第六章压电式传感器.doc

教师授课方案 （首页）授课班级09D电气1、电气2授课日期课节2课堂类型讲授课题第六章压电传感器 第一节压电式传感器的工作原理 第二节压电式传感器的测量转换电路 第三节压电式传感器的应用 第四节压力和流量的测量教学目的与要求【知识目标】1、了解压电效应以及压电材料的分类、用途；2、掌握压电传感器的测量原理以及电荷放大器的使用；3、学习压电传感器的应用，重点掌握压电测振的方法及压电测振传感器的使用；4、掌握频谱图的读识以及利用频谱图分析故障；【能力目标 】培养学生实际工程分析、工程计算的能力。【职业目标 】通过对实际仪器的认识、使用培养学生爱岗敬业的情感目标。重点难点重点：1、压电测振的方法及压电测振传感器的使用2、频谱图的读识以及利用频谱图故障分析难点：频谱图的读识以及利用频谱图故障分析教具教学辅助活动教具：多媒体课件、习题册教学辅助活动：提问、学生讨论一节教学过程安排复习1、 简述电容传感器的类型、差动传感器原理2、 简述调频式测量转换电路的工作过程3、 简述电容传感器的应用以及电容接近开关与电涡流接近开关的适用范围分钟讲课1、压电效应以及压电材料的分类、用途；2、压电传感器的测量原理以及电荷放大器的使用；3、压电传感器的应用，会对测量波形进行汽车监测分析、压电测振的方法及压电测振传感器的使用；4、频谱图的读识以及利用频谱图分析故障；78分钟小结小结见课件内页利用10分钟时间与学生互动答疑10分钟作业习题册 第六章 压电传感器习题2分钟任课教师：叶睿 2011年1月26日审查教师签字： 年 月 日教案附页【复习提问】 上节课知识点：1、 简述电容传感器的类型、差动传感器原理2、 简述调频式测量转换电路的工作过程3、简述电容传感器的应用以及电容接近开关与电涡流接近开关的适用范围第六章 压电式传感器第一节 压电式传感器的工作原理【本节内容设计】通过实物展示、课件演示与教师讲授压电效应以及压电材料的分类、特性、用途为后续知识打基础。【授课内容】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。在电介质的极化方向上施加交变电场或电压，它会产生机械振动。当去掉外加电场时，电介质变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。例如，音乐贺卡中的压电片就是利用逆压电效应而发声的。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。 自然界中与压电效应有关的现象很多。举例：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，产生闪光的机理也是晶体的压电效应。又例：在敦煌的鸣沙丘，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）在重压引起振动，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。再例：在电子打火机中，多片串连的压电材料受到敲击，产生很高的电压，通过尖端放电，而点燃火焰。二、压电材料的分类及特性 压电式传感器中的压电元件材料主要有三类：压电晶体（单晶体）、经过极化处理的压电陶瓷（多晶体）、高分子压电材料。 1石英晶体石英晶体：突出优点是性能非常稳定。在20200的范围内压电常数的变化率只有- 0.0001/。不足之处：压电常数较小（d=2.3110-12C/N）。因此石英晶体大多只在标准传感器、高精度传感器或使用温度较高的传感器中使用，而在一般要求的测量中，基本上采用压电陶瓷。 2压电陶瓷比石英晶体的压电系数高得多，而制造成本却较低，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主要有以下几种：（1）锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT） 有较高的压电常数d（200500）10-12C/N和居里点（500左右），是目前经常采用的一种压电材料。（2）非铅系压电陶瓷 为减少铅对环境的污染，人们正积极研制非铅系压电陶瓷。目前非铅系压电铁电陶瓷体系主要有：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和钛酸铋锶钙无铅压电陶瓷等，它们的各项性能多已超过含铅系列压电陶瓷，是今后压电铁电陶瓷的发展方向。3高分子压电材料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。其中以PVF2和PVDF的压电常数最高。高分子压电材料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。经极化处理后就显现出电压特性。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，因此价格便宜。它的声阻抗约为0.02MPa/s，与空气的声阻抗有较好的匹配，可以制成特大口径的壁挂式低音扬声器。高分子压电材料的工作温度一般低于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。新型材料：现在还开发出一种压电陶瓷-高聚物复合材料，它是无机压电陶瓷和有机高分子树脂构成的压电复合材料，兼备无机和有机压电材料的性能。可以根据需要，综合二相材料的优点，制作性能更好的换能器和传感器。它的接收灵敏度很高，更适合于制作水声换能器。第二节 压电式传感器的测量转换电路【本节内容设计】通过课件与教师讲授压电传感器的测量原理以及电荷放大器的使用，为实际检测和测量做知识与技能的储备。【授课内容】一、压电元件的等效电路：电荷放大器因为压电传感器的内阻抗极高，因此需要与高输入阻抗的前置放大器配合。如果使用电压放大器，则到电压放大器输入端得到的电压u i=Q/（Ca+Cc+Ci），导致电压放大器的输出电压与屏蔽电缆线的分布电容Cc及放大器的输入电容Ci有关，它们均是不稳定的，会影响测量结果，故压电传感器的测量电路多采用性能稳定的电荷放大器（即：电荷/电压转换器），电荷放大器如图所示。电荷放大器a）电路 b）外形1压电传感器 2屏蔽电缆线 3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 CfCf 在放大器输入端的密勒等效电容 CfCf在放大器输出端的密勒等效电容二、 电荷放大器特点：输出电压与输入电荷量成正比的宽带电荷/电压转换器，用于测量振动、冲击、压力等机械量，输入可配接长电缆而不影响测量精度。电荷放大器的频带宽度可达0.001Hz100kHz，灵敏度可达，1/ms2，输出可达10V或100mA，谐波失真度小于1%，折合至输入端的噪声小于10V。电荷放大器的输出电压可由下式得到 式中 Q压电传感器产生的电荷； Cf 并联在放大器输入端和输出端之间的反馈电容。结论： 电荷放大器的输出电压U0只取决于输入电荷Q和反馈电容Cf，输出电压与电缆电容Cc无关，与Q成正比，与电容Cf成反比，这是电荷放大器的突出优点。考虑不同量程因素Cf的容量做成可以选择的电容，一般为100104pF。 缺点是电路复杂，价格昂贵，使用电荷放大器，电缆长度变化影响可忽略，并且允许使用长电缆工作。三、应变片的连接串联：按 + 与+连接，- 与- 连接时电路并联 ，电荷增加一倍适用于电荷放大器并联：按 + - - + 连接时电路串联电压增加一倍适用于电压放大器Cf的选择：当被测振动较小时，电荷放大器的反馈电容应取得小一些，可以取得较大的输出电压。电荷放大器的低频下限fL主要由电荷放大器的Rf与Cf的乘积决定，即 可根据被测信号的频率下限，用开关SR切换不同的Rf ，来获得不同的带宽。第三节 压电传感器的结构和应用压电传感器主要用于脉动力、冲击力、振动等动态参数的测量。【本节内容设计】通过课件与教师讲授压电式传感器的结构及应用【授课内容】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。2、血压、心音、脉搏测试仪 话筒中，压电膜以一定的支撑形式保持膜内一定张力。在外来声压作用下，膜面的曲率发生变化，使膜内应力改变，产生相应的压电信号。3压电式周界报警系统：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。4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、轮距、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。将两根高分子压电电缆相距若干米，平行埋设于柏油公路的路面下约5cm，可以用来测量车速及汽车的载重量，并根据存储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。二、压电陶瓷的应用车床动态切削力的测量1、压电动态力传感器： 被测力通过传力上盖使并联的压电晶片在沿轴方向受压力作用产生电荷。通过电极引出插头讲电荷输出。电荷Q与所受动态力成正比。2、单向动态力传感器的应用： 压电动态力传感器安装在车刀前端的正下方，车刀在切削力的作用下，上下剧烈颤动，将脉动力传递给单相动态力传感器，电荷变化量由电荷放大器转换成电压，记录仪记录下切削力的变化量。1单向动态力传感器 2刀架 3车刀 4工件第四节 振动测量及频谱分析【本节内容设计】通过课件与教师讲授压电式传感器的振动及频谱分析，会读识频谱图，并用频谱图进行故障分析，为从事检测与测量工作做知识与技能的储备。【授课内容】一、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、土木结构振动、运输工具振动以及武器、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。振动的主要参数：频率f，单位为Hz，振幅x，单位为mm；振动的速度v，单位为m/s；加速度a，单位为m/s2。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。接触式中又有磁电式、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。三、压电式振动加速度传感器的结构常用压电式振动加速度传感器与被测振动加速度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，由此将振动加速度转换成电参量。四、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属于自发电型传感器，它的输出为电荷量，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/（m/s2）为单位。用标准重力加速度g作为加速度的单位：这是检测行业的一种习惯用法。大多数测量振动的仪器都用g作为加速度单位，并在仪器的面板上以及说明书中标出，灵敏度的范围约为10100pC/g。许多压电加速度传感器的灵敏度单位为mV/g，通常为101000mV/g。高灵敏度的压电传感器可用于测量微弱的振动。低灵敏度的压电传感器可用于测量剧烈的振动。（2）频率范围 常见的压电加速度传感器的频率范围为0.01Hz20kHz。（3）动态范围 常用的测量范围为0.1100g，或1000m/s2。测量冲击振动时应选用10010000g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0.00110g的高灵敏度的低频加速度传感器。便携式测振仪外形如图所示。便携式测振仪外形1量程选择开关 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 5带背光点阵液晶显示器 6电池盒 7可变角度支架五、压电加速度传感器的安装及使用（见课件）具体使用时，有如下连接方法： 长期监测振动机械采用双头螺栓牢固地固定在监视点上如图a 短时间监测低频微弱振动时，可将磁铁将钢质传感器底座吸附在监测量上如图b 测量更微弱的振动时，用环氧树脂或瞬干胶将传感器牢牢地胶于监测点上如图c，注意传感器底座与被测体之间的胶层越薄越好。 许多测试点进行定期巡检时，可采用手持探针式。使用时，用手握住探针，紧紧抵触在监测点上如图d。此方法简便，但误差较大。六、压电振动加速度传感器在汽车的应用（见课件）加速度传感器除了可以用于判断汽车的碰撞，使安全气囊迅速充气，从而挽救生命；还可安装在气缸的侧壁上，尽量使点火时刻接近爆震区而不发生爆震，但又能使发动机输出尽可能大的扭矩。 汽车点火： 汽车发动机的汽缸点火时刻必须十分精确，恰当将点火时间（适当的提前角），可使汽缸中汽油与空气的混合气体得到充分燃烧，使转矩增大，排污减少。爆震： 但提前角太大时，混合气体产生自燃，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并控制之。测量及控制过程： 将压电振动传感器旋在汽缸体的侧壁上 。发生爆震时，传感器产品共振，输出尖脉冲（5KHz）信号给汽车电控单元（ECU），推迟点火时刻，尽量使点火时刻接近爆震区又不爆震，使发动机输出尽可能大的扭矩。七、振动的频谱分析（1）时域图形 纵坐标为输入信号，横坐标为时间轴，称为时域图。（2）频域图形 如果将时域图经过快速傅里叶变换（FFT），就能在计算机显示器上显示出另一种坐标图，它的横坐标为频率f，纵坐标可以是加速度，也可以是振幅或功率等。它反映了在频率范围之内，对应于每一个频率的振动分量的大小，这样的图形称为频谱图或频域图。专门用于测量和显示频谱图的仪器称为频谱仪。图 空调压缩机在720r/min带负载时的频谱图（3）依靠频谱分析法进行故障诊断 从频谱仪得到的频域图（又称频谱图，见图b）中可以清楚地看到，活塞的振动是由5Hz和10Hz等多个振动分量合成的。10Hz的幅值大约是5Hz幅值的一半。图 手扶拖拉机发动机活塞振动的时域图形和频谱图a）时域图 b）频域图举例：从图a时域图很难分析，图