本章學(xué)習(xí)壓電傳感器的工作原理、應(yīng)用及振動(dòng)測量分析。模塊七壓電傳感器

9/5/20251單元一壓電傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)

壓電式傳感器是一種自發(fā)電式傳感器。它以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，在電介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量電測的目的。

壓電傳感元件是力敏感元件，它可以測量最終能變換為力的那些非電物理量，例如動(dòng)態(tài)力、動(dòng)態(tài)壓力、振動(dòng)加速度等，但不能用于靜態(tài)參數(shù)的測量。9/5/20252一、壓電效應(yīng)

天然結(jié)構(gòu)的石英晶體呈六角形晶柱，用金剛石刀具切割出一片正方形薄片。當(dāng)晶體薄片受到壓力時(shí)，晶格產(chǎn)生變形，表面產(chǎn)生電荷，電荷Q與所施加的力F成正比，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。還有一些人造的材料也具有壓電效應(yīng)。若在電介質(zhì)的極化方向上施加交變電壓，它就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形。當(dāng)去掉外加電場時(shí)，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）。

9/5/20253石英晶體的壓電效應(yīng)演示

當(dāng)力的方向改變時(shí)，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動(dòng)態(tài)力的頻率相同；當(dāng)動(dòng)態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時(shí)，電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失。所以壓電式傳感器只適用于動(dòng)態(tài)測量。Q=dFx9/5/20254石英晶體切片9/5/20255石英晶體壓電效應(yīng)微觀分析9/5/20256二、壓電材料的分類及特性

壓電傳感器中的壓電元件材料一般有三類：一類是壓電晶體（如上述的石英晶體）；另一類是經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷；第三類是高分子壓電材料。

石英晶體性能非常穩(wěn)定，壓電常數(shù)d較小，石英晶體大多只在標(biāo)準(zhǔn)傳感器、高精度傳感器或使用溫度較高的傳感器中使用。（一）石英晶體9/5/20257天然形成的石英晶體外形9/5/20258天然形成的石英晶體外形（續(xù)）

9/5/20259石英晶體切片及封裝石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝9/5/202510石英晶體振蕩器（晶振）

石英晶體在振蕩電路中工作時(shí)，壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)交替作用，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩輸出頻率。晶振9/5/202511（二）壓電陶瓷

壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它比石英晶體的壓電靈敏度高得多，而制造成本卻較低，因此目前國內(nèi)外生產(chǎn)的壓電元件絕大多數(shù)都采用壓電陶瓷。常用的壓電陶瓷材料有鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（PZT）及非鉛系壓電陶瓷（如BaTiO3等）。PZT是工業(yè)中應(yīng)用較多的壓電陶瓷。9/5/202512壓電陶瓷外形

9/5/202513無鉛壓電陶瓷及其換能器外形

9/5/202514（三）高分子壓電材料

典型的高分子壓電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，其中PVF2和PVDF的壓電常數(shù)最高。

高分子壓電材料的工作溫度一般低于100℃。溫度升高時(shí)，靈敏度將降低。它的機(jī)械強(qiáng)度不夠高，耐紫外線能力較差，不宜暴曬，以免老化。

它的聲阻抗約為0.02MPa/s，與空氣的聲阻抗有較好的匹配，可以制成特大口徑的壁掛式低音揚(yáng)聲器。9/5/202515高分子壓電薄膜及拉制

它是一種柔軟的壓電材料，可制成薄膜或電纜套管等形狀。不易破碎，具有防水性，可以大量連續(xù)拉制，制成較大面積或較長的尺度，價(jià)格便宜.9/5/202516高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜

9/5/202517可用于波形分析及報(bào)警的高分子壓電踏腳板

壓電式腳踏報(bào)警器9/5/202518高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭

（逆壓電效應(yīng)）9/5/202519單元二壓電傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路

壓電元件沿敏感軸方向受力產(chǎn)生電荷，將其兩表面做上導(dǎo)電電極，就相當(dāng)于一個(gè)以壓電材料為介質(zhì)的電容器，兩極板間電容為：

等效電路圖9/5/202520

壓電式傳感器的輸出信號非常微弱，一般需將電信號放大后才能檢測出來。（一）電壓放大器放大器輸入電壓9/5/202521（二）電荷放大器9/5/202522

電荷放大器是一種利用電容進(jìn)行負(fù)反饋的高放大倍數(shù)運(yùn)算放大器，其輸出電壓為：

一般A值很大，,因此電荷放大器輸出電壓為：

電荷放大器的輸出電壓僅與輸入電荷和反饋電容有關(guān)，電纜長度等因素的影響很小，目前多采用這種性能比較穩(wěn)定的Q/U轉(zhuǎn)換器，其本身并無放大電荷的作用，只是一種習(xí)慣叫法。9/5/202523四通道電荷放大器外形.9/5/202524上圖所示的四通道電荷放大器指標(biāo)

靈敏度：0.1～1000mV/pC

頻率范圍：0.3～100KHz

噪聲(最大增益)：折合至輸入端小于5μV

準(zhǔn)確度：1%

最大輸出：±10V/10mA

電

源：220V/50Hz

控制方式：

計(jì)算機(jī)或手動(dòng)焊接式電荷放大器9/5/202525超小型電荷放大器模塊

主要指標(biāo):

靈敏度：1、10、100mV/pC(任選一檔)

頻率范圍：0.3～100KHz(上、下限可選)

噪聲(最大靈敏度)：輸出端小于1mV

歸一化：外接電阻調(diào)整

線性誤差：1%

最大輸出：±5V或±10V

電

源：±6V～±15V

特點(diǎn)：可組成經(jīng)濟(jì)的多點(diǎn)測試系統(tǒng)9/5/202526

由于外力作用在壓電元件上產(chǎn)生的電荷只有在無泄漏的情況下才能保存，即需要測量回路具有無限大的輸入阻抗，這實(shí)際上是不可能的，因此壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測量。壓電元件在交變力的作用下，電荷可以不斷補(bǔ)充，可以供給測量回路以一定的電流，故只適用于動(dòng)態(tài)測量?？捎糜诮蛔兞?、沖擊力、振動(dòng)等動(dòng)態(tài)參數(shù)的測量。單元三壓電傳感器的應(yīng)用

9/5/202527一、高分子壓電材料的應(yīng)用

1.玻璃打碎報(bào)警裝置將高分子壓電測振薄膜粘貼在玻璃上，可以感受到玻璃破碎時(shí)會(huì)發(fā)出的振動(dòng)，并將電壓信號傳送給集中報(bào)警系統(tǒng)。

粘貼位置9/5/202528高分子壓電材料制作的玻璃打碎傳感器質(zhì)量塊

將厚約0.2mm左右的PVDF薄膜裁制成10

20mm大小。在它的正反兩面各噴涂透明的二氧化錫導(dǎo)電電極，再用超聲波焊接上兩根柔軟的電極引線,并用保護(hù)膜覆蓋。

使用時(shí)，用瞬干膠將其粘貼在玻璃上。當(dāng)玻璃遭暴力打碎的瞬間，壓電薄膜感受到劇烈振動(dòng)，表面產(chǎn)生電荷Q

，在兩個(gè)輸出引腳之間產(chǎn)生窄脈沖報(bào)警信號。9/5/202529

2．壓電式周界報(bào)警系統(tǒng)

（用于重要位置出入口、周界安全防護(hù)等）

將長的壓電電纜埋在泥土的淺表層，可起分布式地下麥克風(fēng)或聽音器的作用，可在幾十米范圍內(nèi)探測人的步行,對輪式或履帶式車輛也可以通過信號處理系統(tǒng)分辨出來。右圖為測量系統(tǒng)的輸出波形。9/5/2025303.交通監(jiān)測

將高分子壓電電纜埋在公路上，可以獲取車型分類信息（包括軸數(shù)、軸距、輪距、單雙輪胎）、車速監(jiān)測、收費(fèi)站地磅、闖紅燈拍照、停車區(qū)域監(jiān)控、交通數(shù)據(jù)信息采集（道路監(jiān)控）及機(jī)場滑行道等。9/5/202531高分子壓電電纜的應(yīng)用演示

將兩根高分子壓電電纜相距若干米，平行埋設(shè)于柏油公路的路面下約5cm，可以用來測量車速及汽車的載重量，并根據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的檔案數(shù)據(jù)，判定汽車的車型。

9/5/202532二、壓電陶瓷傳感器的應(yīng)用

壓電片的并聯(lián)接法

壓電陶瓷多制成片狀，稱為壓電片。壓電片通常是兩片（或兩片以上）粘結(jié)在一起，一般常用的是并聯(lián)接法。其總面積是單片的兩倍，極板上的總電荷Q并為單片電荷Q的兩倍。

9/5/202533

壓電元件的結(jié)構(gòu)形式1、串聯(lián)接法

U’=nUC’=C/nQ’=Q

傳感器本身電容小，輸出電壓大，適用于要求以電壓為輸出的場合，并要求測量電路有高的輸入阻抗。

2、并聯(lián)接法

U’=UC’=nCQ’=nQ

此時(shí)電容量大，輸出電荷量大，適用于測量緩變信號和以電荷為輸出的場合。實(shí)際使用中，通常采用串并聯(lián)組合的形式。9/5/202534壓電式動(dòng)態(tài)力傳感器以及在車床中用于動(dòng)態(tài)切削力的測量

9/5/202535壓電式動(dòng)態(tài)力傳感器在體育動(dòng)態(tài)測量中的應(yīng)用壓電式步態(tài)分析跑臺(tái)壓電式縱跳訓(xùn)練分析裝置壓電傳感器測量雙腿跳的動(dòng)態(tài)力9/5/202536三、振動(dòng)測量及頻譜分析

1、振動(dòng)的基本概念

振動(dòng)可分為機(jī)械振動(dòng)、土木結(jié)構(gòu)振動(dòng)、運(yùn)輸工具振動(dòng)、武器、爆炸引起的沖擊振動(dòng)等。從振動(dòng)的頻率范圍來分，有高頻振動(dòng)、低頻振動(dòng)和超低頻振動(dòng)等。從振動(dòng)信號的統(tǒng)計(jì)特征來看，可將振動(dòng)分為周期振動(dòng)、非周期振動(dòng)以及隨機(jī)振動(dòng)等。

9/5/2025372、測振傳感器分類

測振用的傳感器又稱拾振器，它有接觸式和非接觸式之分。接觸式中有磁電式、電感式、壓電式等；非接觸式中又有電渦流式、電容式、霍爾式、光電式等。下面介紹壓電式測振傳感器及其應(yīng)用。9/5/2025383、壓電式振動(dòng)加速度傳感器9/5/202539壓電式振動(dòng)加速度傳感器外形橫向振動(dòng)測振器縱向振動(dòng)測振器9/5/2025404、壓電振動(dòng)加速度傳感器的性能指標(biāo)

技術(shù)指標(biāo)：

靈敏度：500mV/g

量程：10g

頻率范圍：4-4000Hz

安裝諧振點(diǎn):15kHz

分辨力：0.00004g

重量：40g

安裝螺紋：M5mm

線性：≤1%9/5/2025415、壓電加速度傳感器的安裝及使用

a)雙頭螺絲固定b)磁鐵吸附c)膠水粘結(jié)d)手持探針式

(長期監(jiān)測)（短時(shí)間監(jiān)測）（微弱振動(dòng)）（多點(diǎn)定期巡檢）

1—壓電式加速度傳感器2—雙頭螺栓3—磁鋼

4—粘接劑5—頂針

9/5/2025429/5/2025439/5/2025449/5/2025456、壓電振動(dòng)加速度傳感器在汽車中的應(yīng)用

加速度傳感器可以用于判斷汽車的碰撞，從而使安全氣囊迅速充氣，從而挽救生命；還可安裝在氣缸的側(cè)壁上，盡量使點(diǎn)火時(shí)刻接近爆震區(qū)而不發(fā)生爆震，但又能使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出盡可能大的扭矩。9/5/202546爆震波形

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中的氣缸點(diǎn)火時(shí)刻必須十分精確。如果恰當(dāng)?shù)貙Ⅻc(diǎn)火時(shí)間提前一些，即有一個(gè)提前角，就可使汽缸中汽油與空氣的混合氣體得到充分燃燒，使扭矩增大，排污減少。但提前角太大時(shí)，混合氣體產(chǎn)生自燃，就會(huì)產(chǎn)生沖擊波，發(fā)出尖銳的金屬敲擊聲，稱為爆震，可能使火花塞、活塞環(huán)熔化損壞，使缸蓋、連桿、曲軸等部件過載、變形，可用壓電傳感器檢測并控制之。9/5/202547爆震測量9/5/2025487、振動(dòng)的頻譜分析及儀器

時(shí)域圖形

測量時(shí)域圖形用的是示波器，測量頻域圖形用頻譜儀.9/5/202549頻譜儀

頻域圖形（頻譜圖）

頻譜圖或頻域圖：它的橫坐標(biāo)為頻率f，縱坐標(biāo)可以是加速度，也可以是振幅或功率等。它反映了在頻率范圍之內(nèi)，對應(yīng)于每一個(gè)頻率分量的幅值。

9/5/202550頻譜儀外形（續(xù)）

頻域圖（頻譜圖）9/5/202551依靠頻譜分析法進(jìn)行故障診斷

減速箱故障分析a）時(shí)域波形b）頻域波形9/5/2025529/5/202553

模塊七壓電傳感器主要內(nèi)容1、簡述壓電效應(yīng)及逆壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)（機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能）：逆壓電效應(yīng)（電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能）：