開封大學PAGEPAGE1項目五壓電傳感器課題：壓電傳感器的原理及應用課時安排：2課次編號：9教材分析難點：振動的測量重點：壓電傳感器的應用教學目的和要求1、了解壓電傳感器的工作原理；2、了解振動的參數；3、掌握壓電測振的原理；采用教學方法和實施步驟：講授、課堂互動、分析教具：各種壓電傳感器各教學環節和內容演示：做以下的實驗：取一只電子打火機的點火頭，讓圓柱形銅質質量快快速撞擊壓電片，觀察壓電片的放電火花。從以上演示，引入第一節的壓電效應。任務一壓電式傳感器的工作原理一、壓電效應：某些電介質在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，內部會產生極化現象，同時在其表面上產生電荷，當外力去掉后，又重新回到不帶電的狀態，這種現象稱為壓電效應（PiezoelectricEffect）。在電介質的極化方向上施加交變電場或電壓，它會產生機械振動。當去掉外加電場時，電介質變形隨之消失，這種現象稱為逆壓電效應（電致伸縮效應）。例如，音樂賀卡中的壓電片就是利用逆壓電效應而發聲的。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，因此壓電式傳感器不能用于靜態測量。壓電元件在交變力的作用下，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。在晶體的彈性限度內，在x軸方向上施加壓力Fx時，在x面上產生的電荷為Q=d11Fx（5-1）式中d11——壓電常數。二、壓電材料的分類及特性壓電式傳感器中的壓電元件材料主要有三類：壓電晶體（單晶體）、經過極化處理的壓電陶瓷（多晶體）、高分子壓電材料。1．石英晶體石英晶體：突出優點是性能非常穩定。在20～200℃的范圍內壓電常數的變化率只有-0.0001/℃。不足之處：壓電常數較小（d=2.3110-12C/N）。因此石英晶體大多只在標準傳感器、高精度傳感器或使用溫度較高的傳感器中使用，而在一般要求的測量中，基本上采用壓電陶瓷。2．壓電陶瓷比石英晶體的壓電系數高得多，而制造成本卻較低，目前國內外生產的壓電元件絕大多數都采用壓電陶瓷。常用的壓電陶瓷材料主要有以下幾種：（1）鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（PZT）有較高的壓電常數[d＝（200～500）10-12C/N]和居里點（500℃左右），是目前經常采用的一種壓電材料。（2）非鉛系壓電陶瓷為減少鉛對環境的污染，人們正積極研制非鉛系壓電陶瓷。目前非鉛系壓電鐵電陶瓷體系主要有：BaTiO3基無鉛壓電陶瓷、BNT基無鉛壓電陶瓷、鈮酸鹽基無鉛壓電陶瓷、鈦酸鉍鈉鉀無鉛壓電陶瓷和鈦酸鉍鍶鈣無鉛壓電陶瓷等，它們的各項性能多已超過含鉛系列壓電陶瓷，是今后壓電鐵電陶瓷的發展方向。3．高分子壓電材料高分子壓電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。其中以PVF2和PVDF的壓電常數最高。高分子壓電材料是一種柔軟的壓電材料?？筛鶕枰瞥杀∧せ螂娎|套管等形狀。經極化處理后就顯現出電壓特性。它不易破碎，具有防水性，可以大量連續拉制，制成較大面積或較長的尺度，因此價格便宜。任務二壓電式傳感器的測量轉換電路一、壓電元件的等效電路電荷放大器當被測振動較小時，壓電式傳感器的輸出信號非常微弱，一般需將電信號放大后才能檢測出來。圖5-4電荷放大器a）電路b）外形1－壓電傳感器2－屏蔽電纜線3－分布電容4－電荷放大器SC－靈敏度選擇開關SR－帶寬選擇開關Cf′－Cf在放大器輸入端的密勒等效電容Cf″－Cf在放大器輸出端的密勒等效電容電荷放大器特點：輸出電壓與輸入電荷量成正比的寬帶電荷/電壓轉換器，用于測量振動、沖擊、壓力等機械量，輸入可配接長電纜而不影響測量精度。電荷放大器的頻帶寬度可達0.001Hz～100kHz，靈敏度可達，1/ms–2，輸出可達±10V或±100mA，諧波失真度小于1%，折合至輸入端的噪聲小于10μV。電荷放大器的輸出電壓可由下式得到（5-4）當被測振動較小時，電荷放大器的反饋電容應取得小一些，可以取得較大的輸出電壓。任務三壓電傳感器的結構和應用壓電傳感器主要用于脈動力、沖擊力、振動等動態參數的測量。一、高分子壓電材料的應用1.玻璃打碎報警裝置2．壓電式周界報警系統3．壓電式動態力傳感器任務四振動測量及頻譜分析一、振動的基本概念物體圍繞平衡位置作往復運動稱為振動。振動分類：機械振動、土木結構振動、運輸工具振動以及武器、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、低頻振動和超低頻振動等。振動的主要參數：頻率f，單位為Hz，振幅x，單位為mm；振動的速度v，單位為m/s；加速度a，單位為m/s2。二、測振傳感器分類測振用的傳感器又稱拾振器。它有接觸式和非接觸式之分。接觸式中又有磁電式、電感式、壓電式等。非接觸式中又有電渦流式、電容式、霍爾式、光電式等。三、壓電式振動加速度傳感器的結構常用壓電式振動加速度傳感器與被測振動加速度的機件緊固在一起后，傳感器受機械運動的振動加速度作用，壓電晶片受到質量塊慣性引起的交變力，其方向與振動加速度方向相反，大小由F=ma決定。慣性引起的壓力作用在壓電晶片上產生電荷。電荷由引出電極輸出，由此將振動加速度轉換成電參量。四、壓電振動加速度傳感器的性能指標（1）靈敏度K壓電式加速度傳感器屬于自發電型傳感器，它的輸出為電荷量，以pC為單位（1pC=10-12C）。而輸入量為加速度，單位為m/s2，所以靈敏度以pC/（m/s2）為單位。用標準重力加速度g作為加速度的單位：這是檢測行業的一種習慣用法。大多數測量振動的儀器都用g作為加速度單位，并在儀器的面板上以及說明書中標出，靈敏度的范圍約為10～100pC/g。許多壓電加速度傳感器的靈敏度單位為mV/g，通常為10～1000mV/g。高靈敏度的壓電傳感器可用于測量微弱的振動。低靈敏度的壓電傳感器可用于測量劇烈的振動。（2）頻率范圍常見的壓電加速度傳感器的頻率范圍為0.01Hz～20kHz。（3）動態范圍常用的測量范圍為0.1～100g，或1000m/s2。測量沖擊振動時應選用100～10000g的高頻加速度傳感器；而測量橋梁、地基等微弱振動往往要選擇0.001～10g的高靈敏度的低頻加速度傳感器。七、振動的頻譜分析（1）時域圖形縱坐標為輸入信號，橫坐標為時間軸，稱為時域圖。（2）頻域圖形如果將時域圖經過快速傅里葉變換（FFT），就能在計算機顯示器上顯示出另一種坐標圖，它的橫坐標為頻率f，縱坐標可以是加速度，也可以是振幅或功率等。它反映了在頻率范圍之內，對應于每一個頻率的振動分量的大小，這樣的圖形稱為頻譜圖或頻域圖。專門用于測量和顯示頻譜圖的儀器稱為頻譜儀。圖5-16空調壓縮機在720r/min帶負載時的頻譜圖（3）依靠頻譜分析法進行故障診斷從頻譜儀得到的頻域圖（又稱頻譜圖，見圖5-17b）中可以清