第三章 压电式传感器 - 改

第3章 压电式传感器 §3.1 压电效应及材料

§3.1.1 压电效应 §3.1.2 压电材料

§3.1.2.1 压电晶体 §3.1.2.2 压电陶瓷

§3.1.2.3 新型压电材料 §3.1.3 压电振子

§3.2 压电传感器等效电路和测量电路

§3.2.1 等效电路 §3.2.2 测量电路

§3.2.2.1 电压放大器 §3.2.2.2 电荷放大器 §3.2.2.3 谐振电路

§3.3 压电式传感器及其应用

§3.3.1 压电式加速度传感器

§3.3.1.1 结构类型

§3.3.1.2压电加速度传感器动态特性 §3.3.2 压电式力传感器 §3.3.3压电角速度陀螺 §3.4 声波传感技术

§3.4.1 SAW 传感器

§3.4.1.l SAW传感器特点

§3.4.1.2 SAW传感器的结构与工作原理§3.4.1.3 SAW振荡器 §3.4.2 超声检测

§3.4.2.1 超声检测的物理基础 §3.4.2.2 超声波探头

§3.4.2.3 超声波检测技术的应用

思考题

1

第3章 压电式传感器

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。

§3.1 压电效应及材料

§3.1.1 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，当外力去除后，又恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应（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，在材料的确定方向上为常量。它属于将机械能转化为电能的一种效应。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。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（reverse piezodielectric effect），又称电致伸缩效应，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。用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。1880-1881年，雅克（Jacques）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：

D?dT 或 ??dT

（3. 1）

式3.1中 D、σ—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。

逆压电效应中，外电场作用下的材料应变与电场强度成正比。即：

2

S?d'E （3. 2）

式3.2中 S—应变，应变?，微应变??； E—外加电场强度，V/m；

d'—逆压电系数，C/N。

当对于多维压电效应，d'为d的转置矩阵，见（3.5）、（3.6）。

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

D??r?0E

（3. 3）

式中 ?r —压电材料的相对介电常数； ?0—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

V?E?h?d?r?0T?h （3. 4）

式3.4中h—平行板电容器极板间距。 人们常用 g?d/(?r?0)表示压电电压系数。

例如，压电材料钛酸铅 d=44pC/N，?r=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表示，6×3维。进而有电位移矩阵向量D，1×3维；应力矩阵向量T，1×6维；应变矩阵向量S，1×6维；电场强度矩阵向量E，1×3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。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）；σ1、σ2、σ3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。

图3-2压电材料中方向坐标含义

3

?D1??d11???D2?d21?????D3????d31d12d22d32d13d23d33d14d24d34d15d25d35d16d26d36?T1???T2?????T3? ??T??4?????T5???T6??? （3. 5）

?S1??d11???Sd?2??12?S3??d13 ?????S4??d14?S??d515?????S6????d16d21d22d23d24d25d26d31??d32??E?1d33????E2 d34?????E3???d35?d36?? （3. 6）

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（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（tangential piezoelectric effect）。逆压电效应也有类似情况。

§3.1.2 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；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： §3.1.2.1

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。

1． 石英晶体（SiO2）

图3-3石英晶体坐标系

4

图3-4密斯诺石英晶体模型

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573℃，晶体的结构为六角晶系的α－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。 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20～200℃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（6.8～9.8）×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，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O。

2-

(a) (b) （c）

图3-5石英晶体压电效应机理示意图

5

当石英晶体未受外力时，正、负离子（即Si和O）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3-5（b）所示。电偶极矩在X方向的分量为（P1+P2+P3）X>0，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”。

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）X<0，在X轴的正方向的晶体表面上出现负电荷。同样，在垂直于Y轴和Z轴的晶面上不出现电荷。这种沿Y轴施加压力FY,而在垂直于X轴晶面上产生电荷的现象，称为“横向压电效应”。

当晶体受到沿Z轴方向的力(无论是压力或拉力)作用时，因为晶体在X方向和Y轴方向的变形相同，正、负电荷中心始终保持重合，电偶极矩在X，Y方向的分量等于零。所以，沿光轴方向施加力，石英晶体不会产生压电效应。

需要指出的是，上述讨论均假设晶体沿X轴和Y轴方向受到了压力，当晶体沿X轴和Y轴方向受到拉力作用时，同样有压电效应，只是电荷的极性将随之改变。 石英晶体的独立压电系数只有d11和d14，其压电常数矩阵为

?d11??0???0?d1100000d14000?d140???2d11

?0??04+2-

dij （3. 7）

式中 d11 = 2.31×10-12C/N；

d14 = 0.73×10-12C/N。

其中，

d12= - d11为横向压电系数，d25= - d14为面剪切压电系数，d26= -2 d14为厚度剪切压电系数。 2．其他压电单晶

在压电单晶中除天然和人工石英晶体外，钾盐类压电和铁电单晶如铅酸锂（LiNbO3）、钽酸锂（LiTaO3）、锗酸锂（LiGeO3）、镓酸锂（LiGaO3）和锗酸秘（Bi12GeO20）等材料，近年来已在传感器技术中日益得到广泛应用，其中以铅酸锂为典型代表。

铅酸锂是一种无色或浅黄色透明铁电晶体。从结构看，它是一种多畴单晶。它必须通过极化处理后才能成为单畴单晶，从而呈现出类似单晶体的特点，即机械性能各向异性。它的时间稳定性好，居里点高达1200℃，在高温、强辐射条件下，仍具有良好的压电性，且机械性能，如机电耦合系数、介电常数、频率常数等均保持不变。此外，它还具有良好的光电、声光效应，因此在光电、微声和激光等器件方面都有重要应用。不足之处是质地脆、抗机械和热冲击性差。

§3.1.2.2 压电陶瓷

1942年，第一个压电陶瓷材料――钛酸钡先后在美国、前苏联和日本制成。1947年，钛酸钡拾音器――第一个压电陶瓷器件诞生了。50年代初，又一种性能大大优于钛酸钡的压电陶瓷材料――锆钛酸铅研制成功。从此，压电陶瓷的发展进入了新的阶段。60年代到70年代，压电陶瓷不断改进，日趋完美。如用多种元素改进的锆钛酸铅二元系压电陶瓷，以锆钛酸铅为基础的三元系、四元系压电陶瓷也都应运而生。这些材料性能优异，制造简单，

6

成本低廉，应用广泛。

左

中

右

图3-6压电陶瓷的极化

压电陶瓷是一种经极化处理后的人工多晶压电材料。所谓“多晶”，它是由无数细微的单晶组成；每个单晶形成单个电畴，无数单晶电畴的无规则排列，致使原始的压电陶瓷呈现各向同性而不具有压电性（如图3-6所示）。要使之具有压电性，必须作极化处理，即在一定温度下对其施加强直流电场，迫使“电畴”趋向外电场方向作规则排列〔如图3-6（中）〕；极化电场去除后，趋向电畴基本保持不变，形成很强的剩余极化，从而呈现出压电性〔如图3-6（右）〕。

压电陶瓷的压电常数大，灵敏度高。压电陶瓷除有压电性外，还具有热释电性，这会给压电传感器造成热干扰，降低稳定性。所以，对要求高稳定性的传感器场合，压电陶瓷的应用受到限制。

传感器技术中应用的压电陶瓷，按其组成元素可分为：

（1）二元系压电陶瓷 以钛酸钡，尤其以锆钛酸铅系列压电陶瓷应用最广。

（2）三元系压电陶瓷 目前应用的有PMN，它由铌镁酸铅Pb（Mg1／3Nb2/3）O3、钛酸铅PbTiO3、锆钛酸铅PbZrO3三种成分配比而成。另外还有专门制造耐高温、高压和电击穿性能的铌锰酸铅系列、镁碲酸铅、锑铌酸铅等。

图3-7压电陶瓷坐标系

压电陶瓷的压电常数矩阵为

?0??0???d3100d3200d330?d150d15000??0 ?0??

dij （3. 8）

7

压电陶瓷的压电效应比石英晶体的强数十倍。对石英晶体，长宽切变压电效应最差，故很少取用；对压电陶瓷，厚度切变压电效应最好，应尽量取用；对三维空间力场的测量，压电陶瓷的体积压缩压电效应显示了独特的优越性。但是，石英晶体温度与时间的稳定性以及材料之间的一致性远优于压电陶瓷。

压电材料的主要特性参数有： （1）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）机电耦合系数 它定义为：在压电效应中，转换输出的能量（如电能）与输入的能量（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少电荷泄漏，从而改善压电传感器的低频特性。

（6）居里点 即压电材料开始丧失压电性的温度。

常用压电晶体和陶瓷材料的主要性能列于表3-1。

表3-1常用压电晶体和陶瓷材料的主要性能

参 数 压电常数，pC／N 石 英 d11=2.31 钛酸钡 锆钛酸铅 锆钛酸铅 锆钛酸铅 PZT-4 PZT-5 PZT-8 d33=415 d31=-185 d15=670 2100 260 250 7.5 117 80 76 1011 100 d33=200 d31=-90 d15=410 1000 300 250 7.45 123 ≥800 83 d33=190 d33=200 d15=250 d15=410 1200 115 80 5.5 1050 310 250 7.45 83.3 ≥500 76 >1010 100 d14=0.73 d31=-78 d31=-100 相对介电常数，εr 居里温度点／℃ 最高使用温度／℃ 10·密度／（kg·m） 10-9·弹性模量／（N·m-2） 机械品质因数 -5-2-3-34.5 573 550 2.65 80 110 105∽106 10·最大安全应力／（N·m） 95∽100 81 体积电阻率／（Ω·m） >1012 1010* 最高允许相对湿度／（％） * 在25℃ 以下 §3.1.2.3

100 100 新型压电材料

1．压电半导体

1968年以来出现了多种压电半导体如硫化锌（ZnS）、碲化镉（CdTe）、氧化锌（ZnO）、硫化镉（CdS）、碲化锌（ZnTe）和砷化嫁（GaAs）等。这些材料的显著特点是：既具有压电特性，又具有半导体特性。因此既可用其压电性研制传感器，又可用其半导体特性制作电子器件；也可以两者结合，集元件与线路于一体，研制成新型集成压电传感器测试系统。 2．有机高分子压电材料

其一，是某些合成高分子聚合物，经延展拉伸和电极化后具有压电性高分子压电薄膜，如聚氟乙烯（PVF）、聚偏氟乙烯（PVF2）、聚氯乙烯（PVC）、聚r甲基－L谷氨酸脂（PMG）和尼龙11等。这些材料的独特优点是质轻柔软，抗拉强度较高、蠕变小、耐冲击，体电阻达1012Ω·m，击穿强度为150～200kV／mm，声阻抗近于水和生物体含水组织，热释电性和热稳定性好，且便于批生产和大面积使用，可制成大面积阵列传感器乃至人工皮肤。

其二，是高分子化合物中掺杂压电陶瓷PZT或BaTiO3粉末制成的高分子压电薄膜。这

8

种复合压电材料同样既保持了高分子压电薄膜的柔软性，又具有较高的压电性和机电耦合系数。

§3.1.3 压电振子

逆压电效应可以使压电体振动，可以构成超声波换能器、微量天平、惯性传感器以及声表面波传感器等等。逆压电效应可以产生微位移，也在光电传感器中作为精密微调环节。

要使压电体中的某种振动模式能被外电场激发，首先要有适当的机电耦合途径把电场能转换成与该种振动模式相对应的弹性能。当在压电体的某一方向上加电场时，可从与该方向相对应的非零压电系数来判断何种振动方式有可能被激发。例如， 对于经过极化处理的压电陶瓷，一共有三个非零的压电系数：d31=d32=d33，d15=d24。因此若沿极化轴Z方向加电场，则通过d33的耦合在Z方向上激发纵向振动，并通过d31和d32在垂直于极化方向的X轴和Y轴上激发起相应的横向振动。而在垂直于极化方向的X轴或Y轴上加电场，则通过d15和d24激发起绕Y轴或X轴的剪切振动。压电常数的18个分量能激发的振动可分成四大类，如图3-8所示，它们是：

（1）垂直于电场方向的伸缩振动，用LE(Lensth expansion)表示；

（2）平行于电场方向的伸缩振动，用TE(Thickness expansion) 表示； （3）垂直于电场平面内的剪切振动，用FS(Face shear) 表示；

（4）平行于电场平面内的剪切振动，用TS(Thickness shear)表示。

图3-8四种压电振动模式

按照粒子振动时的速度方向与弹性波的传播方向，这些由压电效应激发的振动可分纵波与横波两大类。前者粒子振动的速度方向与弹性波的传播方向平行，而后者则互相垂直。按照外加电场与弹性被传播方向间的关系，压电振动又可分为纵向效应与横向效应两大类。当弹性波的传播方向平行于电场方向时为纵向效应，而二者互相垂直时为横向效应。压电体中能被外电场激发的振动模式还和压电体的形状尺寸有着密切的关系。压电体的形状应该有利于所需振动模式的机电能量转换。

§3.2 压电传感器等效电路和测量电路

等效电路

§3.2.1

压电振子在其谐振频率附近的阻抗—频率特性可近似地用一个等效电路来描述。图3-9

是常用的一种等效电路及其阻抗特性的示意图，其个C0表示振子在高频下的等效电容。出L1、C1和R1构成的串联谐振电路，用电场能和磁场能之间的相互转换，模拟了压电振子中通过正、逆压电效应所作的电能与弹性能之间的相互转换，其中L1为动态电感，C1称为动态电容，R1称为机械阻尼电阻。等效电路中C0、C1、L1、R1的数值可通过测量振子的阻抗频率特

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性求得，也可通过计算，直接与压电材料的物理常数和振子的几何尺寸联系起来。图3-9（b）中，fs为串联谐振频率。fp为并联谐振频率。

（a）等效电路

（b）导纳-频率特性

图3-9压电振子的等效电路与阻抗特性

在低频应用时，L1=0，R1=0，从功能上讲，压电器件实际上是一个电荷发生器。

图3-10压电器件的理想等效电路

（a）电压源 （b）电荷源

设压电材料的相对介电常数为εr，极化面积为A，两极面间距离（压电片厚度）为t，如图3-10所示。这样又可将压电器件视为具有电容Ca的电容器，且有

cn??0?rA/t

（3. 9）

10

因此，从性质上讲，压电器件实质上又是一个有源电容器，通常其绝缘电阻Ra≥10Ω。

当需要压电器件输出电压时，可把它等效成一个与电容串联的电压源，如图3-10（a）所示。在开路状态，其输出端电压和电压灵敏度分别为

Un?Q/Cn

（3. 10） （3. 11）

10

Ku?Un/F?Q/CnF

上达到最大值。电极上的电荷也按比例地增加，电荷Q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。

??

?K'?Uo??K0?? （3. 30）

Ui1?K0?

图3-18压电自激振荡器

（a）压电自激振荡器结构； （b）等效电路；

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2π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K0??1。

2． 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10～500pF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，便于屏蔽。该电路适用于声表面波压电传感器。

图3-19电容三点式压电体振荡电路

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图3-20由TTL逻辑电路构成的振荡电路

图3-21驱动与检测电极分开的压电振动传感电路

被检测量的变化所引起的压电元件谐振频率偏移比原频率要小得多。这时需要检测出频率偏移量，而不是总频率。图3-21中利用二极管的非线性原理的频差检测电路。低通滤波器将f1、f2、f1+f2频率成分以及倍频成分滤除，只允许 |f1-f2 | 差频成分通过。

图3-22频率差检测出电路

§3.3 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

压电式加速度传感器

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§3.3.1.1 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．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；压电元件选用d11和d33形式。

图3-23压缩型压电加速度传感器

（a）正装中心压缩式；（b）隔离基座压缩式； （c）倒装中心压缩式；（d）隔离预载简筒压缩式

1—壳体；2—预紧螺母；3—质量块；4—压电元件；5—基座；6—引线接头；7—预紧筒

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．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

基座应变 瞬变温度 形式/性能 最大横向 灵敏度/% <4（个别值） <4（最大值） 0.08 0.39 0.005 5.9 灵敏度/ms?2声灵敏度 /ms 1 ?2磁场灵 ?1灵敏度 ?1?(154dB) 敏度 /ms?2?(??) /ms?2??C?1?T?1 4335压缩式 4396剪切式 2 3.9 9.8

由表3-2所列压电元件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

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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3-24剪切型压电式加速度传感器结构

（a） 中空柱形；（b）两种极化；（c）扁环形；（d）三角形；（e）H型

1—壳体；2—质量块；3—压电元件；4—基座；5—引线接头；6—预紧筒

图3-23（c）为扁环形结构。它除上述中空圆柱形结构的优点外，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％。

§3.3.1.2压电加速度传感器动态特性

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图3-25压电加速度传感器的力学模型

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“m－k－c”力学

..模型。其中：k为压电器件的弹性系数，被测加速度a?x为输人。设质量块m的绝对位移为xa，质量块对壳体的相对位移y＝xa－x为传感器的输出。由此列出质量块的动力学方程

....

mxa?c(xa?x)?k(xa?x)?0

（3. 31）

或整理成

..... my?cy?ky??ma??mx （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

A(?)x?yx?K[1?(?/?n)]?[2?(?/?n)]222 （3. 33）

在此式中，??k/m；??c/2km；而K则为静态灵敏度，等于静态输出与输人之比；

由静态时方程ky＝－ma得

K?ya?mk?1?n2 （3. 34）

代入式（3.33）可得系统对加速度响应的幅频特性

A(?)a?ya?1/?n2222[1?(?/?n)]?[2?(?/?n)]?A(?n)1?n2 （3. 35）

式中

A(?n)?1/[1?(?/?n)]?[2?(?/?n)] 222为表征二阶系统固有特性的幅频特性。

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F＝ky。由此产生的压电效应

Q?d33F?d33?ky

（3. 36）

将上式代入式（3.35）

20

即得压电加速度传感器的电荷灵敏度幅频特性为

A(?)a?Qa2?A(?n)?d33k/?n

（3. 37）

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

A(?)q?Uoaq?A(?n)?d33kCf?n

2 （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

Uo?Ad33Fm?R1?(?RC)2?11?(?1?)22?Ad33FmC

?A(?1)Ad33FmC

（3. 39）

A(?1)?1/1?(?1/?) （3. 40）

A(?1)为由电压放大器回路角频率ω1决定的，表征回路固有特性的幅频特性。

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

A(?u)?Uoau?A(?1)?A(?n)Ad33kC?2n （3. 41）

由式（3-41）描绘的相对频率特性曲线如图3-25所示。

图3-26压电加速度传感器的幅频特性

综上所述：

（1）由图3-25可知，当压电加速度传感器处于（ω/ωn）<<1，即A（ωn）→1时，可得到灵敏度不随ω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

Qa?d33k?n2（传感器本身） （3. 42）

21

或

Uoa?d33kCf?n2（带电荷放大器） （3. 43）

这是我们所希望的；通常取ωn＞（3～5）ω。

（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（ω1）和高频特性A（ωn）组成。高频特性由传感器机械系统固有特性所决定；低频特性由电回路的时间常数??1/?1?RC所决定。只有当ω/ωn<<1和ω1/ω<<1（即ω1<<ω<<ωn）时，传感器的灵敏度为常数

Uoa?d33kA?nC2 （3. 44）

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 ?H?[A(?n)?1]% 低频段 ?L?[A(?1)?1]%

（3. 45） （3. 46）

此外，在测量具有多种频率成分的复合振动时，还受到相位误差的限制。 §3.3.2 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。

图3-27单向压缩式压电力传感器

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Fz＝ma，即可得单向压缩式压电力传感器的电荷灵敏度幅频特性

QFz?A(?n)?d11?[1?(d11??n)]?[2?22??n （3. 48）

]2可见，当（ω/ωn）<<1（即ω<<ωn）时，上式变为

QFz?d11 或 Q?d11Fz

（3. 49）

22

这时，力传感器的输出电荷Q与被测力Fz成正比。

§3.3.3压电角速度陀螺

利用压电体的谐振特性，可以组成压电体谐振式传感器。压电晶体本身有其固有的振动频率，当强迫振动频率与它的固有振动频率相同时，就会产生谐振。

各种不同类型的压电谐振传感器按其调制谐振器参数的效应或机理可以归纳为下列几种：

1．应变敏感型压电谐振传感器 在这类传感器中，被测量直接或间接地引起压电元件的机械变形。通过压电谐振器的应变敏感性来实现参数的转换。

2．热敏型压电谐振传感器 在这类传感器中，被测量直接或间接地影响压电元件的平均温度，借压电谐振器的热敏感性实现参数的转换。

3．声负载〔复阻抗Z)敏感型压电谐振传感器 在这类装置中，被测参数调制压电元件振动表面的超声辐射条件。声压电谐振传感器的工作机理被称为声敏感性。

4．质量敏感型压电谐振传感器 这类传感器应用谐振器的参数与压电元件表面连接物质的质量之间的关系，通过压电谐振器的质量敏感性来实现参数的转换。

5．回转敏感型压电谐振传感器，即压电角速度陀螺。本节主要介绍其原理。

逆压电效应的应用也很广泛。基于逆压电效应的超声波发生器（换能器）是超声检测技术及仪器的关键器件。这里介绍逆压电效应与正压电效用的一个联合应用：压电陀螺。 压电陀螺是利用晶体压电效应敏感角参量的一种新型微型固体惯性传感器。压电陀螺消除了传统陀螺的转动部分，故陀螺寿命取得了重大突破，MTBF达10000h以上。压电陀螺最初是应近程制导需求发展起来的。这里仅介绍振梁型压电角速度陀螺。

振梁型压电角速度陀螺的工作原理如图6-34所示。这种陀螺的心藏元件是一根矩形振梁，振梁材料可以是恒弹性合金，也可以是石英或鈮酸锂等晶体材料。在振梁的四个面上贴上两对压电换能器，当其中一对换能器（驱动和反馈换能器)加上电信号时，由于逆压电效应，梁产生基波弯曲振动，即

图3-28振粱型压电角速度陀螺的工作原理

X(t)?X0sin?ct

（3. 50）

式中X0是振动的最大振幅，ωc是驱动电压的频率。

上述振动在垂直于驱动平面的方向上产生线性动量mV(V是质点的线速度，m是质点

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的质量)。当绕纵轴(Z轴)输入角速度ωz时，在与驱动平面垂直的读出平平面内产生惯性力（柯里奥利力）

F??2m(?z?V)

（3. 51）

惯性力使读出平面内的一对换能器也产生机械振动，其振幅

Y(t)?2X0?z?c[(1?式中

??2c20)?(?c?0Q0cos(?ct??c) )]21/2 （3. 52）

?c?arctan[?c?0Q0(?0??c)22] （3. 53）

?0和Q0分别是读出平面的谐振频率和机械品质因素。

由于压电效应，惯性力在读出平面内产生的机械振动使读出面内的压电换能器产生电信号输出。输出电压的量值决定于振幅Y(t)。由式（3.50）和（3.51）可如，当振梁、压电换

能器和驱动电压一定时，输出电信号的大小仅与输入角速度ωz的大小有关。

图3-29压电陀螺的敏感器件结构

压电陀螺的敏感器件结构如图3-28所示。振梁尺寸根据使用要求确定，梁的驱动谐振频率和尺寸的关系：

fc??h2?lEg12? （3. 54）

式中,

α是与振动模式有关的常数；E是扬氏弹性模量；l是梁的长度，根据使用要求，可设计成30～150mm；h是梁弯曲方向的厚度，根据使用要求，可设计成2～6mm；ρ是梁的密度，g是重力加速度。

§3.4 声波传感技术

§3.4.1 SAW 传感器 §3.4.1.l SAW传感器特点

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声表面波SAW(Surface Acoustic Wave)是英国物理学家瑞利(Rayleigh)于19世纪末期在研究地震波的过程中发现的一种集中在地表面传播的声波。后来发现，任何固体表面部存在这种现象。1965年美国的White和Voltmov发明了能在压电晶体材料表面上激励声表面波的金属叉指换能器(IDT，Inter Digital Transducer)之后，大大加速了声表面波技术的研究，使SAW技术逐步发展成一门新兴的、声学与电子学相结合的边缘学科。利用SAW技术研制、开发新型传感器还是20世纪80年代以后的事。起初，人们观察到某些外界因素(如温度、压力、加速度、磁场、电压等)对SAW的传播参数会造成影响，进而研究这些影响与外界因素之间的关系，根据这些关系，设计出各种结构形式并制作出用于检测各种物理、化学参数的传感器。

SAW传感器之所以能够迅速发展并得到广泛应用，是因为它具有许多独特的优点: (1)高精度，高灵敏度。SAW传感器是将被测量转换成电信号频率进行测量，而频率的测量精度很高，有效检测范围线性好;抗干扰能力很强，适于远距离传输。例如SAW温度传感器的分辨率可以达到千分之几度。

(2)SAW传感器将被测量转换成数字化的频率信号进行传输、处理，易于与计算机接 口连接，组成自适应的实时处理系统。

(3)SAW器件的制作与集成电路技术兼容，极易集成化、智能化，结构牢固，性能稳定，重复性与可靠性好，适于批量生产。

(4)体积小、重量轻、功耗低，可获得良好的热性能和机械性能。

SAW传感器尽管还处于发展之中，但是它的基本物理过程是非常清楚的，因而具有广泛应用的巨大潜力。SAW几乎对所有的物理、化学现象均能感应，正因为这样，已经开发出几十种SAW传感器。

§3.4.1.2 SAW传感器的结构与工作原理

SAW传感器是以SAW技术、电路技术、薄膜技术相结合设计的部件，由SAW换能器、电子放大器和SAW基片及其敏感区构成，采用瑞利波进行工作。

SAW谐振器结构如图3-29所示，它是将一个或两个叉指换能器(IDT)置于一对反射栅阵列组成的腔体中构成的。谐振器结构采用一个IDT时，称为单端对谐振器;采用两个IDT时，称为双端对谐振器。

当在压电基片上设置两个IDT，一个为发射IDT，另一个为接收IDT时，SAW在两个IDT中心距之可产生时间延迟，所以称为SAW延迟线，如图3-30所示。它既是一个SAW滤波器，又是一个SAW延迟线。采用SAW谐振器或SAW延迟线结构构成的振荡器，分别称为谐振器型振荡器和延迟线型振荡器。

图3-30 SAW谐振器结构

(a) 单端对谐振器 （b)双端对谐振器

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图3-31 SAW延迟线结构

1. SAWAS瑞利波

在无边界各向同性固体中传播的声波(称为体波或体声波)。依据质点的偏振方向(即质点振动方向)，该声波可分为两大类，即纵波与横波。纵波质点振动平行于传播方向，横波质点振动垂直于传播方向。两者的传播速度取决于材料的弹性模量和密度，即

纵波速度

vL?E(1??)?(1??)(1?2?) （3. 55）

横波速度

vS?E1?2(1??) （3. 56）

式中 E—材料弹性模量； μ—材料泊松比；

ρ—材料密度。

出于固体材料的泊松比μ一般在0—0．5之间，所以从式（3. 54）和式(3. 55)可看出横波一般比纵波传播速度慢。对于压电晶体、由于压电效应、在声波传播过程中，将有—个电势随同传播．且使声波速度变快，这种现象称为“速度劲化”。

当固体有界时．由于边界变化的限制，可出现各种类型的声表面波，如瑞利波、电声波、乐甫波、广义瑞利波、拉姆波等。SAW技术所应用的绝大部分是瑞利波。它的传播速度计算公式比较复杂，即使在最简单的非压电各向同性固体中，其速度VR也是下列6次方程

r?8r?8r(3?2S)?16(1?S)?0

64222 （3. 57）

的解，式中

r?vRvS；

1

S?vS?1?2??2vL???；

?2(1??)???0?0.5。

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解方程式(3.56)可得r值在0．87一0．96之间。由此可得瑞利波的两个性质： 一、瑞利波速度与频率无关，即瑞利波是非色散波； 二、瑞利波速度比横波要慢。

这里讨论的SAW瑞利波既不是纵波，也不是横波，而是两者的叠加。已经证明瑞利波质点的运动是一种椭圆偏振。在各向同性固体中，它是由平行于传播方向的纵振动和垂直于表面及传播方向的横振动两者合成的，两者的相位差为90°。它的纵向分量能将压缩波入射到与SAW器件接邻的媒质中，它的垂直剪切分量容易受到相邻媒质粘度的影响。它与表面接触的媒质相互耦合时，其振幅与速度强烈地受到媒质的影响。振幅随深度的变化呈现不同的衰减。瑞利波的能量只集中在一个波长深的表面层内，而且频率愈高，能量集中的表面层就愈薄。在各向异性固体中，瑞利波除具上述性质外，还存在下面一些特点:瑞利波的相速度依赖于传播方向;能量流一般不平行于传播方向;质点的椭圆偏振不一定在弧矢平面(即传播方向与表面法线决定的平面)内;椭圆的主轴也不一定与传播方向或表面法线平行;质点位移随深度的衰减呈阻尼振荡形式。另外，SAW在压电基片材料中传播的同时，还存在一个电势随同SAW一起传播。

SAW在压电衬底表面上容易激励、检测、抽取，并且效率高，没有寄生模型。

2．敏感基片

敏感基片通常采用石英、LiNbO3、LiTaO3等压电单晶材料制成。对于SAW气体传感器，需要在基片的SAW传播路径上涂敷对气体有响应的吸附薄膜。由于SAW谐振器对温度的漂移和随时间的老化较敏感，一般选用具有零温度系数的ST切型石英材料作为基片。

当敏感基片受到多种物理、化学或机械扰动作用时，其振荡频率会发生变化。通过正确的理论计算和合理的结构设计，能使它仅对某一被测量有响应，并将其转换成频率量。由于声表面波传播时能量主要集中在产生这种波的物质表面约一个波长的深度范围内，所以敏感区也集中在这一表面薄层附近。

3．换能器

换能器(IDT)是用蒸发或溅射等方法在压电基片表面淀积一层金属膜，再用光刻方法形成的叉指状薄膜，它是产生和接收声表面波的装置。当电压加到叉指电极上时，在电极之间建立了周期性空间电场，由于压电效应，在表面产生一个相应的弹性应变。由于电场集中在自由表面，所以产生的声表面波很强烈。由IDT激励的表面声波沿基片表面传播。当基片或基片上覆盖的敏感材料薄膜受到被测量调制时，其表面声波的工作频率将改变，并由接收叉指电极拾取，从而构成频率输出传感器。频率范围属于甚高频或超高频，一般为几百MHz左右。

在IDT发明之前，也有一些激励表面波的方法，例如楔形换能器、梳状换能器等。但出于它们不是变换效率低就是得不到高频率的SAW而被淘汰。此外也还有用模式转换的方法将体波转换成瑞利波，但这些方法也因效率低且波形不纯，而难以实用。到目前为止，只有IDT是唯一可实用的换能器。

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图3-32叉指换能器

IDT基本结构形式如图3-31所示，IDT由若干淀积在用电衬底材料上的金属膜电极组成，这些电极条互相交叉配置，两端由汇流条连在一起。它的形状如同交叉平放的两排手指，故称为叉指电极。电极宽度。和间距相等的IDT称均匀（或非色散）IDT。叉指周期T=2a十2b，两相邻电极构成电极对，其相互重叠的长度为有效指长，即称换能器的孔径，记为W。若换能器的各电极对重叠长度相等，则叫等孔径（等指长）换能器。IDT是利用压电材料的逆压电与正压电效应来激励SAW的，IDT既可用作发射换能器，用来激励SAW，又可作接收换能器，用来接收SAW，因而这类换能器是可逆的。在发射IDT上施加适当频率的交流电信号后压电基片内所出现的电场分布如图3-32所示。 该电场可分解为垂直与水平两个分量(Ev和Eh)由于基片的逆压电效应这个电场使指条电极间的材料发生形变（使质点发生位移）Eh使质点产生半行于表面的压缩（膨胀）位移，Ev则产生垂直于表面的切变位移。这种周期性的应变就产生沿IDT两侧表面传播出去的SAW，其频率等于所施加电信号的频率。一侧无用的波可用一种高损耗介质吸收，另一侧的SAW传播至接收IDT，借助于正压电效应将SAW转换为电信号输出。

图3-33叉指电极下某一瞬间电场分量

IDT有如下基本特性：

一、工作频率（f0）高。由图3-32可见基片在外加电场作用下产生局部形变。当声波波长与电极周期一致时得到最大激励（同步）。这时电极的周期T即为声波波长λ，表示为

??T?v/f0

（3. 58）

式中 v一 材料的表面波声速

f0一SAW频率,即外加电场同步频率。

当指宽a与间隔b相等时，T=4a，则工作频率f0为

f0?1v4a

可见IDT的最高工作频率只受工艺上所能获得的最小电极宽度a的限制。叉指电极由平面工艺制造，换能器的工作频率可高达GHz。

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二、时域(脉冲)响应与空间几何图形具有对称性。IDT每对叉指电极的空间位置直接对应于时间波形的取样。在图3-33所示的多指对发射、接收情况下，将一个δ脉冲加到发射换能器上，在接收端收到的信号是到达接收换能器的声波幅度与相位的叠加，能量大小正比于指长，输出波形为两个换能器脉冲响应之卷积。图中单个换能器的脉冲为矩阵调制脉冲，如同几何图形一样．则卷积输出为三角形调制脉冲。换能器的传输函数为脉冲响应的付氏变换。这一关系为设计换能器提供了极简便的方法。

三、带宽直接取决于指对数。由于均匀(等指宽，等间隔)IDT，带宽可简单地出下式决定：

?f?f0N

（3. 59）

式中，

f0——中心频率(工作频率) N——叉指对数。

图3-34叉指换能器脉冲响应几何图形关系示意图

由式(3.58)可知，中心频率一定时，带宽只决定于指对数。指对数N愈多，换能器带宽愈窄。表面波器件的带宽具有很大灵活性，相对带宽可窄到0．1％，可宽到1倍频程(即100％)。这样宽的范围，实用时均可做到。

四、具有互易性。作为激励SAW用的IDT，同样(且同时)也可作接收用。这在分析和设计时都很方便，但因此也带来麻烦，如声电再生等次级效应特使器件性能变坏。

五、可作内加权。由特性二可推知，在IDT中，每对叉指辐射的能量与指长重叠度(有效长度，即孔径)有关。这就可以用改变指长重叠的办法来实现对脉冲信号幅度的加权。同时，因为叉指位置是信号相位的取样，故有意改变指的周期就可实现信号的相位加权(如色散换能器)。或者两者同时使用，以获得某种特定的信号谱(如脉冲压缩滤波器)。图3-33 简单地表示了这种情况。SAW这种可内加极性比电子器件优越得多。省去难以调试且庞杂的外加权网络，且为某些特殊的信号处理提供简单而又方便的方法与器件。

六、制造简单。重复性、一致性好。SAW器件制造过程类似半导体集成电路工艺，一旦设计完成，制得掩膜母版，只要复印就可获得一样的器件，所以这种器件具有很好的一致性及重复性。

§3.4.1.3 SAW振荡器

SAW传感器的核心是SAW振荡器。就SAW传感器的工作原理来说，它属于谐振式传感器，有延迟线型(DL型)和谐振器型(R型)两种。 1)延迟线型SAW振荡器

延迟线型SAW振荡器由声表面波延迟线和放大电路组成，如图3-34所示。输入换能器T1

激发出声表面波，传播到换能器T2转换成电信号，经放大后反馈到T1以便保持振荡

状态。应该满足的振荡条件是包括放大器在内的环路长度必须是2n的正整数倍，即

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2?f?Lvs???2?n （3. 60）

式中: f为振荡频率;

L为声表面波传播路程，即T1与T2之间的中心距离;

vs为声表面波速度;d为包括放大器和电缆在内的环路相位移; n为正整数，通常为30~1000。

图3-35延迟线型SAW振荡器

图3-36延迟线型SAW振荡器方框图

由图3-35所示的延迟线型SAW振荡器的方框图可以看出，输入信号Ui、输出信号U。以及

反馈信号队之间应满足如下关系:

Uo?Ui???Uo??(KUi)

?KUi?Ui(?K?1)Ui?0 （3. 61）

?K?1式中:

β为反馈系数;K为放大系数，均以复数形式表示。 显然，在闭合回路中，起振条件是

?K?1

30

而维持振荡的条件包括两方面， 一是振幅平衡条件

?K?1

二是相位平衡条件

???0

把放大器的输出端接人输入换能器T1，当U。到达T1时，按照逆压电效应，T1将电信号转换成SAW,SAW由T1传到T2，经过路径为L，由输出换能器即T2按压电效应将SAW转换成电信号，送到放大器的输入端。只要放大器的增益足够高，足以抵消延迟线的插入损耗，并能满足相位条件，这一系统就能产生振荡。

这里的相位条件是整个环路的相移为零或者是2n的整数倍;即

???D??E?2n?

n=0，1，2，… （3. 62）

式中， ΦD为延迟线的相位延迟;

ΦE为放大器和换能器所引起的相位延迟。

如果延迟线的延迟路径为L，SAW的波速为vs，这时的延迟时间为

?D?Lvs （3. 63）

如果延迟线的角频率为ω,则有

?D???D??Lvs （3. 64）

代入上式得

?Lvs??E?2n?

（3. 65）

由于?E<<2?,?D<<2?，对于上式而言，?E可以忽略，则有

?Lvs?2n? （3. 66）

故

vsL

（3. 67）

??2n?2)谐振器型SAW振荡器

谐振器型SAW振荡器的结构如图3-36所示。SAW谐振器由一对叉指换能器与反射 栅阵列组成。发射和接收叉指换能器用来完成声-电转换。当对发射叉指换能器加以交变信号时，相当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例的机械形变，这就是SAW。该声表面波在接收叉指换能器上由于压电效应又变成电信号，经放大后，正反馈到输入端，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维持振荡。

31

图3-37谐振器型SAW振荡器

谐振器作为稳频元件，与晶体在电路中的作用是一致的，这时输出频率是单一的。 对于起振后的声表面波振荡器，当基片材料由于外力或温度等物理量的变化而发生形变时，在其上传播的SAW速度就会改变，从而导致振荡器频率发生改变。频率的变化量可以作为被测物理量的量度。

根据对SAW器件研究的结果、用SAW器件配以必要的电路和机构，可以做成测量机械应变、应力、压力、微小位移、作用力、流量及温度等传感器；利用同样的机理，通过合适的结构设计，也可做成SAW加速度计；通过对SAW器件基体材料的弹性力学分析和用波动方程进行推导计算，做成SAW角速度传感器以代替结构复杂的陀螺仪也是可能的；在两叉指换能器电报之间被覆一层对某种气体敏感(吸附和脱附)的薄膜，也可制成各种SAW气体。

传感器、湿度传感器等等。目前已研制成十几种SAW气体传感器。用SAW器件还可以对高电压进行测量，做成高电压传感器。将SAW器件，特别是SAW谐振器用来制作测量各种物理量和化学量传感器，具有十分广阔的应用前景。

§3.4.2

超声检测

超声学是声学的一个分支，它主要研究超声的产生方法和探测技术(包括显示)；超声在

各介质中的传播规律；超声和物质的相互作用，包括在微观尺度的相互作用；以及超声的众多应用。超声是指频率高于20kHz的声音．一般来说，人耳是听不见频率高于20kHz的声音的，由于历史原因和工作特点，少数额率低于2×104Hz声波的应用，也包括在超声学的研究范围。

§3.4.2.1

超声检测的物理基础

振动在弹性介质内的传播称为波动，简称波。频率在16～2×104Hz之间，能为人耳所闻的机械波，称为声波；低于16 Hz的机械波，称为次声波；高于2×104Hz的机械波，称为超声波，见图3-37。

图3-38声波的频率界限图

32

当超声波由一种介质人射到另一种介质时，由于在两种介质中的传播速度不同，在异质界面上会产生反射、折射和波型转换。

1．波的反射和折射

由物理学知，当波在界面上产生反射时，人射角α的正弦与反射角α’的正弦之比等于波速之比。当入射波和反射波的波型相同时，波速相等，入射角α即等于反射角α’，见图3－38。当波在界面外产生折射时．人射角α的正弦与折射角β的正弦之比，等于入射波在第一介质中的波速c1与折射波在第二介质中的波速c2之比，即

sin?sin??c1c2 （3. 68）

2．超声波的波型及其转换

当声源在介质中的施力方向与波在介质中的传播方向不同时，声波的波型也有所不同。 质点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。 质点振动方向垂直于传播方向的波称为横波，它只能在固体中传播。

质点振动介于纵波和横波之间，沿着表面传播，振幅随着深度的增加而迅速衰减的波称为表面波，它只在固体的表面传播。

超声波的波型,根据声源对介质质点的施力方向与波的传播方向之间的关系，列于表3-3。

表3-3超声波的波型,施力方向与波的传播方向之间的关系

波型 纵波 横波 表面波 兰姆波 传播特点 施力方向与传播方向平行 施力方向与传播方向垂直 介质质点振动的轨迹为椭圆，长轴与传播方向垂直，短轴与之平行 薄板两表面质点位移的轨迹为椭圆 传播介质 固体、液体、气体 固体、高粘滞液体 固体表面 薄板（几个波长厚） 检测中的应用 测量、探伤 测量、探伤 表面探伤 测厚度及晶粒结构、探伤

当声波以某一角度人射到第二介质（固体）的界面上时，除有纵波的反射、折射以外，还会发生横波的反射和折射，如图3-38所示。在一定条件下，还能产生表面波。各种波型均符合几何光学中的反射定律，即

cLsin??cL1sin?1?cS1sin?2?cL2sin??cS2sin? （3. 69）

式中,

α——人射角；

α1、α2一一纵波与横波的反射角；

γ、β一一纵波与横波的折射角；

cL、cL1、cL2——人射介质、反射介质与折射介质内的纵波速度； cS1、cS2——反射介质与折射介质内的横波速度。

33

图3-39波型转换图

L—入射波； L1—反射纵波； L2—折射纵波；S1—反射横波

表3-4 波形与介质

波型 纵波CL （m·s-1） K?气体 液体 E1固体 （棒）E?P0????RTM K???? ??(1??)（薄板） K?43G? 横波（切变波）CS （m·s-1） 0 2??（无限介质） ? G（纯粘性液体）?（无限介质） ?(1G?1j??)（非纯粘性液体） 表面波GR （m·s-1） 0 0 0.87?1.12?1??E1?2(1??) 注：表中符号的意义如后：K—体积弹性系数kg·m-2；E—杨氏模量kg·m-2；G—剪切模量kg·m-2；γ—热容比；σ—泊松比；ρ—密度kg·m-3；P0—静压力kg m-2；T—绝对温度K；R—理想气体普适常数JK-1mol-1；M—气体的分子量（公斤分子）；β—绝热压缩

-2-1-1

系数m?kg；ω—角频率s；η—动力粘滞系数Pa

3．声阻抗

声阻抗是用以表示声波在介质中传播时受到的阻滞作用的参数。声速截面上单位面积上的声阻抗称为声阻抗率，即为

Zs＝pv

（3. 70）

式中， Zs—声阻抗率，kg·m2·s-1；

p—声压，kg·m-2；

34

v—介质质点的振动速度，m·s。

一般情况下，p与v相位不同，故Zs一般为复数量。对于无衰减的平面波，Zs是实数，即

Zs＝ρc kg·m·s

3

-2

-1

-1

（3. 71）

式中，

ρ—介质密度，kg·m； c——声速．m·s-1。

通常把ρc称为特性阻抗。不同材料的声速和特性阻抗不同。

声辐射器表面上的声阻抗称为辐射阻抗。单位面积上的辐射阻抗称为辐射阻抗率。对于平面波辐射器，辐射特性阻抗为pc的无限介质辐射平面波，则其辐射阻抗率ZR＝ρc。通常，辐射阻抗率ZR也是复数。

声阻抗率和辐射阻抗率与介质特性有关。利用这一关系，可用测定声阻抗率及辐射阻抗率的方法来检测某些非声学量。 4．声波的透射

当声波入射到两种密度、声阻(即不同特性阻抗)的介质分界面上时．入射波和透射波在幅值和强度方面也将按一定比例分配。入射波、反射波及透射波的声压和声强在数量上的关系，用表3-5所示的系数表示。当两种介质的持性阻抗相差甚远，即当Zs1>>Zs2时，透射系数τ=0，而反透射系数ρ趋于-1。

表3-5 声反射、透射系数

系数 声压反射系数 符号 ρp 定义 反射波声压入射波声压透射波声压入射波声压反射波声强入射波声强透射波声强入射波声强垂直入射时的关系 zs2?zs1zs2?zs12zs2zs2?zs1?zs2?zs1??z?zs1?s24zs1 声压透射系数 τp 2声强反射系数 ρt ?? ??声强透射系数 τt zs22?zs2?zs1? 5．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，其衰减的程度与声波的扩散、散射、吸收等因素有关。

在平面波的情况下，距离声源x处的声压p和声强I的衰减规律如下：

??xp?p0e??1 （3. 72）

x2?x120lgp(x1)p(x2) （3. 73）

式中， p0——距声源x＝0处的声压；

α——衰减系数，单位为 dB/cm（分贝/厘米）

35

例如水和其他低衰减材料的α为（l～4）×10dB/cm。

－2

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。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2xl0Hz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、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、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γ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，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，有同样的规律。

4

36

图3-40 压电式探头结构图

1-压电片；2-保护膜；3-吸收块；4-接线；5-导线螺杆；

6-绝缘柱；7-接触座；8-接线片；9-压电片座

§3.4.2.2 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θ越小，其指向特性越好，它与声源的直径D、波长λ有关，即

??sin?1?1.22?/D?

（3. 74）

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。

图3-41超声波束的指向性

37

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0.1~0. 4mm的镍片叠加而成的，片间绝缘以减少涡流电流损失。

图3-42磁致伸缩换能器

(a)矩形 (b)窗口形 §3.4.2.3 超声波检测技术的应用

1 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

h?ct2 （3. 75）

式中， c——超声波的传播速度。

图3-43 超声波测厚工作原理图

38

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3-44非接触式超声测厚系统

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 超声波无损检测

为了探测物体内部的结构与缺陷，人们发明了A型、B型、C型等超声仪。图3-44为压电换能器接收到的超声回波电压信号波形。

图3-45超声回波电压信号波形

T：换能器接触面反射波；F：内部缺陷反射波；B：被测物地面反射波

39

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，出现声阻的变化，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大多数为压电陶瓷。

图3-46三种出超声测试仪的图形显示

1 被测物上表面（Top），2 被测物底面（Bottom），3 内部缺陷（Flaw）

40

思考题

1. 参照下图用电偶极矩理论解释石英晶体在电轴、机轴受到压力以及受到剪切力时压电特

性。

思考题1 参考图

2. 用计算机电路仿真软件（如Multisim、Matlab）研究电压放大器和电荷放大器以及改进电路的频率特性。请注意观察杂散电容的影响。

3. 如何把二阶机械模型等效为电气模型？尝试把在2题环境中引入压电加速度敏感部分与调理电路综合仿真模型。

4. 设想几种可以利用声表面波进行传感的物理量、化学量、生物量。并设想传感器的结构。 5. 设想几种可以利用超声波进行传感的物理量。参考相关资料进一步了解超声换能器。

41

6. 有一石英压电晶体，其面积S=3cm，厚度t=0.3mm。在零度，x切型纵向压电系数

d11=2.31×10C/N。求受到压力p=10MiPa作用时产生的电荷q及输出电压Uo。（石英相对介电常数εr=4.5）

7. YDL—1型压电式力传感器,压电元件采用石英晶体，原理是依据纵向压电效应。主要技

术指标为：量程测拉力为46kgf；测压力为5000N，非线线性误差<1%F.S，电荷灵敏度

为2.5PC／N。如果被测压力为2000N，问传感器产生的电荷量是多少?如果压电元件改为锆钛酸铝压电陶瓷，若此材料的纵向压电系数KPZ-7＝460PC／N．问产生的电荷量将是石英晶体的多少倍？

8. 分析压电加速度计的频率响应特性。若压电前置放大器总输入电容C=1000pf，输入电阻

R=500MΩ，传感器机械系统固有频率f0=30kHz，相对阻尼系数0.5。求幅值误差小于2%，5% 时的使用频率范围。

9. 沿厚度方向做剪切振动的石英压电谐振器的振动频率与温度相关，试了解压电式温度传感器原理，设计检测电路。

10. 压电元件在串联和并联使用时各有什么特点？为什么？

11. 在测力或加速度传感器中往往存在“横向效应”问题，即非检测方向的力或加速度会影

响传感器的输出信号，试比较电阻应变片和压电传感器在这方面所存在的问题，以及解决途径。

12. 测量大型机械和建筑振动，分析其频谱特征，可以判断其状态和故障隐患。试考虑检测

振动的传感器（不局限于压电式），并画出振动分析仪的组成框图。 13. 试用集成电路模拟乘法器进行差频检测电路设计。

参考资料

1. 贾伯年主编，《传感器技术》，东南大学出版社，2000.8(修订版) 2. 强锡富主编 , 《传感器》 , 机械工业出版社 , 2000年05月第2版

3. 张福学等 , 《压电铁电应用285例》 , 国防工业出版社 , 1987年03月

4. 陈明 范东远 李岁劳 , 《声表面波传感器》 , 西北工业大学出版社 , 1997年11月 5. 刘贵民，《无损检测技术》，国防工业出版社，2006.1

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ayhw.html