COMSOL v5.0_超声波放大器~MEMS压电机构

压电陶瓷测量原理

压电陶瓷及其测量原理 近年来，压电陶瓷的研究发展迅速，取得一系列重大成果，应用范围不断扩大，已深入到国民经济和尖端技术的各个方面中，成为不可或缺的现代化工业材料之一。由于压电材料的各向异性，每一项性能参数在不同的方向所表现出的数值不同，这就使得压电陶瓷材料的性能参数比一般各向同性的介质材料多得多。同时，压电陶瓷的众多的性能参数也是它广泛应用的重要基础。 （一）压电陶瓷的主要性能及参数 （1）压电效应与压电陶瓷 在没有对称中心的晶体上施加压力、张力或切向力时，则发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端将出现正负电荷，这一现象称为正压电效应；反之，在晶体上施加电场时，则将产生与电场强度成比例的变形或机械应力，这一现象称为逆压电效应。这两种正、逆压电效应统称为压电效应。晶体是否出现压电效应由构成晶体的原子和离子的排列方式，即晶体的对称性所决定。在声波测井仪器中，发射探头利用的是正压电效应，接收探头利用的是逆压电效应。 （2）压电陶瓷的主要参数 1、介质损耗 介质损耗是包括压电陶瓷在内的任何电介质的重要品质指标之一。在交变电场下，电介质所积蓄的电荷有两种分量：一种是有功部分（同相），由电导过程所引起；另一种为无功部分（异相），由介质弛豫过程所引起。介质损耗是异相分量与同相分量的比值，如图 1 所示，C I 为同相分量，R I 为异相分量，C I 与总电流 I 的夹角为δ，其正切值为 CR I I C R ωδ1 tan == 其中ω 为交变电场的角频率，R 为损耗电阻，C 为介质电容。

图 1 交流电路中电压-电流矢量图（有损耗时） 2、机械品质因数 机械品质因数是描述压电陶瓷在机械振动时，材料内部能量消耗程度的一个参数，它也是衡量压电陶瓷材料性能的一个重要参数。机械品质因数越大，能量的损耗越小。产生能量损耗的原因在于材料的内部摩擦。机械品质因数m Q 的定义为： π2 的机械能 谐振时振子每周所损失能谐振时振子储存的机械?=m Q 机械品质因数可根据等效电路计算而得 11 1 11 R L C R Q s s m ωω= = 式中1R 为等效电阻（Ω），s ω 为串联谐振角频率（Hz ），1C 为振子谐振时的等效电容（F ），1L 为振子谐振时的等效电感。m Q 与其它参数之间的关系将在后续详细推导。 不同的压电器件对压电陶瓷材料的m Q 值的要求不同，在大多数的场合下（包括声波测井的压电陶瓷探头），压电陶瓷器件要求压电陶瓷的m Q 值要高。 3、压电常数 压电陶瓷具有压电性，即在其外部施加应力时能产生额外的电荷。其产生的电荷与施加的应力成比例，对于压力和张力来说，其符号是相反的，电位移 D （单位面积的电荷）和应力σ 的关系表达式为：dr A Q D == 式中 Q 为产生的电荷（C ），A 为电极的面积（m 2），d 为压电应变常数（C/N ）。 在逆压电效应中，施加电场 E 时将成比例地产生应变 S ，所产生的应变 S 是膨胀还是收缩，取决于样品的极化方向。

压电超声波换能器原理

超声波换能器 一种能把高频电能转化为机械能的装置。由材料的压电效应将电信号转换为机械振动。超声波换能器是一种能量转换器件，它的功能是将输入的电功率转换成机械功率（即超声波）再传递出去，而自身消耗很少的一部分功率。 超声波换能器，要解决的技术问题是设计一种作用距离大、频带宽的超声波换能器。 换能器由外壳、匹配层、压电陶瓷圆盘换能器、背衬、引出电缆和Cymbal阵列接收器组成。压电陶瓷圆盘换能器采用厚度方向极化的PZT-5压电材料制成，Cymbal阵列接收器由8～16只Cymbal换能器、两个金属圆环和橡胶垫圈组成。本发明的作用距离大于35m，频带宽度达到10kHz，能检测高速移动的远距离目标。 压电陶瓷超声换能器工作原理 压电陶瓷是一种功能性陶瓷，所谓功能性陶瓷就是对光，电，等物理量比较敏感的陶瓷。压电陶瓷对光和压力比较敏感，对压电陶瓷施加一个外力，压电陶瓷表面会产生电荷，这就是压电陶瓷的正压电效应，是一个将机械能转化为电能的过程；对压电陶瓷外加一个电场，压电陶瓷会发生微小的形变，这就是压电陶瓷的逆压电效应，是一个将电能转化为机械能的过程。利用逆压电效应，可以把高频电压转化为高频率的振动，从而产生了超声波。 超声波换能器是将电能转换成机械能（超声波）的器件，其中最成熟可靠的是以压电效应实现电能与声能相互转换的器件，称为压电换能器。这种夹心换能器在负荷变化时产生稳定的超声波，是获得功率超声波驱动源的最基本最主要的方法。[1] 将非电能量转换成电能量，不需要外电源，称换能器，也称有源传感器，换能器是超声波设备的核心器件，其特性参数决定整个设备的性能。 现在用的超声波换能器，除了磁致伸缩结构以外就是常用的用前后盖板夹紧压电陶瓷的“朗之万”换能器，超声波就是通过换能器将高频电能转换为机械振动。换能器的特性取决与选材和制作工艺，同样尺寸外形的换能器的性能和使用寿命是千差万别的。 我们主要生产大功率超声波换能器，应用与超声波塑料焊接机、超声波金属焊接机、各种手持式超声波工具、连续工作的超声波乳化均质器、雾化器、超声波雕刻机等超声波焊接设备。磁致伸缩 磁致伸缩有镍片换能器和铁氧体换能器。 铁氧体换能器的电声转换效率比较低，使用一、二年后效率下降，甚至几乎丧失电声转换能力。 镍片换能器的工艺复杂，价格昂贵，所以很少使用。 压电晶体 最成熟可靠的是以压电效应实现电能与声能相互转换的器件，称为压电换能器。 压电效应将电信号转换为机械振动。这种换能器电声转换效率高，原材料价格便宜，制作方便，也不容易老化。 常用的材料有石英晶体、钛酸钡和锆钛酸铅。 石英晶体的伸缩量太小，3000V电压才产生0.01um以下的变形。 钛酸钡的压电效应比石英晶体大20-30倍，但效率和机械强度不如石英晶体。 锆钛酸铅具有二者的优点，可用作超声波清洗，探伤和小功率超声波加工的换能器。 压电换能器的应用十分广泛，它按应用的行业分为工业、农业、交通运输、生活、医疗及军事等。 按实现的作用分为超声波加工、超声波清洗、超声波探测以及超声波雾化等。 编辑本段外形分类

传感器课程设计压电陶瓷

东北石油大学 课程设计 2015年7 月8日

任务书 课程传感器课程设计 题目压电陶瓷传感器应用电路设计 专业测控技术与仪器姓名王辰学号120601240217 主要内容： 本课题针对生活安全性能要求日益提高以及新型材料的日益发展设计应用压电陶瓷传感器的原理制成的声传感器，并以此为基础组合成声控报警器件，分析传感器原理及相应辅助电路原理，计算有关参数，并加以总结。设计内容包括压电陶瓷的原理，压电陶瓷制成声传感器的方式以及进一步对声控报警器的组合。通过声控报警器可以使个人防盗不仅局限于楼道车库等场所，更趋向于精密化来减小体积使其适用于更有针对性的地方。 基本要求： 1．掌握传感器的工作原理及相应辅助电路的设计方法； 2．独立设计原理图及相应硬件电路； 3．设计格式规范、层次合理、重点突出、并有详细的原理图。 主要参考资料： [1] 谢嘉奎，电子线路[M].北京：高等教育出版社，199 7.10 [2]刘润华,刘立山.模拟电子技术[M].山东:石油大学出版社，2003.6 [3]阎石.数字电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，1999.7 [4] 方大千.实用电子制作精选[M].科学技术文献出版社，2003.1 完成期限2015.7.4—2015.7.8 指导教师 专业负责人 2015年7 月1 日

摘要 压电陶瓷是一种具有压电效应的多晶体，由于它的生产工艺与陶瓷的生产工艺相似因而得名。压电陶瓷传感器是以压电陶瓷的压电效应为基础，在外力作用下，在其表面上产生电荷，从而实现非电量测量。 压电陶瓷传感器的特点是具有：转换性能、机械性能、电性能、环境适应性和时间稳定性，由于它的压电性以及由此引起的机电性能的多样性获得了广泛应用。一般可将这些应用分成两大类，即作为压电振子使用和作为换能器使用。作为压电振子使用时要求压电陶瓷材料有好的频率温度稳定性及较高的机械品质因数（表示振动转换时材料内部能量消耗的程度）；作为换能器使用时要求有较高的机械藕合系数等于机械转变为电能/输入机械能，或电能转变为机械能/输入电能)和较大的相对介电常数，本文将介绍几种压电陶瓷传感器的应用。 关键词：压电陶瓷传感器；声控报警；电子打火；压电变压器

压电式压力传感器(带信号放大解调滤波电路)

题目：压电式压力传感器的设计 姓名：刘福班级：3 学号：1003030321 专业：测控技术与仪器 目录 引言 第一章传感器基本原理 第二章传感器的基本要求 第三章传感器的结构设计 第四章传感器的参数计算 第五章测量电路信号处理电路 总结 参考文献

一、引言 此次压电式力传感器主要阐述了压电式力传感器的具体设计过程。 设计过程主要包括设计格式、设计要求及设计过程中有关压电式力传感器的设计，还有在整个设计过程中的有关计算、与传感器相连的测试电路。 本压电式传感器采用压缩型单项里传感器结构，利用纵向压电效应进行工作，在设计中压电材料采用石英晶体。由于安装中需施加预紧力，以保证该传感器的线性度良好，故留出一定的过载量，本设计中重点考虑了各部分的面积、刚度等参数，未讨论预紧力的选用范围，可能还存在一些其他因素，如安装误差等可以影响设计传感器的性能，属于正常范围内，使用中可忽略。 压电式传感器的设计，主要是让同学们了解传感器的设计过程，知道如何计算一些参数，如何设计尺寸，如何选择材料，把自己学到的知识熟练灵活的运用起来，活学活用，加深对传感器这门课程的认知。

第一章传感器基本原理 1、基本原理：压电效应 压电式传感器是基于压电效应的传感器。是一种自发电式和机电转换式传感器。它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。常见有以下几种压电效应模型（见图1） 图1 压电效应可分正压电效应和逆压电效应。正压电效应是指：当晶体受到某固定方向外力的作用,内部就产生电极化,同时在某两个表面上产生符号相 反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。逆压电效应是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象，又称电致伸缩效应。用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、面切变型5种形式。

第三章习题

第三章思考题 一、选择题 1.电涡流式传感器是利用（ A ）材料的电涡流效应工作的。 A.金属导体 B.半导体 C.非金属 D. PVF 2 2.为消除压电传感器电缆分布电容变化对输出灵敏度的影响，可采用（ 3. ）。 A.电压放大器 B. 电荷放大器 C.前置放大器 3.磁电式振动速度传感器的数学模型是一个（）。 A. 一阶环节 B.二阶环节 C.比例环节 4. 磁电式振动速度传感器的测振频率应（）其固有频率。 A.远高于 B.远低于 b C.等于 5. 压电式加速度计，其压电片并联时可提高（）。 A.电压灵敏度 B.电荷灵敏度 C.电压和电荷灵敏度 6.下列传感器中（）是基于压阻效应的。 A.金属应变片 B.半导体应变片 C.压敏电阻 7.压电式振动传感器输出电压信号与输入振动的（）成正比。 A.位移 B.速度 C.加速度 8.石英晶体沿机械轴受到正应力时，则会在垂直于（）的表面上产生电荷量。 A.机械轴 B.电轴 C.光轴 9.石英晶体的压电系数比压电陶瓷的（）。 A.大得多 B.相接近 C.小得多 10.光敏晶体管的工作原理是基于（）效应。 A.外光电 B.内光电 C.光生电动势 11.一般来说，物性型的传感器，其工作频率范围（）。 A.较宽 B.较窄 C.不确定 12.金属丝应变片在测量构件的应变时，电阻的相对变化主要由（）来决定的。 A.贴片位置的温度变化 B. 电阻丝几何尺寸的变化

C.电阻丝材料的电阻率变化 13.电容式传感器中，灵敏度最高的是（）。 A.面积变化型 B.介质变化型 C.极距变化型 14.高频反射式涡流传感器是基于（）和（）的效应来实现信号的感受和变化的。 A.涡电流 B.纵向 C.横向 D.集肤 15.压电材料按一定方向放置在交变电场中，其几何尺寸将随之发生变化，这称为（）效应。 A.压电 B.压阻 C.压磁 D.逆压电 二、填空题 1.可用于实现非接触式测量的传感器有＿＿＿和＿＿＿等。 2.电阻应变片的灵敏度表达式为 / 12 / dR R S E dl l υλ ==++，对于金属应变片来说： S=＿＿＿，而对于半导体应变片来说S=＿＿＿。 3.具有＿＿＿的材料称为压电材料，常用的压电材料有＿＿＿和＿＿＿。 4.当测量较小应变值时应选用＿＿＿效应工作的应变片，而测量大应变值时应选用＿＿＿效应工作的应变片。 5.电容器的电容量0A C εε δ =，极距变化型的电容传感器其灵敏度表达式为：＿ ＿＿。 6. 极距变化型的电容传感器存在着非线性度，为了改善非线性度及提高传感器的灵敏度，通常采用＿＿＿的形式。 7.差动变压器式传感器的两个次级线圈在连接时应＿＿＿。 8.光电元件中常用的有＿＿＿、＿＿＿和＿＿＿。 9.不同的光电元件对于不同波长的光源，其灵敏度是＿＿＿。 10.发电式传感器（也称能量转换型传感器）有＿＿＿、＿＿＿等，而电参量式的传感器（也称能量控制型传感器）主要是＿＿＿、＿＿＿和＿＿＿等。 11.压电传感器在使用＿＿＿放大器时，其输出电压几乎不受电缆长度变化的影

超声波换能器工作原理

2、超声波换能器的工作原理 (1) 超声波换能器：一种能把高频电能转化为机械能的一种装置，一般有磁致伸缩式和压 电陶瓷式。电源输出到 超声波发生器，再到超声波换能器，一般还要经过 超声波导出、接收 装置就可以产生超声波了。 (2) 超声波换能器的组成：包括外壳、匹配层即声窗、压电陶瓷圆盘换能器、背衬、引出 电缆，其特征在于它还包括阵列接收器， 它由引出电缆、换能器、金属圆环、橡胶垫圈组成。 (3) 超声波换能器的原理与作用：超声波换能器即是谐振于超声频率的压电陶瓷，由材料 的压电效应将电信号转换为机械振动 ?超声波换能器是一种能量转换器件，它的功能是将输 入的电功率转换成机械功率(即超声波)再传递出去，面它自身消耗很少的一部分功率。 超声波换能器的种类：可分为压电换能器、 夹心换能器、柱型换能器、倒喇叭型换能器等等。 40kHZ 超声波发射/接收电路综述 40kHZ 超声波发射电路 ⑴ 10kHz 因声波发射器］1 ) 40kHZ 超声波发射电路之一，由 F1~F3三门振荡器在F3的输出为40kHZ 方波，工作 频率主 要由C1、R1和RP 决定，用RP 可调电阻来调节频率。 F3的输出激励换能器 T40-16 的一端和反向器 F4, F4输出激励换能器 T40-16的另一端，因此，加入 F4使激励电压提高 了一倍。电容 C3、C2平衡F3和F4的输出，使波形稳定。电路中反向器 F1~F4用CC4069 六反向器中的四个反向器，剩余两个不用(输入端应接地)。电源用 9V 叠层电池。测量F3 输出频率应为40kHZ ± 2kHZ 否则应调节 RR 发射超声波信号大于 8m 。 40kHZ 超声波发射电路 ⑵ 1615? F 100 — ^500 T40-16

第三章 医用超声换能器

第三章医用超声换能器 应用超声波进行诊断时，首先要解决的问题是如何发射和接收超声波，通过使用超声换能器可以解决这个问题。 目前医学超声设备大多采用声电换能器来实现超声波的发射与接收。 声电换能器按工作原理分为两大类，即电场式和磁场式。 电场式中，利用电场所产生的各种力效应来实现声电能量的相互转换，其内部储能元件是电容，它又分为压电式、电致伸缩式、电容式。 磁场式中，是借助磁场的力效应实现声电能量的互相转换，内部储能元件是电感，它又分为电动式、电磁式、磁致伸缩式。 在医学超声工程中，使用的最多的是压电式超声换能器。 §3.1 压电效应与压电材料特性 一、压电效应 压电效应是法国物理学家Pierre Curie 和Jacqnes Curie 兄弟于1880年发现的。 图3-1 压电效应示意图 对某些单晶体或多晶体电介质，如石英晶体、陶瓷、高分子聚合材料等，当沿着一定方向对其施加机械力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个对应表面上便

产生符号相反的等量电荷，并且电荷密度与机械力大小成比例；而且当外力取消后，电荷也消失，又重新恢复不带电状态，这种现象称为正压电效应，如图3-1。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随着改变。 相反，当在电介质的极化方向上施加电场(加电压)作用时，这些电介质晶体会在一定的晶轴方向产生机械变形；外加电场消失，变形也随之消失，这种现象称为逆压电效应(电致伸缩)。 如果在电介质的两面外加交变电场时，电介质产生压缩及伸张，即产生振动，此振动加到弹性介质上，介质亦将振动，产生机械波。如外加交变电场频率高于20KHz，则这种波即是超声波。 超声接收换能器采用了正压电效应，将来自人体中的声压转变为电压。超声波发射换能器采用了逆压电效应，将电压转变为声压，并向人体发射。 压电效应是可逆的，压电材料既具有正压电效应，又具有逆压电效应。医学超声设备中，常采用同一压电换能器作为发射和接收探头，但发射与接收必须分时工作。 当外加的交变电压的频率与固有频率一致时，产生的机械振动最强；当外加的机械力的频率与固有频率一致时，所产生的电荷也最多。在超声波诊断仪中激励脉冲的频率必须与探头的固有频率相同。 实验证明，当所施加力或电的频率不与晶体固有频率一致时，压电换能器晶体产生的电信号幅度和变形振动幅度都将变小，可见，它们都是频率的函数。 二、压电材料 具有压电效应的物质称为压电材料或压电元件。 目前已发现的压电材料品种繁多，性能各异，按系列可分为三大类。 （一）压电单晶体 超声换能器应用的天然单晶体有石英、电石等，人工制造的单晶体，如硫酸锂、鈮酸锂等，都具有同样的压电特性。 石英晶体的性能相当稳定，但需使用几千伏以上的高电压，而且要求加工精密度高，机电耦合系数（灵敏度）低，故目前医用诊断探头已很少使用。 （二）压电陶瓷 压电陶瓷品种最多，它是人工制成的压电多晶体材料，

201110水声换能器在水下探测应用中的发展

水声换能器在水下探测应用中的发展 郑乙 （海军装备部，山西侯马043003） [摘要]水声换能器是利用声波对水下目标进行探测、识别以及定位或者进行水下通信和发报的主要工具。用来发射声波的换能器称为发射器。当换能器处于发射状态时，将电能转换成机械能，再转换成声能。目前利用压电材料设计的常规换能器阵元，尤其是低频换能器，由于其结构上的特点，使得体积与重量庞大，不仅使制造、使用与维修成本提高，而且对平台提出了特殊要求，并限制了组阵的规模和形式，从而约束了战术与技术指标。如何解决声基阵的组阵规模与组阵形式问题，如何将低频、高频声纳基阵的结构设计统一起来，并在新阵元结构的基础上，通过组合大规模共形基阵，提高声纳基阵的各项技术指标，无疑是发挥平台与水中兵器作战性能，提高我军水下作战能力的迫切需要。 [关键词]水声换能器；水下探测；应用；发展 1新型压电复合换能器 图３．１月芽式压电复合换能器阵元与阵元剖面图 图３．２钹式换能器阵元与阵元剖面图 月芽式压电复合换能器（如图3.1）和钹式压电复合换能器（如图 3.2）是当前国外重点研究的最具代表性的弯张换能器。这两种结构的 压电复合换能器由其金属端帽的形状而得名。月芽式结构的金属端帽腔 体为月芽式，而钹式结构的金属端帽腔体为翘钹式，腔体为空气，它们 都是通过金属与压电陶瓷复合制作而成。金属—压电陶瓷复合材料通过 板状、壳状和帽状金属与压电陶瓷复合，改变陶瓷内部的应力分布，从 而提高压电材料的性能。 其主要特点是设计简单、易于加工、成本低。月芽式压电复合换 能器和钹式压电复合换能器显现出良好的压电性能，这种结构通过帽状 金属与陶瓷介面的应力转换，改变陶瓷介面的应力分布，使复合材料的 纵向压电性能和横向压电性能产生加合作用，从而大大提高材料的压电 耦合性能d h 。其中月芽结构复合材料的d h较压电陶瓷高10～20倍。帽 状结构可以较压电陶瓷提高30～40倍。月芽和帽状金属—压电陶瓷复 合材料与压电陶瓷的性能比较见表3.1。 表３．１金属—压电陶瓷复合材料的性能 2钹式换能器 图４．１钹式换能器阵元基本结构剖面图 图４．２钹式阵元陶瓷片的径向位移转化为金属帽厚度方向位移 阵元结构：阵元基本结构如图4.1，它是由两片冲压成钹状的金属 片与压电陶瓷片粘结成型，金属片材料可以为钛合金、黄铜、合金钢 等。利用钛合金作为金属片材料，可以使钹式阵元具有较大的抗水压性 能，对于阵元直径dp=10mm的钹式换能器可以承受600米水深时的 压力。但是钛合金材料较黄铜和合金钢材料昂贵，因此在不考虑水深使 用时，钛合金材料相对受限。黄铜与合金钢材料相比，当它们同时应用 于钹式阵元时，黄铜材料的钹式阵元具有更好的压电性能。压电陶瓷的 材料也主要包括PZT-4、PZT-8和PZT-5，钹式换能器作发射换能器 使用时，常用PZT-4和PZT-8压电陶瓷，作接收换能器使用时，常 用PZT-5压电陶瓷。工作原理：当在钹式阵元的两极施加电压时，压 电陶瓷会产生纵向和横向的振动，压电陶瓷的纵向振动，使得阵元的两 金属片直接产生纵向位移；压电陶瓷片的横向位移使得金属片发生径向 的压缩或扩张，由于钹式的特殊形状，这同样导致金属片顶端产生纵向 的位移，如图4.2。压电陶瓷纵向和径向位移都会使得金属端帽产生纵 向的位移，而且两种位移叠加后的结果，即为金属端帽的位移，从而产 生了金属端帽位移的放大。 3钹式压电换能器的特点及应用前景 3.1钹式压电换能器的特点 1）阵元体积小，静压压电系数高，易与水介质匹配，具有十分大 的带宽；其中利用凹型阵元设计、特殊静液压平衡设计，突破基阵的工 作深度限制。 2）为水下平台与水中兵器提供一类全面适用的声传感器与阵列， 该类声基阵体积小、重量轻、适用范围广，采用共形阵方式，布阵安装 灵活，对平台结构无要求。 3）由于新型钹式阵元小而轻的特点，可以将其进行大规模组阵， 获得较高灵敏度（FFVS）和较大的发射幅压响应（TVRS）。 4）用钹式阵元设计理论与专用软件，将各个频段（下转第60页）

传感器(1)

第一章概述 1、传感器是指能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由直接响应被测量的敏感元件，产生可用信号输出的转换元件及相应的信号调理电路组成。 1、下列不属于按工作原理进行分类的传感器是（B ）。 A 、应变式传感器 B 、化学式传感器 C 、压电式传感器 D 、热电式传感器 第二章传感器的基本特征 1、要实现不失真测量，检测系统的幅频特性为常数，相频特性成线性关系。 2、某传感器为一阶系统，当受阶跃信号作用时，在t=0时，输出为10mv ；t →∞时，输出为100mv ；在t=5s 时，输出为50mv 。则该传感器的时间常数为7.11s 。 3、某温度传感器为时间常数τ =3s 的一阶系统。当传感器受突变温度 作用后，试求传感器指示出温度的3 1所需的时间-3ln 32。

第三章电阻式传感器 2、单位应变引起的电阻值的相对变化量称为电阻丝的灵敏系数。 3、应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器。其由在弹性元件上的粘贴电阻应变敏感元件构成，弹性元件用来________ ; __________元件用来_____________。 4、减小或消除非线性误差的方法有提高桥臂比和采用差动电桥。第二章如果将100?的应变片贴在弹性元件上，若试件截面S=0.5×104-㎡,弹性模量E=2×1011N/㎡,若由5×104N的拉力引起的应变片电阻变化为1?，试求应变片的灵敏系数。 第三章环境温度的改变会给电阻应变片的测量带来误差，即温度误差。而电桥补偿法是最有效的补偿方法。其原理如下图所示。试从被测试件不承受和承受两个方面来分析其温度误差的补偿原理。 R 1 R 3 R 2 R 4 U o R 1 R 2 (a)(b) R 1 －工作应变片　R 2 －补偿应变片 F F ~ U a b

超声波换能器工作原理精品名师资料

2、超声波换能器的工作原理 (1)超声波换能器：一种能把高频电能转化为机械能的一种装置，一般有磁致伸缩式和压电陶瓷式。电源输出到超声波发生器，再到超声波换能器，一般还要经过超声波导出、接收装置就可以产生超声波了。 (2) 超声波换能器的组成：包括外壳、匹配层即声窗、压电陶瓷圆盘换能器、背衬、引出电缆，其特征在于它还包括阵列接收器，它由引出电缆、换能器、金属圆环、橡胶垫圈组成。 (3)超声波换能器的原理与作用：超声波换能器即是谐振于超声频率的压电陶瓷，由材料的压电效应将电信号转换为机械振动.超声波换能器是一种能量转换器件，它的功能是将输入的电功率转换成机械功率（即超声波）再传递出去，面它自身消耗很少的一部分功率。超声波换能器的种类：可分为压电换能器、夹心换能器、柱型换能器、倒喇叭型换能器等等。 40kHZ超声波发射/接收电路综述 40kHZ超声波发射电路(1) 40kHZ超声波发射电路之一，由F1~F3三门振荡器在F3的输出为40kHZ方波，工作频率主要由C1、R1和RP决定，用RP可调电阻来调节频率。 F3的输出激励换能器T40-16的一端和反向器F4，F4输出激励换能器T40-16的另一端，因此，加入F4使激励电压提高了一倍。电容C3、C2平衡F3和F4的输出，使波形稳定。电路中反向器F1~F4用CC4069 六反向器中的四个反向器，剩余两个不用（输入端应接地）。电源用9V叠层电池。测量F3输出频率应为40kHZ±2kHZ，否则应调节RP。发射超声波信号大于8m。

40kHZ超声波发射电路(2) 40kHZ超声波发射电路之二，电路中晶体管VT1、VT2组成强反馈稳频振荡器，振荡频率等于超声波换能器T40-16的共振频率。T40-16是反馈耦合元件，对于电路来说又是输出换能器。T40-16两端的振荡波形近似于方波，电压振幅接近电源电压。S是电源开关，按一下S，便能驱动T40-16发射出一串40kHZ超声波信号。电路工作电压9V，工作电流约25mA。发射超声波信号大于8m。电路不需调试即可工作。 40kHZ超声波发射电路(3) 40kHZ超声波发射电路之三，由VT1、VT2组成正反馈回授振荡器。电路的振荡频率决定于

用ANSYS软件分析压电换能器入门

用ANSYS 软件分析压电换能器入门 A ：分析过程基本步骤 一：问题描述（草稿纸上完成） 1：画出换能器几何模型，包括尺寸 2：选定材料 3：查材料手册确定材料参数 二：建立模型 1：根据对称性确定待建模型的维数 2：根据画出的几何模型确定关键点坐标，给关键点编好号码 3：建立一个文件夹用于当前分析 4：启动ANSYS 软件，指定路径到建立的文件夹， 5：定义单元类型 压电换能器分析使用的单元类型： solid5：8个节点3D 六面体耦合场单元（也可缩减为三角柱形单元或四面体单元）。无实常数。 plane13：4个节点2D 四边形耦合场单元（也可缩减为三角形单元）。无实常数。 solid98：10个节点3D 四面体耦合场单元。无实常数。 Fluid30：8个节点3D 六面体声学流体单元（也可缩减为三角柱形单元或四面体单元）。应用于近场水和远场水。实常数为参考声压，可缺省。 Fluid130：4个节点面无穷吸收水声学流体单元（也可缩减为三角形面单元）。实常数：半径，球心X ，Y ，Z 坐标值。 6：定义材料参数 对一般均匀各向同性材料要给出材料密度，杨氏模量，泊松系数。（静态分析不用密度） 对压电材料： 一般使用的压电方程：e 型压电方程，因此输入的常数为 ????????? ?????? ???? ?=E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c C 665655 464544 36353433 2625242322 161514131211对称 ???????? ??????????=6362 61 535251434241333231 232221131211 e e e e e e e e e e e e e e e e e e e ????????? ?=S S S S 3322 11εεεε 注意！一般顺序为：XX ，YY ，ZZ ，YZ ，XZ ，XY 。在ANSYS 中为XX ，YY ，ZZ ，XY ，YZ ，XZ 。因此，前两矩后三行和后三列要做相应变化。 7：建立关键点 8：把关键点连成线

声波测井压电换能器的一致性问题

?仪器设备? 声波测井压电换能器的一致性问题 沈建国李山生辛鹏来 (天津大学药学院检测中心)　(东营　胜利测井公司) 吕殿中孙春明 (濮阳　中原油田测井公司)(南阳　河南油田测井公司) 沈建国,李山生,辛鹏来,吕殿中,孙春明.声波测井压电换能器的一致性问题.石油仪器,2002,16(6):33～35 摘 要　针对实际生产中存在的声波测井仪器的一致性比较差,发射声波能量和接收灵敏度比较低等问题,用声波测井波动声学的原理讨论声波测井频率对声波时差和声幅测量结果的影响。对于裸眼井声波测井波形中的首波来讲,其速度随频率变化比较小,但是,幅度受井孔的固有频率影响,随频率变化比较大。这样,声波测井仪器的压电换能器频率的一致性是影响仪器性能、造成上述问题的主要原因。用导纳圆测量的方法给出了确定声波测井压电换能器频率一致性的具体技术。为了提高仪器的性能指标,提出了配对更换压电换能器的仪器检修方法。 结合井内固有频率选择相应的声波测井仪器,可以达到增加针对性,减少盲目性,有效地提高测井成功率的目的。 关键词　声波测井　换能器　频率　幅度 作者介绍　沈建国教授,1963年生,1983年毕业于华东石油学院测井专业,1994年获得石油大学硕士学位,2000年获中国科学院声学研究所声学博士学位,2002年清华大学物理学博士后,现在天津大学专门从事声学理论和声波测井技术研究。邮编:300072 声波测井仪器存在的问题 从生产实际中发现,声波测井仪器主要存在下列问题: 1.声波测井时差“跳”,并且出现在砂岩目的层,没有办法计算孔隙度。 2.套管井内的首波不是严格地按照套管波的速度传播,这时,声幅测井的幅度不再直观地反映I 界面的胶结状态。幅度测井值偏高或偏低,与水泥胶结的实际情况不一致。 3.在井比较深时,声幅测井曲线值偏高20%。或者井比较深时,接收波形的幅度减小,发射能量低,接收灵敏度降低。 4.同一只仪器在不同的深度,其声幅曲线的一致性比较差。 5.不同的仪器之间测量结果的可比性比较差。原因分析 声波测井仪器测量的声波是在井内液体中传播的,这些波与地层中传播的波通过井壁相互耦合[1]。对于传播最快的首波(对于裸眼井测井指纵波滑行波,对于套管井来讲指套管波)来讲,由于声波在井内多次反射,圆形的井孔具有一系列的固有频率,或者说,井孔具有明显的频率选择。当声波仪器发射换能器发射的声波频率与井孔的固有频率接近或相等时,首波的幅度比较大;相反,则幅度比较小,或者根本不能够传播我们需要的首波。即对于一定的地层和套管井,只有某些频率能够在井内传播。 图1是用波动声学计算的裸眼井内液体中传播的声波[1],其横坐标是频率f,纵坐标是波数k,图1中的三条直线分别代表地层的纵波速度v p、横波速度v s和井内液体的声速v f。其中,以地层纵波速度传播(最快)的波随频率离散变化,在井孔的固有频率附近存在(能够在井内传播),在其它频率不存在,不能够传播。 换能器的几何尺寸确定后,也有一系列的固有频率,用于发射声波时,只能够发射这些频率的声波。当换能器的固有频率与井孔的固有频率接近时,发射换能器发射的声波才能够在井内激发出我 ? 3 3 ? 　第16卷　第6期 石　油　仪　器

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

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： σ=（3. 1） D dT =或dT 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：

超声波换能器选用说明及其原理介绍

超声波换能器选用说明及其原理介绍 超声波换能器是一种能量转换器件，它的功能是将输入的电功率转换成机械功率（即超声波）再传递出去，而它自身消耗掉很少的一部分功率（小于10%）。所以，使用超声波换能器最应考虑的问题就是与输入输出端的匹配，其次是机械安装和配合尺寸。市面上超声波机械种类繁多，客户必须提供准确可靠的指标，才能保证公司提供的换能器产品能与贵公司的机器良好匹配，发挥最佳性能。 因换能器品种繁多，本文只提供了部分换能器参数。 ①谐振频率：f, 单位：KHz 该频率是指用频率发生器，毫伏表等通过传输线路法测得的频率，或用阻抗特性分析仪等类似仪器测得的频率。一般通称小信号频率。与它相对的是上机频率，即客户将换能器通过电缆连到驱动电源上，通电后空载或有载时测得的实际工作频率。因客户的匹配电路各不相同，同样的换能器配不同的驱动电源表现出来的频率是不同的，这样的频率不能作为订货依据。 ②换能器电容量：CT ，单位：PF 即换能器自由电容，一般可用电容电桥在400Hz-1000Hz的频率下测得，也可用阻抗特性分析仪类似仪器。再简单点，用一般的便携式电容表测量也可满足要求。 ③换能器工作方式 因加工方式和要求不同，换能器的工作方式大致可分为连续工作（花边机，CD套机，拉链机，金属焊接等）和脉冲式工作（如塑焊机），

不同的工作方式对换能器的要求是不同的。一般而言，连续式工作几乎没有停顿时间，但工作电流不是很大，脉冲工作是间歇式的，有停顿，但瞬间电流很大。平均而言，两种状态的功率都很大的。

④换能器型式和最大功率 整机厂家可能对于不同用途和目的的机器的标称功率有不同的规定，换句话说，同样的换能器用在不同的机器上标称功率可能是不同的。为避免产生岐义，客户应详细说明换能器的结构型式，如柱型、倒喇叭型等，及压电陶瓷晶片的直径和片数。 ⑤安装和配合尺寸 主要有变幅杆材质，表面处理方式，形状。换能器与变幅杆连接螺纹，变幅杆与模具连接螺纹，变幅杆法兰盘处直径、厚度、缺口或螺孔数量和位置。 如有侵权请联系告知删除，感谢你们的配合！

Tonpilz型压电陶瓷超声传感器的设计

传感器与微系统(Transducer and Microsystem Technologies) 2008年第27卷第5期 Tonpilz型压电陶瓷超声传感器的设计 滕　舵,陈　航,朱　宁,杨　虎,诸国磊 (西北工业大学航海学院,陕西西安710072) 摘　要:超声传感器是一种电声转换器件,其敏感元件压电陶瓷控制传感器的主要性能。设计了一种谐 振频率为140k Hz的Tonpilz型压电陶瓷超声传感器,从压电方程入手,建立了不同的理论模型,对等效网 络法和有限元法2种不同的设计方法进行了比较。相应的试验表明:有限元法的分析结果直观明了、建模 快捷、分析准确,其误差可控制在5%以内。设计研制的Tonpilz型传感器工艺简单、造价低廉、性能稳定。 关键词:传感器;压电陶瓷;超声;等效网络;有限元 中图分类号:TB565 文献标识码:A 文章编号:1000-9787(2008)05-0084-03 Design of Tonpilz type piezoelectric ceramic ultrasonic transducer TEN G Duo,CH EN Hang,ZHU Ning,YAN G Hu,ZHU Guo2lei (College of Marine,N orthw estern Polytechnical U niversity,Xi’an710072,China) Abstract:The ultrasonic transducer is an electroacoustic device.Its performance is determined mainly by the properties of its sensitive element,namely piezoelectric ceramics.A140k Hz Tonpilz piezoelectric ceramic ultrasonic transducer is investigated.Derived f rom the piezoelectric constitutive equation,the equivalent circuit model and finite element model are constructed respectively.The difference between above two models is described.A comparison shows that the method of FEA has a good accuracy,and its analysis error can be controlled within5%.So FEA is suitable for such type piezoelectric transducer.Some transducer prototypes are made according to the design result.The corresponding test shows a good performance. K ey w ords:transducer;piezoelectric ceramic;ultrasonic;equivalent network;finite element 0　引　言 压电陶瓷超声传感器是一种可以综合利用压电陶瓷正向和反向压电效应实现电声能量相互转换的器件,其在超声医疗、无损探伤、石油探井以及海洋军事等方面均有重要应用[1]。这种传感器的敏感元件是某些像压电陶瓷一样的特殊物质,是一种能够将机械能和电能进行互相转换的功能材料[2],只有经过极化处理的压电陶瓷才具有正向和反向压电效应。所谓正向压电效应是指压电陶瓷在受外力作用时,除发生形变及内部产生应力外,还会产生极化强度和电位移;而反向压电效应是指当压电陶瓷受电场作用时,除产生极化强度和电位移外,还会产生应变并产生应力。本文从描述压电陶瓷根本特性的压电方程入手,建立不同的理论模型,分别采用梅森等效网络法和有限元法进行分析设计,并对其进行一个综合的对比。 1　压电陶瓷超声传感器的等效网络模型 Tonpilz在德语里有蘑菇的意思,一般称具有这种近似蘑菇型外观的传感器为Tonpilz结构,其主要组成部分包括压电晶堆、辐射头、尾质量块以及预应力螺栓等。其中,辐射头用于辐射和接收声能,压电晶堆为有源材料,它既具有弹性介质的性能,又具有电介质的性能,同时具有压电体的性能,压电方程则是对这3种特性进行综合描述的数学表示[3]。根据实际压电传感器的机械和电学边界条件的不同,压电方程存在4种不同的工作状态,从而对应4种不同的压电方程。假设传感器是处于机械夹持(S=0,c;T≠0,c)和电学短路(E=0,c;D≠0,c)状态下,其压电陶瓷的极化方向沿z轴向,则压电方程的具体形式可以写成 收稿日期:2008-03-12 48

压电换能器的主要技术参数(V2.2)

上海谐鸣超声设备有限公司 谐鸣超声技术支持：电话013681952953（王工）、QQ 2564620565 1 压电换能器的主要技术参数 压电（超声）换能器的技术参数较多，大致有以下一些： 1、灵敏度：指换能器转化能量的效率，高灵敏度表示高的转化效率； 2、谐振（工作）频率：指换能器谐振时的频率，谐振时，换能器灵敏度趋 于最高，该参数和系统紧密相关； 3、指向性：指换能器辐射面各方向角度发射或接收信号的强度变化，一般 测试换能器主声轴的一个平行截面，测距、定位、成像时需考虑该指标； 4、盲区（余振）：指换能器余振或拖尾的严重程度，即驱动信号结束后，换 能器自身惯性振动持续的时间，测距成像类换能器需检测该指标； 5、耐温性：指换能器能正常工作的高低温极限； 6、耐压力性：指换能器能正常工作的高低压力极限； 7、电参数：指换能器本身的阻抗（导纳）、容值、感值等，和系统匹配相关； 8、振幅：指换能器在固定驱动电压下的振动幅度，和灵敏度基本类似，利 用换能器的动能时需参考该指标； 9、电压极限：指换能器可加的最大电压值，大功率超声系统特别需考虑该 指标，电压长期超过该值易引起压电陶瓷的退极化； 10、密封性：指换能器在液体中的密封性，水下换能器需考虑该指标； 11、耐腐蚀性：指换能器对腐蚀性环境抵抗能力，腐蚀性环境下应用需考虑 该指标； 12、带宽：指换能器灵敏度的平坦程度，或对不同频率信号的兼容程度； 13、其他：如重量、体积、外形尺寸、外壳材料、信号引出方式、换能器安 装接口类型等。 以上罗列的是换能器主要指标参数，不同的仪器设备、不同的应用环境和场合要求不太一样，有一定的选择性，并不是指标越多、要求越高越好，如有的场合要求指向性越尖越好，而有的场合又希望指向性的开角大些好。此外，每增加一项考核指标，都会同时增加换能器制造者、使用者的工作量和成本，部分指标会导致换能器制造工作量和成本成倍的增加，这没有必要，只有选择和系统或使用场合相应的指标参数才是合理有效的。