什么是超声传感器？

2017-03-10 17:12分类：变频器阅读：

超声传感器基本上使用压电敏感元件，因而又称为压电传感器。压电传感器是典型的有源传感器，又称自发电式传感器及电势式传感器。压电传感器工作原理是基于某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电效应。压电传感器的特点是体积小、重量轻、结构简单、工作可靠，适合动态力学测量（加速度、冲击），不适合测量静态量。

压电材料有两种压电效应：

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，内部产生极化现象，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，也就是同一个压电传感器（换能器）既能在交变电场的作用卜I产生机械变

形，也能在外力作用下产生电荷。

常见的压电材料分为压电单晶、压电陶瓷和压电薄膜三类。

(1)压电单晶：常见有石英、磷酸二氢铵和锗酸铋等。该类材料的特点是重现性好、稳定性高，

但价格昂贵。

(2)压电陶瓷：某些陶瓷具有压电效应，如钛酸钡、锆钛酸铅系列（PZ系列）等。这类材料的优

点：现有压电材料中机电耦合系数最大，制造工艺最简单，价格最低，容易制成任意形状，尺寸不受

限制，且可以通过成分和工艺的调整而改变其各项性能。缺点：重现性和一致性较差，均匀性和机械

强度不够理想，应用的频率较低。

(3)压电薄膜：它是利用溅射或蒸镀等方式制备的具有高度取向性的薄膜压电材料，如硫化镉、

氧化锌等。还有一些以有机高分子化合物制成的薄膜压电材料。其特点是具有良好的成形性和柔顺性，

加工比较简单，可以制成大面积薄膜。

压电材料的主要特性参数：

(l)压电常数：是衡量材料压电效应强弱的参数，它直接关系到压电输出的灵敏度。

(2)弹性常数：压电材料的弹性常数、刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。

(3)介电常数：对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容与介电常数有关；『而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。

(4)机械耦合系数：在压电效应中，其值等于转换输出能量（如电能）Lj输入的能量（如机械能）之比的平方根；它是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。

(5)电阻：压电材料的绝缘电阻将减小电荷泄漏，从而改善压电传感器的低频特性。

(6)居里点：压电材料开始丧失压电特性的温度。

压电传感器可等效为电压源Ua和一个电容器C_a的串联电路，如图2-74 (a)所示；也可等效为一个电荷源q和一个电容器C_a的并联电路，如图2-74(b)所示。传感器内部信号电荷无“漏损”，外电路负载无穷大时，压电传感器受力后产生的电压或电荷才能长期保存，否则电路将以某时问常数按指数规律放电。这对于静态标定以及低频准静态测量极为不利，必然带来误差。事实上，传感器内部不可能没有泄漏，外电路负载也不可能无穷大，只有外力以较高频率不断地作用，传感器的电荷才能得以补充．因此压电晶体（传感器）不适合于静态测量。