1、2021-11-201三、相關技能三、相關技能（一）壓電傳感器基本結構和應用特點（一）壓電傳感器基本結構和應用特點（1）基座和外殼）基座和外殼（2）壓電元件）壓電元件 （3）敏感元件）敏感元件 （4）預載件）預載件 （5）引線及接插件用以與外接電纜連接。）引線及接插件用以與外接電纜連接。（請同學們自主學習本內容）2021-11-202 目前壓電式傳感器應用最多的仍是目前壓電式傳感器應用最多的仍是測力測力，尤其是，尤其是對沖擊、振動加速度的測量。迄今在眾多型式的測振對沖擊、振動加速度的測量。迄今在眾多型式的測振傳感器中，傳感器中，壓電加速度傳感器占壓電加速度傳感器占80%以上以上。基于逆壓電效應

2、的基于逆壓電效應的超聲波發生器超聲波發生器(換能器換能器)是超聲檢測是超聲檢測技術及儀器的關鍵器件。此外，逆壓電效應還可作力技術及儀器的關鍵器件。此外，逆壓電效應還可作力和運動和運動(位移、速度、加速度位移、速度、加速度 )發生器發生器壓電驅動器。壓電驅動器。利用壓電陶瓷的逆壓電效應來實現微位移，可不必利用壓電陶瓷的逆壓電效應來實現微位移，可不必像傳統的傳動系統那樣，須通過機械傳動機構把轉動像傳統的傳動系統那樣，須通過機械傳動機構把轉動變為直線運動，從而避免了機構造成的誤差；而且具變為直線運動，從而避免了機構造成的誤差；而且具有位移分辯力極高有位移分辯力極高(可達可達10-3m級級)，結構簡單

3、，尺寸，結構簡單，尺寸小，發熱少，無雜散磁場和便于遙控等特點。小，發熱少，無雜散磁場和便于遙控等特點。 2021-11-203 由于外力作用在壓電元件上產生的電荷只有由于外力作用在壓電元件上產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，這實際上是不可能的，因有無限大的輸入阻抗，這實際上是不可能的，因此壓電式傳感器此壓電式傳感器不能用于靜態測量不能用于靜態測量。壓電元件在。壓電元件在交變力的作用下，電荷可以不斷補充，可以供給交變力的作用下，電荷可以不斷補充，可以供給測量回路以一定的電流，故只適用于動態測量測量回路以一定的電流

4、，故只適用于動態測量（一般必須高于（一般必須高于100Hz100Hz，但在，但在50kHz50kHz以上時，靈敏以上時，靈敏度下降）。度下降）。 （二）壓電傳感器的應用（二）壓電傳感器的應用 2021-11-2041 1、壓電式測力傳感器、壓電式測力傳感器2021-11-205壓電式動態力傳感器以及在車床中用于動態切壓電式動態力傳感器以及在車床中用于動態切削力的測量削力的測量 2021-11-2062021-11-2072021-11-208壓電式動態力傳感器在體育動態測量中的應用壓電式動態力傳感器在體育動態測量中的應用壓電式步態壓電式步態分析跑臺分析跑臺壓電式縱跳壓電式縱跳 訓練分析裝置訓練

5、分析裝置壓電傳感器測量壓電傳感器測量雙腿跳的動態力雙腿跳的動態力2021-11-2092.壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器當膜片受到壓力當膜片受到壓力F作用后，在壓電晶片表面作用后，在壓電晶片表面上產生電荷。在一個壓電片上所產生的電荷上產生電荷。在一個壓電片上所產生的電荷q為：為： 應用范圍：壓電式壓力傳感器體積小，結構簡單，工應用范圍：壓電式壓力傳感器體積小，結構簡單，工作可靠；測量范圍寬，可測作可靠；測量范圍寬，可測100MPa以下的壓力；測以下的壓力；測量精度較高；頻率響應高，可達量精度較高；頻率響應高，可達30kHz，是，是動態壓力動態壓力檢測中常用的傳感器檢測中常用的傳感器，但由于壓

6、電元件存在電荷泄漏，但由于壓電元件存在電荷泄漏，故不適宜測量緩慢變化的壓力和靜態壓力。故不適宜測量緩慢變化的壓力和靜態壓力。2021-11-20102021-11-20113.3.壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器2021-11-2012橫向振動橫向振動測振器測振器縱向振動縱向振動測振器測振器壓電式加速度傳壓電式加速度傳感器結構外形感器結構外形2021-11-2013壓電振動加速度傳感器的性能指標壓電振動加速度傳感器的性能指標（以某小型（以某小型“內裝內裝ICIC的壓電加速度傳感器的壓電加速度傳感器”為例）為例） 技術指標：技術指標：靈敏度：靈敏度：500mV/g 量程：量程：10g 頻率范

7、圍：頻率范圍：4-4000Hz安裝諧振點安裝諧振點: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%2021-11-20142021-11-2015 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會發出的振動，并時會發出的振動，并將電壓信號傳送給集將電壓信號傳送給集中報警系統。中報警系統。 粘貼粘貼位置位置高分子材料一般做定性的測量高分子材料一般做定性的測量4. 壓電式玻璃破碎報警裝置壓電式玻璃破碎報警裝置2021-11-2016高分子壓電材料制作的玻璃打碎傳感器高分子

8、壓電材料制作的玻璃打碎傳感器質量塊質量塊 將厚約將厚約0.2mm左右的左右的PVDF薄膜裁制成薄膜裁制成10 20mm大小。在它大小。在它的正反兩面各噴涂透明的二氧化的正反兩面各噴涂透明的二氧化錫導電電極，再用超聲波焊接上錫導電電極，再用超聲波焊接上兩根柔軟的電極引線。并用保護兩根柔軟的電極引線。并用保護膜覆蓋。膜覆蓋。 使用時，用瞬干膠將其粘使用時，用瞬干膠將其粘貼在玻璃上。當玻璃遭暴力打碎貼在玻璃上。當玻璃遭暴力打碎的瞬間，壓電薄膜感受到劇烈振的瞬間，壓電薄膜感受到劇烈振動，表面產生電荷動，表面產生電荷Q ，在兩個，在兩個輸出引腳之間產生窄脈沖報警信輸出引腳之間產生窄脈沖報警信號。號。20

9、21-11-20172021-11-2018本報警器感應片很小而且透明，不易察覺，所本報警器感應片很小而且透明，不易察覺，所以安裝在貴重物品柜臺、展覽櫥窗、博物館及以安裝在貴重物品柜臺、展覽櫥窗、博物館及家庭等玻璃窗角落。家庭等玻璃窗角落。2021-11-20195.5.交通監測交通監測 將高分子壓電電纜埋在公路上，可以獲取車型分類信息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、軸距、輪距、單雙輪胎）、車速監測、收費站地（包括軸數、軸距、輪距、單雙輪胎）、車速監測、收費站地磅、闖紅燈拍照、停車區域監控、交通數據信息采集（道路監磅、闖紅燈拍照、停車區域監控、交通數據信息采集（道路

10、監控）及機場滑行道等。控）及機場滑行道等。2021-11-2020高分子壓電高分子壓電電纜的應用電纜的應用演示演示 將兩根高分子壓電電纜相距將兩根高分子壓電電纜相距若干米若干米，平行埋設于柏油公路，平行埋設于柏油公路的路面下約的路面下約5cm，可以用來測量車速及汽車的載重量，并根據，可以用來測量車速及汽車的載重量，并根據存儲在計算機內部的檔案數據，判定汽車的車型。存儲在計算機內部的檔案數據，判定汽車的車型。 2021-11-2021其他應用：壓電式周界報警系統其他應用：壓電式周界報警系統（用于重要位置出入口、周界安全防護等）（用于重要位置出入口、周界安全防護等） 將長的壓電電纜埋在將長的壓電電

11、纜埋在泥土的淺表層，可起分布泥土的淺表層，可起分布式地下麥克風或聽音器的式地下麥克風或聽音器的作用，可在幾十米范圍內作用，可在幾十米范圍內探測人的步行探測人的步行, 對輪式或履對輪式或履帶式車輛也可以通過信號帶式車輛也可以通過信號處理系統分辨出來。右圖處理系統分辨出來。右圖為測量系統的輸出波形。為測量系統的輸出波形。2021-11-20222021-11-20232021-11-20242021-11-2025（三）影響壓電式傳感器工作的主要因素（三）影響壓電式傳感器工作的主要因素1. 橫向靈敏度橫向靈敏度2. 環境溫度和濕度環境溫度和濕度3. 安裝差異及基座應變安裝差異及基座應變4. 噪聲等

12、噪聲等思考：思考：如何動手設計聲振如何動手設計聲振動傳感器的電子狗。動傳感器的電子狗。2021-11-2026請你做一做請你做一做如圖是振動式粘度計的原理示意圖。導磁的懸臂梁如圖是振動式粘度計的原理示意圖。導磁的懸臂梁 6 與鐵心與鐵心 3 組成激振器。壓電片組成激振器。壓電片 4 粘貼于懸臂梁上，振粘貼于懸臂梁上，振動板動板 7 固定在懸臂梁的下端，并插入到被測粘度的粘固定在懸臂梁的下端，并插入到被測粘度的粘性液體中。請分析該粘度計的工作原理性液體中。請分析該粘度計的工作原理 1.交流勵磁電源交流勵磁電源2.勵磁線圈勵磁線圈3.電磁鐵心電磁鐵心4.壓電片壓電片5.質量塊質量塊6.懸臂梁懸臂梁

13、7.振動板振動板8.粘性液體粘性液體9.容器容器2021-11-2027 答案：答案： 當勵磁線圈接到當勵磁線圈接到 10Hz 左右的交流激勵源左右的交流激勵源 u i 上上時，電磁鐵心產生時，電磁鐵心產生20Hz （兩倍的激勵頻率）的（兩倍的激勵頻率）的交變交變 振動振動 ，并對，并對 懸臂梁產生交變吸力。由于它懸臂梁產生交變吸力。由于它的上端被固定，所以它將帶動振動板在粘性液體的上端被固定，所以它將帶動振動板在粘性液體里來回振動。里來回振動。 液體的粘性越大，對振動板的阻力就越液體的粘性越大，對振動板的阻力就越大大，振，振動板的振幅就越動板的振幅就越小小，所以它的振動加速度就越，所以它的振

14、動加速度就越小，小，因此質量塊對壓電片所施加的慣性力也就越因此質量塊對壓電片所施加的慣性力也就越小小，壓電片的輸出電荷量壓電片的輸出電荷量Q或電壓或電壓uo也越也越小小，壓電片，壓電片的輸出電壓反映了液體的粘度。的輸出電壓反映了液體的粘度。 2021-11-2028 兩根高分子壓電電纜相距兩根高分子壓電電纜相距2m2m，平行埋設于柏油公，平行埋設于柏油公路的路面下約路的路面下約5cm5cm，如下圖所示。它可以用來測量車，如下圖所示。它可以用來測量車速及汽車的載重量，并根據存儲在計算機內部的檔案速及汽車的載重量，并根據存儲在計算機內部的檔案數據，判定汽車的車型。數據，判定汽車的車型。請你做一做2021-11-20