《自動(dòng)檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)》

（“十四五”職'業(yè)教育國(guó)家規(guī)劃教材）

統(tǒng)一書(shū)號(hào)：ISBN978-7-111-62119-5

第六章壓電傳感器思考題與習(xí)題分析

說(shuō)明：填空中的“紅色文字”以及分析題中的“提示”并不等于就是答案，只是給出了怎樣解

題的思路和分析方法，給讀者一點(diǎn)啟發(fā)。作者還在有關(guān)題目中，增加了一些新的技術(shù)和應(yīng)用型知

識(shí)。限于篇幅的限制，有的傳感器的內(nèi)容無(wú)法在本教材正文中展開(kāi)來(lái)講的，現(xiàn)在有了這個(gè)“思考題

與習(xí)題分析”，就可以在此展開(kāi)介紹，希望對(duì)讀者有一點(diǎn)幫助。部分分析采用口語(yǔ)化的型式，希望

能夠提高讀者的興趣。所展開(kāi)的知識(shí)可能有一部分超過(guò)本教材的深度，讀者可以上網(wǎng)對(duì)照有關(guān)資料來(lái)

理解和提高。

希望讀者看完本分析之后，就其中的疑難、錯(cuò)誤等問(wèn)題，來(lái)信與作者進(jìn)行探討，郵箱為

liangsen2@126.com,上海電機(jī)學(xué)院的梁森老師代表編寫(xiě)團(tuán)隊(duì)與大家交流。謝謝大家。

1.單項(xiàng)選擇題

1）將超聲波（機(jī)械振動(dòng)波）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)是利用壓電材料的一振動(dòng)壓力一電一；蜂鳴器中發(fā)

出“嘀……嘀……”聲的壓電片發(fā)聲原理是利用壓電材料的一反過(guò)來(lái)哈

A.應(yīng)變效應(yīng)B.電渦流效應(yīng)C.壓電效應(yīng)D.逆壓電效應(yīng)

2）在實(shí)驗(yàn)室作檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)月的壓電儀表應(yīng)采用—最穩(wěn)定的—壓電材料；能制成薄膜，粘貼在一

個(gè)微小探頭上、用于測(cè)量人的抹搏的壓電材料應(yīng)采用—塑料的―：用在壓電加速度傳感器中測(cè)量振

動(dòng)的壓電材料應(yīng)采用—不是塑料的

A.PTCB.PZTC.PVDFD.Si02

3）使用壓電陶瓷制作的力或壓力傳感器可測(cè)量—當(dāng)靜態(tài)力被測(cè)量施加在壓電傳感器上面，大約

2s之后，電荷就泄漏殆盡，所以被測(cè)量必須是動(dòng)態(tài)的。例如當(dāng)人站到壓電傳感器上面的時(shí)候，壓電

傳感器會(huì)產(chǎn)生?個(gè)較大的沖擊電信號(hào)輸出（還可以聯(lián)想到我們站到磅秤上的瞬間，能觀察到磅秤的指

針猛烈擺動(dòng)）。但是，這個(gè)電信號(hào)很快就由于空氣濕度以及宇宙射線引起的空氣電離（空氣導(dǎo)電）而

逐漸衰弱。通常在壓電片上面有很硬的彈簧片緊壓著（用于產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，防止非線性等），但是這個(gè)

彈簧力的大小是隨機(jī)的，通常是不需要予以考慮的。在安裝旋緊的瞬間，可能有電信號(hào)產(chǎn)生，但是出

廠的時(shí)候，電荷早就沒(méi)有了，不影響用戶用于測(cè)量“交變力”_。

A.人的體重B.車(chē)刀的壓緊力

C.車(chē)刀在切削時(shí)感受到的切削力的變化量D.自來(lái)水管中的水的壓力

4）動(dòng)態(tài)力傳感器中，兩片壓電片多采用—可以聯(lián)想到兩個(gè)電池如果并聯(lián)，則能增加輸出電

流，減小內(nèi)阻一接法，可增大輸出電荷量；在電子打火機(jī)和煤氣灶點(diǎn)火裝置中，多片壓電片采用一

可以聯(lián)想到兩個(gè)電池串聯(lián)，則能蓋加輸出電壓，但內(nèi)阻也隨之增大—接法，可使輸出電玉達(dá)上萬(wàn)

伏，從而產(chǎn)生電火花。

A.串聯(lián)B.并聯(lián)C.既串聯(lián)又并聯(lián)

4）測(cè)量人的脈搏應(yīng)采用靈敏度K約為—最靈嫩的（數(shù)值最大的）—的PVDF壓電傳感器；在

家用電器（已包裝）做跌落試臉，以檢盒是否符合國(guó)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)采用靈敏度K為一跌落試驗(yàn)中，商

品受撞擊的負(fù)的加速度大約為10g的數(shù)量級(jí)，僅能選用較低的靈敏度壓電傳感器，否則壓電傳感器的

輸出信號(hào)容易飽和—的壓電傳感器。

A.10V/gB.IV/gC.lOOmV/g

1、沖擊面板3、鏈條5、升降桿7、趺落壁

2、電機(jī)4、升降箱6、固定夾

圖6-01各種跌落試驗(yàn)示意圖

2.用壓電式加速度計(jì)及電荷放大器測(cè)量振動(dòng)加速度，若傳感器的靈敏度為70pC/g（g為重力加

速度），電荷放大器靈敏度K=10mV/pC,試確定輸入3g（平均值）加速度時(shí)，電荷放大器的輸出電

壓U。（平均值，不考慮正負(fù)號(hào)），并計(jì)算此時(shí)該電荷放大器的反饋電容G。

第一步：計(jì)算壓電式加速度計(jì)在輸入3g（平均值）加速度時(shí)的輸出電向量的平均值（交變電

荷）：

Q二K|Xe70pC/gX3g=???pC

第二步：計(jì)算電荷放大器在輸入3g（平均值）加速度時(shí)的輸出電壓（交變電壓）的平均值：

UO=K2^Q=\OmV/pCX210pC=??V

第三步：根據(jù)式（6-4）%（丫）4如9|,計(jì)算電荷放大器在輸出電壓為仄時(shí)的反饋電容C,

Cf（pF）

為：

Cf=0/Z7o=2IOpC4-2.1V=???pF。

3.圖6-21是振動(dòng)式粘度計(jì)的原理示意圖。導(dǎo)磁的懸臂梁6與鐵心3組成激振器。壓電片4粘貼

于懸臂梁上，振動(dòng)板7固定在懸臂梁的下端，并插入到被測(cè)粘度的粘性液體中。請(qǐng)分析該粘度計(jì)的工

作原理，并填空。

圖6-21振動(dòng)式粘度計(jì)原理示意圖

1一交流勵(lì)磁電源2—?jiǎng)?lì)磁線圈3一電磁鐵心4一壓電片5—質(zhì)量塊6-懸臂梁

7-振動(dòng)板8—粘性液體9-容器

1）當(dāng)勵(lì)磁線圈接到10Hz左右的交流激勵(lì)源跖上時(shí)，電磁鐵心產(chǎn)生—???—Hz（兩倍的激

勵(lì)頻率）的交變—不會(huì)是電場(chǎng)_，一并對(duì)？一產(chǎn)生交變吸力。由于它的上端被固定，所以它將帶

動(dòng)振動(dòng)板7在—在固體里頭是振動(dòng)不起來(lái)的哈一里來(lái)回振功。

提示：

交流勵(lì)磁電流為正的最大值時(shí)，所產(chǎn)生的吸力最大。過(guò)了最大值后，隨著勵(lì)磁電流的減小，由于

懸臂梁的彈性，懸臂梁向右彈開(kāi)；激勵(lì)電流過(guò)零后，交流勵(lì)磁電流的負(fù)值越來(lái)越大，對(duì)懸臂梁的吸力

也越來(lái)越多。當(dāng)激磁電流達(dá)到負(fù)的最大值時(shí)，鐵心對(duì)懸臂梁的吸力也是最大的……如果懸臂梁本身不

帶磁鐵，就不可能產(chǎn)生排斥力（類(lèi)似的例子是日光燈。當(dāng)日光燈兩端的電壓是50Hz時(shí)，日光燈的頻

閃是電源頻率的兩倍?，為100Hz）。

但是，如果懸臂梁是帶磁性的（例如，在懸臂梁上固定一塊磁鐵，并將N或S極對(duì)準(zhǔn)鐵心），

就可能在激磁電流的正半周對(duì)磁鐵產(chǎn)生吸力，在負(fù)半周對(duì)磁鐵產(chǎn)生排斥力，這樣的磁路系統(tǒng)的磁力較

高，效率也較高。請(qǐng)讀者考慮在有磁鐵的情況下，振動(dòng)頻率與激磁電流的頻率的關(guān)系。

2）液體的粘性越高，對(duì)振動(dòng)板的阻力就越_粘住了一，振動(dòng)板的振幅4P就越一振不起來(lái)

一，所以它的加速度斫/V/sing就越_加速很困難因此質(zhì)量塊5對(duì)壓電片4所施加的慣性

力廠=〃口就越一牛頓第二定律一,壓電片的輸出電向量Q或電壓詼就越一成止比一，壓電片的

輸出反映了液體的粘度。

3）該粘度計(jì)的缺點(diǎn)是與溫度/有關(guān)。溫度升高，大多數(shù)液體的粘度變—不會(huì)是變得更粘稠的哈

_，所以將帶來(lái)測(cè)量誤差。

4.粘度計(jì)：請(qǐng)分析該粘度計(jì)的

工作原理……

液體的粘性越大，對(duì)振動(dòng)板的

眼力就越.振動(dòng)板的振幅就越

小，所以它的振動(dòng)加速度就越小，旋轉(zhuǎn)式

因此質(zhì)埴，由加的慣性粘度計(jì)

力也就越小,壓電片的輸出電荷量

口或電壓“。也越小，壓電片的筠生.

電壓反映了液體的粘里

測(cè)量旋轉(zhuǎn)板的阻疣也可以計(jì)算出液體的粘度，利

用這種原理制造的儀器稱(chēng)為旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì).將旋轉(zhuǎn)板改

成強(qiáng)動(dòng)板，再加上壓電片等元件就成為振動(dòng)式粘度計(jì).

圖6-02粘度計(jì)工作原理圖

4.兩根高分子壓電電纜1外形見(jiàn)6-7b）相距L=2m,平行埋設(shè)于柏油公路的路面下約5Dmm,如

圖6-22所示。它可以用來(lái)測(cè)量車(chē)速及汽車(chē)的的超重，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(chē)的車(chē)型。

DlZSm^div)

b>

圖6-22PVDF壓電電纜測(cè)速原理圖

a）PVDF壓電電纜埋設(shè)示意圖b）A、B壓電電纜的輸出信號(hào)波形

1一公路2-PVDF壓電電纜（A、B共兩根）3—車(chē)輪

現(xiàn)有一輛超重車(chē)輛以較快的車(chē)速壓過(guò)測(cè)速傳感器，兩根PVDF壓電電纜的輸出信號(hào)如圖b所示，

求：

I）估算車(chē)速為多少km/h.

2）估算汽車(chē)前后輪間距d（可據(jù)此判定車(chē)型）；輪距與哪些因素有關(guān)？

3）說(shuō)明載重量機(jī)以及車(chē)速I(mǎi)，與A、B壓電電纜輸出信號(hào)波形的幅度或時(shí)間間隔之間的關(guān)系。

1）估算車(chē)速v為多少km/h：

提示：

車(chē)速V等于前輪通過(guò)A、B壓電電纜的輸出脈沖信號(hào)的時(shí)間差（不要去涉及前后輪的時(shí)間差，車(chē)

速的計(jì)算與后輪無(wú)關(guān)；當(dāng)然，也可以只計(jì)算后輪，那么就不必考慮前輪的參數(shù)，前后輪的軸的直線位

移速度在正常情況下，是一致的）

第一步：找到A壓電電纜輸出信號(hào)波形的第一個(gè)脈沖，再找到壓電電纜B輸出信號(hào)波形的第一

個(gè)脈沖。目測(cè)并以作圖法得到A、B壓電電纜的輸出脈沖信號(hào)的時(shí)間差有多少格。從左下圖可以看

出，大約是2.4格。

第二步：根據(jù)坐標(biāo)圖的每珞的掃描時(shí)間（從左下圖可以看出是25ms/div）,計(jì)算出A、B壓電電

纜的輸出脈沖信號(hào)的時(shí)間差

△LAB=格數(shù)義每格掃描時(shí)間=2.4格X25ms/div=？?ms=?s

(

<

>

-

￡

言

―

~

77(25ms,di\)

圖6-03PVDF壓電電纜的輸出信號(hào)作圖法

第三步：將A、B壓電電纜的安裝距離L除以汽車(chē)通過(guò)A、B壓電電纜的時(shí)間，就等于汽車(chē)前輪

（此處不提及“后輪”是因?yàn)榕乱鸹靵y，考慮后輪也是一樣的結(jié)果）的車(chē)輪軸的直線位移速

度，也就是車(chē)速：

v=L/，AB=2m0.06s=？？？？m/s；乘以3600s,再除以1000m,就等于每小時(shí)的公里數(shù)：

v=（33.33m/sX36OO）-?1000m=???km/s。

2）估算汽車(chē)前后輪間距d（可據(jù)此判定車(chē)型）：

提示：

第一步：當(dāng)汽車(chē)通過(guò)測(cè)速區(qū)時(shí)，前輪與后輪在A電纜（此處不提及“B電纜”是因?yàn)榕乱鸹?/p>

亂，考慮B電纜也是一樣的結(jié)果）上產(chǎn)生兩個(gè)一前一后的執(zhí)沖。用作圖法測(cè)量這兩個(gè)脈沖的時(shí)間

差：4.2格X25ms/div=???ns=0.???s。

第二步：將前后輪的時(shí)間差乘以車(chē)速，就等于汽車(chē)前后輪間距出

仁0.105sX33.33m/s=3.5m.

第三步：上網(wǎng)查閱最接近的車(chē)型（例如，輪距是3.5m的有“悍馬”等牌子的汽車(chē)）。

這一步的目的是判斷“大嚶是什么車(chē)型”，從而為后續(xù)找到這一步肇事車(chē)提供依據(jù)。

但是請(qǐng)思考：如果在A電纜上連續(xù)產(chǎn)生了三個(gè)脈沖（B電纜也如此），說(shuō)明什么呢？

以此類(lèi)推，可以得出什么結(jié)論？

輪距與哪些因素有關(guān)：當(dāng)然，輪距是廠家設(shè)計(jì)的。但是，本題中的題意是測(cè)吊:站果與哪些因數(shù)有

關(guān)：

與車(chē)速成正比？反比？與前、后輪在壓電電纜上產(chǎn)生的脈沖間隔時(shí)間差成正比？反比？

3）說(shuō)明載重量，〃以及車(chē)速u(mài)與A、B壓電電纜輸出信號(hào)波形的幅度或時(shí)間間隔之間的關(guān)系：

提示：

載重量〃?越重，脈沖的高度就越？但是，載重量〃，影響還是不影響脈沖之間的時(shí)間差呢？

車(chē)速羽與A壓電電纜的兩個(gè)脈沖的間隔成正比，也與A、B壓電電纜的兩個(gè)脈沖的間隔成正比

（這個(gè)請(qǐng)讀者自行研究）。

脈沖的間隔越短，車(chē)速就？？

拓展思考：上述壓電電纜在軍用和安全防護(hù)場(chǎng)合，還能用于什么的檢測(cè)？

第六章壓電傳感器的思考題與習(xí)題的第4題解題步驟

4.兩根高分子壓電電纜1外形見(jiàn)6-7b）相距L=2m,平行埋設(shè)于柏油公路的路面下約50mm,如

圖6-22所示。它可以用來(lái)測(cè)量車(chē)速及汽車(chē)的的超重，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(chē)的車(chē)型。

7)(25?n^div)

b)

圖6-22PVDF壓電電纜測(cè)速原理圖

a）PVDF壓電電纜埋設(shè)示意圖b）A、B壓電電纜的輸出信號(hào)波形

L公路2—PVDF壓電電纜（A、B共兩根）3—車(chē)輪

現(xiàn)有一輛超重車(chē)輛以較快的車(chē)速壓過(guò)測(cè)速傳感器，兩根PVDF壓電電纜的輸出信號(hào)如圖b所?示，

求：

1）估算車(chē)速為多少km/h。

2）估算汽車(chē)前后輪間距d（可據(jù)此判定車(chē)型）；輪距與哪些因素有關(guān)？

3）說(shuō)明載重量機(jī)以及車(chē)速V與A、B壓電電纜輸出信號(hào)波形的幅度或時(shí)間間隔之間的關(guān)系。

1）估算車(chē)速u(mài)為多少km/h：

提示：

車(chē)速v等于前輪通過(guò)A、B壓電電纜的輸出脈沖信號(hào)的時(shí)間差（不要去涉及前后輪的時(shí)間差，車(chē)

速的計(jì)算與后輪無(wú)關(guān)；當(dāng)然，也可以只計(jì)算后輪，那么就不必考慮前輪的參數(shù)，前后輪的軸的直線位

移速度在正常情況下，是一致的）

第一步：找到A壓電電纜輸出信號(hào)波形的第一個(gè)脈沖，再找到壓電電纜B輸出信號(hào)波形的第一

個(gè)脈沖。目測(cè)并以作圖法得到A、B壓電電纜的輸出脈沖信號(hào)的時(shí)間差有多少格。從左下圖可以看

出，大約是2.4格。

第二步：根據(jù)坐標(biāo)圖的每格的掃描時(shí)間（從左下圖可以看出是25ms/div）,計(jì)算出A、B壓電電

纜的輸出脈沖信號(hào)的時(shí)間差與“格”的數(shù)目有關(guān)。目測(cè)有一點(diǎn)誤差不要緊。

△IAB二格數(shù)X每格掃描時(shí)間=2.4格X25ms/div=60ms=0.06s

(

o

-

￡

言

一

二

77(25mv*div>

圖6-03PVDF壓電電纜的輸出信號(hào)作圖法

第三步：將A、B壓電電纜的安裝距離L除以汽車(chē)通過(guò)A、R壓電電纜的時(shí)間，就等于汽車(chē)前輪

（此處不提及“后輪”是因?yàn)榕乱鸹靵y，考慮后輪也是一樣的結(jié)果）的車(chē)輪軸的直線位移速

度，也就是車(chē)速：

v=L/fAB=2m4~0.06s=33.33m/s；乘以3600s,再除以1000m,就等于每小時(shí)的公里數(shù)：v=（33.33m/s

X3600）4-1000m=120km/so

如果認(rèn)為是2.5格，也可以，車(chē)速就不是整數(shù)。本來(lái)就是估算的