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2020/2/261本章学习压电传感器的原理、应用及振动频谱分析。第六章压电传感器2020/2/262第一节压电传感器的工作原理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，例如动态力、动态压力、振动加速度等，但不能用于静态参数的测量。压电式传感器具有体积小、质量轻、频响高、信噪比大等特点。由于它没有运动部件，因此结构坚固、可靠性、稳定性高。2020/2/263一、压电效应天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，用金刚石刀具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片受到压力时，晶格产生变形，表面产生正电荷，电荷Q与所施加的力F成正比，这种现象称为压电效应。还有一些人造的材料也具有压电效应。若在电介质的极化方向上施加交变电压，它就会产生机械变形。当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）。2020/2/264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。FtQ=dFxd:压电常数2020/2/265二、压电材料的分类及特性压电传感器中的压电元件材料一般有三类：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；第三类是高分子压电材料。2020/2/266（一）石英晶体天然形成的石英晶体外形2020/2/267天然形成的石英晶体外形（续）2020/2/268石英晶体切片及封装石英晶体薄片双面镀银并封装2020/2/269石英晶体的特点:性能非常稳定.(压电常数的温度变化率很小)灵敏度低,压电常数小.自振频率高,动态响应好,机械强度高,绝缘性能好等.用于标准传感器,高精度传感器或使用温度较高的传感器中.2020/2/2610（二）压电陶瓷压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比石英晶体的压电灵敏度高得多,d=(200～500)×10-12C/N，是石英晶体的一百倍以上.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BaTiO3等）。2020/2/2611压电陶瓷外形2020/2/2612无铅压电陶瓷及其换能器外形（上海硅酸盐研究所研制）2020/2/2613高分子压电薄膜及拉制2020/2/2614（三）高分子压电材料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，频率响应范围较宽，测量动态范围可达80dB。2020/2/2615高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆2020/2/2616可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板2020/2/2617压电式脚踏报警器2020/2/2618高分子压电薄膜制作的压电喇叭（逆压电效应）2020/2/2619压电元件常用的结构型式在压电式传感器中,压电材料一般采用两片或两片以上压电元件组合在一起使用.层叠式压电元件的并联连接:适用于慢变信号和以电荷为输出量的场合.电荷:Qa=2Q电压:Ua=U电容:Ca=2C2020/2/2620层叠式压电元件的串联连接:电荷:Qa=Q电压:Ua=2U电容:Ca=C/2适用于以电压为输出量的场合.并要求测量电路有高的输入阻抗2020/2/2621第二节压电传感器的测量转换电路压电元件的等效电路:可以看成是一个电荷发生器或电容器,电容值:0rAACdd因此压电传感器可以等效为一个与电容器并联的电荷源,电容器上的电压为:U0=Q/C2020/2/2622压电传感器的测量转换电路中采用性能稳定的电荷放大器电荷放大器的等效电路图(电容负反馈电路)2020/2/2623电荷放大器的输出电压仅与输入电荷和反馈电容有关，电缆长度等因素的影响很小：of6-4QuC电荷放大器能将压电传感器输出的电荷转换为电压（Q/U转换器），但并无放大电荷的作用，只是一种习惯叫法。焊接式电荷放大器2020/2/2624四通道电荷放大器外形.2020/2/2625上图所示的四通道电荷放大器指标（参考东方振动和噪声技术研究所资料）灵敏度：0.1～1000mV/pC频率范围：0.3～100KHz噪声(最大增益)：折合至输入端小于5µV准确度：1%最大输出：±10V/10mA电源：220V/50Hz控制方式：计算机或手动2020/2/2626超小型电荷放大器模块主要指标:灵敏度：1、10、100mV/pC(任选一档)频率范围：0.3～100KHz(上、下限可选)噪声(最大灵敏度)：输出端小于1mV归一化：外接电阻调整线性误差：1%最大输出：±5V或±10V电源：±6V～±15V特点：可组成经济的多点测试系统2020/2/2627第三节压电传感器的应用一、高分子压电材料的应用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2020/2/2628高分子压电材料制作的玻璃打碎传感器将厚约0.2mm左右的PVDF薄膜裁制成1020mm大小。在它的正反两面各喷涂透明的二氧化锡导电电极，再用超声波焊接上两根柔软的电极引线。并用保护膜覆盖。使用时，用瞬干胶将其粘贴在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎的瞬间，压电薄膜感受到剧烈振动，表面产生电荷Q，在两个输出引脚之间产生窄脉冲报警信号。2020/2/2629压电传感器只能应用于动态测量由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，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（一般必须高于100Hz，但在50kHz以上时，灵敏度下降）。2020/2/26302．压电式周界报警系统（用于重要位置出入口、周界安全防护等）将长的压电电缆埋在泥土的浅表层，可起分布式地下麦克风或听音器的作用，可在几十米范围内探测人的步行,对轮式或履带式车辆也可以通过信号处理系统分辨出来。右图为测量系统的输出波形。2020/2/26313.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（包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）、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。2020/2/2632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，平行埋设于柏油公路的路面下约5cm，可以用来测量车速及汽车的载重量，并根据存储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。2020/2/2633二、压电陶瓷传感器的应用压电片的并联接法压电陶瓷多制成片状，称为压电片。压电片通常是两片（或两片以上）粘结在一起，一般常用的是并联接法。其总面积是单片的两倍，极板上的总电荷Q并为单片电荷Q的两倍。2020/2/2634压电式动态力传感器以及在车床中用于动态切削力的测量2020/2/2635压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用压电式步态分析跑台压电式纵跳训练分析装置压电传感器测量双腿跳的动态力2020/2/2636第四节振动测量及频谱分析一、振动的基本概念振动可分为机械振动、土木结构振动、运输工具振动、武器、爆炸引起的冲击振动等。从振动的频率范围来分，有高频振动、低频振动和超低频振动等。从振动信号的统计特征来看，可将振动分为周期振动、非周期振动等。2020/2/2637地震的巨大威力2020/2/2638地震波形2020/2/2639测振目的:研究各种振动的特性,变化规律;振动的周期T(s):一次振动所需的时间.振动的频率f(Hz):每秒钟振动的次数.振幅x(mm):振动物体偏离平衡位置的最大距离.振动的加速度a(m/s2)分析产生振动的原因;找到解决振动的方法.2020/2/2640二、测振传感器分类测振用的传感器又称拾振器.它有接触式和非接触式之分。接触式中有磁电式、电感式、压电式等；非接触式中又有电涡流式、电容式、霍尔式、光电式等。2020/2/2641三、压电式振动加速度传感器的结构及外形弹簧质量块压电晶片引出电极壳体2020/2/2642工作原理:机械振动→压电晶片受到质量块惯性引起的压力F=ma→压电晶片上产生电荷→引出电极将电荷输出→电荷放大器将电荷量转变成电压输出弹簧:给压电晶片施加预紧力.预紧力不够,则质量块与压电晶片间将有敲击碰撞.预紧力太大,则会引起压电晶片的非线性误差.2020/2/2643横向振动测振器纵向振动测振器2020/2/2644四、压电振动加速度传感器的性能指标（以某小型“内装IC的压电加速度传感器”为例）技术指标：灵敏度：500mV/g量程：10g频率范围：4-4000Hz安装谐振点:15kHz分辨力：0.00004g重量：40g安装螺纹：M5mm线性：≤1%2020/2/2645五、压电加速度传感器的安装及使用a)双头螺丝固定b)磁铁吸附c)胶水粘结d)手持探针式用于长期监测短时监测低频微弱振动测量微弱振动对多个测试点进行定期巡检2020/2/2646六、压电振动加速度传感器在汽车中的应用加速度传感器可以用于判断汽车的碰撞，从而使安全气囊迅速充气，从而挽救生命；还可安装在气缸的侧壁上，尽量使点火时刻接近爆震区而不发生爆震，但又能使发动机输出尽可能大的扭矩。2020/2/2647七、振动的频谱分析及仪器时域图形测量时域图形用的是示波器，测量频域图形用频谱仪.2020/2/2648频谱仪频域图形（频谱图）频谱图或频域图：它的横坐标为频率f，纵坐标可以是加速度，也可以是振幅或功率等。它反映了在频率范围之内，对应于每一个频率分量的幅值。2020/2/2649频谱仪外形（续）频域图（频谱图）（参考深圳安泰信电子有限公司资料）2020/2/2650频域图形对应于时域波形（失真的正弦波）的谱线图2020/2/2651振动时域/频域图形（参考东方振动和噪声技术研究所资料）不同频率的正弦波频谱变化2020/2/2652振动时域/频域图形（续）（参考东方振动和噪声技术研究所资料）包含高次谐波的频谱2020/2/2653基波与三次谐波的频谱2020/2/2654基波与3次谐波合成的波形2020/2/2655方波可分解成同频基波及3、5、7……奇次谐波2020/2/2656依靠频谱分析法进行故障诊断减速箱故障分析a）时域波形b）频域波形2020/2/2657依靠频谱分析法进行故障诊断已知上图中电动机转速为220r/min,即3.66r/s,两个齿轮中,小齿轮19齿,大齿轮36齿.转速乘以小齿轮齿数即啮合频率:f=3.66×19≈70Hz,该频率旁有许多小谱线,说明齿轮磨损严重,140.38Hz为70Hz的两倍,212.8Hz为70Hz的三倍,均比较高,说明齿面啮合很不好.2020/2/2658爆破振动记录仪打印机2020/2/2659地震是引发海啸的主要原因之一。地震中断层移动导致断层间产生空洞，当海水填充这个空洞时产生巨大的海水波动。这种海水波动从深海传至浅海时，海浪陡然升到十几米高，并以每秒数百米的速度传播。海浪冲到岸上后，将造成重大破坏。海啸预警系统通过海底的振动压力传感器记录海浪变化的数据，并传送到信息浮标，由信息浮标发送到气象卫星，再从气象卫星传送到卫星地面站。海啸预警系统2020/2/2660气象接收及发射天线振动压力传感器6000m海底浮标深海地沟2020/2/2661休息一下