机、电类 《传感器与检测技术项目教程》 模块七、振动检测 课件 统一书号：ISBN 978-7-111-48817-0 课程配套网站 www 机、电类 《传感器与检测技术项目教程》 模块七、振动检测 课件 统一书号：ISBN 978-7-111-48817-0 课程配套网站 www.sensor-measurement.net 或www.liangsen.net 2015年2月第1版 提示：如果发现本PPT或教材有错误，可以来信与作者讨论。作者的邮箱是：liangsen2@126.com，谢谢。作者，2015年2月 （作者：梁森、黄杭美、王明霄、王侃夫）

本模块介绍“振动” 的基本概念、各种测振传感器、激振的方法、各种激振器，简要介绍频谱图、振动的频谱分析，还介绍了MEMS加速度传感器。 内容简介 本模块介绍“振动” 的基本概念、各种测振传感器、激振的方法、各种激振器，简要介绍频谱图、振动的频谱分析，还介绍了MEMS加速度传感器。 提示：频谱分析比较难哦。 今天是：2019年2月23日星期六

模块七、振动检测（上） 目录 知识链接 振动的基本概念 项目一、测振传感器 项目二、振动的频谱分析与故障诊断 拓展阅读 MEMS加速度传感器 模块七、振动检测（上） 目录 知识链接 振动的基本概念 项目一、测振传感器 项目二、振动的频谱分析与故障诊断 拓展阅读 MEMS加速度传感器 进入 进入 提示：本课件基本上每一重要的页面都有“提问”，主要是用于教师思考与提高，也可以用于提问学生。 进入 現在時間是：09:54

知识链接 振动的基本概念 物体围绕平衡位置作往复运动称为振动。 知识链接 振动的基本概念 物体围绕平衡位置作往复运动称为振动。 振动分类：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）以及地震、武器、爆炸引起的冲击振动。 提问：可以利用振动的原理来干什么有益的事情？

一、振动的分类 振动的类型：自由振动、受迫振动、自激振动、简谐振动、周期振动、瞬态振动、随机振动、单自由度系统振动、 多自由度系统振动、线性振动、非线性振动、低频振动、中频振动、高频振动等。 提问：最右上角纯正弦波的振动是简谐振动吗？

表7-1 机械振动的分类与特征 分 类 名 称 特 征 按振动产生 的原因分类 自由振动 表7-1 机械振动的分类与特征 分 类 名 称 特 征 按振动产生 的原因分类 自由振动 是系统受短暂的初始干扰或外部激振后，系统本身由弹性恢复力和惯性力所维持的振动。当系统存在阻尼时，其振动幅度将逐渐衰减 受迫振动 由外界持续干扰引起和维持的振动，系统的振动频率为激振频率 自激振动 是在一定条件下，没有外部激振力而仅由系统本身产生的交变力激发和维持的一种稳定的周期性振动，其振动频率接近于系统的固有频率 按振动的规 律分类 简谐振动 振动量为时间的正弦或余弦函数，是最基本的机械振动形式，其他复杂的振动都可以看成多个简谐振动的合成 周期振动 振动量为时间的周期性函数，可展开为一系列简谐振动 瞬态振动 振动量为时间的非周期函数，一般在较短(几个周期)的时间内存在，是可用各种脉冲函数或衰减函数描述的振动 提问：用榔头敲一下被测振动体，引起的被测振动体振动是什么振动？

表7-1 机械振动的分类与特征（续） 分 类 名 称 特 征 按系统 的自由度分类 单自由度系统振动 用一个独立变量就能表示的系统振动 表7-1 机械振动的分类与特征（续） 分 类 名 称 特 征 按系统 的自由度分类 单自由度系统振动 用一个独立变量就能表示的系统振动 多自由度系统振动 须用多个独立变量表示的系统振动 结构 参数的特性分类 线性振动 可以用常系数线性微分方程来描述，系统的惯性力、阻尼力和弹性力分别与振动加速度、速度和位移成正比 非线性振动 须用非线性微分方程来描述，微分方程中出现非线性项 按振动的 频率分类 低频振动 f ≤10Hz的振动，旋转机件的不平衡、机械变形等与位移成正比，主要利用位移传感器来测量 中频振动 10Hz＜f≤1000Hz的振动，振动噪声与速度成正比，主要利用速度传感器来测量 高频振动 f ＞1000Hz的振动，振动冲击力及人体感觉与加速度成正比，主要利用加速度传感器来测量 提问：地震是高频振动还是低频振动？

二、振动的描述与计算 振动的基本参数：振动频率、位移、速度、加速度、初相角来描述。振动频率 f 指物体每秒振动循环的次数，单位是赫兹（Hz）。振动角频率ω的单位为弧度/秒（rad/s）。振动频率f的倒数称振动周期，用T表示，T＝1/f，单位是秒(s) 。 振幅：物体离开平衡位置的最大位移的绝对值，用xm表示，单位是m、mm或μm。 峰峰值（xpp）：整个振动历程的正峰与负峰之间的差值。 单峰值（xp）：正峰或负峰的最大值； 有效值（xrms）:振幅的均方根值。 简谐振动时，单峰值等于峰峰值的1/2； 有效值（xap或x ） 等于单峰值的0.707； 平均值等于单峰值的0.637。 提问：1.频率f与角频率ω之间是什么关系？ 2.什么情况下，振幅等于峰峰值的一半？ 3.纯220V正弦波的有效值为多少伏？平均值为多少伏？峰值为多少伏？

1．简谐振动位移、速度、加速度的换算 将简谐振动的位移对时间 t 求导，可得振动速度；将速度对时间t求导（或对位移进行二次求导），可得振动加速度。 x=xmcos(ωt+φ) （7-1）v=dxm/dt=-ωxmsin(ωt+φ)=vmcos(ωt+φ+π/2) （7-2）a=d2xm/dt=dv/dt=-ω2xmcos(ωt+φ) =amcos(ωt+φ+π) （7-3） 式中 xm——振幅（m）； ω——振动角频率（rad/s，ω=2πf）； φ——初相角（rad）； vm——速度幅值（m/s，vm=ωxp）； am——加速度幅值（m/s2，am=ω2xp）。 也可将简谐振动的加速度a对时间积分，得到振动的速度v；再将振动速度v对时间积分（或将加速度a对时间双重积分），可得振动的位移x。 提问：1.高频还是低频振动情况下，速度的数值与位移的差距非常大？为什么？ 2.为什么将简谐振动的加速度a对时间积分，可以得到振动的速度v ？

峰值= xm ； 峰峰值 = 2 xm ； 有效值= 0.707 xm（峰值 = 1.414 有效值）； 平均值=0.637 xm。 简谐振动的三个基本参数 峰值= xm ； 峰峰值 = 2 xm ； 有效值= 0.707 xm（峰值 = 1.414 有效值）； 平均值=0.637 xm。 提问：220V正弦波的有效值比平均值大？还是小？

图7-2 简谐振动的位移、速度、加速度变化曲线 图7-2 简谐振动的位移、速度、加速度变化曲线 提问：1.同一个简谐振动的位移、速度、加速度的频率相同吗？ 2.位移、速度、加速度之间的相位关系，谁超前于谁？谁滞后于谁？ 3.超前、滞后分别是多少度？ 例7-1 弹簧振子的简谐振动如图7-3所示，弹簧振子在C、O、B间作无摩擦力、无阻尼的简谐运动。O为平衡位置，C、B分别为负的和正的终止位置。已知B、C的距离为100mm，C→B运动的时间为1s，求：振动的周期T、频率f和振幅x m。

解 振动的周期T 等于弹簧振子从C→O→B→O→C的过程所经历的时间，所以 T=2tC→B=2×1s=2s，f=1/T=1/(2s)=0 解 振动的周期T 等于弹簧振子从C→O→B→O→C的过程所经历的时间，所以 T=2tC→B=2×1s=2s，f=1/T=1/(2s)=0.5Hz 振幅xm等于C→O的距离，或O→B的距离，所以 xm=100mm/2=50mm。 提问：振幅是从负的最大值到正的最大值吗？

2．振动烈度与位移的换算 振动速度的有效值称为振动的烈度。 振动烈度是以人可感觉到的0.071mm/s为起点，到71mm/s，共15个量级，相邻两个烈度量级的比值约为1.6（相差4dB）。 （7-5） 提示：2级地震的能量是l级地震的31.6倍,3级地震的能量则是1级地震的10(1.5+1.5)=1000倍。 7级地震释放的能量是2×10的15次方,8级地震释放的能量是6.3×10的16次方。 8.0级比7.8级地震高0.2级数的差别就相当于地震施放的能量扩大1.96倍

如果旋转机械的转速n=1500r/min，在用速度测振仪测得相同的烈度时，振幅将增大一倍。 例7-2 利用磁电速度传感器测得振动烈度vF=4mm/s，测得旋转机械的转速n=3 000r/min（即3 000rpm），假设旋转机械的振动只有与转速成正比的基频振动，求：旋转机械的振幅峰峰值xpp为多少微米？ 解 该旋转机械每旋转一圈振动一次时的基频 f=n/60=(3000/60)Hz=50Hz 提问：为什么如果旋转机械的转速n=1500r/min，在用速度测振仪测得相同的烈度时，振幅比n=3000r/min时将增大一倍？ 如果旋转机械的转速n=1500r/min，在用速度测振仪测得相同的烈度时，振幅将增大一倍。

三、测振传感器的分类 按照振动检测的目的，测振传感器可分为两大类：一类是测量设备在运行时的振动参量，检测目的是了解被测对象的振动状态、评定振动等级和寻找振源，以及进行监测、识别、诊断和故障预估； 另一类是对设备或部件进行某种激振，使其产生受迫振动，以便测得被测对象的振动力学参量或动态性能，如固有频率、阻尼、阻抗、响应和模态等。 提问：安装在地面，用激光测量桥梁的激光束接触被测振动体，该激光测距传感器属于接触式测振传感器还是非接触式测振传感器？

表7-2 测振传感器的种类及特点 种 类 基本测量原理 测量对象与 测量范围 特 点 压电式 测振传感器 压电效应 振动体的 加速度 表7-2 测振传感器的种类及特点 种 类 基本测量原理 测量对象与 测量范围 特 点 压电式 测振传感器 压电效应 振动体的 加速度 1Hz~50kHz 自发电式，现场不需要电源，上限频率响应高，体积小，不易损坏；标定困难 涡流式测振传感器 电磁感应定律与涡流效应 位移；0~10kHz 非接触式测量，标定和校验比较容易；材料和温度不同时，需要重新标定 磁电式 电磁感应定律 振动体的速度；0.1Hz~1kHz 自发电式，通过微分或积分，可获得简谐振动的加速度值和位移值；线圈易损坏，输出电压的低频率响应应及高频率响应应均不好；用于振动速度检测 MEMS电容式加速度传感器 变极距式电容效应 振动体的加速度 0Hz~10kHz 体积小，集成度高，可同时测量三维振动；可用于汽车、手机、火箭、卫星、钻地炸弹等测振 提问：压电式测振传感器以及 MEMS电容式加速度传感器属于接触式测振传感器还是非测振传感器？

1．绝对式和相对式测振传感器 （1）绝对式测振传感器：将测振传感器外壳固定在振动体待测点上，传感器壳体的振动等于被测物的振动。传感器的主要力学组件是惯性质量块及弹性体。在一定的频率范围内，质量块相对于基座的运动，与位移、速度和加速度成正比。常见的绝对式测振传感器有压电式加速度计、电容式测振传感器等。 （2）相对式测振传感器：将测振传感器壳体固定在不动的支架上（也称固定基准），传感器的敏感元件靠近被测振动体表面，从而感受被测振动体表面的位移。 也可以将传感器中质量很轻的“触杆”与被测振动体接触，触杆与敏感元件形成相对振动。常见的相对式测振传感器有涡流式加速度计及激光式测振传感器等。 提问：涡流式测振传感器属于绝对式测振传感器还是相对式测振传感器？

图7-4 旋转机械的绝对式振动测量与相对式振动测量 图7-4 旋转机械的绝对式振动测量与相对式振动测量 a）绝对式振动测量 b）相对式振动测量 提问：涡流式测振传感器属于a图还是b图？

2．测振系统力学模型 阻尼衰减振动 图7-5 测振系统力学模型 1－振动体基座 2－壳体 3－阻尼器 4－惯性体 5－弹簧 6－标尺 提问：如果用榔头敲一下左图的基座A，为什么质量块的振动属于阻尼衰减振动？ 图7-5 测振系统力学模型 1－振动体基座 2－壳体 3－阻尼器 4－惯性体 5－弹簧 6－标尺

测振系统力学模型 f 提问：什么是阻尼？ f f f f 振幅 弹簧振子的简谐振动

测振系统 力学模型分析 1－振动体基座 2－壳体 3－阻尼器 4－惯性体 5－弹簧 6－标尺 1－振动体基座 2－壳体 3－阻尼器 4－惯性体 5－弹簧 6－标尺 在图7-5所示的测振系统力学模型中，有质量块m、弹簧k、阻尼器c（包括弹性体的内耗及弹性滞后），称为惯性式测振系统。 惯性式测振系统必须紧固在被测振动体A上。当测振系统自身的固有振动频率f0=(1/2π)√(K/m)，远小于被测振动体A的振动频率f，即f0≤5f时，质量块m相对于壳体的振动位移x‘将与被测振动体A的振动位移x成正比，这样的测振传感器称为振幅计。 提问：1.当质量块很重时，测振系统自身的固有振动频率 f 0是很大还是很小？质量块m相对于壳体的振动位移x‘将与被测振动体A的振动位移x成正比吗？

测振系统 力学模型 分析（续） 当f0≈f 、且阻尼c很大时，质量块m的振动位移x’将与被测振动体A的振动速度v成正比，这样的测振传感器称为速度计，如电动式测振仪；当f0≥5f时，质量块将与振动体A一起振动，质量块与被测振动体A所感受到的振动加速度基本一致，这样的测振传感器称为加速度计。 提问：当弹簧很硬时，测振系统自身的固有振动频率 f 0是很大还是很小？质量块将与振动体A一起振动吗？

项目一 测振传感器 現在時間是：09:54 【项目教学目标】 ☞ 知识目标 1）了解压电效应及压电元件。 2）掌握电荷放大器的工作原理。 项目一 测振传感器 現在時間是：09:54 【项目教学目标】 ☞ 知识目标 1）了解压电效应及压电元件。 2）掌握电荷放大器的工作原理。 3）了解涡流式测振传感器的工作原理。 4）了解磁电式测振传感器的工作原理。 ☞ 技能目标 1）掌握压电式测振传感器的应用。 2）掌握振动设备的激振方法。 回目录

任务一 压电式加速度传感器测量振动 一、压电效应 任务一 压电式加速度传感器测量振动 一、压电效应 某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新回到不带电的状态，这种现象称为压电效应。反之，在电介质的极化方向上施加交变电场或电压，它会产生机械变形。去掉外加电场时，电介质变形随之消失，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）。 在晶体的弹性限度内，压电材料受力后，其表面产生的电荷Q与所施加的力Fx成正比，即： Q=d Fx （7-6） 式中 d——压电常数。 提问：1.用力按一下电子打火机，听到弹簧敲击“啪”的一声，点火成功。该电子打火机采用了压电效应？还是逆压电效应？ 2.为什么用力按一下，点火电压就能够达到几万伏呢？

石英晶体的压电效应演示 提问：1.石英晶体能够用于测量人的体重吗？ 2.人站在石英晶体上面上下跳动时，会测得交变电压吗？ 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；当施加静态力时，在初始瞬间，产生与力成正比的电荷，但由于表面漏电，所产生的电荷很快泄漏，并消失。

天然石英晶体外形 提问：为什么有的石英不是透明无色的？

石英晶体的特性 石英（SiO2）是一种具有良好压电特性的压电晶体。其介电常数和压电系数的温度稳定性相当好,在常温范围内这两个参数几乎不随温度变化如下两图。 在20～200℃范围内，温度每升高1℃，压电系数仅减少0.016％。但是当到573℃时，它突然完全失去了压电特性，这就是它的居里点。 提问：1.为什么饭烧熟时电饭煲底下的磁铁就会跳掉？（饭就不会烧焦哈！） 2.你估计大概锅底达到多少℃就会跳掉？（ 99℃/ 100℃/ 103℃/ 110℃/ ） 石英的d11系数相对于20℃的d11温度变化特性 石英在高温下相对介电常数的温度特性

天然石英晶体外形（续） 提问：1.将天然石英晶体敲碎，为什么小碎片还是六棱柱？ 2.冰糖的晶体是怎样的结构？食盐晶粒是几面体？

石英晶体的切片 提问：1.为什么要将石英晶体的切片？ 2.用什么工具来将石英晶体的切片？

石英晶体片及封装 石英晶体薄片 双面镀银并封装 提问：请上网查阅晶体或其他材料表面怎样镀银？

清代诗人苏履吉赞颂鸣沙 “雷送余音声袅袅，风生细响语喁喁” ——鸣沙山上的逆压电效应 鸣沙丘 提问：打开“音乐贺年卡”（或其他体积很小的音乐元件），听到音乐声。该音乐贺年卡采用了压电效应？还是逆压电效应？ 清代诗人苏履吉赞颂鸣沙 “雷送余音声袅袅，风生细响语喁喁” ——鸣沙山上的逆压电效应

交变外力作用在压电元件上，可以产生交变的电荷Q，在上下镀银的表面上产生交变电压。 对压电元件施加交变力，产生交变电荷 交变外力作用在压电元件上，可以产生交变的电荷Q，在上下镀银的表面上产生交变电压。 提问：如果将左图中的压电元件“翻一个个”，产生的电荷与受力的方向是否相反了？ 压电传感器产生的交变电荷的变化频率与交变力的频率相同，等效于交变电荷源。

二、压电材料的分类及特性 压电传感器中的压电元件材料常用的有三类： 一类是：压电晶体（如上述的石英晶体）； 第二类是：经过极化处理的 压电陶瓷； 第三类是：经过极化处理的高分子压电材料。 提问：压电陶瓷是“晶体”吗？

压电材料的 分类 提问：难道压电陶瓷不是“晶体”吗？

（1）石英晶体的特性 石英晶体在20～200℃的范围内压电常数的变化量只有-0.0001/℃。还具有自振频率高、动态响应好、机械强度高、绝缘性能好、迟滞小、重复性好、线性范围宽等优点。 石英晶体的不足之处是压电常数较小： d=2.3110-12C/N。因此石英晶体大多只在标准传感器、高准确度传感器或高温压电传感器中使用，而在一般要求的测量中，基本上采用压电陶瓷。 提问：1.“石英晶体在20～200℃的范围内压电常数的变化量只有-0.0001/℃”，这个变化量是越大越好？还是越小越好？ 2.石英晶体的压电常数d=2.3110-12C/N，这个常数是大好？还是小好？

（2）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)。 提问：1.“锆钛酸铅”是一种酸吗？ 2.为什么老是说铅不好呢？铜、铁就好啦？

压电陶瓷外形 提问：压电陶瓷外表面镀了一层什么东西？用于什么目的？

压电陶瓷（多晶材料）的工作原理 某些陶瓷粉末原料，经1000℃以上高温烧结和机械加工，可以制成圆片或其他需要的形状。烧结而成的压电陶瓷由无数细微的电畴组成。 在无外电场作用时，各个电畴在晶体中杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消了，因此原始的压电陶瓷呈中性,不具有压电性质。 为了使压电陶瓷具有压电效应，必须在高温下，用上千伏高电压施加在上下极板上，进行极化处理，使电畴的方向趋向一致，冷却后就具有压电效应。 提问：1.多晶材料与单晶材料有什么区别？ 2.粉末压制出来的磁铁材料为什么原本没有磁性？要用什么办法使它充磁？

1－镀银上电极 2－压电陶瓷 3－镀银下电极 4－电畴 压电陶瓷的极化处理 a）极化处理前电畴杂乱分布 b）在极化电压下的电畴分布 c）冷却、稳定后的电畴分布 1－镀银上电极 2－压电陶瓷 3－镀银下电极 4－电畴 5－极化高压电源 ↑－细微的电畴极化方向 提问：1.如果极化电压达到10万伏，会产生问题？ 2.压电陶瓷越薄，极化电压就越？为什么？ 3.压电陶瓷极化后，要急剧降温还是逐渐降温到室温？为什么？

压电陶瓷极化的影响因素 极化电场和极化温度越高，促使电畴取向排列的作用越大，极化就越充分。常用压电陶瓷材料的极化温度取320~420℃，极化时间从几分钟到几十分钟。 提问：1.压电陶瓷的极化电压是逐渐升高到到额定数值？还是突然升高到到额定数值？ 2.为什么极化电压需要保持一定的时间，再逐渐降低？

常用的压电陶瓷材料 （1）锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）：是由钛酸铅和锆酸铅组成的固熔体。有较高的压电常数[d＝（200～500）10-12C/N]。在上述材料中加入微量的镧（La）、铌（Nb）或锑（Sb）等，可以得到不同性能的PZT材料。 （2）非铅系压电陶瓷：能减少制造过程中铅对环境的污染。BaTiO3基无铅压电陶瓷、BNT基无铅压电陶瓷、铌酸盐基无铅压电陶瓷、钛酸铋钠钾无铅压电陶瓷、钛酸铋锶钙无铅压电陶瓷和钛酸钡钙压电陶瓷等，它们的多项性能都已超过含铅系列压电陶瓷，是今后压电陶瓷的发展方向。 提问：非铅系压电陶瓷有什么好处？

压电陶瓷与石英晶体的特性比较 提问：1.压电陶瓷与石英晶体比较，灵敏度大约大了多少倍？ 2.使用温度那个高？ 3.漏电流哪个大？

（3）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。 提问：分子量大概要达到多少以上才叫做“高分子材料”？

高分子压电材料简述 特点：柔性，密度低。 可以在几十微米的PVDF压电膜上，两面蒸镀金、银等金属电极，电极厚度约0.1μm，再层压在0.125mm聚酯基片上，并制作两个压接端子，作为信号引脚。 应用：医学测量脉动信号，例如：超声诊断仪、血压计、指脉膊计、心率计。 工业中测量振动；机器人的触觉传感器、加速度传感器等。 军事：水声探测器、边界振动报警、防盗报警系统等。 提问：1.在PVDF压电膜上，两面蒸镀锡、镀铜等金属电极可以吗？ 2.什么叫做“声纳”？

高分子压电材料的种类、加工 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）、尼龙11等，输出脉冲电压可以直接驱动CMOS集成门电路。 将PVDF树脂加热，用辊压机压制成膜或电缆套管。定向拉伸的温度约为120℃，在拉伸薄膜的两面蒸镀金、银等金属电极，电极厚度为0.1μm。 与压电陶瓷类似，必须用高电压进行极化处理。薄膜经极化处理后，分子偶极子就趋向一致的方向，显现出电压特性。极化场强约5kV/mm，极化温度为80~100℃，极化时间为30~60min。 提问：1.“PVDF”中的“D”是什么意思？ 2.用手撕一种很薄的塑料纸（例如一次性筷子），会发现塑料纸带上了静电（例如黏在手上）？这个是什么原因？

高分子压电薄膜及拉制 、切片 提问：1.塑料薄膜是压出来的？还是拉出来的？ 2.怎样在生产过程控制塑料薄膜的厚度呢？

高分子压电材料的特性 不易破碎，具有防水性，可以制成较大面积或较长的成品，因此价格便宜。其测量动态范围可达80dB，频率响应范围可从0.1Hz直至109Hz。 工作温度一般低于100℃。温度升高时，灵敏度将降低。它的机械强度不够高，耐紫外线能力较差，不宜暴晒，以免老化。 提问：压电陶瓷的寿命长还是高分子压电薄膜的寿命长？为什么？

高分子压电材料制作的 压电垫和压电电缆 提问：这个压电电缆踩一下会产生电压吗？会麻电吗？

可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板 提问：这个压电踏脚板踩一下会怎样？可以应用于家门口干什么？

压电式脚踏报警器 提问：讲述一下压电式脚踏报警器怎样用它？

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。 测量系统的输出波形。 提问：1.将长的压电电缆埋在泥土的浅表层，能够分辨是什么位置有突然的压力变化吗？ 2.要怎样分辨东南西北的信号？

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： 提问：1.A电缆的两个信号是前轮两次碾压的信号吗？ 2.“轴数”是怎样反映在信号中的？ （包括轴数、轴距、单双轮胎）、车速监测、收费站出、入口、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 提问：车速怎么看？

压电式动态力传感器在车床中用于动态切削力的测量 提问：能够用此图的原理来测量车刀顶住工件的力量吗？为什么 一体化车刀动态力测量

三、电荷放大器 压电传感器的输出阻抗较大，要求电压放大器具有较大的输入阻抗。又由于压电传感器的输出电压与压电片的极间电容Ca以及传输线的对地分布电容Cc有关，如果接入普通的电压放大电路，将受到很多外界因素（主要是分布电容）的影响。 现在多采用“电荷放大器”来将压电传感器输出的电荷转换为电压，属于Q-U转换器，但并无放大电荷的作用，只是一种习惯叫法。 提问：电荷“放大”后电荷变多了吗？

1．压电元件的等效电路（图7-8 ） a）结构示意图 b）压电元件的符号 c）压电元件的等效电路 1．压电元件的等效电路（图7-8 ） 提问：1.b图的压电元件的符号好像与单片机的“晶振”相同啊？ 2. 镀银上电极与压电晶体以及镀银下电极之间是有空隙的吗？ 3. 镀银上电极与镀银下电极之间的绝缘电阻大概有多大？（ 100kΩ/ 1MΩ/ 10MΩ/ 100MΩ ） 4.镀银上电极与镀银下电极之间的等效电容大概有多大？（1pF/ 1000pF / 0.1pF /1μF ） a）结构示意图 b）压电元件的符号 c）压电元件的等效电路 1－镀银上电极 2－压电晶体 3－镀银下电极

压电传感器与二次仪表连接的等效电路 Ci 、 Ri为放大器的输入电容和输入电阻 提问：1.“传输线等效电容”是怎样形成的？是什么线 ？ 2.“传输线等效电容”大约每米多少pF？ Ci 、 Ri为放大器的输入电容和输入电阻

2．与压电式加速度计相匹配的前置放大器 ——电荷放大器 电荷放大器是一个具有反馈电容Cf 的高增益运算放大器电路。当放大器开环增益A和输入电阻R i、反馈电阻Rf（用于防止放大器的直流饱和）相当大时，放大器的输出电压Uo正比于输入电荷Q，反比于反馈电容Cf，而基本上与Cc 、 Ca 、 Ci无关： （7-9） 提问：与压电式加速度计相匹配的前置放大器与普通的前置放大器有何不同？

Cf´－Cf 在放大器输入端的密勒等效电容 Cf″－Cf在放大器输出端的密勒等效电容 电荷放大器电路（图7-9） 1－压电传感器 2－屏蔽电缆线 3－传输线分布电容 4－电荷放大器 SC－灵敏度选择开关 SR－带宽选择开关 Cf´－Cf 在放大器输入端的密勒等效电容 Cf″－Cf在放大器输出端的密勒等效电容 提问：1.为什么要用“屏蔽电缆线 ”？ 2.屏蔽电缆线越长什么就越大？

电荷放大器两级电路（放大图） 提问：1.为什么大多数屏蔽电缆线 是黑色的？ 2.上图的最左侧的元件是什么？

电荷放大器的四级电路框图 有源巴特沃斯 低通滤波器 提问：1.图右侧的“同相放大”与“反相放大”分别是什么意思？ 2.上图中间的“低通滤波器”是什么意思？

压电传感器与电荷放大器及 后续仪表的连接 上图中间的“对地分布电容”是什么引起的？

3．反馈电容和反馈电阻的选取 当被测振动较小时，电荷放大器的反馈电容C f应取得小一些，可以获得较大的输出电压。 电荷放大器的高频截止频率主要由运算放大器的电压上升率和电缆引线电容决定。下限频率fL由Rf与Cf的乘积决定。当被测电荷信号的频率下降到fL时，电荷放大器的输出电压降低到中频时的1/√2，此时的下限频率fL=1/(2πR fC f)。 提问：1.反馈电容越大，就怎样？反馈电阻越大，就怎样？ 2.下限频率会影响什么？ 读者可以上网查阅反馈电阻的有关数据。

电荷放大器的频率特性 | 1/Cf | . 提问：下图中的横坐标怎样不均匀啊？ 2.下图中的曲线上升段与下降段怎样对应啊？

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3Hz，但在30kHz以上时，灵敏度下降）。 提问：什么叫做“动态测量？

例7-3 某压电元件用于测量振动，灵敏度d11=100×10-12C/N，电荷放大器的反馈电容Cf=1000pF，Rf=100MΩ，测得图7-9中A1的输出电压Uo=0.2V，求： 1）压电元件的输出电荷量Q的有效值为多少皮库伦？ 2）被测振动力F的有效值为多少牛顿？ 3）电荷放大器的灵敏度K为多少mV/pC？ 4）电荷放大器的下限截止频率为多少赫？ 解 1）压电元件的输出电荷量Q的有效值 Q=CfUo=(1000×10-12×0.2)C=200pC 2）被测振动力F的有效值 3）电荷放大器的灵敏度 4）电荷放大器的下限截止频率 提问：难道压电元件的输出电荷量Q不可以是平均值吗？

四通道电荷放大器外形 . 提问：1.为什么面板上有这么多”黑点“？是开关？还是LED？ 2.从图的下方往上倒数第二排的四个旋钮能够调节什么？

某电荷放大器的前后面板 提问：1.“下限频率”越怎样，就能更好地测量低频振动？ 2.“上限频率”越怎样，就能更好地测量高频振动？

典型电荷放大器指标 灵 敏 度：0.1～1000mV/pC可调； 频率范围：0.3～100kHz；  准 确 度：1%； 最大输出：±10V或10mA； 电    源：220V/50Hz；    控制方式： 计算机、遥控或手动。 提问：1.“pC”是什么？ 2.为什么需要把噪声折合至输入端？

超小型电荷放大器模块 主要性能指标: 灵 敏 度：1、10、100mV/pC（任选一档） 频率范围：0.3～100KHz（上、下限可选） 归 一 化：电容调整 线性误差：1% 最大输出：±5V或±10V 电    源：±15V 特点：可组成经济的多点测试系统。 提问：什么叫做“归 一 化”？ 焊接式 电荷放大器

其他电荷放大器外形 提问：左图的三个黑色旋钮是分别干什么的？ 面板式电荷放大器

多通道电荷放大器外形 提问：这张8通道的电荷放大器图好像与前面的”四通道“电荷放大器的样子差不多，是否是搭积木了？

四、压电式加速度传感器的结构及应用 1．压电式加速度传感器探头 当压电式加速度传感器与被测振动的机件紧固在一起后，传感器受机械运动的振动加速度作用，压电晶片受到质量块惯性引起的交变力，其方向与振动加速度方向相反，大小由F =ma决定。惯性引起的压力作用在压电晶片上产生电荷。电荷由引出电极输出，将振动加速度转换成电参量。弹簧给压电晶片施加预紧力。预紧力的大小基本不影响输出电荷的大小。若预紧力不够，而加速度又较大时，质量块将与压电晶片敲击碰撞；预紧力也不能太大，否则会引起压电晶片的非线性误差。 提问：1.什么样的东西可以称为“探头”？ 2.弹簧给压电晶片所施加的 “预紧力”是否会产生“预紧力电荷”？为什么？这个有违能量守恒定律啦？

常用的压电式振动加速度传感器 图7-10 常用压电式加速度传感器探头 a）原理图 b）中心压缩式 c）环形剪切式 d）三角剪切型 e）外形 图7-10 常用压电式加速度传感器探头 a）原理图 b）中心压缩式 c）环形剪切式 d）三角剪切型 e）外形 1－基座 2－引出电极 3－压电晶片 4－质量块 5－弹簧 6－壳体 7－固定螺孔 8－夹持环 提问： “中心压缩式”与“环形剪切式”有哪几方面的不同？

1－基座 2－引出电极 3－压电晶片 4－质量块 5－弹簧 6－壳体 7－固定螺孔 8－夹持环 常用的压电式振动加速度传感器（图7-10 ） 提问：请上网查阅 “三角剪切型 ”是什么意思？ 1－基座 2－引出电极 3－压电晶片 4－质量块 5－弹簧 6－壳体 7－固定螺孔 8－夹持环

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 提问：左上图的安装方向好像挺别扭的啊？是干什么用的？

典型压电式振动加速度传感器的特性参数 1 提问：1.“安装螺纹”的“M”是什么意思？ 2.表格的第五列的“谐振频率”是什么意思？与测量上限有什么关系？

压电振动加速度传感器的性能指标 （1）灵敏度K：压电式加速度传感器的输出为电荷量，以pC为单位（1pC=10-12C）。而输入量为加速度，单位为m/s2,所以灵敏度以pC/ms-2为单位,或用重力加速度pC/g。灵敏度的范围约为10～100pC/g。 目前许多压电加速度传感器的输出是电压，所以灵敏度单位也可以为mV/g，通常为10～1000mV/g。 （2）频率范围：常见的压电加速度传感器的频率范围为0.01Hz～20kHz。 提问：怎样选择压电振动加速度传感器灵敏度的高低？

压电振动加速度传感器的性能指标（续） （3）动态范围：常用的测量范围为0.1～100g，或1000m/s2。 测量冲击振动时应选用100～10000g的高频加速度传感器；而测量桥梁、地基等微弱振动往往要选择0.001～10g的高灵敏度低频加速度传感器。 （4）线性度：测量频率范围内，传感器灵敏度在理论上应为常数，即输出信号与被测振动成正比。 实际上传感器只在一定幅值范围保持线性特性，偏离比例常数的范围称为非线性，在规定线性度内可测幅值范围称为线性范围。压电式传感器约有1%左右的非线性误差。 提问：“动态范围”是什么意思？

某小型“内装IC的压电加速度传感器” 性能指标 灵敏度：500mV/g 量程：10g 频率范围：4-4000Hz 安装谐振点:15kHz 分辨力：0.0001g 重量：40g 安装螺纹：M5 线性：≤1% 提问：“安装螺纹：M5”是“内螺纹”？还是“外螺纹”？M5是什么？

2．压电式加速度传感器的组成 图7-11 压电式加速度传感器原理图 图7-11 压电式加速度传感器原理图 将探头测得加速度a进行积分，可以得到简谐振动的速度v；二次积分，可以得到简谐振动的位移x。 提问：如果要测量旋转机械的左右振动，要怎么办？

图7-12 便携压电式加速度仪外形及显示的频谱图 提问：1.该便携压电式加速度仪可以测量几路探头的振动？是同时显示还是不同时显示？ 2.如果将某个探头插入压电传感器输入信号插座中间的这个，那么“多路选择开关”要搬到“数字几”的位置？ 3. 如果想“清零”，使显示器显示一条直线，重新开始显示振动波形，需要按下哪个键？ 4.如果被测振动较小，量程选择开关SC 要置于反馈电容较小的位置？还是较大的位置？ 5.如果被测振动频率较低，带宽选择开关SR要置于反馈电阻较小的位置？还是较大的位置？ 6.如果需要几十天连续监视振动波形，要使用锂电池还是交流220V电源？ 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－带背光的点阵液晶频谱显示器 6－电池盒 7－可变角度支架

【电荷放大器参数填表训练】 便携压电式加速度计面板如图7-12所示，压电探头的灵敏度d11=100×10-12C/N=100pC/N，开关SR置于100MΩ档位，fL=1/(2πR fC f)，请填写下表。 输入 动态力F/N 电荷量Q/pC 开关SC位置 输出电压 Uo/V 下限截止 频率fL/Hz 1 100pF 100 1 000pF 0.01μF 0.1 0.16 10 000 0.016 提问：什么是“100pC/N”？

3．压电式加速度传感器的主要技术特性 （1）灵敏度K ：压电传感器的输出为电荷量，以pC为单位（1pC=10-12C）。而输入量为加速度，单位为m/s2，灵敏度的单位是pC/ms-2。 经常用标准重力加速度g作为加速度的单位。灵敏度的范围约为10～100pC/g。或mV/g，通常为10～1000mV/g。 图7-13 灵敏度低的传感器可用于动态范围很宽的振动测量。而高灵敏度的压电传感器可用于测量微弱的振动。 （2）频率范围：常见的压电加速度传感器的频率范围为0.1Hz～20kHz。 提问：1.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，需要使用高灵敏度的探头还是低灵敏度的探头？ 2.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、分析精密机床床身的振动 等， 需要使用高灵敏度的探头还是低灵敏度的探头？

压电式加速度传感器的主要技术特性（续） （3）动态范围：常用的测量范围为0.1～100g，或1000m/s2。测量冲击振动时应选用100～10000g的高频加速度传感器；而测量桥梁、地基等微弱振动往往要选择0.001～10g的高灵敏度低频加速度传感器。 （4）线性度：测量频率范围内，传感器灵敏度、输出信号与被测振动加速度成正比，约有1%左右的误差。 （5）横向灵敏度：理想的加速度传感器对与该轴垂直的方向振动无反应。横向灵敏度通常用主轴灵敏度的百分比来表示。一般要求横向灵敏度小于3%～5%。 提问：横向灵敏度大好？还是小好？为什么？

4．压电式振动加速度传感器的安装、使用方法 图7-14 压电式振动加速度传感器的安装、使用方法 a）双头螺钉固定法 b）磁铁吸附法 c）胶水粘结法 d）手持探针式法 1－压电式加速度传感器 2－双头螺钉 3－磁铁 4－粘结剂 5－顶针 提问：1.哪一种安装方法的误差最小？为什么？ 2.磁铁吸附法不能用于什么场合？ 3.胶水粘结法不能用于什么场合？ 4.手持探针式法适用于高频振动测量？还是低频振动测量？为什么

压电加速度传感器的使用 手持式测振仪 提问：手持探针式法有什么优点？有什么缺点？

手持式压电加速度传感器听诊器 提问：1.听诊器“听”什么？ 2.如果轴承的一个滚珠直径偏小，估计会听到什么？

5．轴承振动检测 图7-15 压电式加速度 传感器检测轴承振动的 安装示意图 A－轴承的轴向振动加速度传感器 B－轴承的径向振动加速度传感器 图7-15 压电式加速度 传感器检测轴承振动的 安装示意图 A－轴承的轴向振动加速度传感器 B－轴承的径向振动加速度传感器 C－壳体 振动加速 度传感器 提问：如果轴承的内轴转速的10圈/转（10r/s），轴承的滚珠数目如中图。现假设其中的一个滚珠直径偏小，听到“系统不平衡”引起的振动基频是多少Hz？

6．汽车发动机爆震检测 汽车发动机中的气缸点火时刻必须十分精确。如果恰当地将点火时间提前一些，即有一个提前角（例如10度以内），就可使汽缸中汽油与空气的混合气体得到充分燃烧，使扭矩增大，排污减少。但提前角太大时，就会产生冲击波，发出尖锐的金属敲击声，称为爆震，可能使火花塞、活塞环熔化损坏，使缸盖、连杆、曲轴等部件过载、变形。可用压电传感器检测到爆震，并适当延迟之。 提问：1.“发动机点火提前角”是指在活塞达到最高点之前还是之后由电火花塞点火？ 2.柴油发动机有没有这个.“发动机点火提前角”问题？为什么？柴油发动机是怎样点火的？ 爆震波形

爆震测控原理（图7-16 ） a）汽车 爆震传感器 b）爆震波形 c）爆震控制 原理框图 提问：1.“振”与“震”两个字有什么区别？为什么说“爆震”？而不是说“爆振”？ 2.听人说，汽车发动机在爆震的临界状态效率最高，为什么？但是也有什么危险？

爆震测量 压电陶瓷 加速度传感器 提问：汽车爆震传感器安装在汽车的什么地方？

休 息 一 下 拓展阅读网络资料列表网址：http://www.liangsen.net 请总结一下，本模块大致介绍了些什么？ 回目录

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