《測試技術(shù)基礎(chǔ)課件北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院第07章 壓電式傳感器》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《測試技術(shù)基礎(chǔ)課件北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院第07章 壓電式傳感器（81頁珍藏版）》請?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ)北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制第七章第七章 壓電式傳感器壓電式傳感器 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng) 壓電材料壓電材料 壓電元件常用結(jié)構(gòu)形式壓電元件常用結(jié)構(gòu)形式 等效電路等效電路 測量電路測量電路 壓電式傳感器應(yīng)用舉例壓電式傳感器應(yīng)用舉例本章內(nèi)容：本章內(nèi)容：測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ)北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng) 某些物質(zhì)在沿一定方向受到壓力或拉力作用而發(fā)生某些物質(zhì)

2、在沿一定方向受到壓力或拉力作用而發(fā)生改變時(shí)，其表面上會產(chǎn)生電荷；若將外力去掉時(shí)，它們改變時(shí)，其表面上會產(chǎn)生電荷；若將外力去掉時(shí)，它們又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象就稱為正壓電效應(yīng)又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象就稱為正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng) 在壓電材料的兩個電極面上，如果加以交流電壓，在壓電材料的兩個電極面上，如果加以交流電壓，那么壓電片能產(chǎn)生機(jī)械振動，即壓電片在電極方向上有那么壓電片能產(chǎn)生機(jī)械振動，即壓電片在電極方向上有伸縮的現(xiàn)象，壓電材料的這種現(xiàn)象稱為伸縮的現(xiàn)象，壓電材料的這種現(xiàn)象稱為“電致伸縮效電致伸縮效應(yīng)應(yīng)”，也叫做，也叫做“逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)”。壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)(piezo

3、electric effect)7.1 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制石英晶體的壓電效應(yīng)演示石英晶體的壓電效應(yīng)演示機(jī)械能機(jī)械能電能電能7.1 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制式中式中x、y、z是與晶軸關(guān)連的直角坐標(biāo)系。是與晶軸關(guān)連的直角坐標(biāo)系。zzyyxxPPPP壓電系數(shù)的軸向表示法壓電系數(shù)的軸向表示法 用極化強(qiáng)度矢量表示材料的壓電效應(yīng)：用極化強(qiáng)度矢量表示材料的壓電效應(yīng)：7.1 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制

4、胥永剛制xyzxyzzzyyxxzzxyzxyzzzyyxxyyxyzxyzzzyyxxxxddddddPddddddPddddddP363534333231262524232221161514131211dm,n為壓電系數(shù)，下標(biāo)為壓電系數(shù)，下標(biāo)m表示產(chǎn)生電荷的面的軸向，表示產(chǎn)生電荷的面的軸向，n表表示施加作用力的軸向，在圖中，下標(biāo)示施加作用力的軸向，在圖中，下標(biāo)1對應(yīng)于對應(yīng)于x軸，下軸，下標(biāo)標(biāo)2對應(yīng)于對應(yīng)于y軸，而下標(biāo)軸，而下標(biāo)3對應(yīng)于對應(yīng)于z軸。軸。v當(dāng)材料的受力方向和產(chǎn)生的變形不一樣時(shí)，壓當(dāng)材料的受力方向和產(chǎn)生的變形不一樣時(shí)，壓電系數(shù)也不同。電系數(shù)也不同。將極化強(qiáng)度寫成軸向應(yīng)力將極化強(qiáng)度

5、寫成軸向應(yīng)力與剪應(yīng)力與剪應(yīng)力表示的形式：表示的形式：7.1 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制22,/mNmCdnmmVmmdnm/,主要的壓電效應(yīng)：主要的壓電效應(yīng)：壓電效應(yīng)作用方向圖壓電效應(yīng)作用方向圖 壓電系數(shù)壓電系數(shù) d 的量綱的量綱 (正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng))即每單位力輸入時(shí)的電荷密度，對于逆壓電效應(yīng)即每單位力輸入時(shí)的電荷密度，對于逆壓電效應(yīng)即每單位場強(qiáng)作用下的應(yīng)變。即每單位場強(qiáng)作用下的應(yīng)變。橫向效應(yīng)橫向效應(yīng):縱向效應(yīng)縱向效應(yīng):剪切效應(yīng)剪切效應(yīng):7.1 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永

6、剛剛胥永剛制胥永剛制 以石英晶體為例，晶片在電軸以石英晶體為例，晶片在電軸x-x方向上受到壓方向上受到壓應(yīng)力應(yīng)力xx作用作用,切片在厚度上產(chǎn)生變形并由此引起極化切片在厚度上產(chǎn)生變形并由此引起極化現(xiàn)象，極化強(qiáng)度現(xiàn)象，極化強(qiáng)度Pxx與應(yīng)力與應(yīng)力xx成正比，即成正比，即式中式中Fx沿晶軸沿晶軸0 x方向施加的壓力；方向施加的壓力；l切片的長；切片的長；b切片的寬；切片的寬；d11壓電系數(shù)，石英晶體的壓電系數(shù)，石英晶體的d11=2.310-12CN-1。lbFddPxxxxx11117.1 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制極化強(qiáng)度極化強(qiáng)度

7、Pxx又等于切片表面產(chǎn)生的電荷密度，即又等于切片表面產(chǎn)生的電荷密度，即 式中式中 qxx垂直于晶軸垂直于晶軸x-x的平面上產(chǎn)生的電荷量。的平面上產(chǎn)生的電荷量?？傻每傻?當(dāng)石英晶體切片受當(dāng)石英晶體切片受x向壓力作用時(shí)，所產(chǎn)生的電荷量向壓力作用時(shí)，所產(chǎn)生的電荷量qxx與作用力與作用力Fx成正比，但與切片的幾何尺寸無關(guān)。成正比，但與切片的幾何尺寸無關(guān)。lbqPxxxxxxxFdq117.1 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制 式中式中d12石英晶體在石英晶體在YY軸方向受力時(shí)的壓電系數(shù)；軸方向受力時(shí)的壓電系數(shù)；ly，lx石英切片的長和厚。

8、石英切片的長和厚。yxyyxyxyFlldFblbldq1212在橫向在橫向 (y-y)施加作用力施加作用力yF7.1 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制 根據(jù)石英晶體軸的對稱條件有根據(jù)石英晶體軸的對稱條件有 有有當(dāng)沿著機(jī)軸當(dāng)沿著機(jī)軸y-y方向施加壓力時(shí)，產(chǎn)生的電荷量與晶片方向施加壓力時(shí)，產(chǎn)生的電荷量與晶片幾何尺寸有關(guān)，而該電荷的極性則與沿電軸幾何尺寸有關(guān)，而該電荷的極性則與沿電軸x-x方向方向加壓力時(shí)產(chǎn)生的電荷極性相反加壓力時(shí)產(chǎn)生的電荷極性相反(式中負(fù)號式中負(fù)號)。1112ddyxyxyFlldq117.1 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)北京工

9、業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制壓電材料的主要特性參數(shù)壓電材料的主要特性參數(shù) 壓電常數(shù)是衡量材料壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù)，它壓電常數(shù)是衡量材料壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù)，它直接關(guān)系到壓電輸出的靈敏度；直接關(guān)系到壓電輸出的靈敏度；對于一定形狀、尺寸的壓電元件，其固有電容對于一定形狀、尺寸的壓電元件，其固有電容與介電常數(shù)有關(guān)；而固有電容又影響著壓電傳感器與介電常數(shù)有關(guān)；而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限；的頻率下限；壓電材料的彈性常數(shù)、剛度決定著壓電器件的壓電材料的彈性常數(shù)、剛度決定著壓電器件的固有頻率和動態(tài)特征；固有頻率和動態(tài)特征；(1)(1)壓電常數(shù)壓電常數(shù)(2

10、)(2)彈性常數(shù)彈性常數(shù)(3)(3)介電常數(shù)介電常數(shù)7.1 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制(4)(4)機(jī)電耦合系數(shù)機(jī)電耦合系數(shù) 在壓電效應(yīng)中，其值等于轉(zhuǎn)換輸出能量在壓電效應(yīng)中，其值等于轉(zhuǎn)換輸出能量(如電如電能能)與輸入的能量與輸入的能量(如機(jī)械能如機(jī)械能)之比的平方根；它是之比的平方根；它是衡量壓電材料機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率的一個重要參數(shù)；衡量壓電材料機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率的一個重要參數(shù)；(5)(5)電阻電阻 壓電材料的絕緣電阻將減少電荷泄漏，從而壓電材料的絕緣電阻將減少電荷泄漏，從而改善壓電傳感器的低頻特性；改善壓電傳感器的低頻特性；(6

11、)(6)居里點(diǎn)居里點(diǎn)壓電材料開始喪失壓電特性的溫度稱為居里點(diǎn)。壓電材料開始喪失壓電特性的溫度稱為居里點(diǎn)。壓電材料的主要特性參數(shù)壓電材料的主要特性參數(shù)7.1 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制壓電元件材料一般有三類：壓電元件材料一般有三類：(1)單晶壓電晶體（如上述的石英晶體）單晶壓電晶體（如上述的石英晶體）(2)多晶壓電陶瓷多晶壓電陶瓷(3)新型壓電材料新型壓電材料 -壓電半導(dǎo)體壓電半導(dǎo)體 -高分子壓電材料高分子壓電材料7.2 壓電材料的分類及特性壓電材料的分類及特性北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥

12、永剛制胥永剛制1.石英晶體石英晶體 一種天然晶體，壓電系數(shù)一種天然晶體，壓電系數(shù)d112.3110-12C/N；莫氏硬度為莫氏硬度為7、熔點(diǎn)為、熔點(diǎn)為1750、膨脹系數(shù)僅為鋼的、膨脹系數(shù)僅為鋼的1/30。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)換效率和轉(zhuǎn)換精度高、線性范圍寬、重復(fù)性好、轉(zhuǎn)換效率和轉(zhuǎn)換精度高、線性范圍寬、重復(fù)性好、固有頻率高、動態(tài)特性好、工作溫度高達(dá)固有頻率高、動態(tài)特性好、工作溫度高達(dá)550(壓電壓電系數(shù)不隨溫度而改變系數(shù)不隨溫度而改變)、工作濕度高達(dá)、工作濕度高達(dá)100%、穩(wěn)定性、穩(wěn)定性好。好。7.2 壓電材料的分類及特性壓電材料的分類及特性北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛

13、剛胥永剛制胥永剛制x軸：電軸或軸：電軸或1軸；軸；y軸：機(jī)械軸或軸：機(jī)械軸或2軸；軸；z軸：光軸或軸：光軸或3軸。軸?！翱v向壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng)”：沿：沿電軸電軸(x軸軸)方向的力作用下產(chǎn)生電荷方向的力作用下產(chǎn)生電荷“橫向壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng)”：沿：沿機(jī)械軸機(jī)械軸(y軸軸)方向的力作用下產(chǎn)生電方向的力作用下產(chǎn)生電荷荷在在光軸光軸(z軸軸)方向時(shí)則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。方向時(shí)則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。7.2 壓電材料的分類及特性壓電材料的分類及特性北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制天然形成的石英晶體外形天然形成的石英晶體外形1.石英晶體石英晶體7.2 壓電材料的分

14、類及特性壓電材料的分類及特性北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制天然形成的石英晶體外形（續(xù)）天然形成的石英晶體外形（續(xù)）7.2 壓電材料的分類及特性壓電材料的分類及特性北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制石英晶體切片及封裝石英晶體薄片石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝雙面鍍銀并封裝7.2 壓電材料的分類及特性壓電材料的分類及特性北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制石英晶體振蕩器（晶振）石英晶體振蕩器（晶振）石英晶體在振石英晶體在振蕩電路中工作蕩電路中工作時(shí)，壓電效應(yīng)時(shí)，壓

15、電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)交替作用，從交替作用，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的而產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩輸出頻率振蕩輸出頻率晶振晶振7.2 壓電材料的分類及特性壓電材料的分類及特性北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制2.壓電陶瓷壓電陶瓷人工制造的多晶體，壓電機(jī)理與壓電晶體不同。人工制造的多晶體，壓電機(jī)理與壓電晶體不同。壓電陶瓷的極化壓電陶瓷的極化（a）未極化的陶瓷）未極化的陶瓷 （b）正在極化的陶瓷）正在極化的陶瓷（c）極化后的陶瓷）極化后的陶瓷7.2 壓電材料的分類及特性壓電材料的分類及特性北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制

16、常見壓電陶瓷：常見壓電陶瓷：(1)鈦酸鋇鈦酸鋇(BaTiO3)壓電陶瓷壓電陶瓷具有較高的壓電系數(shù)和介電常數(shù)，機(jī)械強(qiáng)度不如石英具有較高的壓電系數(shù)和介電常數(shù)，機(jī)械強(qiáng)度不如石英(2)鋯鈦酸鉛鋯鈦酸鉛Pb(ZrTi)O3系壓電陶瓷系壓電陶瓷(PZT)壓電系數(shù)較高，各項(xiàng)機(jī)電參數(shù)隨溫度、時(shí)間等外界條壓電系數(shù)較高，各項(xiàng)機(jī)電參數(shù)隨溫度、時(shí)間等外界條件的變化小，在鋯鈦酸鉛的基方中添加一兩種微量元件的變化小，在鋯鈦酸鉛的基方中添加一兩種微量元素，可以獲得不同性能的素，可以獲得不同性能的PZT材料。材料。(3)鈮鎂酸鉛鈮鎂酸鉛Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3壓電陶瓷壓電陶瓷(PMN)具有較高的壓電系

17、數(shù)，在壓力大至具有較高的壓電系數(shù)，在壓力大至700kg/cm2仍能繼續(xù)仍能繼續(xù)工作，可作為高溫下的力傳感器。工作，可作為高溫下的力傳感器。7.2 壓電材料的分類及特性壓電材料的分類及特性北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制壓電陶瓷外形壓電陶瓷外形7.2 壓電材料的分類及特性壓電材料的分類及特性北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制無鉛壓電陶瓷及其換能器外形無鉛壓電陶瓷及其換能器外形（上海硅酸鹽研究所研制）（上海硅酸鹽研究所研制）7.2 壓電材料的分類及特性壓電材料的分類及特性北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)

18、電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制高分子壓電薄膜及拉制高分子壓電薄膜及拉制 7.2 壓電材料的分類及特性壓電材料的分類及特性北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制3.新型壓電材料新型壓電材料硫化鋅硫化鋅(ZnS)、碲化鎘、碲化鎘(CdTe)、氧化鋅氧化鋅(ZnO)、硫化鎘、硫化鎘(CdS)、碲化鋅、碲化鋅(ZnTe)和砷化鎵和砷化鎵(GaAs)等。等。7.2 壓電材料的分類及特性壓電材料的分類及特性北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制 (2)高分子壓電材料高分子壓電材料 典型的高分子壓電材料有聚偏

19、二氟乙烯典型的高分子壓電材料有聚偏二氟乙烯(PVF2或或PVDF)、聚氟乙烯、聚氟乙烯(PVF)、改性聚氯乙烯、改性聚氯乙烯(PVC)等。它等。它是一種柔軟的壓電材料，可根據(jù)需要制成薄膜或電纜是一種柔軟的壓電材料，可根據(jù)需要制成薄膜或電纜套管等形狀。它不易破碎，具有防水性，可以大量連套管等形狀。它不易破碎，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，頻續(xù)拉制，制成較大面積或較長的尺度，價(jià)格便宜，頻率響應(yīng)范圍較寬，測量動態(tài)范圍可達(dá)率響應(yīng)范圍較寬，測量動態(tài)范圍可達(dá)80dB。3.新型壓電材料新型壓電材料7.2 壓電材料的分類及特性壓電材料的分類及特性北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)

20、大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜7.2 壓電材料的分類及特性壓電材料的分類及特性北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制可用于波形分析及報(bào)警的高分子壓電踏腳板可用于波形分析及報(bào)警的高分子壓電踏腳板7.2 壓電材料的分類及特性壓電材料的分類及特性北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制壓電式腳踏報(bào)警器壓電式腳踏報(bào)警器7.2 壓電材料的分類及特性壓電材料的分類及特性北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永

21、剛制胥永剛制高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭（逆壓電效應(yīng)）（逆壓電效應(yīng)）7.2 壓電材料的分類及特性壓電材料的分類及特性北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制(1)壓電元件的基本變形壓電元件的基本變形(2)雙晶片元件雙晶片元件7.3 壓電元件常用結(jié)構(gòu)形式壓電元件常用結(jié)構(gòu)形式北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制(1)壓電元件的基本變形壓電元件的基本變形 1、厚度變形（、厚度變形（TE方式）方式）2、長度變形（、長度變形（LE方式）方式）3、面剪切變形（、面剪切變形（FS方式）方式）4、厚

22、度剪切變形（、厚度剪切變形（TS方式）方式）5、彎曲變形（、彎曲變形（BS方式）方式）7.3 壓電元件常用結(jié)構(gòu)形式壓電元件常用結(jié)構(gòu)形式北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制(2)雙晶片元件雙晶片元件 實(shí)際使用中，采用單片壓電片工作的話要產(chǎn)生足夠?qū)嶋H使用中，采用單片壓電片工作的話要產(chǎn)生足夠表面電荷就需很大作用力但測量粗糙度和微壓差時(shí)所提表面電荷就需很大作用力但測量粗糙度和微壓差時(shí)所提供的力很小，因此為了提高其靈敏度，通常是把兩片或供的力很小，因此為了提高其靈敏度，通常是把兩片或兩片以上同型號的壓電元件粘貼在一起。由于壓電晶片兩片以上同型號的壓電元件粘貼在

23、一起。由于壓電晶片有電荷極性，因此連接方式有并聯(lián)和串聯(lián)兩種形式。有電荷極性，因此連接方式有并聯(lián)和串聯(lián)兩種形式。并聯(lián)并聯(lián)串聯(lián)串聯(lián)7.3 壓電元件常用結(jié)構(gòu)形式壓電元件常用結(jié)構(gòu)形式北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制兩個壓電片的聯(lián)結(jié)方式兩個壓電片的聯(lián)結(jié)方式(b)“串聯(lián)串聯(lián)”Q=Q，U=2U，C=C/2 而串聯(lián)接法輸出電壓大，本身電容小。而串聯(lián)接法輸出電壓大，本身電容小。適宜用于以電壓作輸出信號，且測量電路輸入阻抗適宜用于以電壓作輸出信號，且測量電路輸入阻抗很高的地方。很高的地方。(a)“并聯(lián)并聯(lián)”，Q=2Q，U=U，C=2C 并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大

24、，時(shí)間常數(shù)大，并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大，時(shí)間常數(shù)大，適宜用在測量慢變信號并且以電荷作為輸出量的地方。適宜用在測量慢變信號并且以電荷作為輸出量的地方。7.3 壓電元件常用結(jié)構(gòu)形式壓電元件常用結(jié)構(gòu)形式北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制hshsCra0aCQU 7.4 壓電傳感器的等效電路壓電傳感器的等效電路北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制(a)等效為一個電荷源等效為一個電荷源Q與一個電容與一個電容Ca并聯(lián)的電路并聯(lián)的電路(b)等效成一個電源等效成一個電源U=Q/Ca 和一個電容和一個電容Ca的串聯(lián)電

25、路的串聯(lián)電路 7.4 壓電傳感器的等效電路壓電傳感器的等效電路北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制 壓電式傳感器要求負(fù)載電阻壓電式傳感器要求負(fù)載電阻RL必須有很大的數(shù)值，必須有很大的數(shù)值，才能使測量誤差小到一定數(shù)值以內(nèi)。才能使測量誤差小到一定數(shù)值以內(nèi)。因此常先接入一個高輸入阻抗的前置放大器，然因此常先接入一個高輸入阻抗的前置放大器，然后再接一般的放大電路及其它電路。后再接一般的放大電路及其它電路。測量電路關(guān)鍵在于高輸入阻抗的前置放大器。測量電路關(guān)鍵在于高輸入阻抗的前置放大器。前置放大器兩個作用：前置放大器兩個作用：把壓電式傳感器的微弱信號放大；把壓電

26、式傳感器的微弱信號放大；把傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出。把傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出。7.5 壓電傳感器的測量電路壓電傳感器的測量電路北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制1、電壓放大器、電壓放大器Ca：傳感器的電容：傳感器的電容 Ra：傳感器的漏電阻：傳感器的漏電阻 Cc：連接電纜的等效電容：連接電纜的等效電容Ri：放大器的輸入電阻：放大器的輸入電阻Ci：放大器的輸入電容：放大器的輸入電容iaiaRRRRRicaCCCC7.5 壓電傳感器的測量電路壓電傳感器的測量電路北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛

27、制胥永剛制前置放大器輸入電壓前置放大器輸入電壓 RCjRiUi1壓電元件的力壓電元件的力 F=Fmsint壓電元件的壓電系數(shù)為壓電元件的壓電系數(shù)為d11，產(chǎn)生的電荷為，產(chǎn)生的電荷為Q=d11F。tFddtdQimcos11FdjI11RCjRjFdUi111 22111icamimCCCRRFdu輸入電壓的幅值輸入電壓的幅值 7.5 壓電傳感器的測量電路壓電傳感器的測量電路北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制當(dāng)作用力是靜態(tài)力當(dāng)作用力是靜態(tài)力(=0)時(shí)，前置放大器的輸入電壓時(shí)，前置放大器的輸入電壓為零。為零。原理上決定了壓電式傳感器不能測量靜態(tài)物理量。

28、原理上決定了壓電式傳感器不能測量靜態(tài)物理量。壓電式傳感器突出優(yōu)點(diǎn)：高頻響應(yīng)相當(dāng)好。壓電式傳感器突出優(yōu)點(diǎn)：高頻響應(yīng)相當(dāng)好。7.5 壓電傳感器的測量電路壓電傳感器的測量電路北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制傳感器的低頻響應(yīng)范圍傳感器的低頻響應(yīng)范圍 如果被測物理量是緩慢變化的動態(tài)量，而測量回如果被測物理量是緩慢變化的動態(tài)量，而測量回路的時(shí)間常數(shù)又不大，則造成傳感器靈敏度下降。因路的時(shí)間常數(shù)又不大，則造成傳感器靈敏度下降。因此為了擴(kuò)大傳感器的低頻響應(yīng)范圍，就必須盡量提高此為了擴(kuò)大傳感器的低頻響應(yīng)范圍，就必須盡量提高回路的時(shí)間常數(shù)。回路的時(shí)間常數(shù)。但這不能靠

29、增加測量回路的電容量來提高時(shí)間常但這不能靠增加測量回路的電容量來提高時(shí)間常數(shù)，因?yàn)閭鞲衅鞯碾妷红`敏度與電容成反比的，切實(shí)數(shù)，因?yàn)閭鞲衅鞯碾妷红`敏度與電容成反比的，切實(shí)可行的辦法是提高測量回路的電阻。由于傳感器本身可行的辦法是提高測量回路的電阻。由于傳感器本身的絕緣電阻一般都很大，所以測量回路的電阻主要取的絕緣電阻一般都很大，所以測量回路的電阻主要取決于前置放大器的輸入電阻。放大器的輸入電阻越大，決于前置放大器的輸入電阻。放大器的輸入電阻越大，測量回路的時(shí)間常數(shù)就越大，傳感器的低頻響應(yīng)也就測量回路的時(shí)間常數(shù)就越大，傳感器的低頻響應(yīng)也就越好。越好。7.5 壓電傳感器的測量電路壓電傳感器的測量電路北

30、京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制電壓放大器應(yīng)用限制電壓放大器應(yīng)用限制 壓電式傳感器在與電壓放大器配合使用時(shí)，壓電式傳感器在與電壓放大器配合使用時(shí)，連接電纜不能太長。電纜長，電纜電容連接電纜不能太長。電纜長，電纜電容Cc就大，就大，電纜電容增大必然使傳感器的電壓靈敏度降低。電纜電容增大必然使傳感器的電壓靈敏度降低。電壓放大器與電荷放大器相比，電路簡單，電壓放大器與電荷放大器相比，電路簡單，元件少價(jià)格便宜，工作可靠，但是電纜長度對傳元件少價(jià)格便宜，工作可靠，但是電纜長度對傳感器測量精度的影響較大，在一定程度上限制了感器測量精度的影響較大，在一定程度上限

31、制了壓電式傳感器在某些場合的應(yīng)用。壓電式傳感器在某些場合的應(yīng)用。7.5 壓電傳感器的測量電路壓電傳感器的測量電路北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制解決電纜問題的辦法解決電纜問題的辦法將放大器裝入傳感器中，組成一體化傳感器。將放大器裝入傳感器中，組成一體化傳感器。壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器 壓電式加速度傳感器的壓電式加速度傳感器的壓電元件是二片并聯(lián)連接的壓電元件是二片并聯(lián)連接的石英晶片，放大器是一個超石英晶片，放大器是一個超小型靜電放大器。這樣引線小型靜電放大器。這樣引線非常短，引線電容幾乎等于非常短，引線電容幾乎等于零就避免了長電纜對傳感

32、器零就避免了長電纜對傳感器靈敏度的影響。放大器的輸靈敏度的影響。放大器的輸入端可以得到較大的電壓信入端可以得到較大的電壓信號，這樣彌補(bǔ)了石英晶體靈號，這樣彌補(bǔ)了石英晶體靈敏度低的缺陷。敏度低的缺陷。7.5 壓電傳感器的測量電路壓電傳感器的測量電路北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制2、電荷放大器、電荷放大器 壓電式傳感器另一種專用的前置放大器。能將高壓電式傳感器另一種專用的前置放大器。能將高內(nèi)阻的電荷源轉(zhuǎn)換為低內(nèi)阻的電壓源，而且輸出電壓內(nèi)阻的電荷源轉(zhuǎn)換為低內(nèi)阻的電壓源，而且輸出電壓正比于輸入電荷，因此，電荷放大器同樣也起著阻抗正比于輸入電荷，因此，電

33、荷放大器同樣也起著阻抗變換的作用，其輸入阻抗高達(dá)變換的作用，其輸入阻抗高達(dá)10101012，輸出阻抗，輸出阻抗小于小于100。使用電荷放大器突出的一個優(yōu)點(diǎn)使用電荷放大器突出的一個優(yōu)點(diǎn)：在一定條件下，：在一定條件下，傳感器的靈敏度與電纜長度無關(guān)。傳感器的靈敏度與電纜長度無關(guān)。7.5 壓電傳感器的測量電路壓電傳感器的測量電路北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制 K是放大器的開環(huán)增益，是放大器的開環(huán)增益，(-K)表示放大器的輸出表示放大器的輸出與輸入反相，若開環(huán)增益足夠高，則放大器的輸入端與輸入反相，若開環(huán)增益足夠高，則放大器的輸入端的電位接近的電位接近“

34、地地”電位。電位。壓電傳感器與電荷放大器連接等效電路壓電傳感器與電荷放大器連接等效電路 7.5 壓電傳感器的測量電路壓電傳感器的測量電路北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制充電電壓接近等于放大器的輸出電壓充電電壓接近等于放大器的輸出電壓 fficacfCQCkCCCkQUU)1(0幾點(diǎn)結(jié)論：幾點(diǎn)結(jié)論：1、電荷放大器的輸出電壓只與輸入電荷量和反饋電容有關(guān)，、電荷放大器的輸出電壓只與輸入電荷量和反饋電容有關(guān)，而與放大器的放大系數(shù)的變化或電纜電容等均無關(guān)系，而與放大器的放大系數(shù)的變化或電纜電容等均無關(guān)系，2、只要保持反饋電容的數(shù)值不變，就可得到與電荷量、只

35、要保持反饋電容的數(shù)值不變，就可得到與電荷量 Q 變變化成線形關(guān)系的輸出電壓?；删€形關(guān)系的輸出電壓。3、反饋電容、反饋電容Cf 小，輸出就大。小，輸出就大。4、要達(dá)到一定的輸出靈敏度要求，就必須選擇適當(dāng)?shù)姆答侂?、要達(dá)到一定的輸出靈敏度要求，就必須選擇適當(dāng)?shù)姆答侂娙?。容?、輸出電壓與電纜電容無關(guān)條件：、輸出電壓與電纜電容無關(guān)條件：(1+K)Cf(Ca+Cc+Ci)7.5 壓電傳感器的測量電路壓電傳感器的測量電路北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制四通道電荷放大器外形四通道電荷放大器外形7.5 壓電傳感器的測量電路壓電傳感器的測量電路北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)

36、院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制上圖所示的四通道電荷放大器指標(biāo)上圖所示的四通道電荷放大器指標(biāo)（參考東方振動和噪聲技術(shù)研究所資料）（參考東方振動和噪聲技術(shù)研究所資料）靈靈 敏敏 度：度：0.11000mV/pC頻率范圍：頻率范圍：0.3100KHz噪聲噪聲(最大增益最大增益)：折合至輸入端小于：折合至輸入端小于5V準(zhǔn)準(zhǔn) 確確 度：度：1%最大輸出：最大輸出：10V/10mA電電 源：源：220V/50Hz控制方式：控制方式：計(jì)算機(jī)或手動計(jì)算機(jī)或手動焊接式焊接式電荷放大器電荷放大器7.5 壓電傳感器的測量電路壓電傳感器的測量電路北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院

37、胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制超小型電荷放大器模塊超小型電荷放大器模塊主要指標(biāo)主要指標(biāo):靈靈 敏敏 度度：1、10、100mV/pC(任選一檔任選一檔)頻率范圍頻率范圍：0.3100kHz(上、下限可選上、下限可選)噪聲噪聲(最大靈敏度最大靈敏度)：輸出端小于：輸出端小于1mV歸歸 一一 化化：外接電阻調(diào)整：外接電阻調(diào)整線性誤差線性誤差：1%最大輸出最大輸出：5V或或10V電電 源源：6V15V特特 點(diǎn)點(diǎn)：可組成經(jīng)濟(jì)的多點(diǎn)測試系統(tǒng)：可組成經(jīng)濟(jì)的多點(diǎn)測試系統(tǒng)7.5 壓電傳感器的測量電路壓電傳感器的測量電路北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制其

38、他電荷放大器外形其他電荷放大器外形面板式電荷放大器面板式電荷放大器7.5 壓電傳感器的測量電路壓電傳感器的測量電路北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制其他電荷放大器外形（續(xù)）其他電荷放大器外形（續(xù)）7.5 壓電傳感器的測量電路壓電傳感器的測量電路北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制1.高分子壓電材料的應(yīng)用高分子壓電材料的應(yīng)用1)玻璃打碎報(bào)警裝置玻璃打碎報(bào)警裝置 將高分子壓電測將高分子壓電測振薄膜粘貼在玻璃上，振薄膜粘貼在玻璃上，可以感受到玻璃破碎可以感受到玻璃破碎時(shí)會發(fā)出的振動，并時(shí)會發(fā)出的振動，并將電壓信

39、號傳送給集將電壓信號傳送給集中報(bào)警系統(tǒng)。中報(bào)警系統(tǒng)。粘貼位置7.6 壓電傳感器的應(yīng)用壓電傳感器的應(yīng)用北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制 將厚約將厚約0.2mm左右的左右的PVDF薄膜裁制薄膜裁制成成10 20mm大小。在它的正反兩面各噴涂大小。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)膜覆接上兩根柔軟的電極引線。并用保護(hù)膜覆蓋。蓋。使用時(shí)，用瞬干膠將其粘貼在玻璃上。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，壓電薄膜感受當(dāng)玻璃遭暴力打碎的瞬間，壓電薄膜感

40、受到劇烈振動，表面產(chǎn)生電荷到劇烈振動，表面產(chǎn)生電荷Q，在兩個輸，在兩個輸出引腳之間產(chǎn)生窄脈沖報(bào)警信號。出引腳之間產(chǎn)生窄脈沖報(bào)警信號。高分子壓電材料制作的玻璃打碎傳感器高分子壓電材料制作的玻璃打碎傳感器質(zhì)質(zhì)量量塊塊7.6 壓電傳感器的應(yīng)用壓電傳感器的應(yīng)用北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制壓電傳感器只能應(yīng)用于動態(tài)測量壓電傳感器只能應(yīng)用于動態(tài)測量 由于外力作用在壓電元件上產(chǎn)生的電荷只有在無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

41、此壓電式傳感的輸入阻抗，這實(shí)際上是不可能的，因此壓電式傳感器器不能用于靜態(tài)測量不能用于靜態(tài)測量。壓電元件在交變力的作用下，。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，電荷可以不斷補(bǔ)充，可以供給測量回路以一定的電流，故只適用于動態(tài)測量（在故只適用于動態(tài)測量（在50kHz以上時(shí)，靈敏度下以上時(shí)，靈敏度下降）。降）。7.6 壓電傳感器的應(yīng)用壓電傳感器的應(yīng)用北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制2壓電式周界報(bào)警系統(tǒng)壓電式周界報(bào)警系統(tǒng) 將長的壓電電纜埋將長的壓電電纜埋在泥土的淺表層，可起在泥土的淺表層，可起分布式地下麥克風(fēng)或聽分布

42、式地下麥克風(fēng)或聽音器的作用，可在幾十音器的作用，可在幾十米范圍內(nèi)探測人的步行，米范圍內(nèi)探測人的步行，對輪式或履帶式車輛也對輪式或履帶式車輛也可以通過信號處理系統(tǒng)可以通過信號處理系統(tǒng)分辨出來。右圖為測量分辨出來。右圖為測量系統(tǒng)的輸出波形。系統(tǒng)的輸出波形。(用于重要位置出入口、周界安全防護(hù)等用于重要位置出入口、周界安全防護(hù)等)7.6 壓電傳感器的應(yīng)用壓電傳感器的應(yīng)用北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制3.交通監(jiān)測交通監(jiān)測 將高分子壓電電將高分子壓電電纜埋在公路上，可以纜埋在公路上，可以獲取車型分類信息獲取車型分類信息（包括軸數(shù)、軸距、（包括軸數(shù)、軸距、輪

43、距、單雙輪胎）、輪距、單雙輪胎）、車速監(jiān)測、收費(fèi)站地車速監(jiān)測、收費(fèi)站地磅、闖紅燈拍照、停磅、闖紅燈拍照、停車區(qū)域監(jiān)控、交通數(shù)車區(qū)域監(jiān)控、交通數(shù)據(jù)信息采集（道路監(jiān)據(jù)信息采集（道路監(jiān)控）及機(jī)場滑行道等?？兀┘皺C(jī)場滑行道等。7.6 壓電傳感器的應(yīng)用壓電傳感器的應(yīng)用北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制壓電式動態(tài)力傳感器以及在車床中用于動態(tài)切壓電式動態(tài)力傳感器以及在車床中用于動態(tài)切削力的測量削力的測量 7.6 壓電傳感器的應(yīng)用壓電傳感器的應(yīng)用北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制壓電式動態(tài)力傳感器在體育動態(tài)測量中的應(yīng)用

44、壓電式動態(tài)力傳感器在體育動態(tài)測量中的應(yīng)用壓電式步態(tài)分壓電式步態(tài)分析跑臺析跑臺壓電式縱跳壓電式縱跳 訓(xùn)練分析裝置訓(xùn)練分析裝置壓電傳感器測量雙壓電傳感器測量雙腿跳的動態(tài)力腿跳的動態(tài)力7.6 壓電傳感器的應(yīng)用壓電傳感器的應(yīng)用北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制4.在振動測量中應(yīng)用在振動測量中應(yīng)用 1)振動的基本概念振動的基本概念 振動可分為機(jī)械振動、土木結(jié)構(gòu)振動、運(yùn)輸工具振動可分為機(jī)械振動、土木結(jié)構(gòu)振動、運(yùn)輸工具振動、武器、爆炸引起的沖擊振動等。振動、武器、爆炸引起的沖擊振動等。從振動的頻率范圍來分，有高頻振動、低頻振動從振動的頻率范圍來分，有高頻振動、低

45、頻振動和超低頻振動等。和超低頻振動等。從振動信號的統(tǒng)計(jì)特征來看，可將振動分為周期從振動信號的統(tǒng)計(jì)特征來看，可將振動分為周期振動、非周期振動以及隨機(jī)振動等。振動、非周期振動以及隨機(jī)振動等。7.6 壓電傳感器的應(yīng)用壓電傳感器的應(yīng)用北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制地地震震的的巨巨大大威威力力7.6 壓電傳感器的應(yīng)用壓電傳感器的應(yīng)用北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制南海南海Ms7.2地震波形記錄圖地震波形記錄圖7.6 壓電傳感器的應(yīng)用壓電傳感器的應(yīng)用北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永

46、剛剛胥永剛制胥永剛制2)測振傳感器分類測振傳感器分類 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；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。等。下面介紹壓電式測振傳感器及其應(yīng)用。4.在振動測量中應(yīng)用在振動測量中應(yīng)用 7.6 壓電傳感器的應(yīng)用壓電傳感器的應(yīng)用北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制3)壓電式振動加速度傳感器結(jié)構(gòu)及外形壓電式振

47、動加速度傳感器結(jié)構(gòu)及外形 橫向振動測振器橫向振動測振器縱向振動測振器縱向振動測振器7.6 壓電傳感器的應(yīng)用壓電傳感器的應(yīng)用北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制4)壓電振動加速度傳感器的性能指標(biāo)壓電振動加速度傳感器的性能指標(biāo)（以某小型（以某小型“內(nèi)裝內(nèi)裝IC的壓電加速度傳感器的壓電加速度傳感器”為例）為例）技術(shù)指標(biāo)：技術(shù)指標(biāo)：靈敏度：靈敏度：500mV/g 量程：量程：10g 頻率范圍：頻率范圍：4-4000Hz安裝諧振點(diǎn)安裝諧振點(diǎn):15kHz 分辨力：分辨力：0.00004g 重量：重量：40g 安裝螺紋：安裝螺紋：M5 mm 線性：線性：1%7.6

48、 壓電傳感器的應(yīng)用壓電傳感器的應(yīng)用北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制a)雙頭螺絲固定雙頭螺絲固定 b)磁鐵吸附磁鐵吸附 c)膠水粘結(jié)膠水粘結(jié) d)手持探針式手持探針式1壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器 2雙頭螺栓雙頭螺栓 3磁鋼磁鋼4粘接劑粘接劑 5頂針頂針 5)壓電加速度傳感器的安裝及使用壓電加速度傳感器的安裝及使用 7.6 壓電傳感器的應(yīng)用壓電傳感器的應(yīng)用北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制6)壓電振動加速度傳感器在汽車中的應(yīng)用壓電振動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

49、，從而使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，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)動機(jī)輸出盡可能大的扭矩。但又能使發(fā)動機(jī)輸出盡可能大的扭矩。7.6 壓電傳感器的應(yīng)用壓電傳感器的應(yīng)用北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制爆震波形 汽車發(fā)動機(jī)中的氣缸點(diǎn)火時(shí)刻汽車發(fā)動機(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，即有一個提前角，時(shí)間提前一些，即有一個

50、提前角，就可使汽缸中汽油與空氣的混合氣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)，混合氣污減少。但提前角太大時(shí)，混合氣體產(chǎn)生自燃，就會產(chǎn)生沖擊波，發(fā)體產(chǎn)生自燃，就會產(chǎn)生沖擊波，發(fā)出尖銳的金屬敲擊聲，稱為爆震，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，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、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變形，可用壓電傳感器檢測并控制之。之。7.6 壓電傳感器的應(yīng)用壓電傳感器的應(yīng)用北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛

51、胥永剛制胥永剛制爆震測量7.6 壓電傳感器的應(yīng)用壓電傳感器的應(yīng)用北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制7)振動的頻譜分析及儀器振動的頻譜分析及儀器 測量時(shí)域圖形用的是示波器，測量頻域圖形用頻譜儀。測量時(shí)域圖形用的是示波器，測量頻域圖形用頻譜儀。時(shí)域圖形時(shí)域圖形 7.6 壓電傳感器的應(yīng)用壓電傳感器的應(yīng)用北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制頻譜儀頻譜儀 頻域圖形頻域圖形(頻譜圖頻譜圖)頻譜圖或頻域圖：它的橫坐標(biāo)為頻率頻譜圖或頻域圖：它的橫坐標(biāo)為頻率f，縱坐標(biāo)可以，縱坐標(biāo)可以是加速度，也可以是振幅或功率等。它反映了

52、在頻率范是加速度，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)于每一個頻率分量的幅值。圍之內(nèi)，對應(yīng)于每一個頻率分量的幅值。7.6 壓電傳感器的應(yīng)用壓電傳感器的應(yīng)用北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制（參考深圳安泰信電子有限公司資料）（參考深圳安泰信電子有限公司資料）7.6 壓電傳感器的應(yīng)用壓電傳感器的應(yīng)用北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制依靠頻譜分析法依靠頻譜分析法進(jìn)行故障診斷進(jìn)行故障診斷 減速箱故障分析減速箱故障分析 a)時(shí)域波形時(shí)域波形 b)頻域波形頻域波形7.6 壓電傳感器的應(yīng)用壓電傳感器的應(yīng)

53、用北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制 地震是引發(fā)海嘯的主要原因之一。地震中斷層移動地震是引發(fā)海嘯的主要原因之一。地震中斷層移動導(dǎo)致斷層間產(chǎn)生空洞，當(dāng)海水填充這個空洞時(shí)產(chǎn)生巨大導(dǎo)致斷層間產(chǎn)生空洞，當(dāng)海水填充這個空洞時(shí)產(chǎn)生巨大的海水波動。這種海水波動從深海傳至淺海時(shí)，海浪陡的海水波動。這種海水波動從深海傳至淺海時(shí)，海浪陡然升到十幾米高，并以每秒數(shù)百米的速度傳播。海浪沖然升到十幾米高，并以每秒數(shù)百米的速度傳播。海浪沖到岸上后，將造成重大破壞。到岸上后，將造成重大破壞。海嘯預(yù)警系統(tǒng)通過海底的振動壓力傳感器記錄海浪海嘯預(yù)警系統(tǒng)通過海底的振動壓力傳感器記錄海浪

54、變化的數(shù)據(jù)，并傳送到信息浮標(biāo)，由信息浮標(biāo)發(fā)送到氣變化的數(shù)據(jù)，并傳送到信息浮標(biāo)，由信息浮標(biāo)發(fā)送到氣象衛(wèi)星，再從氣象衛(wèi)星傳送到衛(wèi)星地面站。象衛(wèi)星，再從氣象衛(wèi)星傳送到衛(wèi)星地面站。海嘯預(yù)警系統(tǒng)海嘯預(yù)警系統(tǒng)7.6 壓電傳感器的應(yīng)用壓電傳感器的應(yīng)用北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制氣象接收及氣象接收及發(fā)射天線發(fā)射天線振動壓力傳感器6000m海底海底浮標(biāo)深海地溝深海地溝北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制7.6 壓電傳感器的應(yīng)用壓電傳感器的應(yīng)用北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永

55、剛制激勵環(huán)激勵環(huán)接收環(huán)接收環(huán)7.6 壓電傳感器的應(yīng)用壓電傳感器的應(yīng)用北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制7.6 壓電傳感器的應(yīng)用壓電傳感器的應(yīng)用北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制產(chǎn)品產(chǎn)品壓力變送器加速度計(jì)加速度計(jì)力傳感器力傳感器 7.6 壓電傳感器的應(yīng)用壓電傳感器的應(yīng)用北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制案例：飛機(jī)模態(tài)分析案例：飛機(jī)模態(tài)分析7.6 壓電傳感器的應(yīng)用壓電傳感器的應(yīng)用北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制案例：熱軋?jiān)O(shè)備診斷案例：熱軋?jiān)O(shè)備診斷7.6 壓電傳感器的應(yīng)用壓電傳感器的應(yīng)用