第三章压电式传感器1课件.ppt

1、何为压电传感器?压电式传感器是一种能量转换型传感器。它既可以将机械能转换为电能，又可以将电能转化为机械能。压电式传感器是以具有压电效应的压电器件为核心组成的传感器。各种压电传感器3.1 3.1 压电效应及材料压电效应及材料3.1.1 3.1.1 压电效应压电效应 压电效应（piezoelectric effect）是指某些介质在施加外力造成本体变形而产生带电状态或施加电场而产生变形的双向物理现象，是正压电效应和逆压电效应的总称，一般习惯上压电效应压电效应指正压电效应。当某些电介质沿一定方向受外力作用而变形时，在其一定的两个表面上产生异号电荷，当外力去掉后，又恢复到不带电的状态，这种现象称为正压

2、电效应正压电效应（positive piezodielectric effect）。其中电荷大小与外力大小成正比，极性取决于变形是压缩还是伸长，比例系数为压电常数，它与形变方向有关，固定材料的确定方向为常量。它属于将机械能转化为电能的一种效应.当在电介质的极化方向施加电场，某些电介质在一定方向上将产生机械变形或机械应力，当外电场撤去后，变形或应力也随之消失，这种物理现象称为逆压电效应逆压电效应（reverse piezodielectric effect），其应变的大小与电场强度的大小成正比，方向随电场方向变化而变化。它属于将电能转化为机械能的一种效应。1880-1881年，雅克（Jacque

3、s）和皮埃尔居里（Piere Curie）发现了这两种效应。图3-1为压电效应示意图。（a）正压电效应；（b）压电效应的可逆性 图3-1压电效应由物理学知，一些离子型晶体的电介质（如石英、酒石酸钾钠、钛酸钡等）不仅在电场力作用下，而且在机械力作用下，都会产生极化现象。为了对压电材料的压电效应进行描述，表明材料的电学量（D、E）力学量（T、S）行为之间的量的关系，建立了压电方程。正压电效应中，外力与因极化作用而在材料表面存储的电荷量成正比。即：（3.1）DdTdT或式3.1中D、电位移矢量、电荷密度，单位面积的电荷量，C/m2；T应力，单位面积作用的应力，N/m2；d正压电系数，C/N。逆压电效

4、应中，外电场作用下的材料应变与电场强度成正比。即：（3.2）式3.2中S应变，应变，微应变；E外加电场强度，V/m；逆压电系数，C/N。当外加应力下表面面积不变时，d=d。Sd E压电材料是绝缘材料。把压电材料置于两金属极板之间，构成一种带介质的平行板电容器，金属极板收集正压电效应产生的电荷。由物理学知，平行板电容器中 (3.3)式中 压电材料的相对介电常数；真空介电常数=8.85pF/m。那么可以计算出平行板电容器模型中正压电效应产生的电压(3.4)式3.4中h平行板电容器极板间距。人们常用 表示压电电压系数。0rDE 0rdVE hT h 0/()rgd 例如，压电材料钛酸铅 d=44pC

5、/N，=600。取T=1000N，h=1cm，则V=828V。当在该平行板电容器模型加1kV电压时，S=4.4。具有压电性的电介质（称压电材料），能实现机电能量的相互转换。压电材料是各项异性的，即不同方向的压电系数不同，常用矩阵向量d d表示，63维。进而有电位移矩阵向量D D，13维；应力矩阵向量T T，16维；应变矩阵向量S S，16维；电场强度矩阵向量E E，13维。用向量形式对压电材料和压电效应，在空间上进行统一描述。实际上对于具体压电材料压电系数中的元素多数为零或对称，人们可以在压电效应最大的主方向上，“一维”地进行压电传感器设计。在三维直角坐标系内的力一电作用状况如图3-2 所示。

6、图中：T1、T2、T3分别为沿x、y、z向的正应力分量（压应力为负）；T4、T5、T6分别为绕x、y、z轴的切应力分量（顺时钟方向为负）；1、2、3分别为在x、y、z面上的电荷密度（或电位移D）。式3.5为正压电方程的向量矩阵表示，式3.6为逆压电方程的向量矩阵表示。压电方程是全压电效应的数学描述。它反映了压电介质的力学行为与电学行为之间相互作用（即机电转换）的规律。121111213141516322122232425264331323334353656TTDddddddTDddddddTDddddddTT (3.5)(3.6)11121312122232131323332414243435

7、1525356162636SdddSdddESdddESdddESdddSddd压电方程组也表明存在极化方向（电位差方向）与外力方向不平行的情况。正压电效应中，如果所生成的电位差方向与压力或拉力方向一致，即为纵向压电效纵向压电效应应（longitudinal piezoelectric effect）。正压电效应中，如所生成的电位差方向与压力或拉力方向垂直时，即为横向压电效应横向压电效应（transverse piezoelectric effect）。在正压电效应中，如果在一定的方向上施加的是切应力，而在某方向上会生成电位差，则称为切向压电效应切向压电效应（tangential piezoe

8、lectric effect）。逆压电效应也有类似情况。3.1.2 3.1.2 压电材料压电材料迄今已出现的压电材料可分为三大类：一是压电晶体（单晶），它包括压电石英晶体和其他压电单晶；二是压电陶瓷（多晶半导瓷）；三是新型压电材料，其中有压电半导体和有机高分子压电材料两种。在传感器技术中，目前国内外普遍应用的是压电单晶中的石英晶体和压电多晶中的钛酸钡与钛酸铅系列压电陶瓷。择要介绍如下：压电晶体压电晶体由晶体学可知，无对称中心的晶体，通常具有压电性。具有压电性的单晶体统称为压电晶体。石英晶体（图3-3）是最典型而常用的压电晶体。石英晶体俗称水晶，有天然和人工之分。目前传感器中使用的均是以居里点为

9、573，晶体的结构为六角晶系的石英。其外形如图3-3所示，呈六角棱柱体。密斯诺(Mcissner.A)所提出的石英晶体模型，如图3-4所示，硅离子和氧离子配置在六棱柱的晶格上，图中较大的圆表示硅离子，较小的圆相当于氧离子。硅离子按螺旋线的方向排列，螺旋线的旋转方向取决于所采用的是光学右旋石英，还是左旋石英。图中所示为左旋石英晶体（它与右旋石英晶体的结构成镜象对称，压电效应极性相反）。硅离子2比硅离子1的位置较深，而硅离子3又比硅离子2的位置较深。在讨论晶体机电特性时，采用xyz右手直角坐标较方便，并统一规定：x轴称之为电轴，它穿过六棱柱的棱线，在垂直于此轴的面上压电效应最强；y轴垂直m面，称之

10、为机轴，在电场的作用下，沿该轴方向的机械变形最明显；z轴称之为光轴，也叫中性轴，光线沿该轴通过石英晶体时，无折射，沿z轴方向上没有压电效应。石英晶体钛酸钡毛坯和晶体压电石英的主要性能特点是：（1）压电常数小，其时间和温度稳定性极好，常温下几乎不变，在20200范围内其温度变化率仅为0.016/；（2）机械强度和品质因素高，许用应力高达（6.89.8）107Pa，且刚度大，固有频率高，动态特性好；（3）居里点573，无热释电性，且绝缘性、重复性均好。天然石英的上述性能尤佳。因此，它们常用于精度和稳定性要求高的场合和制作标准传感器。为了直观地了解其压电效应，将一个单元中构成石英晶体的硅离子和氧离子

11、，在垂直于Z轴的XY平面上投影，等效为图3-5（a）中的正六边形排列。图中“（+）”代表Si4+，“（-）”代表O2-。当石英晶体未受外力时，正、负离子（即Si4+和O2-）正好分布在正六边形的顶角上，形成三个大小相等、互成120夹角的电偶极矩P1、P2和P3，如图3-5（a）所示。P=ql，q为电荷量，l为正、负电荷之间的距离。电偶极矩方向为负电荷指向正电荷。此时，正、负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即P1+P2+P3=0。这时晶体表面不产生电荷，整体上说它呈电中性。当石英晶体受到沿X方向的压力FX作用时，将产生压缩变形，正、负离子的相对位置随之变动，正、负电荷中心不再重合，如图3-

12、5（b）所示。电偶极矩在X方向的分量为（P1+P2+P3）X0，在X轴的正方向的晶体表面上出现正电荷。而在Y轴和Z轴方向的分量均为零，即（P1+P2+P3）Y=0,（P1+P2+P3）Z=0，在垂直于Y轴和Z轴的晶体表面上不出现电荷。这种沿X轴施加压力FX，而在垂直于X轴晶面上产生电荷的现象，称为“纵向压电效应纵向压电效应”。当石英晶体受到沿Y轴方向的压力FY作用时，晶体如图3-5（c）所示变形。电偶极矩在X轴方向上的分量（P1+P2+P3）X1，即测量回路时间常数一定，而被测量频率愈高（实际只要3，则回路的输出电压灵敏度就愈接近理想情况。这表明，压电器件的高频响应特性好。（2）低频特性 当C

13、（一般取 ACf10C即可），则有(3.24)上式表明，电荷放大器输出电压与输入电荷及反馈电容有关。只要Cf恒定，就可实现回路输出电压与输人电荷成正比，相位差 180。(3.25)输出灵敏度只与反馈电容有关，而与电缆电容无关。根据式（3.25），电荷放大器的灵敏度调节可采用切换Cf的办法，通常Cf10010000pF。在Cf的两端并联Rf10101014，可以提高直流负反馈，以减小零漂，提高工作稳定性。/ofUQ C 1/ufKC 电荷放大器的具体线路见图3-15。图中包括电荷放大部分和电压放大部分。在低频测量时，第一级放大器，即电荷放大器，的闪烁噪声（1/f噪声）就突出出来。电荷放大器的输入

14、噪声Vni与经同相放大计算后的输出噪声Vno可按下式计算(3.26)电荷放大器输出端信噪比RSN为(3.27)1nonifCVVC1fSNffQCQRCCCC由(3.27)可知，提高信噪比的有效措施是减小反馈电容Cf。但是电荷放大器的低频下限受RfCf乘积的影响，过大的Rf工艺上难于实现。对电荷放大器设计时，要充分重视构成电荷放大器的运算放大器。它们应有低的偏置输入电压、低的偏流以及低的失调漂移等性能。工艺上，因为即使很小的漏电电流进入电荷放大器也会产生误差，所以，输入部分要用聚四氟乙烯支架等绝缘子进行特殊绝缘。2 2高、低频限高、低频限 电荷放大器的高频上限主要取决于压电器件的Ca和电缆的C

15、c与Rc：(3.28)由于Ca、Cc、Rc通常都很小，因此高频上限fH可高达180kHz。电荷放大器的低频下限，由于A相当大，通常（1A）CfC，Rf/（1A）Rf，因此只取决于反馈回路参数Rf、Cf：(3.29)它与电缆电容无关。由于运算放大器的时间常数RfCf可做得很大，因此电荷放大器的低频下限fL可低达10-110-4Hz（准静态）。12()HcacfR CC12LfffR C3.2.2.3 3.2.2.3 谐振电路谐振电路1 1工作原理工作原理压电谐振器的工作是以压电效应为基础的，利用压电效应可将电极的输入电压转换成振子中的机械应力(反压电效应)，反之在机械应力的作用下，振子发生变形在

16、电极上产生输出电荷(正压电效应)。压电变换器的可逆性使我们把它视为二端网络（见图3-17），从这两端既可输入电激励信号产生机械振动，又可取出与振幅成正比的电信号。在其输入端加频率为交变电压，把电极回路中电流看为特征量，那么谐振器可以用与频率有关的复阻抗Z=U/I表示。接近谐振频率时，Z|值最小，通过谐振器的电流最大。对具体的压电谐振器来说，由于压电效应，只有在某些机械振动固有频率上才可以被电激励。偏离谐振频率时，激励电极回路中的电流变小，它基本上由极间电容所确定。当激励电压的频率接近于压电谐振器的某一谐振频率，时，机械振动的振幅加大，并且在该频率上达到最大值。电极上的电荷也按比例地增加，电荷Q

17、的极性随输入信号的频率而改变因此流过压电元件的是正比于机械振动动幅值的交变电流。(3.30)001oiUKKUK为了产生不间断的等幅振荡闭环系统必须满足如下两个条件：(1)相位条件：当开环系统的传输系数为实数时，也就是放大器和谐振器的总相移等于或整数倍于2时，闭环回路中发生自激振荡。在这种情况下，放大器在自振频率下实现正反馈。(2)幅值条件：振动频率满足关系:01K电路举例电路举例图3-18为电容三点式压电体振荡电路，由场效应晶体管和结型晶体管构成，电容C可在10500pF范围内调整。图3-19所示电路由TTL反相器构成。图3-20所示电路将压电体的驱动与检测电极分开，电极有公共接地点，便于屏

18、蔽。该电路适用于声表面波压电传感器。3.3 3.3 压电式传感器及其应用压电式传感器及其应用广义地讲，凡是利用压电材料各种物理效应构成的种类繁多的传感器，都可称为压电式传感器。迄今它们在工业、军事和民用各个方面均已付诸应用。3.3.1 3.3.1 压电式加速度传感器压电式加速度传感器 3.3.1.13.3.1.1 结构类型结构类型 目前压电加速度传感器的结构型式主要有压缩型、剪切型和复合型三种。这里介绍前两种。1 1压缩型压缩型 图3-22所示为常用的压缩型压电加速度传感器结构；压电元件取用。d11和d33形式。图3-22（a）正装中心压缩式的结构特点是，质量块和弹性元件通过中心螺栓固紧在基座

19、上形成独立的体系，以与易受非振动环境干扰的壳体分开，具有灵敏度高、性能稳定，频响好，工作可靠等优点。但基座的机械和热应变仍有影响。为此，设计出改进型如图3-22（b）所示的隔离基座压缩式，和图3-22（c）的倒装中心压缩式。图3-22（d）是一种双筒双屏蔽新颖结构，它除外壳起屏蔽作用外，内预紧套筒也起内屏蔽作用。由于预紧筒横向刚度大，大大提高了传感器的综合刚度和横向抗干扰能力，改善了特性。这种结构还在基座上设有应力槽，可起到隔离基座机械和热应变干扰的作用，不失为一种采取综合抗干扰措施的好设计，但工艺较复杂。2 2剪切型剪切型表3-2 压缩型与剪切型压电加速度传感器性能比较由表3-2所列压电元件

20、的基本变形方式可知，剪切压电效应以压电陶瓷为佳，理论上不受横向应变等干扰和无热释电输出（见表3-2）。因此剪切型压电传感器多采用极化压电陶瓷作为压电转换元件。图3-23示出了几种典型的剪切型压电加速度传感器结构。图3-23（a）为中空圆柱形结构。其中柱状压电陶瓷可取两种极化方案，如图3-23（b）：一是取轴向极化，d24为剪切压电效应，电荷从内外表面引出；一是取经向极化，d15为剪切压电效应，电荷从上下端面引出。剪切型结构简单、轻小，灵敏度高。存在的问题是压电元件作用面（结合面）需通过粘结（d24方案需用导电胶粘结），装配困难，且不耐高温和大载荷。图3-23（c）为扁环形结构。它除上述中空圆柱

21、形结构的优点外，还可当作垫圈一样在有限的空间使用。图3-23（d）为三角剪切式新颖结构。三块压电片和扇形质量块呈等三角空间分布，由预紧筒固紧在三角中心柱上，取消了胶结，改善了线性和温度特性，但材料的匹配和制作工艺要求高。图3-23（e）为H形结构。左右压电组件通过横螺栓固紧在中心立柱上。它综合了上述各种剪切式结构的优点，具有更好的静态特性，更高的信噪比和宽的高低频特性，装配也方便。横向灵敏度是衡量横向干扰效应的指标。一只理想的单轴压电传感器，应该仅敏感其轴向的作用力，而对横向作用力不敏感。如对于压缩式压电传感器，就要求压电元件的敏感轴（电极向）与传感器轴线（受力向）完全一致。但实际的压电传感器

22、由于压电切片、极化方向的偏差，压电片各作用面的粗糙度或各作用面的不平行，以及装配、安装不精确等种种原因，都会造成如图3-23所示的压电传感器电轴E向与力轴z向不重合。产生横向灵敏度的必要条件：一是伴随轴向作用力的同时，存在横向力；二是压电元件本身具有横向压电效应。因此，消除横向灵敏度的技术途径也相应有二：一是从设计、工艺和使用诸方面确保力与电轴的一致；二是尽量采用剪切型力电转换方式。一只较好的压电传感器，最大横向灵敏度不大于5。3.3.1.23.3.1.2压电加速度传感器动态特性压电加速度传感器动态特性我们以图3-23（b）加速度传感器为例，并把它简化成如图3-24所示的“mkc”力学模型。其

23、中：k为压电器件的弹性系数，被测加速度 设质量块m的绝对位移为xa，质量块对壳体的相对位移yxax为传感器的输出。由此列出质量块的动力学方程:(3.31)或整理成(3.32)这是一典型的二阶系统方程，其对位移响应的传递函数、幅频和相频特性，可参阅概论篇“传感器典型环节的动态响应”内容描述。幅频特性为(3.33).ax.()()0aaamxc xxk xx.m y c y kymamx 2 22()1(/)2(/)xnnyKAx 由于质量块相对振动体的位移y即是压电器件（设压电常数为d33）受惯性力F作用后产生的变形，在其线性弹性范围内有Fky。由此产生的压电效应(3.36)即得压电加速度传感器

24、的电荷灵敏度幅频特性为(3.37)3333Qd Fdky233()()/annQAAd ka若考虑传感器接入两种测量电路的情况：（1）接入反馈电容为Cf的高增益电荷放大器，由式（3-24）、（3-35）得带电荷放大器的压电加速度传感器的幅频特性为(3.38)（2）接入增益为A，回路等效电阻和电容分别为R和C的电压放大器后，由式（3-19）可得放大器的输出为(3.39)(3.40)233()()oqnnfqUAAd k Ca33333312211()1()1()mmmoAd FRAd FAd FUACCRC 211()1/1(/)AA(1)为由电压放大器回路角频率1决定的，表征回路固有特性的幅频

25、特性。由式（3-40）和式（3-38）不难得到，带电压放大器的压电加速度传感器的幅频特性为(3.41)由式（3-41）描绘的相对频率特性曲线如图3-25所示。3312()()()oununUAd kAAAaC综上所述：（1）由图3-25可知，当压电加速度传感器处于（/n）1，即A（n）1时，可得到灵敏度不随而变的线性输出，这时按式（3-37）和式（3-38）得传感器的灵敏度近似为一常数（传感器本身）(3.42)或 (3.43)这是我们所希望的；通常取n（35）。（2）由式（3-41）知，配电压放大器的加速度传感器特性由低频特性A（1）和高频特性A（n）组成。高频特性由传感器机械系统固有特性所决

26、定；低频特性由电回路的时间常数 所决定。只有当/n1和1/1（即1n）时，传感器的灵敏度为常数(3.44)332nd kQa332ofnUd kaC11/RC332onUd kAaC满足此线性输出之上述条件的合理参数选择，见上节分析，否则将产生动态幅值误差：高频段 (3.45)低频段 (3.46)()1%HnA1()1%LA 3.3.2 3.3.2 压电式力传感器压电式力传感器压电式测力传感器是利用压电元件直接实现力电转换的传感器，在拉、压场合，通常较多采用双片或多片石英晶片作压电元件。它刚度大，测量范围宽，线性及稳定性高，动态特性好。当采用大时间常数的电荷放大器时，可测量准静态力。按测力状态

27、分，有单向、双向和三向传感器，它们在结构上基本一样。图3-26为单向压缩式压电力传感器。两敏感晶片同极性对接，信号电荷提高一倍，晶片与壳体绝缘问题得到较好解决。压电式力传感器压电式力传感器压电式力传感器的工作原理和特性与压电式加速度传感器基本相同。以单向力Fz作用为例，仍可由述的典型二阶系统加以描。参照式（3.47）代入Fzma，即可得单向压缩式压电力传感器的电荷灵敏度幅频特性(3.48)可见，当（/n）1（即Zs2时，透射系数=0，而反透射系数趋于-1。例如水和其他低衰减材料的为（l4）102dB/cm。在自然界中超声是广泛存在的，人们所听到的声音，只是实际声音的一部分，即可听声部分，而实际

28、声音还带有超声成分，只是人们听不到 例如，固体材料中的点阵振动，日常活动中两个金属片的相撞，管道上小孔的漏气，其中都有超声成分自然界中，许多动物的喊叫含有超声，例如老鼠、海豚、河豚等。能发出超声的动物中，最出名的是蝙蝠蝙蝠能迅速识别弱超声回波，具有在阴暗洞穴中飞行的奇特本领和捕捉食物的本领。历史上研究超声的动力，不仅在于大自然中超声的普遍存在性(存在于频率下限附近，也存在于客观上限附近)，还在于对自然现象的发现和阐明；而更重要的是人们发现，超声有广泛的可用性，从而主动地大量产生和利用超声。产生、检测和传播是声学各分支的共同内容，对超声学而言，这些共性中还有它的个性我们先来谈谈超声的产生和检测。

29、前面曾提到，比较起来，自然赋予的产生和检测超声的手段还是很有限的，特别是因为超声的范围很宽以频率论，从2xl04Hz或更低的频率覆盖到1012Hz。以功率论，由于应用需要，有时要求声强达到每平方米几百、几千瓦以工作介质论，既要在气体内，也要在液体、固体内发射和接收超声以工作环境论，有时会遇上些比较极端的条件，如1000多度的高温，不到1K的低温，低、高压等因此，在超声学中，产生和检测超声的工作是很复杂的。和声学的其它分支相比，超声学至少有两个比较突出的情况，其一它更多地和固体打交道，其二它的频率高超声学愈来愈多地需要分析在多种固体中的传播的声波，固体包括各向异性材料、压电材料、磁性材料、半导体

30、、岩体、生物组织等等超声的高频率带来传播中的一些比较特殊的问题，如高衰减、多次散射等更突出的是，对甚高频率的超声，从传播角度考虑，介质已不再能够看作是连续的，而应看作是离散的；超声本身则呈现准粒子性。按照习惯的提法，超声在国防和国民经济中的用途可分为两大类，一类是利用它的能量来改变材料的某些状态为此，需要产生相当大或比较大能量的超声，实际上是大功率超声或简称功率超声超声用途的第二类是利用它来采集信息，特别是材料内部的信息这时，起声的一个特点是，它几乎能穿透任何材料对某些其它辐射能量不能穿透的材料，超声便显示出这方面的可用性，例如，第一次世界大战中科学家考虑用超声来侦察潜艇，便是因为熟知的光波、

31、电磁校都不能渗透海洋后来又兴起超声探伤、超声诊断等，也都是因为金属、人体等都是不透光介质超声与x射线射线对比，其穿透本领并不优越，甚至还较差，而超声仍在临床使用，这是因为因声对人体的伤害较小，这是超声应用的另一特点为什么在上述两大类型应用中要使用超声，而不使用更普通的可听声?从穿透材料的本领看，高频声劣于低频声；频率愈高，声波在传播中的衰减一般愈大，也就是穿透材料愈浅尽管如此，有其多种原因人们选用了超声。其中一个原因是人耳听不到超声功率超声较常使用稍高于20kHz的低频超声，在这样的场合，把声频降到稍低于20kHz，本来从其它方面看差别不大，但一般仍然采用超声，目的便是为了避免吵闹人耳。另方面

32、，因为很多功率超声装置采用谐振设计，而低频可听声的波长大，相应地装置要加长，以1kHz的声和20 kHz的声两种情况相对比，可能要长20倍。在第二类型的超声应用中，频率高波长小则同样大小声源所产生的超声，其方向性强 强方向性对于采集信息是重要的，便于判断所得信息的方位。波长小，声波遇到挡声或部分挡声的异物时会发生散射，包括衍射散射效应随波长的增大而减弱从而可听推论障碍物的存在。如果提高声波的频率，使声波的波长对障碍物的尺寸是可比的或更小，那便可能获得微小异物的声学像，这就是我们要采集的信息。在光学里，分辨两点光源的可辨宽度，按照牛顿判据，是和两点之间的距离对波长之比成正比的。在声学里，有同样的

33、规律。3.4.2.2 3.4.2.2 超声波探头超声波探头超声波探头是实现声、电转换的装置，又称超声换能器或传感器。这种装置能发射超声波和接收超声回波，并转换成相应的电信号。超声波探头按其作用原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种，其中以压电式为最常用。图3-39为压电式探头结构图，其核心部分为压电晶片，利用压电效应实现声、电转换。超声波在传播过程中其波束是以某一扩散角从声源辐射出去的，如图 所示的半扩散角越小，其指向特性越好，它与声源的直径D、波长有关，即(3.74)1sin1.22/D由式(3.73)可见，在声源直径一定时，频率越高(波长越短)，指向持性越好。超声波能定向传播是其应用于

34、检测的基础。图3-40中在L o区内有若干副瓣波束，它会对主芯波束形成干扰，希望它越小越好。铁磁物质在交变的磁场中，在沿着磁场方向产生伸缩的现象，叫作磁致伸缩。磁致伸缩效应的大小即伸长缩短的程度，不同的铁磁物质情况不同。镍的磁致伸缩效应最大，它在一切磁场中都是缩短的。磁致伸缩换能器是把铁磁材料置于交变磁场中使它产生机械尺寸的交替变化，即机械振动，从而产生出超声波。磁致伸缩换能器是用厚度为0.10.4mm的镍片叠加而成的，片间绝缘以减少涡流电流损失。3.4.2.3 3.4.2.3 超声波检测技术的应用超声波检测技术的应用1 超声波测厚度超声波测厚度 超声波检测厚度的方法有共振法、干涉法、脉冲回波

35、法等。图3-42所示为脉冲回波法检测厚度的工作原理。超声波探头与被测物体表面接触。主控制器控制发射电路，使探头发出的超声波到达被测物体底面反射回来，该脉冲信号又被探头接收，经放大器放大加到示波器垂直偏转板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。而扫描电压则加在水平偏转板上。因此，在示波器上可直接读出发射与接收超声波之间的时间间隔t。被测物体的厚度h为(3.75)(165)2cth 式中，c超声波的传播速度。超声测厚使用的声波类型主要是纵波，大多数超声测试仪为脉冲回波式。目前工业上尚需解决的特殊问题主要有：薄试件、非均匀材料及高温材料的测厚。薄试件的超声测厚以往多采用共振方法。图

36、3-42所示系统也用来发现共振频率。随着现代高速电子器件的发展，只需将超声信号送入微机，就可以在微机上实现共振谱分析，各种现代谱分析技术为高精度测厚提供了有效的手段。实验证明，谱估计的AR模型方法非常适合超声共振法测薄试件的厚度，得到的精度达微米数量级。非均匀材料声衰减大，散射剧烈，使得常规超声测厚方法无法实现。现在人们从两方面入手，以期圆满解决此问题。一是制作聚焦的高能量超声波发射换能器，增强声波的穿透能力；二是用相关及分离谱技术突出反映厚度特征的超声信号。采取这些措施后已使超声技术扩展到复合材料、混凝土材料及陶瓷材料的测厚领域。最新发展起来的非接触激光超声技术省去了检测高温材料时的声耦合问

37、题。这种方法的优点是可对任意高温度的试件测厚，且测厚的动态范围优于常规超声方法。图3-43为非接触式超声测厚系统。脉冲激光器的激光脉冲瞬时在被测对象的局部被照射区域中引起高温和强电磁场，产生应力脉冲，从而产生超声波传播。在被测对象表面的超声振动带动了周围空气介质的振动，这个振动被空气耦合超声传感器接收。空气耦合超声传感器是在压电陶瓷上贴附了一层或多层满足过渡声阻抗要求的薄膜。这些薄膜提高了能量耦合效率。2 2 超声波无损检测超声波无损检测A型超声仪主要利用超声波的反射特性，在荧光屏上以纵坐标代表反射回波的幅度，以横坐标代表反射回波的传播时间，如图3-45(b)。根据缺陷反射波的幅度和时间，确定

38、缺陷的大小和存在的位置。B型超声仪以反射回波作为辉度调节信号，用亮点显示接收信号，在荧光屏上，纵坐标代表声波的传播时间，如图3-45(c)，横坐标代表探头水平位置，反映缺陷的水平延伸情况，整个显示的是声束所扫剖面的介质特性。C型超声仪，声束被聚焦到材料内部一定深度，通过电路延时控制，接收来自这个深度的介质的反射信号。反射的强弱用辉度来反映，换能器作二维扫描，就可得同一深度处介质的一个剖面图(图3-45(d)。下面具体介绍它们的工作原理。当被检材料中出现不均匀现象时反映在声阻的变化上，声波在声阻抗变化的地方，发生反射和折射，这些反射、折射的强弱反映了材料的结构、分布或状态。目前所使用的探头材料绝

39、大多数为压电陶瓷。各种超声仪思考题思考题1.1.什么是压电效应什么是压电效应?压电效应（piezoelectric effect）是指某些介质在施加外力造成本体变形而产生带电状态或施加电场而产生变形的双向物理现象，是正压电效应和逆压电效应的总称，一般习惯上压电效应压电效应指正压电效应。当某些电介质沿一定方向受外力作用而变形时，在其一定的两个表面上产生异号电荷，当外力去掉后，又恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应（正压电效应（positive piezodielectric effect）。其中电荷大小与外力大小成正比，极性取决于变形是压缩还是伸长，比例系数为压电常数，它与形变方向有关，固

40、定材料的确定方向为常量。它属于将机械能转化为电能的一种效应。当在电介质的极化方向施加电场，某些电介质在一定方向上将产生机械变形或机械应力，当外电场撤去后，变形或应力也随之消失，这种物理现象称为逆压电效应逆压电效应（reverse piezodielectric effect），其应变的大小与电场强度的大小成正比，方向随电场方向变化而变化。它属于将电能转化为机械能的一种效应。2.2.某压电式压力传感器为两片石英晶体片某压电式压力传感器为两片石英晶体片并联并联,每片厚度每片厚度t=0.2=0.2mm,圆片半径圆片半径r=1cm,=4.5,X=4.5,X切型切型d11=2.31 =2.31 当当0.

41、1Mpa压力垂直作用于压力垂直作用于 平面时平面时,求传感求传感器输出电荷器输出电荷Q Q和电极电压和电极电压 的值的值.1210C/NpXaU解:当两片石英晶体片并联,输出电荷 为单片的二倍,所以得到:并联总电容量为但电容的二倍,得:qX21111222XXXXqqd Fdr p1222122 2.31 1010.1 10145 10145CpC2202 1/3.64.51221250.02rCCpFt 所以电极间电压145U1.16125q xxVC3.说明压电式传感器可测动态信号频率范围与哪些因素有关?4.压电元件在使用时常采用多片串接和并接的结构形式.试述在不同接法下输出电压,电荷,电容的关系,它们分别适用于何种应用场合?5.已知电压式加速度传感器阻尼比=0.1 若其无阻尼固有频率f0=32kHz,要求传感器输出幅值误差5%以内.试确定传感器的最高响应频率?