机械工业出版社 中等职业教育电气类规划教材 《自动检测与转换技术》 第六章 多媒体课件 2009－5－1 更新 机械工业出版社 中等职业教育电气类规划教材 《自动检测与转换技术》 第六章 多媒体课件 2009－5－1 更新 2018/12/7

第六章 压电传感器 在这一章里，卡卡要给大家介绍压电传感器的基本原理、特性和应用，也集中讲一讲在工业领域里常会用到的振动测量。 第六章 压电传感器 在这一章里，卡卡要给大家介绍压电传感器的基本原理、特性和应用，也集中讲一讲在工业领域里常会用到的振动测量。 在测量中，被测动态力和动态压力通过压电传感器变化转换为电荷量的变化，再经测量转换电路转换为输出电压。压电传感器是属于自发电型传感器。

小 实 验 我们先来看一个实验。在完全黑暗的环境中，将一块干燥的冰糖用榔头敲碎，可以看到冰糖在破碎的一瞬间，发出暗淡的蓝色闪光，这是强电场放电所产生的闪光，产生闪光的机理是晶体的压电效应 2018/12/7

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。 压电式传感器主要用途：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（例如重量）的测量。

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）。

小 知识 自然界中与压电效应有关的现象很多，例如在敦煌的鸣沙丘上，当许多游客在沙丘上蹦跳或从鸣沙丘上往下滑时，可以听到雷鸣般的隆隆声。产生这个现象的原因是无数干燥的沙子（SiO2晶体）在振动压力下，表面产生电荷 ，在某些时刻，恰好形成电压串联，产生很高的电压，并通过空气放电而发出声音。 在电子打火机中，多片串联的压电材料受到敲击，产生很高的电压，通过尖端放电，而点燃。 与此相反，在音乐贺卡中是利用集成电路的输出脉冲电压，来激励压电片，利用逆压电效应产生振动而发声的。 2018/12/7

清代诗人苏履吉赞颂鸣沙的“雷送余音声袅袅，风生细响语喁喁”。——鸣沙山上的逆压电效应

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。

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。

（一）石英晶体 天然形成的石英晶体外形

天然形成的石英晶体外形（续）

石英晶体切片及封装 石英晶体薄片 双面镀银并封装

石英晶体振荡器（晶振） 晶振 石英晶体在振荡电路中工作时，压电效应与逆压电效应交替作用，从而产生稳定的振荡输出频率。

（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，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）。

压电陶瓷外形

无铅压电陶瓷及其换能器外形 （上海硅酸盐研究所研制） 无铅压电陶瓷及其换能器外形 （上海硅酸盐研究所研制）

高分子压电薄膜及拉制

（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。

高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆

可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板

压电式脚踏报警器

高分子压电薄膜制作的压电喇叭 （逆压电效应）

第二节 压电传感器的测量转换电路 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： 第二节 压电传感器的测量转换电路 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： 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。

便携式测振仪外形 1－量程选择开关SC 2－压电传感器输入信号插座 3－多路选择开关 4－带宽选择开关SR 5－带背光点阵液晶显示器 6－电池盒 7－可变角度支架

显示波形的演示（振动的时域/频域图形） （东方研究所资料） 不同频率的正弦波频谱变化 2018/12/7

想 一 想 在图6-4中，开关“ON”和“R”分别是什么功能？从开关3的档位可知，该便携式测振仪可以切换几路信号？在室外使用时，应使用什么电源？在室内使用时，应改用什么电源？ 所显示的基波频率是多少？ 2018/12/7

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 焊接式 电荷放大器

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

其他电荷放大器外形 面板式电荷放大器

多通道电荷放大器外形

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 粘贴位置 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

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1020mm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。 质量块

动态频率必须高于100Hz，但在30kHz以上时，灵敏度急剧下降。 小 贴 士 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，因此压电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，所以压电传感器只适用于动态测量。 动态频率必须高于100Hz，但在30kHz以上时，灵敏度急剧下降。

2．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。

3.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、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。

高分子压电电缆的应用演示

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。

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 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 一体化车刀动态力测量

压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用 压电传感器测量双腿跳的动态力 压电式步态分析跑台 压电式纵跳 训练分析装置

第四节 振动的测量 知识沙龙 物体围绕平衡位置作往复运动称为振动。 第四节 振动的测量 知识沙龙 物体围绕平衡位置作往复运动称为振动。 从振动对象来分，有机械振动（例如机床、电机、泵、风机等运行时的振动）；土木结构振动（房屋、桥梁等的振动）；运输工具振动（汽车、飞机等的振动）以及武器、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。 频率是分析振动的最重要内容之一。振动物体偏离平衡位置的最大距离称为振幅，用x表示，单位为mm；振动的速度用v表示，单位为m/s；加速度用a表示，单位为m/s2或g。

地震的巨大威力

地震波形

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。下面介绍压电式测振传感器及其应用。

三、压电式振动加速度传感器的 结构及外形 横向振动测振器 纵向振动测振器

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：M5 mm 线性：≤1%

知识沙龙 如何选择压电传感器 灵敏度低的传感器可用于动态范围很宽的振动测量，例如打桩机的冲击振动、汽车的撞击试验、炸弹的贯穿延时引爆等。而高灵敏度的压电传感器可用于测量微弱的振动。例如用于寻找地下管道的泄漏点（水管漏水处可发出几千赫的特殊振动），或测量桥梁、楼房、桩基的受激振动以及分析精密机床床身的振动以提高加工精度等。 2018/12/7

a)双头螺丝固定 b)磁铁吸附 c)胶水粘结 d)手持探针式 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 1—压电式加速度传感器 2—双头螺栓 3—磁钢 4—粘接剂 5—顶针

五、压电加速度传感器的使用 （续） 手持式测振仪

五、压电加速度传感器的使用 （续）

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