情境四 设计齿轮箱故障诊断系统讲解

1、2021-6-281 情境四情境四 设计齿轮箱故障诊断系统设计齿轮箱故障诊断系统 任务一任务一 压电传感器压电传感器 在这一章里，要给大家介绍在这一章里，要给大家介绍压电传感器压电传感器的的 基本原理、特性和应用，也集中讲一讲在工基本原理、特性和应用，也集中讲一讲在工 业领域里常会用到的业领域里常会用到的振动测量振动测量。 在测量中，被测动态力和动态压力通过压在测量中，被测动态力和动态压力通过压 电传感器变化转换为电传感器变化转换为电荷量电荷量的变化，再经测的变化，再经测 量转换电路转换为量转换电路转换为输出电压输出电压。压电传感器是。压电传感器是 属于属于自发电型传感器自发电型传感器。 20

2、21-6-283 我们先来看一个实验。在完全黑暗的环境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，发出到冰糖在破碎的一瞬间，发出暗淡的蓝色闪暗淡的蓝色闪 光光，这是强电场放电所产生的闪光，产生闪，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光的机理是晶体的压电效应 小小 实实 验验 第一节第一节 压电传感器的工作原理压电传感器的工作原理 压电式传感器是一种压电式传感器是一种自发电式自发电式传感器。它以传感器。它以 某些电介质的某些电介质的压电效应压电效应为基础，在为基础，在外力外力作用

3、下，作用下， 在电介质表面产生电荷在电介质表面产生电荷，从而实现非电量电测，从而实现非电量电测 的目的。的目的。 压电式传感器主要用途压电式传感器主要用途：压电传感元件是：压电传感元件是力力 敏感元件敏感元件，它可以测量最终能变换为力的那些，它可以测量最终能变换为力的那些 非电物理量，例如非电物理量，例如动态力、动态压力、振动加动态力、动态压力、振动加 速度速度等，但等，但不能用于静态参数（例如重量）的不能用于静态参数（例如重量）的 测量。测量。 一、压电效应一、压电效应 天然结构的石英晶体天然结构的石英晶体呈六角形晶柱呈六角形晶柱，用金刚石，用金刚石 刀具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片受到

4、压刀具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片受到压 力时，力时，晶格产生变形晶格产生变形，表面产生正电荷，表面产生正电荷，电荷电荷Q 与所施加的力与所施加的力F成正比成正比 ，这种现象称为：，这种现象称为： “压电效应压电效应” 还有一些人造的材料也具有压电效应。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若在电介质的极化方向上施加交变电压施加交变电压，它就，它就 会会产生机械变形产生机械变形。当去掉外加电场时，电介质的。当去掉外加电场时，电介质的 变形随之消失，这种现象称为变形随之消失，这种现象称为逆压电效应逆压电效应（电致电致 伸缩效应）。伸缩效应）。 传感器原理与应用传感器原理与

5、应用第五章第五章 如图所示为天然石如图所示为天然石 英晶体，其结构形英晶体，其结构形 状为一个六角形晶状为一个六角形晶 柱，两端为一对称柱，两端为一对称 棱锥。棱锥。 传感器原理与应用传感器原理与应用第五章第五章 在晶体学中，可以把将其用三根互相垂直的轴表示，在晶体学中，可以把将其用三根互相垂直的轴表示， 其中，纵轴其中，纵轴Z Z称为光轴称为光轴，通过六棱线而垂直于光轴的，通过六棱线而垂直于光轴的X X 铀称为电轴铀称为电轴，与，与X-XX-X轴和轴和Z-ZZ-Z轴垂直的轴垂直的Y-YY-Y轴轴 ( (垂直于垂直于 六棱柱体的棱面六棱柱体的棱面) )称为称为机械轴机械轴。 传感器原理与应用传

6、感器原理与应用第五章第五章 如果从石英晶体中切下一个平行六面体并使其如果从石英晶体中切下一个平行六面体并使其 晶面分别平行于晶面分别平行于Z-ZZ-Z、Y-YY-Y、X-XX-X轴线。晶片在轴线。晶片在 正常情况下呈现电性。通常把沿电轴正常情况下呈现电性。通常把沿电轴(X(X轴轴) )方向方向 的作用力产生的压电效应称为的作用力产生的压电效应称为“纵向压电效纵向压电效 应应”，把沿机械轴，把沿机械轴(Y(Y轴轴) )方向的作用力产生的压方向的作用力产生的压 电效应称为电效应称为“横向压电效应横向压电效应”，沿光轴，沿光轴(Z(Z轴轴) )方方 向的作用力不产生压电效应。沿相对两棱加力向的作用力

7、不产生压电效应。沿相对两棱加力 时，则产生时，则产生切向效应切向效应。压电式传感器主要是利。压电式传感器主要是利 用用纵向压电效应纵向压电效应。 传感器原理与应用传感器原理与应用第五章第五章 传感器原理与应用传感器原理与应用第五章第五章 石英晶体石英晶体具有压电效应，是由其内部分子结构决定的。具有压电效应，是由其内部分子结构决定的。 图图- -是一个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧是一个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧 离子，在垂直于离子，在垂直于z z轴的轴的xyxy平面上的投影，等效为一个正平面上的投影，等效为一个正 六边形排列。六边形排列。 图中图中“”代表硅离子代表硅离子SiSi4

8、+ 4+， ， “ “”代代 表氧离子表氧离子OO2- 2-。 。 传感器原理与应用传感器原理与应用第五章第五章 传感器原理与应用传感器原理与应用第五章第五章 当石英晶体未受外力作用时，正、负离子正好分布在正 六边形的顶角上，形成三个互成120夹角的电偶极矩 1、2、3。 如图5-5（a）所示。 因为= qL（q为电荷量，L为 正负电荷之间的距离），此时 正负电荷中心重合，电偶极矩 的矢量和等于零，即 1+2+30 所以晶体表面不产生电荷，呈电中性。 传感器原理与应用传感器原理与应用第五章第五章 传感器原理与应用传感器原理与应用第五章第五章 在y、z方向上的分量为: ( 1+2+3)y = 0

9、 ( 1+2+3)z= 0 当晶体受到沿x方向的压力（ x 0 传感器原理与应用传感器原理与应用第五章第五章 传感器原理与应用传感器原理与应用第五章第五章 当晶体受到沿x方向的拉力（ x 0）作用时，其变化 情况如图5-5（c）所示。电偶极矩 1增大， 2、 3减 小，此时它们在x、y、z三个方向上的分量为 ( 1 +2 +3) x0 ( 1+ 2+ 3)y =0 ( 1 +2 +3)z =0 在x轴的正向出现负电荷，在y、z方向依然不出现电 荷。 传感器原理与应用传感器原理与应用第五章第五章 传感器原理与应用传感器原理与应用第五章第五章 图图5-7 5-7 石英晶体受力方向与电荷极性关系石英

10、晶体受力方向与电荷极性关系 传感器原理与应用传感器原理与应用第五章第五章 当晶片受到当晶片受到x方向的压力作用时，方向的压力作用时，qx只与作用力只与作用力 x成正 成正 比，而与晶片的几何尺寸无关；比，而与晶片的几何尺寸无关； 沿机械轴沿机械轴y方向向晶片施加压力时，产生的电荷是与几方向向晶片施加压力时，产生的电荷是与几 何尺寸有关的；何尺寸有关的； 石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的；石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的； 晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定 存在逆压电效应；存在逆压电效应； 无论是正或逆压电效应，其作用力（或

11、应变）与电荷无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）与电荷 （或电场强度）之间皆呈线性关系。（或电场强度）之间皆呈线性关系。 2021-6-2820 石英晶石英晶 体的压电体的压电 效应演示效应演示 当当力的方向改变力的方向改变时，时，电荷的极性随之改变，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；当输出电压的频率与动态力的频率相同；当动动 态力变为静态力态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而时，电荷将由于表面漏电而 很快泄漏、消失。很快泄漏、消失。 2021-6-2821 自然界中与压电效应有关的现象很多，例如在敦自然界中与压电效应有关的现象很多，例如在敦 煌的煌的鸣沙丘鸣沙丘上

12、，当许多游客在沙丘上蹦跳或从鸣沙上，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（个现象的原因是无数干燥的沙子（SiO2晶体）在振晶体）在振 动压力下，表面产生电荷动压力下，表面产生电荷 ，在某些时刻，恰好形成，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电压串联，产生很高的电压，并通过空气放电而发 出声音。出声音。 在在电子打火机电子打火机中，多片串联的压电材料受到敲击，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。产生很高的电压，通过尖端

13、放电，而点燃。 与此相反，在与此相反，在音乐贺卡音乐贺卡中是利用集成电路的输出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。动而发声的。 小小 知识知识 清代诗人苏履吉赞颂鸣沙的清代诗人苏履吉赞颂鸣沙的“雷送余音声袅袅，风雷送余音声袅袅，风 生细响语喁喁生细响语喁喁”。鸣沙山上的逆压电效应鸣沙山上的逆压电效应 二、压电材料的分类及特性二、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压电传感器中的压电元件材料一般 有三类：有三类： 一类是一类是压电晶体压电晶体（如上述的石（如上述的石 英晶体）；英晶体）； 另

14、一类是另一类是 经过极化处理的经过极化处理的 压电陶瓷压电陶瓷；第三类是；第三类是高分子压电材料高分子压电材料。 （一）石英晶体（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 天然形成的石英晶体外形（续）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切片及封装 石英晶体薄片石英晶体薄片 双面镀银并封装双面镀银并封装 石英晶体振荡器（晶振）石英晶体振荡器（晶振） 石英晶体在振荡电石英晶体在振荡电 路中工作时，压电效应路中工作时，压电效应 与逆压电效应交替作用，与逆压电效应交替作用， 从而产生稳定的振荡输从而产生稳定的振荡输 出频率。出频率。 晶振晶振 （二）压电陶瓷（二）

15、压电陶瓷 压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料， 它比石英晶体的它比石英晶体的压电灵敏度高得多压电灵敏度高得多，而制造，而制造 成本却较低成本却较低，因此目前国内外生产的压电元，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件绝大多数都采用压电陶瓷 。常用的压电陶。常用的压电陶 瓷材料有瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及及 非铅系压电陶瓷非铅系压电陶瓷 （如（如BaTiO3等）等）。 压电陶瓷外形压电陶瓷外形 无铅压电陶瓷及其换能器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）上海硅酸盐研究所研制） 高分子压电薄膜及拉制

16、高分子压电薄膜及拉制 （三）高分子压电材料（三）高分子压电材料 典型的高分子压电材料有典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯聚偏二氟乙烯 （PVF2或或PVDF）、聚氟乙烯（、聚氟乙烯（PVF）、改性聚）、改性聚 氯乙烯（氯乙烯（PVC）等。它是一种柔软的压电材料，）等。它是一种柔软的压电材料， 可根据需要制成可根据需要制成薄膜或电缆套管薄膜或电缆套管等形状。它不易等形状。它不易 破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较破碎，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，测量动态范围可达较宽，测量动态范围可达80

17、dB。 高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆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 压电式脚踏报警器压电式脚踏报警器 高分子压电薄膜制作的压电喇叭高分子压电薄膜制作的压电喇叭 （逆压电效应（逆压电效应） 第二节第二节 压电传感器的测量转换电路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和反馈电容有关，电缆长度等因素的影响 很小：很小： o f 6-4 Q u C 电荷放大器能将电荷放大器能将压电传感器输出的压电传感器输出的电荷转电荷转 换为

18、电压（换为电压（Q/U转换器），但并无放大电荷的转换器），但并无放大电荷的 作用，只是一种习惯叫法。作用，只是一种习惯叫法。 便携式测振仪外形便携式测振仪外形 1量程选择开关量程选择开关SC 2压电传感器输入信号插座压电传感器输入信号插座 3多路选择开关多路选择开关 4带宽选择开关带宽选择开关SR 5带背光点阵液晶带背光点阵液晶 显示器显示器 6电池盒电池盒 7可变角度支架可变角度支架 2021-6-2839 显示波形的演示（振动的时域显示波形的演示（振动的时域/频域图形）频域图形） （东方研究所资料）（东方研究所资料） 不同频率的正弦波频谱变化不同频率的正弦波频谱变化 2021-6-2840

19、 在图在图6-4中，开关中，开关“ON”和和“R”分别是什么功分别是什么功 能？从开关能？从开关3的档位可知，该的档位可知，该便携式测振仪可以切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？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？在室内使用时，应改用什么电源？ 所显示的基波频率是多少？所显示的基波频率是多少？ 想想 一一 想想 上图所示的四通道电荷放大器指标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）（参考东方振动和噪声技术研究所资料） 灵灵 敏敏 度：度：0.11000mV/pC 频率范围：频率范围：0.3100KHz

20、 噪声噪声(最大增益最大增益)：折合至输入端小于：折合至输入端小于5V 准准 确确 度：度：1% 最大输出：最大输出：10V/10mA 电电 源：源：220V/50Hz 控制方式：控制方式： 计算机或手动计算机或手动 焊接式焊接式 电荷放大器电荷放大器 超小型电荷放大器模块超小型电荷放大器模块 灵灵 敏敏 度：度：1、10、100mV/pC(任选一档任选一档) 频率范围：频率范围：0.3100KHz(上、下限可选上、下限可选) 噪声噪声(最大灵敏度最大灵敏度)：输出端小于：输出端小于1mV 归归 一一 化：外接电阻调整化：外接电阻调整 线性误差：线性误差：1% 最大输出：最大输出：5V或或10

21、V 电电 源：源：6V15V 特点：可组成经济的多点测试系统特点：可组成经济的多点测试系统 主要指标主要指标: 其他电荷放大器外形其他电荷放大器外形 面板式电荷放大器面板式电荷放大器 多通道电荷放大器外形多通道电荷放大器外形 第三节第三节 压电传感器的应用压电传感器的应用 一、高分子压电材料的应用一、高分子压电材料的应用 1. 玻璃打碎报警装置玻璃打碎报警装置 将高分子压电测将高分子压电测 振薄膜粘贴在玻璃上，振薄膜粘贴在玻璃上， 可以感受到玻璃破碎可以感受到玻璃破碎 时会发出的振动，并时会发出的振动，并 将电压信号传送给集将电压信号传送给集 中报警系统。中报警系统。 粘贴粘贴 位置位置 高分

22、子压电材料制作的玻璃打碎传感器高分子压电材料制作的玻璃打碎传感器 质量块质量块 将厚约将厚约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 的正反两面各喷涂透明的二氧化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。并用保护两根柔软的电极引线。并用保护 膜覆盖。膜覆盖。 使用时，用瞬干胶将其粘使用时，用瞬干胶将其粘 贴在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎贴在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎 的瞬间，压电薄膜感受到剧烈振的瞬间，压电薄膜感受到剧烈振 动，表面产生电荷动，表面产生电荷Q ，在两个，在两个 输出引脚之间

23、产生窄脉冲报警信输出引脚之间产生窄脉冲报警信 号。号。 由于外力作用在压电元件上产生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，所以压电下，电荷可以不断补充，所以压电 传感器只适用于动态测量。传感器只适用于动态测量。 动态频率必须高于动态频率必须高于100Hz，但在，但在 30kHz以上时，灵敏度急剧下降。以上时，灵敏度急剧下降。 小小 贴贴 士士 2 2压电式周界报警系统压电式周界报警系统 （用于重要

24、位置出入口、周界安全防护等）（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将长的压电电缆埋在 泥土的浅表层，可起分布泥土的浅表层，可起分布 式地下麦克风或听音器的式地下麦克风或听音器的 作用，可在几十米范围内作用，可在几十米范围内 探测人的步行探测人的步行, 对轮式或履对轮式或履 带式车辆也可以通过信号带式车辆也可以通过信号 处理系统分辨出来。右图处理系统分辨出来。右图 为测量系统的输出波形。为测量系统的输出波形。 3.3.交通监测交通监测 （包括轴数、轴距、单双轮胎）、车速监测、收（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、交通费站地磅、闯红灯

25、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。数据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。 将高分将高分 子压电电缆子压电电缆 埋在公路上，埋在公路上， 可以获取车可以获取车 型分类信息：型分类信息： 高分子压电电缆的应用演示高分子压电电缆的应用演示 二、压电陶瓷传感器的应用二、压电陶瓷传感器的应用 压电片的并联接法压电片的并联接法 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，极板上的总电荷联接法。其总面积是单片的

26、两倍，极板上的总电荷Q并 并 为单片电荷为单片电荷Q的两倍。的两倍。 压电式动态力传感器以及在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车床中用于动态切削力的测量 一体化车刀一体化车刀 动态力测量动态力测量 压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用 压电式步态压电式步态 分析跑台分析跑台 压电式纵跳压电式纵跳 训练分析装置训练分析装置 压电传感器测量压电传感器测量 双腿跳的动态力双腿跳的动态力 第四节第四节 振动的测量振动的测量 物体围绕平衡位置作往复运动称为振动。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

27、、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、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。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。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，用平衡位置的最大距离称为振幅，用x表示，单位为表示，单位为 mm；振动的速度用；振动的速度用v表示，单位为表示，单位为m/s；加速度用；加速度用a表表 示，单位为示，单位为m/s2或或g。 知识沙龙知识沙龙 地震的巨大威力地震的巨大威力 地震地震 波形波形 二、测振传感器分类二、测振传感器分类 测振用的传感器又称测振用的传感器又称拾振器拾振器，它有，它有 接触式和非接触式之分。接触式和非接触式之分。接触式中有磁接触式中有磁 电式、电感式、压电式等电式、电感式、压电式等；非接触式中