以制成超声波测距传感器。超声波在空气中传播速度较慢，为超声波在空气中传播速度较慢，为340m/

7、s340m/s，这一特点使得，这一特点使得超声波应用变得非常简单，可以通过测量波的传播时间测超声波应用变得非常简单，可以通过测量波的传播时间测量距离、厚度等。量距离、厚度等。由于超声波的这些特性，使它在检测技术中获得广泛应用。由于超声波的这些特性，使它在检测技术中获得广泛应用。如：超声波测距、测厚、测流量、无损探伤、超声成像。如：超声波测距、测厚、测流量、无损探伤、超声成像。感测技术基础感测技术基础 浙江师范大学电子信息技术研究所浙江师范大学电子信息技术研究所二、超声波传感器二、超声波传感器 产生超声波和接收超声波的装置，习惯上称为产生超声波和接收超声波的装置，习惯上称为超声波换能超声波换能器

8、器或或超声波探头超声波探头。感测技术基础感测技术基础 浙江师范大学电子信息技术研究所浙江师范大学电子信息技术研究所压电元件压电元件机械能电能发射元件发射元件:利用压电材料的逆压电效应，将高频电振动转换利用压电材料的逆压电效应，将高频电振动转换为机械振动产生超声波；为机械振动产生超声波；接收元件接收元件:利用压电材料正压电效应，将超声波振动转换为电利用压电材料正压电效应，将超声波振动转换为电信号。信号。感测技术基础感测技术基础 浙江师范大学电子信息技术研究所浙江师范大学电子信息技术研究所 超声波探头按其工作原理分为：超声波探头按其工作原理分为：压电式压电式 、磁致伸缩式、电磁式、磁致伸缩式、电磁

9、式等等 实际使用中压电式探头最为常见。实际使用中压电式探头最为常见。1.1.压电式探头的组成压电式探头的组成 由由压电晶片压电晶片、吸收块吸收块(阻尼块阻尼块)、保护膜保护膜等组成。等组成。感测技术基础感测技术基础 浙江师范大学电子信息技术研究所浙江师范大学电子信息技术研究所感测技术基础感测技术基础 浙江师范大学电子信息技术研究所浙江师范大学电子信息技术研究所2.2.典型结构典型结构可发射和可发射和接收纵波接收纵波 可发射和可发射和接收横波接收横波 感测技术基础感测技术基础 浙江师范大学电子信息技术研究所浙江师范大学电子信息技术研究所4.4.超声波发生器原理超声波发生器原理 压电晶体：压电晶体

10、：压电效应压电效应:逆压电效应逆压电效应_y逆压电效应逆压电效应电致伸缩效应电致伸缩效应在压电材料切片上施加交在压电材料切片上施加交变电压，使它产生电致伸变电压，使它产生电致伸缩振动，而产生超声波，缩振动，而产生超声波，如图所示。如图所示。当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆逆压电效应压电效应，或称为电致伸缩现象。，或称为电致伸缩现象。感测技术基础感测技术基础 浙江师范大学电子信息技术研究所浙江师范大学电子信息技术研究所n当外

11、加交变电压频率等于晶片的固有频率时，产生共振，这当外加交变电压频率等于晶片的固有频率时，产生共振，这时产生的超声波最强。时产生的超声波最强。共振共振 超声波频率超声波频率f f与该压电晶片的厚度与该压电晶片的厚度成反比：成反比：1121Ef 晶片的密度晶片的密度 晶片沿晶片沿x x轴方向轴方向的弹性模量的弹性模量n压电效应换能器可以产生几十千赫兹到几十兆赫兹的高频超压电效应换能器可以产生几十千赫兹到几十兆赫兹的高频超声波。声波。感测技术基础感测技术基础 浙江师范大学电子信息技术研究所浙江师范大学电子信息技术研究所5.5.超声波接收器原理超声波接收器原理 在超声波技术中，除了需要能产生超声波的发

12、生器以外，在超声波技术中，除了需要能产生超声波的发生器以外，还需要能接收超声波的还需要能接收超声波的接收器接收器。压压电电晶晶体体测测量量电电路路超声波超声波 压电式超声波接收器是利用压电式超声波接收器是利用正压电效应正压电效应进行工作的。它的进行工作的。它的结构和超声波发生器基本相同，有时就用同一个换能器兼结构和超声波发生器基本相同，有时就用同一个换能器兼做发生器和接收器两种用途。做发生器和接收器两种用途。某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相部会产生极化现象，同时在它的两个

13、相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。种现象称为正压电效应。感测技术基础感测技术基础 浙江师范大学电子信息技术研究所浙江师范大学电子信息技术研究所 超声波探头材料超声波探头材料 常用的材料：压电晶体和压电陶瓷，这种探头统称为压电式常用的材料：压电晶体和压电陶瓷，这种探头统称为压电式超声波探头。超声波探头。工作原理：利用压电材料的压电效应。工作原理：利用压电材料的压电效应。为了以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声为了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

14、装置就是波。完成这种功能的装置就是超声波传感器超声波传感器，习惯上称为，习惯上称为超声波换能器超声波换能器，或，或超声波探头超声波探头。超声波探头超声波探头 利用利用逆压电效应逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，以产生将高频电振动转换成高频机械振动，以产生超声波，可做为发射探头。超声波，可做为发射探头。利用利用正压电效应正压电效应则将接收的超声振动转换成电信号，可作为则将接收的超声振动转换成电信号，可作为接收探头。接收探头。感测技术基础感测技术基础 浙江师范大学电子信息技术研究所浙江师范大学电子信息技术研究所超声波探头中的压电陶瓷芯片超声波探头中的压电陶瓷芯片 将数百伏的超声电脉冲加到压

15、电晶片上，利用逆压电效将数百伏的超声电脉冲加到压电晶片上，利用逆压电效应，使晶片发射出持续时间很短的超声振动波。当超声波经应，使晶片发射出持续时间很短的超声振动波。当超声波经被测物反射回到压电晶片时，利用正压电效应，将机械振动被测物反射回到压电晶片时，利用正压电效应，将机械振动波转换成同频率的交变电荷和电压。波转换成同频率的交变电荷和电压。感测技术基础感测技术基础 浙江师范大学电子信息技术研究所浙江师范大学电子信息技术研究所三、超声波检测方法三、超声波检测方法 超声波传感器在实际使用中比较常见的方法有：超声波传感器在实际使用中比较常见的方法有：透射法、反射法透射法、反射法和和频率法频率法（测量

16、流速）。（测量流速）。2)2)反射法反射法1）透射法）透射法两个探头分别置于被测两个探头分别置于被测对象的相对两侧，根据对象的相对两侧，根据超声波穿透被测对象前超声波穿透被测对象前后的能量变化来进行测后的能量变化来进行测量或探伤量或探伤通常采用一个通常采用一个超声波探头，超声波探头，兼做超声波发兼做超声波发射和接收用。射和接收用。感测技术基础感测技术基础 浙江师范大学电子信息技术研究所浙江师范大学电子信息技术研究所超声波传感器测距原理超声波传感器测距原理超声波测距原理：超声波测距原理：超声波发射探头发出的超声波脉冲在介质中传到相应介面超声波发射探头发出的超声波脉冲在介质中传到相应介面经过反射后

17、，再反回到接收探头。经过反射后，再反回到接收探头。在超声波发送器双振子施加在超声波发送器双振子施加40KHz40KHz电压，通过逆压电效电压，通过逆压电效应，送出超声波信号。接收探头经正压电效应将接收到应，送出超声波信号。接收探头经正压电效应将接收到的信号放大处理。的信号放大处理。感测技术基础感测技术基础 浙江师范大学电子信息技术研究所浙江师范大学电子信息技术研究所各种超声波测厚传感器各种超声波测厚传感器 超声波测流量超声波测流量 超声波频谱分析超声波频谱分析 超声波传感器应用超声波传感器应用 感测技术基础感测技术基础 浙江师范大学电子信息技术研究所浙江师范大学电子信息技术研究所超声波流量计现

18、场使用超声波流量计现场使用感测技术基础感测技术基础 浙江师范大学电子信息技术研究所浙江师范大学电子信息技术研究所超声波流量计超声波流量计 时间差法测量流量时间差法测量流量原理：原理：在被测管道上下游的一定距离上，分别安装两对超声波发在被测管道上下游的一定距离上，分别安装两对超声波发射和接收探头射和接收探头（F1，T1）、（）、（F2，T2），），其中其中F1，T1的超声波是顺流传播的，而的超声波是顺流传播的，而F2，T2的超声波是的超声波是逆流传播的。由于这两束超声波在液体中传播速度的不同，逆流传播的。由于这两束超声波在液体中传播速度的不同，测量两接收探头上超声波传播的时间差测量两接收探头上超

19、声波传播的时间差 t，可得到流体的，可得到流体的平均速度及流量。平均速度及流量。感测技术基础感测技术基础 浙江师范大学电子信息技术研究所浙江师范大学电子信息技术研究所超声波医学应用 检测、造影、美容等检测、造影、美容等感测技术基础感测技术基础 浙江师范大学电子信息技术研究所浙江师范大学电子信息技术研究所超声波清洗超声波清洗 感测技术基础感测技术基础 浙江师范大学电子信息技术研究所浙江师范大学电子信息技术研究所 超声波测量车速超声波测量车速：交警向行进中的车辆发射：交警向行进中的车辆发射频率已知的超声波，同时测量反射波的频率，根频率已知的超声波，同时测量反射波的频率，根据反射波频率变化的多少就能

20、知道车辆的速度。据反射波频率变化的多少就能知道车辆的速度。感测技术基础感测技术基础 浙江师范大学电子信息技术研究所浙江师范大学电子信息技术研究所超声波测液位超声波测液位 感测技术基础感测技术基础 浙江师范大学电子信息技术研究所浙江师范大学电子信息技术研究所超声波测量液位和物位超声波测量液位和物位 喇叭形超声发生器喇叭形超声发生器感测技术基础感测技术基础 浙江师范大学电子信息技术研究所浙江师范大学电子信息技术研究所超声波测量液位和物位原理超声波测量液位和物位原理 在液罐上方安装空气传导在液罐上方安装空气传导型超声发射器和接收器，根据型超声发射器和接收器，根据超声波的往返时间，就可测得超声波的往返

21、时间，就可测得液体的液面。液体的液面。感测技术基础感测技术基础 浙江师范大学电子信息技术研究所浙江师范大学电子信息技术研究所 c c：超声波在被测介质中的传播速度。：超声波在被测介质中的传播速度。由此可见，只要知道超声波速度，就对以通过精确地测量由此可见，只要知道超声波速度，就对以通过精确地测量时间时间t t的方法来精确测量距离的方法来精确测量距离L L。声速声速c c在各种不同的液体中是不同的。即使在同一种液体在各种不同的液体中是不同的。即使在同一种液体中，由于温度和压力不同，其值也不相同。中，由于温度和压力不同，其值也不相同。由于液体中其它成分的存在及温度的不均匀都会使由于液体中其它成分的

22、存在及温度的不均匀都会使c c发生发生变化，引起测量误差，变化，引起测量误差，故在精密测量时，要考虑采取补偿故在精密测量时，要考虑采取补偿措施。措施。感测技术基础感测技术基础 浙江师范大学电子信息技术研究所浙江师范大学电子信息技术研究所超声波探伤传感器超声波探伤传感器 穿透法探伤：穿透法探伤：根据超声波穿透工件根据超声波穿透工件后的能量变化状况来判断工件内部后的能量变化状况来判断工件内部质量的方法。质量的方法。(1)工件内无缺陷时，接收能量大，工件内无缺陷时，接收能量大，仪表指示值大；仪表指示值大；(2)工件内有缺陷时，部分工件内有缺陷时，部分能量被反射，接收能量小，能量被反射，接收能量小，仪

23、表指示值小。内部缺陷仪表指示值小。内部缺陷检测出来。检测出来。感测技术基础感测技术基础 浙江师范大学电子信息技术研究所浙江师范大学电子信息技术研究所感测技术基础感测技术基础 浙江师范大学电子信息技术研究所浙江师范大学电子信息技术研究所反射法探伤：反射法探伤：声波在工件中反射情况的不同，来探测缺声波在工件中反射情况的不同，来探测缺陷的方法。陷的方法。感测技术基础感测技术基础 浙江师范大学电子信息技术研究所浙江师范大学电子信息技术研究所兰姆波：纵波与横波组合的波，兰姆波：纵波与横波组合的波，它在整个物体内传播，质点作它在整个物体内传播，质点作椭圆轨迹运动。椭圆轨迹运动。感测技术基础感测技术基础 浙

24、江师范大学电子信息技术研究所浙江师范大学电子信息技术研究所9.2 9.2 声表面波传感器声表面波传感器 SAW特性：特性：声表面波传播于压电基片声表面波传播于压电基片表面表面通过物理、化学参量对声通过物理、化学参量对声波传播特性的扰动以对待波传播特性的扰动以对待测参量进行检测。测参量进行检测。在物体内部传播的弹性波称为体波，而沿物体表面传播透入深在物体内部传播的弹性波称为体波，而沿物体表面传播透入深度浅的弹性波称为表面波（度浅的弹性波称为表面波（SAW）。）。声表面波的振幅随距表面深度的增加而按指数衰减，声表面波的振幅随距表面深度的增加而按指数衰减，90%的能的能量集中在距表面量集中在距表面一

25、个波长左右厚度的表层内一个波长左右厚度的表层内。所以表面波器件。所以表面波器件可以做的很薄。可以做的很薄。感测技术基础感测技术基础 浙江师范大学电子信息技术研究所浙江师范大学电子信息技术研究所9.2.1 9.2.1 叉指换能器的基本结构叉指换能器的基本结构 声表面波通常由叉指换能器（声表面波通常由叉指换能器（IDTIDT）激发产生。）激发产生。叉指换能器是在压电基片上真空蒸发淀积一层金属薄膜，叉指换能器是在压电基片上真空蒸发淀积一层金属薄膜，再用光刻方法得到若干电极。再用光刻方法得到若干电极。这些电极条互相交叉配置，两端由汇流条连这些电极条互相交叉配置，两端由汇流条连接在一起，现状如同交叉平放

26、的两排手指。接在一起，现状如同交叉平放的两排手指。感测技术基础感测技术基础 浙江师范大学电子信息技术研究所浙江师范大学电子信息技术研究所 a a为叉指电极的电极宽度，为叉指电极的电极宽度，b b为电极间距，两个相邻电极构为电极间距，两个相邻电极构成一个电极对，其相互重叠的长度为有效指长，称为换能器的成一个电极对，其相互重叠的长度为有效指长，称为换能器的孔径孔径W W。叉指电极周期长度为：叉指电极周期长度为：22Tab 均匀（或非色散）均匀（或非色散）IDTIDT的电极宽度的电极宽度a a和电极间距和电极间距b b相等，即相等，即a=b=T/4a=b=T/4。IDTIDT利用压电材料的正利用压电

27、材料的正压电特性和逆压电特性，压电特性和逆压电特性，既可以做发射器用来激励既可以做发射器用来激励SAWSAW，又可作为接收换能，又可作为接收换能器，用来接收器，用来接收SAWSAW，是可，是可逆的。逆的。叉指换能器的基本结构叉指换能器的基本结构感测技术基础感测技术基础 浙江师范大学电子信息技术研究所浙江师范大学电子信息技术研究所9.2.2 9.2.2 声表面波传感器的基本原理声表面波传感器的基本原理 利用利用SAWSAW振荡器受各种物理、化学和生物量的作用而引起振振荡器受各种物理、化学和生物量的作用而引起振荡频率的变化，通过精确测量振荡频率的变化来实现检测目的。荡频率的变化，通过精确测量振荡频

28、率的变化来实现检测目的。SAW SAW振荡器有延迟线型（振荡器有延迟线型（DLDL型）和谐振器型（型）和谐振器型（R R型）两种。型）两种。延迟线型（延迟线型（DLDL型）振荡器型）振荡器由波延迟线和放大器组成。由波延迟线和放大器组成。激励输入换能器激励输入换能器T1T1激发出声表激发出声表面波，传播到面波，传播到T2T2转换成电信号经转换成电信号经放大后反馈到放大后反馈到T1T1，以便保持振荡，以便保持振荡状态。状态。感测技术基础感测技术基础 浙江师范大学电子信息技术研究所浙江师范大学电子信息技术研究所 必须满足包括放大器在内的环路相位是必须满足包括放大器在内的环路相位是2 2的正整数倍的振

29、的正整数倍的振荡条件，即：荡条件，即：22RflnVf f：振荡频率；：振荡频率；l:l:声表面波传播路程，即声表面波传播路程，即T1T1与与T2T2中心距；中心距；V VR R：声表面波速度；：声表面波速度；：包括放大器和电缆在内的环路：包括放大器和电缆在内的环路相位移；相位移；n n：正整数通常：正整数通常30301000.1000.当当不变时，外界被测参量变化会引起不变时，外界被测参量变化会引起V VR R 、l l值发生变化，值发生变化，从而引起振荡频率改变从而引起振荡频率改变f fRVflfVl感测技术基础感测技术基础 浙江师范大学电子信息技术研究所浙江师范大学电子信息技术研究所谐振

30、器型（谐振器型（R R型）振荡器型）振荡器由一对叉指换能器和反射栅阵列由一对叉指换能器和反射栅阵列组成。组成。发射和接收叉指换能器用来完成声发射和接收叉指换能器用来完成声-电转换。电转换。当发射叉指换能器上加以交变电信号时，相对于在压电衬底当发射叉指换能器上加以交变电信号时，相对于在压电衬底材料上加交变电场，这样材料表面就产生与所加电场强度成比材料上加交变电场，这样材料表面就产生与所加电场强度成比例的机械形变。例的机械形变。该声表面波在接收叉指换能器上该声表面波在接收叉指换能器上由于压电效应又转换成电信号，经由于压电效应又转换成电信号，经放大器放大后反馈到输入端。放大器放大后反馈到输入端。感测

31、技术基础感测技术基础 浙江师范大学电子信息技术研究所浙江师范大学电子信息技术研究所 只要放大器的增益能补偿谐振器及其连接导线的损耗，同只要放大器的增益能补偿谐振器及其连接导线的损耗，同时又能满足一定的相位条件，这样组成的振荡器就可以起振并时又能满足一定的相位条件，这样组成的振荡器就可以起振并维持振荡，其振荡频率为：维持振荡，其振荡频率为：RVfTT T：叉指电极周期长度：叉指电极周期长度外界待测参数变化时会引起外界待测参数变化时会引起V VR R，T T变化，从而引起振荡频率变变化，从而引起振荡频率变化。化。所以测出振荡频率的变化量，就可以求出待测参数的变化。所以测出振荡频率的变化量，就可以求

32、出待测参数的变化。这就是声表面波传感器的基本原理。这就是声表面波传感器的基本原理。感测技术基础感测技术基础 浙江师范大学电子信息技术研究所浙江师范大学电子信息技术研究所声表面波传感器的优势：声表面波传感器的优势：富有竟争力的价格优势光刻技术，结构相对比较简单；富有竟争力的价格优势光刻技术，结构相对比较简单；高灵敏度声波对表面扰动的快速响应，声波能量集中于基高灵敏度声波对表面扰动的快速响应，声波能量集中于基片表面；片表面；易于集成化输出的频率电信号，易于与计算机接口组成自易于集成化输出的频率电信号，易于与计算机接口组成自适应的实时系统；适应的实时系统；良好的可靠性与稳定性。良好的可靠性与稳定性。

33、感测技术基础感测技术基础 浙江师范大学电子信息技术研究所浙江师范大学电子信息技术研究所SAW的不足之处在的不足之处在于所需基片材料价格较贵，另外对基于所需基片材料价格较贵，另外对基片的定向、切割、抛光和制造工艺要求较高，受到基片片的定向、切割、抛光和制造工艺要求较高，受到基片结晶工艺苛刻和制造精度要求较严的影响。结晶工艺苛刻和制造精度要求较严的影响。由子受工艺的限制，声表面波器件的工作频率被局限在由子受工艺的限制，声表面波器件的工作频率被局限在2-3GHz 以下，另外，由于它采用单晶材料，制作工艺要求精以下，另外，由于它采用单晶材料，制作工艺要求精度高、条件苛刻，使一得它的成本较高、价格较贵，

34、这个度高、条件苛刻，使一得它的成本较高、价格较贵，这个声表面波器件声表面波器件的一个缺点的一个缺点感测技术基础感测技术基础 浙江师范大学电子信息技术研究所浙江师范大学电子信息技术研究所声表面波传感器应用：声表面波传感器应用：环境监测（苯、甲苯、苯乙烯、三氯甲烷等有毒有害气体环境监测（苯、甲苯、苯乙烯、三氯甲烷等有毒有害气体现场快速检测）；现场快速检测）；安全防护（爆炸物检测、毒品检测、神经性毒气检测、公安全防护（爆炸物检测、毒品检测、神经性毒气检测、公共场所安全、反恐及刑事侦测）；共场所安全、反恐及刑事侦测）；食品饮料（成分分析、新鲜度分析、质量控制、真假识食品饮料（成分分析、新鲜度分析、质量

35、控制、真假识别）；别）；石油化工（成分分析、泄漏检测）；石油化工（成分分析、泄漏检测）；其它领域（药品成分分析、化妆品分析检测、微生物培养其它领域（药品成分分析、化妆品分析检测、微生物培养鉴定、种子鉴定筛选、医学诊断特别是癌症早期诊断）鉴定、种子鉴定筛选、医学诊断特别是癌症早期诊断）在国外，如美国以及欧洲部分国家已经开始将这种结在国外，如美国以及欧洲部分国家已经开始将这种结合声表面波技术的毒剂传感器装备部队。在我国，关于这合声表面波技术的毒剂传感器装备部队。在我国，关于这种传感器的研究仍然处于初步研究阶段。种传感器的研究仍然处于初步研究阶段。感测技术基础感测技术基础 浙江师范大学电子信息技术研

36、究所浙江师范大学电子信息技术研究所SAW无源电子标签无源电子标签始于上世纪始于上世纪80年代末，它是有别于年代末，它是有别于IC芯片芯片识别的另一种新型识别的另一种新型非接触自动识别技术，或者，我们可以据此将非接触自动识别技术，或者，我们可以据此将RFID分成分成SAWRFID和和IC RFID，需要说明的是，需要说明的是，SAW RFID也属于无也属于无芯片电子标签系统（芯片电子标签系统（Chipless）。）。其主要特点是：其主要特点是：1)读取范围大且可靠，可达数米；读取范围大且可靠，可达数米；2)可使用在金属和液体产品上；可使用在金属和液体产品上；3)标签芯片与天线匹配简单，制作工艺成

37、本低；标签芯片与天线匹配简单，制作工艺成本低；4)不仅能识别静止物体，而且能识别速度达不仅能识别静止物体，而且能识别速度达300千米千米/小时的小时的高速运动物体；高速运动物体；5)可在高温差可在高温差(-100300)、强电磁干扰等恶劣环境下使、强电磁干扰等恶劣环境下使用。用。感测技术基础感测技术基础 浙江师范大学电子信息技术研究所浙江师范大学电子信息技术研究所SAW电子标签电子标签技术应用领域非常广泛，包括物流管理、路桥技术应用领域非常广泛，包括物流管理、路桥收费、公共交通、门禁控制、防伪、农场的健康与安全监控收费、公共交通、门禁控制、防伪、农场的健康与安全监控识别、识别、超市防盗超市防盗

38、和收费、航空行李分拣、邮包跟踪、工厂装和收费、航空行李分拣、邮包跟踪、工厂装配流水线控制和跟踪、设备和资产管理、体育竞赛等。配流水线控制和跟踪、设备和资产管理、体育竞赛等。SAW标签也适用于压力、应力、扭曲、加速度和温度等参标签也适用于压力、应力、扭曲、加速度和温度等参数变化的测量，如铁路红外数变化的测量，如铁路红外轴温探测轴温探测系统的热轴定位、轨系统的热轴定位、轨道衡、超偏载检测系统、汽车轮胎压力等。道衡、超偏载检测系统、汽车轮胎压力等。感测技术基础感测技术基础 浙江师范大学电子信息技术研究所浙江师范大学电子信息技术研究所迄今已经研制成功了许多声表面波器件，如表面波迄今已经研制成功了许多声

39、表面波器件，如表面波带通滤带通滤波器波器、延迟线延迟线、匹配滤波器匹配滤波器、温度传感器温度传感器、振荡器和、振荡器和表面表面波波卷积卷积器等：由于器等：由于声表面波器件声表面波器件具有小型、可靠性高、一具有小型、可靠性高、一致性好、多功能以及设计灵活等优点，所以它在雷达、通致性好、多功能以及设计灵活等优点，所以它在雷达、通信、信、空中交通管制空中交通管制、电子战、电子战f 微波中继、声纳以及电视中微波中继、声纳以及电视中已经或正在得到广泛的应用。已经或正在得到广泛的应用。感测技术基础感测技术基础 浙江师范大学电子信息技术研究所浙江师范大学电子信息技术研究所声表面波温度传感器声表面波温度传感器

40、 根据温度变化会引起表面波速度改变从而引起振荡频率变化根据温度变化会引起表面波速度改变从而引起振荡频率变化的原理而设计成的。的原理而设计成的。由于外界温度变化引起的基片尺寸变化很小，所以有由于外界温度变化引起的基片尺寸变化很小，所以有RRVVflfVlV选用适当的基片材料切型，使表面波速度选用适当的基片材料切型，使表面波速度VRVR只与温度只与温度的一次项有关，从而使振荡频率变化率与温度变化率的一次项有关，从而使振荡频率变化率与温度变化率之间成线性关系。之间成线性关系。若预先测出频率若预先测出频率-温度特性，则由振荡频率的变化量可检测温度特性，则由振荡频率的变化量可检测出温度变化量，从而得到待

41、测温度。出温度变化量，从而得到待测温度。感测技术基础感测技术基础 浙江师范大学电子信息技术研究所浙江师范大学电子信息技术研究所温度检测温度检测架空输电线导线温度测量，架空输电线导线温度测量，实现无线测温实现无线测温感测技术基础感测技术基础 浙江师范大学电子信息技术研究所浙江师范大学电子信息技术研究所测量温度原理：测量温度原理：将将射频信号射频信号发射到发射到压电材料压电材料的表面，然后的表面，然后将受到温度影响了的将受到温度影响了的反射波反射波再转回电信号而获取温度数据。再转回电信号而获取温度数据。表面波技术表面波技术的最大好处是利用了传感器的被动工作原理的最大好处是利用了传感器的被动工作原理

42、-即即在非常规的运行环境下（高电压，高电流）实现无线温度在非常规的运行环境下（高电压，高电流）实现无线温度数据采集。数据采集。感测技术基础感测技术基础 浙江师范大学电子信息技术研究所浙江师范大学电子信息技术研究所声表面波压力传感器声表面波压力传感器 声表面波器件在基底压电材料受到外界力作用时，材料内声表面波器件在基底压电材料受到外界力作用时，材料内部各点的应力发生变化，通过压电材料的非线性弹性行为，使部各点的应力发生变化，通过压电材料的非线性弹性行为，使材料的弹性常数材料的弹性常数E E、密度、密度等随外界作用力的变化而变化，从等随外界作用力的变化而变化，从而导致声表面波传播速度变化。而导致声

43、表面波传播速度变化。同时压电材料受到作用力作用后，使同时压电材料受到作用力作用后，使SAWSAW谐振器的结构尺寸谐振器的结构尺寸发生变化，从而导致发生变化，从而导致SAWSAW的波长的波长改变。改变。/RVE由于由于SAWSAW谐振器的谐振频率谐振器的谐振频率/RfV所以所以V VR R与与的变化共同导致谐振频率的变化共同导致谐振频率f f的变化。的变化。通过测量频率通过测量频率f f的大小，就可得知外界压力的大小，从而实的大小，就可得知外界压力的大小，从而实现压力的精确测量。现压力的精确测量。感测技术基础感测技术基础 浙江师范大学电子信息技术研究所浙江师范大学电子信息技术研究所声表面波气体传

44、感器声表面波气体传感器 声表面波气体传感器以声表面波气体传感器以SAWSAW元件为基底材料，在其上形成选元件为基底材料，在其上形成选择性气体敏感膜并配以外部电路构成。择性气体敏感膜并配以外部电路构成。敏感膜处于敏感膜处于SAWSAW传播通传播通道上，当敏感膜吸附气体道上，当敏感膜吸附气体分子与气体结合时，会引分子与气体结合时，会引起膜密度和弹性性质等发起膜密度和弹性性质等发生变化，从而使声表面波生变化，从而使声表面波速度速度VRVR发生变化，导致振发生变化，导致振荡频率荡频率f f变化。变化。通过检测振荡频率的变通过检测振荡频率的变化即可测出被吸附气体的化即可测出被吸附气体的浓度。浓度。感测技

45、术基础感测技术基础 浙江师范大学电子信息技术研究所浙江师范大学电子信息技术研究所机动车机动车制导系统制导系统牵引控制牵引控制SAW陀螺仪在消费性产品、工业以及医疗产品中有着广阔的陀螺仪在消费性产品、工业以及医疗产品中有着广阔的应用前景，特别在军用应用方面，如一些智能弹以及新型武应用前景，特别在军用应用方面，如一些智能弹以及新型武器系统的旋转稳定器系统的旋转稳定IT电子电子图像稳定图像稳定位置跟踪位置跟踪感测技术基础感测技术基础 浙江师范大学电子信息技术研究所浙江师范大学电子信息技术研究所气体检测加速度检测加速度检测电子标签目前最为成功的目前最为成功的SAW化化学传感器是美国学传感器是美国力矩检

46、测力矩检测感测技术基础感测技术基础 浙江师范大学电子信息技术研究所浙江师范大学电子信息技术研究所军用领域军用领域惯性导航系统惯性导航系统自导导弹稳定性自导导弹稳定性感测技术基础感测技术基础 浙江师范大学电子信息技术研究所浙江师范大学电子信息技术研究所声表面波传感器的发展趋势：声表面波传感器的发展趋势：高精度高灵敏度：高精度高灵敏度：对于传感器应用，高精度与高灵敏度是对于传感器应用，高精度与高灵敏度是其基本要求。在一些应用领域如角速率、温湿度以及某些气其基本要求。在一些应用领域如角速率、温湿度以及某些气体传感器，体传感器，SAW传感器的检测精度以及灵敏度还不能与传传感器的检测精度以及灵敏度还不能

47、与传统传感器相比，因此需要采用一些新方法新技术，改善器件统传感器相比，因此需要采用一些新方法新技术，改善器件性能，提高系统稳定性。性能，提高系统稳定性。小型化小型化/便携式：便携式：传感器的应用大都不是单一的，多是与其传感器的应用大都不是单一的，多是与其他机械或者电子系统集成或者共同使用，这样他机械或者电子系统集成或者共同使用，这样SAW传感器系传感器系统必须尽可能减小体积，便携式且低功耗，满足各种机载、统必须尽可能减小体积，便携式且低功耗，满足各种机载、车载、航载等要求，这样才能相对于其他类型的传感器具有车载、航载等要求，这样才能相对于其他类型的传感器具有更大的竞争力；更大的竞争力；感测技术

48、基础感测技术基础 浙江师范大学电子信息技术研究所浙江师范大学电子信息技术研究所多功能集成化多功能集成化/低成本：低成本：单一功能的传感器逐渐消失于人们单一功能的传感器逐渐消失于人们的视野，主要是使用单一功能传感器成本高，系统合成困难的视野，主要是使用单一功能传感器成本高，系统合成困难且稳定性低。这样多功能集成且稳定性低。这样多功能集成SAW传感器就成为人们的一传感器就成为人们的一个兴趣热点，结构简单、系统体积小且大大降低了系统成本；个兴趣热点，结构简单、系统体积小且大大降低了系统成本；智能化与无线传感网络：智能化与无线传感网络：许多参量的检测条件是危险剧毒许多参量的检测条件是危险剧毒环境，有的

49、测试对象本身就是变化的，这样有源传感器难以环境，有的测试对象本身就是变化的，这样有源传感器难以满足这一检测需求，而无线传感网络则由于其无源多面特点满足这一检测需求，而无线传感网络则由于其无源多面特点即可解决这一问题。另外，智能化是当今信息化时代的一个即可解决这一问题。另外，智能化是当今信息化时代的一个显著特征，结合自动化控制等实现传感器的智能化也是显著特征，结合自动化控制等实现传感器的智能化也是SAW传感器的一个重要发展方向。传感器的一个重要发展方向。感测技术基础感测技术基础 浙江师范大学电子信息技术研究所浙江师范大学电子信息技术研究所无线无线SAW的潜在应用的潜在应用 标志识别（车辆，人员标

50、志识别（车辆，人员）；）；目前将无线识别系统与目前将无线识别系统与声表面波技术相结合，声表面波技术相结合，实现了一种实现了一种SAW无线无线无源声表面波传感器无源声表面波传感器 移动物体的温度检测（行车，涡轮叶片，旋转电极）；移动物体的温度检测（行车，涡轮叶片，旋转电极）；转轴力矩检测；转轴力矩检测；应力、压力、光、微粒子辐射、污染、电流、电压、湿度应力、压力、光、微粒子辐射、污染、电流、电压、湿度等；等；大功率开关燃烧；大功率开关燃烧；污水或者密封容器中化学物浓度检测；污水或者密封容器中化学物浓度检测；位置识别；位置识别；由各种阻抗元与由各种阻抗元与SAWSAW器件相结合的混合传感器。器件相