《自动检测技术及应用》第9章其他类型传感器

《《自动检测技术及应用》第9章其他类型传感器》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《自动检测技术及应用》第9章其他类型传感器（62页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、本 章 学 习 压 电 传 感 器 和 超 声 波 传 感 器 。第 9章 其 它 类 型 传 感 器 及 应 用 9.1 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 非 电 量 电 测 的 目的 。 压 电 传 感 元 件 是 一 种 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 ， 如 应 力 、 压力 、 振 动 、 加 速 度 等 ， 但 不

2、 能 用 于 静 态 参 数 的 测量 。 一 、 压 电 效 应 某 些 电 介 质 在 沿 一 定 方 向 上 受 到 力 的 作 用 而 变形 时 ， 内 部 会 产 生 极 化 ， 同 时 在 其 表 面 有 电 荷产 生 ， 当 外 力 去 掉 后 ， 表 面 电 荷 消 失 ， 这 种 现象 称 为 压 电 正 向 效 应 。 反 之 ， 在 电 介 质 的 极 化 方 向 施 加 交 变 电 场 ， 它会 产 生 机 械 变 形 。 当 去 掉 外 加 电 场 ， 电 介 质 变形 随 之 消 失 。 这 种 现 象 称 为 压 电 逆 向 效 应 （ 电致 伸 缩 效 应 ）

3、。 石英晶体的压电效应演示 当 力 的 方 向 改 变 时 ， 电 荷 的 极 性 随 之 改 变 ， 输 出 电 压 的频 率 与 动 态 力 的 频 率 相 同 ； 当 动 态 力 变 为 静 态 力 时 ， 电 荷 将 由 于 表 面 漏 电 而 很 快 泄 漏 、 消 失 。 硅 离 子 有 4个 正 电 荷 ， 氧 离 子 有 2个 负 电 荷 ， 一 个 硅离 子 和 两 个 氧 离 子 交 替 排 列 。 如 图 示 出 了 它 们 在 一 个平 面 上 的 投 影 。石 英 晶 体为 例 : a)未 受 力 的 石 英 晶 体 b)受 x方 向 压 力 时 的 石 英 晶 体

4、c)受 y方 向 压 力 时 的 石 英 晶 体 2、 当 晶 体 受 到 沿 X轴 方 向 的 压 力 FX作 用 时 ， 晶 体 沿 X轴 方 向产 生 压 缩 变 形 ， 由 于 内 部 的 极 化 ， 其 表 面 将 产 生 电 荷 。 、 当 外 力 为 零 时 ， 正 、 负 离 子 正 好 分 布 在 正 六 边 形 的 顶 角 上 ，此 时 正 、 负 电 荷 等 效 中 心 重 合 ， 且 电 荷 量 相 等 ， 因 而 晶 体 呈 中性 。 3、 当 晶 体 受 到 沿 Y轴 方 向 的 压 力 Fy作 用 时 ， 晶 体 的 变 形 、 极化 、 表 面 产 生 电 荷

5、如 图 c)所 示 。4、 如 果 沿 Z轴 方 向 作 用 力 时 ， 晶 胞 正 六 边 形 形 状 不 变 ， 因 而不 会 产 生 压 电 效 应 。 结 构 特 性2） 沿 Y轴 方 向 作 用 拉 力 与 沿 X轴 方 向 作 用 压 力 ， 晶胞 结 构 变 形 相 同 ， 因 而 产 生 的 电 荷 极 性 相 同 。3） 在 晶 体 的 线 性 弹 性 范 围 内 ， 当 沿 X轴 方 向 作 用 压力 FX时 ， 在 与 X轴 垂 直 的 平 面 上 产 生 的 电 荷 量 为 Q d11FX 4） 如 果 沿 Y轴 方 向 作 用 压 力 F y时 ， 电 荷 仍 出 现

6、 在 与X轴 相 垂 直 的 平 面 上 ， 其 电 荷 量 为 Q d12（ l/ ） Fy d11（ 1/ ） Fy 1） 沿 X轴 、 Y轴 方 向 作 用 力 时 ， 可 产 生 压 电 效 应 。沿 Z轴 方 向 施 力 ， 无 压 电 效 应 。 二 、 压 电 材 料 具 有 压 电 效 应 的 电 介 物 质 称 为 压 电 材 料 。压 电 传 感 器 中 的 压 电 元 件 的 材 料 一 般 有 三 类 ： 一 类 是 压 电 晶 体 （ 如 上 述 的 石 英 晶 体 ） ； 另 一 类 是 经 过 极 化 处 理 的 压 电 陶 瓷 ； 第 三 类 是 高 分 子 压

7、 电 材 料 。 在 自 然 界 中 已 发 现 有 0多 种 晶 体 具 有 压 电 效 应 ，最 具 有 代 表 性 同 时 应 用 最 广 泛 的 是 石 英 晶 体 。 石 英 晶 体 是 一 种 单 晶 体 结 构 ， 有 天 然 和 人 工 培 养两 种 。 石 英 晶 体 的 最 大 优 点 是 温 度 稳 定 性 好 ， 因 此 大 多用 于 标 准 传 感 器 或 使 用 温 度 较 高 的 传 感 器 中 。1、 石 英 晶 体 天 然 形 成 的 石 英 晶 体 外 形 天 然 形 成 的 石 英 晶 体 外 形 （ 续 ） 2、 压 电 陶 瓷 压 电 陶 瓷 是 人

8、工 制 造 的 多 晶 压 电 材 料 ， 它 在 高 温高 压 下 作 极 化 处 理 后 具 有 很 强 的 压 电 效 应 。 它 比 石英 晶 体 的 压 电 灵 敏 度 高 得 多 ， 而 制 造 成 本 却 较 低 ，因 此 目 前 国 内 外 生 产 的 压 电 元 件 绝 大 多 数 都 采 用 压电 陶 瓷 。 常 用 的 压 电 陶 瓷 材 料 有 锆 钛 酸 铅 系 列 压 电 陶 瓷（ PZT） 及 非 铅 系 压 电 陶 瓷 （ 如 BaTiO 3等 ） 。 压 电 陶 瓷 外 形 无 铅 压 电 陶 瓷 及 其 换 能 器 外 形 3、 高 分 子 压 电 材 料

9、典 型 的 高 分 子 压 电 材 料 有 聚 偏 二 氟 乙 烯 （ PVF2或 PVDF） 、 聚 氟 乙 烯 （ PVF） 、 改 性 聚 氯 乙 烯（ PVC） 等 。 它 是 一 种 柔 软 的 压 电 材 料 ， 可 根 据 需 要 制 成 薄膜 或 电 缆 套 管 等 形 状 。 它 不 易 破 碎 ， 具 有 防 水 性 ，可 以 大 量 连 续 拉 制 ， 制 成 较 大 面 积 或 较 长 的 尺 度 ，价 格 便 宜 ， 测 量 动 态 范 围 宽 。 用 于 对 测 量 精 度 要求 不 太 高 的 场 合 。 高 分 子 压 电 材 料 制 作 的 压 电 薄 膜 和

10、 电 缆 可 用 于 波 形 分 析 及 报 警 的 高 分 子 压 电 踏 脚 板 压 电 式 脚 踏 报 警 器 三 、 测 量 电 路 1 压 电 元 件 的 等 效 电 路 压 电 元 件 相 当 于 一 个 电 荷 发 生 器 ， 同 时 ， 它 又 相 当 于 一个 以 压 电 材 料 为 绝 缘 介 质 的 电 容 器 ， 其 电 容 值 为 Ca= r oA/ A 压 电 元 件 电 极 面 积 ； 压 电 元 件 厚 度 ； r 压 电 材料 的 相 对 介 电 常 数 ； o 真 空 介 电 常 数 。 因 此 压 电 元 件 可 以 等 效 为 一 个 与 电 容 相 并

11、 联 的 电 荷 源 ， 如 下图 a)所 示 ， 压 电 元 件 的 端 电 压 为压 电 元 件 也 可 以 等 效 为 一 个 电 压 源 ， 如 图 b） 所 示 压 电 传 感 器 只 能 应 用 于 动 态 测 量。 由 于 在 压 电 材 料 上 产 生 的 电 荷 只 有 在 无 泄 露 的 情况 下 才 能 保 存 ， 因 此 压 电 式 传 感 器 不 能 用 于 静 态 测量 。 压 电 元 件 在 交 变 力 的 作 用 下 ， 电 荷 可 以 不 断 补充 ， 可 以 供 给 测 量 回 路 以 一 定 的 电 流 ， 故 只 适 用 于动 态 测 量 。 用 于 脉

12、 冲 力 、 冲 击 力 、 振 动 加 速 度 等动 态 力 的 测 量 。四 、 应 用 1. 玻 璃 打 碎 报 警 装 置 将 高 分 子 压 电 测 振薄 膜 粘 贴 在 玻 璃 上 ，可 以 感 受 到 玻 璃 破 碎时 会 发 出 的 振 动 ， 并将 电 压 信 号 传 送 给 集中 报 警 系 统 。 粘 贴位 置 2 压 电 式 报 警 系 统 （ 用 于 重 要 位 置 出 入 口 、 周 界 安 全 防 护 等 在 警 戒 地 区 的 四 周 埋 设 多 根 高 分 子 压 电 电 缆 ， 当 入 侵 者 踩到 电 缆 上 面 的 柔 性 地 面 时 ， 该 压 电 电

13、 缆 受 到 挤 压 ， 产 生 压 电 脉 冲 而 引 起 报 警 。 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 、 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 。 高 分 子 压 电电 缆 的 应 用演 示 将 两 根 高 分 子 压 电 电 缆 相 距 若 干 米 ， 平 行 埋 设 于 公 路 的 路 面下 约 5cm， 可 以 用 来 测 量 车 速 及 汽 车 的 载 重 量 ，

14、并 根 据 存 储 在 计算 机 内 部 的 档 案 数 据 ， 判 定 汽 车 的 车 型 。 4 压 电 式 单 向 测 力 传 感 器 被 测 力 通 过 传 力 上 盖使 压 电 陶 瓷 片 受 压 力 作用 而 产 生 电 荷 。 压 电 陶瓷 片 通 常 采 用 两 片 （ 或两 片 以 上 ） 粘 结 在 一 起 。这 种 传 感 器 主 要 用 于 变化 频 率 不 太 高 的 动 态 力的 测 量 。 1 传 力 上 盖 2 压 电 片 3 电 极 4 电 极 引 出 插 头 5 压 电 式 振 动 加 速 度 传 感 器 传 感 器 的 输 出 电 荷 即 与 被 测 物

15、体 的 振 动 加 速 度 成正 比 。 传 感 器 和 被 测 物 体 紧 固在 一 起 并 且 同 频 率 振 动 ，质 量 块 就 有 一 正 比 于 加速 度 的 惯 性 力 作 用 在 压电 片 上 ， 方 向 与 振 动 加速 度 方 向 相 反 ， 大 小 为 ：F=ma 9.2 超 声 波 传 感 器 超 声 波 检 测 就 是 利 用 不 同 介 质 的 不 同 声 学 特 性对 超 声 波 传 播 的 影 响 来 进 行 探 查 和 测 量 的 一 门 技术 。 超 声 检 测 的 最 大 特 点 是 无 损 检 测 。 振 动 在 弹 性 介 质 内 的 传 播 过 程

16、称 机 械 波 。频 率 在 202 104 H z之 间 , 能 为 人 耳 所 闻 的 机 械波 , 称 为 声 波 ; 低 于 20H z的 机 械 波 , 称 为 次 声 波 ;频 率 高 于 2 10 4H z的 机 械 波 , 称 为 超 声 波 。 概 述 ：声 波 的 分 类1.次 声 波 次 声 波 是 频 率 低 于 20H z的 声 波 ， 人 耳 听 不 到 ， 但可 与 人 体 器 官 发 生 共 振 ， 78H z的 次 声 波 会 引 起 人的 恐 怖 感 ， 动 作 不 协 调 ， 甚 至 导 致 心 脏 停 止 跳 动 。 2.可 闻 声 波 美 妙 的 音

17、乐 可 使 人 陶 醉 。 3.超 声 波蝙 蝠 能 发出 和 听 见超 声 波 。 蝙蝠依靠超声波捕食 一 、 超 声 波 物 理 基 础 频 率 高 于 20kHz的 机 械 振 动 波 称 为 超 声 波 。 它 的 指 向 性 很 好 ， 能 量 集 中 ， 因 此 穿 透 本 领 大 ，能 穿 透 几 米 厚 的 钢 板 ， 而 能 量 损 失 不 大 。 在 遇 到 两 种 介 质 的 分 界 面 （ 例 如 钢 板 与 空 气 的交 界 面 ） 时 ， 能 产 生 明 显 的 反 射 和 折 射 现 象 ， 超声 波 的 频 率 越 高 ， 其 声 场 指 向 性 就 愈 好 。

18、 1、 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 。 1） 纵 波 质 点 的 振 动 方 向 与 传 播 方 向 一 致 的 波 ， 称 为 纵 波 ，它 能 在 固 体 、 液 体 和 气 体 中 传 播 。2） 横 波 质 点 振 动 方 向 与 传 播 方 向 相 垂 直 的 波 ， 称 为 横波 。 它 只 能 在 固 体 中 传 播 。 3） 表 面 波 质 点 的 振 动 介 于 纵 波 和 横 波 之 间 ， 在 固 体 表 面的 平 衡 位 置 作 椭 圆 轨 迹 沿 着 固 体 的 表

19、面 向 前 传 播的 波 ， 称 为 表 面 波 ， 显 然 它 只 能 在 固 体 中 传 播 。 2、 声 速 、 声 压 、 声 强 1） 声 速 声 速 C 恒 等 于 声 波 的 波 长 与 频 率 f的 乘 积 ， 即C f 在 固 体 中 ， 纵 波 、 横 波 和 表 面 波 三 者 的 声 速 有 着一 定 的 关 系 。 通 常 横 波 的 声 波 约 为 纵 波 声 速 的 一 半 ，表 面 波 声 速 约 为 横 波 声 速 的 90 。 2） 声 压 当 超 声 波 在 介 质 中 传 播 时 ， 质 点 所 受 交 变 压强 与 质 点 静 压 强 之 差 称 为

20、声 压 p。 声 压 与 介 质密 度 、 声 速 C、 质 点 的 振 幅 X及 振 动 的 角 频 率 成正 比 ， 即 ： p CX 3） 声 强 单 位 时 间 内 ， 在 垂 直 于 声 波 传 播 方 向 上 的 单 位 面积 A内 所 通 过 的 声 能 称 为 声 强 I， 声 强 与 声 压 的 平 方成 正 比 。 I= ZP221 3、 反 射 与 折 射 在 两 界 面 处 ， 声 波 的 传 输 与 光 传 输 类 似 ， 符 合 反射 定 律 和 折 射 定 律 。1） 反 射 定 律 入 射 波 与 反 射 波 的 波 形 相 同 ， 波 速 相 等 时 ： =2

21、） 折 射 定 律 21sinsin CCa C1与 C2为 声 波 在 第 一 介 质 和 第 二 介 质 中 传 播 声 速 。 超 声 波 的 反 射 和 折 射 4、 超 声 波 的 衰 减 声 波 在 介 质 中 传 播 时 , 随 着 传 播 距 离 的 增加 , 能 量 逐 渐 衰 减 ,其 衰 减 的 程 度 与 介 质 的 密度 、 晶 粒 的 粗 细 及 超 声 波 的 频 率 等 因 素 有 关 。 晶 粒 越 粗 或 密 度 越 小 ， 衰 减 越 快 ； 频 率 越 高 ， 衰 减 越 快 ； 气 体 的 密 度 很 小 ， 因 此 衰 减 较 快 ， 尤 其 在 频

22、 率高 时 衰 减 更 快 。 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 装 置 就 是 超 声 波 传 感 器 ， 习 惯 上称 为 超 声 波 换 能 器 ， 或 超 声 波 探 头 。 超 声 波 传 感 器 根 据 工 作 原 理 有 压 电 式 、 磁 致 伸 缩式 和 电 磁 式 等 。 在 检 测 技 术 中 主 要 采 用 压 电 式 。二 、 超 声 波 传 感 器 的 应 用 1、 超 声 波 的 产 生 及 超 声 探 头 结 构 压 电 式 超 声 波 传 感 器 利 用 压 电

23、 材 料 的 压 电 效 应 。 压 电 逆 效 应 将 高 频 电 振 动 转 换 成 同 频 机 械 振 动 ，从 而 产 生 超 声 波 ， 作 为 超 声 波 的 发 射 探 头 。 压 电 正 效 应 则 将 接 收 的 超 声 振 动 转 换 成 电 信 号 , 作 为 超 声 波 的 接 收 探 头 。 超 声 波 探 头 又 分 为 直 探 头 、 斜 探 头 、 双 探 头 、表 面 波 探 头 、 聚 焦 探 头 、 水 浸 探 头 、 高 温 探 头 、空 气 传 导 探 头 等 。 各 种 超 声 波 探 头常 用 频 率 范 围 ： 0.510MHz，常 见 晶 片

24、直 径 ： 530mm 接 触 式 直 探 头（ 纵 波 垂 直 入 射到 被 检 介 质 ） 外 壳 用 金 属 制作 ， 保 护 膜 用 硬 度很 高 的 耐 磨 材 料 制作 ， 防 止 压 电 晶 片磨 损 。 保 护 膜接 插 件 各 种 接 触 式 斜 探 头常 用 频 率 范 围 ： 15MHz 各 种 双 晶 直 探 头频 率 范 围 ： 2.55MHz， 钢 中 折 射 角 ： 45 70 空 气 超 声 探 头 a） 超 声 发 射 器 b） 超 声 接 收 器 1 外 壳 2 金 属 丝 网 罩 3 锥 形 共 振 盘 4 压 电 晶 片 5 引 脚 6 阻 抗 匹 配

25、器 7 超 声 波 束 空 气 超 声 探 头 的 发 射 和 接 受 装 置 是 分 开 设 置 的 。 空 气 超 声 探 头 外 形 2、 耦 合 剂 超 声 探 头 与 被 测 物 体 接 触 时 ， 探 头 与 被 测 物 体 表 面 间 存在 一 层 空 气 薄 层 ， 空 气 将 引 起 三 个 界 面 间 强 烈 的 杂 乱 反 射波 ， 造 成 干 扰 ， 并 造 成 很 大 的 衰 减 。 在 工 业 中 ， 经 常 使 用 一 种 称 为 耦 合 剂 的 液 体 物 质 ， 使 之充 满 在 接 触 层 中 ， 起 到 传 递 超 声 波 的 作 用 。 常 用 的 耦

26、合 剂有 自 来 水 、 机 油 、 甘 油 、 水 玻 璃 、 胶 水 、 化 学 浆 糊 等 。 3、 应 用1） 超 声 波 测 厚 度 左 边 的 压 电 晶 片 发射 超 声 脉 冲 ， 右 边 的压 电 晶 片 接 收 超 声 脉冲 。 被 测 工 件 的 厚 度 为 = Ct 由 于 不 同 介 质 试 件 的 声 速 C各 不 相 同 ， 所 以 测 试 前 必 须 将 C值由 面 板 输 入 。 手 持 式 超 声 波 测 厚 仪 超 声 波 手 持 式 测 厚混 凝 土 测 厚 木 材 测 厚小 提 琴 木 料 测 厚 测 量 流 量 原 理 分 类 时 间 差 法 测 量

27、 流 量 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 射 和 接收 探 头 （ K1， K2） 、 （ K3， K4） ， 其 中 K1， K2的超 声 波 是 顺 流 传 播 的 ， 而 K3， K4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 ， 测 量 两 接 收 探 头 上 超 声 波 传 播 的 时间 差 t， 可 得 到 流 体 的 平 均 速 度 及 流 量 。 2） 超 声 波 流 量 计 K1、 K3为 超 声 波 发 射 器 ， K2、 K

28、4为 超 声 波 接 收 器 ，K1、 K2的 超 声 波 为 顺 流 传 播 ， 传 播 时 间 为 t1，K3、 K4的 超 声 波 是 逆 流 传 播 ， 传 播 时 间 为 t2。t1= cosvC L t2= cosvC Lv= )(cos )( 21 12 tt ttC 由 上 式 知 ： 流 速 与 时 间 差 成 正 比 ， 另 外 还 与 声 速 有 关 。 如 果 采 用 频 差 法 则 可 克 服 温 度 的 影 响 。 T1 t1， T2 t2LvCf cos1 LvCf cos2 KvLvfff cos2 21式 中 K=2cos/L, 上 式 表 示 只 与 流 体

29、 的 平 均 速 度 v成 正比 。 而 与 速 c元 关 。 频 率 差 法 3） 超 声 波 测 液 位 或 物 位 它 的 作 用 原 理 也 是 采 用 脉 冲 反 射 原 理 。 如 同 超 声 波 测 厚 一 样 ，根 据 超 声 波 的 往 返 时 间 就 可 测 出 液 体 的 液 面 。 根 据 图 示 可 得 声 速 c为1100 22 ththC 11 00th ht h0为 安 装 距 离 为 已 知 ， 在 显 示 屏 上 测 得 t0、 t1,便可 求 得 h1， 也 就 求 得 液 位 h。 此 种 方 法 也 可 测 量 粉体 和 粒 状 体 的 物 位 。 超

30、 声 波 测 量 液 位 和 物 位 喇 叭 形 超 声 发 生 器 人 们 在 使 用 各 种 材 料 （ 尤 其 是 金 属 材 料 ） 的 长 期 实 践 中 ，观 察 到 大 量 的 断 裂 现 象 ， 它 曾 给 人 类 带 来 许 多 灾 难 事 故 ， 涉及 舰 船 、 飞 机 、 轴 类 、 压 力 容 器 、 宇 航 器 、 核 设 备 等 。 对 缺 陷 的 检 测 手 段 有 破 坏 性 试 验 和 无 损 探 伤 。 由 于 无 损 探伤 以 不 损 坏 被 检 验 对 象 为 前 提 ， 所 以 得 到 广 泛 应 用 。 超 声 波 探 伤 是 目 前 应 用 十 分 广 泛 的 无 损 探 伤 手 段 。 它 既 可检 测 材 料 表 面 的 缺 陷 ， 又 可 检 测 内 部 几 米 深 的 缺 陷 。4） 超 声 波 无 损 探 伤 纵 波 探 伤 如 工 件 有 缺 陷 ， 一部 分 脉 冲 将 会 在 缺 陷处 产 生 反 射 ， 另 一 部分 则 连 续 传 播 到 达 工件 底 部 产 生 反 射 ， 因而 在 荧 光 屏 上 除 始 脉冲 T和 底 脉 冲 B外 ， 还出 现 缺 陷 脉 冲 F。