浅谈影响压电式传感器高频响应的因素.pdf

2005 年 9 月 烟台教育学院学报 Sep . 2005 　第 11 卷　第 3 期( 总第28 期) J ournal of Yantai College of Education Vol . 11 No. 3 ( Sum No. 28) 浅谈影响压电式传感器高频响应的因素 1 2 程志勤 , 罗佩云 ( 1. 江苏大学 理学院 , 江苏 镇江 212013 ; 2 . 烟台教育学院 应用工程系 , 山东 烟台 264003) 摘 　要 :综述压电材料传感器频率响应的主要影响因素和国内外对超高频传感器的研究发展状 况 ,介绍工作尺寸等对传感器频率响应的影响规律。在此基础上 , 力求从规律中为得到一种 1GHz 以 上的压电传感器指明方向 , 并结合无损检测技术应用到材料微结构、微缺陷的检测中 , 从而开辟压电 传感器新的应用领域。 关键词 :压电材料; 传感器; 高频响应; 影响因素 ( ) 中图分类号: TM938 . 86 　　文献标识码 :A 　　文章编号 : 1672 - 3740 2005 03 - 0068 - 05 无损检测中对细晶粒材料选用较高频率可以提高传感器的检测灵敏度。因为当波在物体中传播 ( ) 的波速为定值时, 波的频率愈高 , 波长愈短 当入射波长小于晶粒尺寸时, 将产生显著的反射 。当波 长远小于晶粒尺寸时 , 波的传播和几何光学相似 , 具有直线传播、反射、折射、散射和干涉的特性; 当波 长和晶粒尺寸相仿时 , 波的特性又近似于声学 , 可以绕过晶粒传播。因此高频检测小缺陷的能力强, 同时频率愈高,指向性愈好,故可提高分辨率并提高缺陷的定位精度。当然, 由于频率愈高波的能量衰减愈 ( ) ( ) 大 对同种材料而言 、晶粒愈粗波的能量衰减愈大 对同一频率而言 , 故提高波的频率会降低波的穿透 [ 1 ,2 ] 能力和增加波能量的衰减,所以对粗晶和松疏材料及厚度大的工件 ,应选用较低的探测频率。 由以上分析可见,材料微结构、微缺陷等的检测需要超高频工作的传感器 , 但目前现有的传感器 很少能有达到 1GHz 以上并满足测试传感要求的, 故本文将分析由压电材料作为传感元件的传感器 频响影响因素 , 以分析超高频传感器的可行性。影响压电式传感器工作频率的因素很多, 其中有系统 因素, 如传感器中压电材料的谐振频率、尺寸、传感器重量的负载影响、高低频响应相移的影响 , 以及 安装差异和某些温度影响等 , 也有随机因素 , 如基座应变、声噪音、电磁场等。 一、谐振频率和尺寸的影响 压电振子工作原理 :压电振子是最基本的压电元件 , 它是被复激励电极的压电体 , 本身是弹性体 , 具有固有振动频率 f0 , 当施加于压电振子上的激励信号频率等于压电振子的固有频率 f0 时, 压电振 子由于逆压电效应而产生机械谐振 , 这种机械谐振又借助于正压电效应而输出电信号。当压电振子 谐振时存在谐振频率 fm , 此时输出的振幅和电流最大 , 反之有反谐振频率 fn 。谐振频率 fm 不仅与材 料性质有关 , 而且也与外形、尺寸有关 , 一般 fm 与工作尺寸L 成反比。下面通过两个简单的压电谐振 式传感器来说明一般情况下谐振频率 fm 与工作尺寸L 成反比。 ( ) 一 圆柱型压电块传感器