《自动检测与转换技术》第6章练习分析

《自动检测与转换技术》

（“十四五”职'业教育国家规划教材）

统一书号：ISBN978-7-111-62119-5

第六章压电传感器思考题与习题分析

说明：填空中的“红色文字”以及分析题中的“提示”并不等于就是答案，只是给出了怎样解

题的思路和分析方法，给读者一点启发。作者还在有关题目中，增加了一些新的技术和应用型知

识。限于篇幅的限制，有的传感器的内容无法在本教材正文中展开来讲的，现在有了这个“思考题

与习题分析”，就可以在此展开介绍，希望对读者有一点帮助。部分分析采用口语化的型式，希望

能够提高读者的兴趣。所展开的知识可能有一部分超过本教材的深度，读者可以上网对照有关资料来

理解和提高。

希望读者看完本分析之后，就其中的疑难、错误等问题，来信与作者进行探讨，邮箱为

liangsen2@126.com,上海电机学院的梁森老师代表编写团队与大家交流。谢谢大家。

1.单项选择题

1）将超声波（机械振动波）转换成电信号是利用压电材料的一振动压力一电一；蜂鸣器中发

出“嘀……嘀……”声的压电片发声原理是利用压电材料的一反过来哈

A.应变效应B.电涡流效应C.压电效应D.逆压电效应

2）在实验室作检验标准月的压电仪表应采用—最稳定的—压电材料；能制成薄膜，粘贴在一

个微小探头上、用于测量人的抹搏的压电材料应采用—塑料的―：用在压电加速度传感器中测量振

动的压电材料应采用—不是塑料的

A.PTCB.PZTC.PVDFD.Si02

3）使用压电陶瓷制作的力或压力传感器可测量—当静态力被测量施加在压电传感器上面，大约

2s之后，电荷就泄漏殆尽，所以被测量必须是动态的。例如当人站到压电传感器上面的时候，压电

传感器会产生•个较大的冲击电信号输出（还可以联想到我们站到磅秤上的瞬间，能观察到磅秤的指

针猛烈摆动）。但是，这个电信号很快就由于空气湿度以及宇宙射线引起的空气电离（空气导电）而

逐渐衰弱。通常在压电片上面有很硬的弹簧片紧压着（用于产生预应力，防止非线性等），但是这个

弹簧力的大小是随机的，通常是不需要予以考虑的。在安装旋紧的瞬间，可能有电信号产生，但是出

厂的时候，电荷早就没有了，不影响用户用于测量“交变力”_。

A.人的体重B.车刀的压紧力

C.车刀在切削时感受到的切削力的变化量D.自来水管中的水的压力

4）动态力传感器中，两片压电片多采用—可以联想到两个电池如果并联，则能增加输出电

流，减小内阻一接法，可增大输出电荷量；在电子打火机和煤气灶点火装置中，多片压电片采用一

可以联想到两个电池串联，则能盖加输出电压，但内阻也随之增大—接法，可使输出电玉达上万

伏，从而产生电火花。

A.串联B.并联C.既串联又并联

4）测量人的脉搏应采用灵敏度K约为—最灵嫩的（数值最大的）—的PVDF压电传感器；在

家用电器（已包装）做跌落试脸，以检盒是否符合国标准时，应采用灵敏度K为一跌落试验中，商

品受撞击的负的加速度大约为10g的数量级，仅能选用较低的灵敏度压电传感器，否则压电传感器的

输出信号容易饱和—的压电传感器。

A.10V/gB.IV/gC.lOOmV/g

1、冲击面板3、链条5、升降杆7、趺落壁

2、电机4、升降箱6、固定夹

图6-01各种跌落试验示意图

2.用压电式加速度计及电荷放大器测量振动加速度，若传感器的灵敏度为70pC/g（g为重力加

速度），电荷放大器灵敏度K=10mV/pC,试确定输入3g（平均值）加速度时，电荷放大器的输出电

压U。（平均值，不考虑正负号），并计算此时该电荷放大器的反馈电容G。

第一步：计算压电式加速度计在输入3g（平均值）加速度时的输出电向量的平均值（交变电

荷）：

Q二K|Xe70pC/gX3g=???pC

第二步：计算电荷放大器在输入3g（平均值）加速度时的输出电压（交变电压）的平均值：

UO=K2^Q=\OmV/pCX210pC=??V

第三步：根据式（6-4）%（丫）4如9|,计算电荷放大器在输出电压为仄时的反馈电容C,

Cf（pF）

为：

Cf=0/Z7o=2IOpC4-2.1V=???pF。

3.图6-21是振动式粘度计的原理示意图。导磁的悬臂梁6与铁心3组成激振器。压电片4粘贴

于悬臂梁上，振动板7固定在悬臂梁的下端，并插入到被测粘度的粘性液体中。请分析该粘度计的工

作原理，并填空。

图6-21振动式粘度计原理示意图

1一交流励磁电源2—励磁线圈3一电磁铁心4一压电片5—质量块6-悬臂梁

7-振动板8—粘性液体9-容器

1）当励磁线圈接到10Hz左右的交流激励源跖上时，电磁铁心产生—???—Hz（两倍的激

励频率）的交变—不会是电场_，一并对？一产生交变吸力。由于它的上端被固定，所以它将带

动振动板7在—在固体里头是振动不起来的哈一里来回振功。

提示：

交流励磁电流为正的最大值时，所产生的吸力最大。过了最大值后，随着励磁电流的减小，由于

悬臂梁的弹性，悬臂梁向右弹开；激励电流过零后，交流励磁电流的负值越来越大，对悬臂梁的吸力

也越来越多。当激磁电流达到负的最大值时，铁心对悬臂梁的吸力也是最大的……如果悬臂梁本身不

带磁铁，就不可能产生排斥力（类似的例子是日光灯。当日光灯两端的电压是50Hz时，日光灯的频

闪是电源频率的两倍•，为100Hz）。

但是，如果悬臂梁是带磁性的（例如，在悬臂梁上固定一块磁铁，并将N或S极对准铁心），

就可能在激磁电流的正半周对磁铁产生吸力，在负半周对磁铁产生排斥力，这样的磁路系统的磁力较

高，效率也较高。请读者考虑在有磁铁的情况下，振动频率与激磁电流的频率的关系。

2）液体的粘性越高，对振动板的阻力就越_粘住了一，振动板的振幅4P就越一振不起来

一，所以它的加速度斫/V/sing就越_加速很困难因此质量块5对压电片4所施加的惯性

力厂=〃口就越一牛顿第二定律一,压电片的输出电向量Q或电压诙就越一成止比一，压电片的

输出反映了液体的粘度。

3）该粘度计的缺点是与温度/有关。温度升高，大多数液体的粘度变—不会是变得更粘稠的哈

_，所以将带来测量误差。

4.粘度计：请分析该粘度计的

工作原理……

液体的粘性越大，对振动板的

眼力就越.振动板的振幅就越

小，所以它的振动加速度就越小，旋转式

因此质埴，由加的惯性粘度计

力也就越小,压电片的输出电荷量

口或电压“。也越小，压电片的筠生.

电压反映了液体的粘里

测量旋转板的阻疣也可以计算出液体的粘度，利

用这种原理制造的仪器称为旋转式粘度计.将旋转板改

成强动板，再加上压电片等元件就成为振动式粘度计.

图6-02粘度计工作原理图

4.两根高分子压电电缆1外形见6-7b）相距L=2m,平行埋设于柏油公路的路面下约5Dmm,如

图6-22所示。它可以用来测量车速及汽车的的超重，并根据存储在计算机内部的档案数据，判定汽

车的车型。

DlZSm^div)

b>

图6-22PVDF压电电缆测速原理图

a）PVDF压电电缆埋设示意图b）A、B压电电缆的输出信号波形

1一公路2-PVDF压电电缆（A、B共两根）3—车轮

现有一辆超重车辆以较快的车速压过测速传感器，两根PVDF压电电缆的输出信号如图b所示，

求：

I）估算车速为多少km/h.

2）估算汽车前后轮间距d（可据此判定车型）；轮距与哪些因素有关？

3）说明载重量机以及车速I，与A、B压电电缆输出信号波形的幅度或时间间隔之间的关系。

1）估算车速v为多少km/h：

提示：

车速V等于前轮通过A、B压电电缆的输出脉冲信号的时间差（不要去涉及前后轮的时间差，车

速的计算与后轮无关；当然，也可以只计算后轮，那么就不必考虑前轮的参数，前后轮的轴的直线位

移速度在正常情况下，是一致的）

第一步：找到A压电电缆输出信号波形的第一个脉冲，再找到压电电缆B输出信号波形的第一

个脉冲。目测并以作图法得到A、B压电电缆的输出脉冲信号的时间差有多少格。从左下图可以看

出，大约是2.4格。

第二步：根据坐标图的每珞的扫描时间（从左下图可以看出是25ms/div）,计算出A、B压电电

缆的输出脉冲信号的时间差

△LAB=格数义每格扫描时间=2.4格X25ms/div=？?ms=?s

(

<

>

-

£

言

―

~

77(25ms,di\)

图6-03PVDF压电电缆的输出信号作图法

第三步：将A、B压电电缆的安装距离L除以汽车通过A、B压电电缆的时间，就等于汽车前轮

（此处不提及“后轮”是因为怕引起混乱，考虑后轮也是一样的结果）的车轮轴的直线位移速

度，也就是车速：

v=L/，AB=2m0.06s=？？？？m/s；乘以3600s,再除以1000m,就等于每小时的公里数：

v=（33.33m/sX36OO）-?1000m=???km/s。

2）估算汽车前后轮间距d（可据此判定车型）：

提示：

第一步：当汽车通过测速区时，前轮与后轮在A电缆（此处不提及“B电缆”是因为怕引起混

乱，考虑B电缆也是一样的结果）上产生两个一前一后的执冲。用作图法测量这两个脉冲的时间

差：4.2格X25ms/div=???ns=0.???s。

第二步：将前后轮的时间差乘以车速，就等于汽车前后轮间距出

仁0.105sX33.33m/s=3.5m.

第三步：上网查阅最接近的车型（例如，轮距是3.5m的有“悍马”等牌子的汽车）。

这一步的目的是判断“大嘤是什么车型”，从而为后续找到这一步肇事车提供依据。

但是请思考：如果在A电缆上连续产生了三个脉冲（B电缆也如此），说明什么呢？

以此类推，可以得出什么结论？

轮距与哪些因素有关：当然，轮距是厂家设计的。但是，本题中的题意是测吊:站果与哪些因数有

关：

与车速成正比？反比？与前、后轮在压电电缆上产生的脉冲间隔时间差成正比？反比？

3）说明载重量，〃以及车速u与A、B压电电缆输出信号波形的幅度或时间间隔之间的关系：

提示：

载重量〃?越重，脉冲的高度就越？但是，载重量〃，影响还是不影响脉冲之间的时间差呢？

车速羽与A压电电缆的两个脉冲的间隔成正比，也与A、B压电电缆的两个脉冲的间隔成正比

（这个请读者自行研究）。

脉冲的间隔越短，车速就？？

拓展思考：上述压电电缆在军用和安全防护场合，还能用于什么的检测？

第六章压电传感器的思考题与习题的第4题解题步骤

4.两根高分子压电电缆1外形见6-7b）相距L=2m,平行埋设于柏油公路的路面下约50mm,如

图6-22所示。它可以用来测量车速及汽车的的超重，并根据存储在计算机内部的档案数据，判定汽

车的车型。

7)(25«n^div)

b)

图6-22PVDF压电电缆测速原理图

a）PVDF压电电缆埋设示意图b）A、B压电电缆的输出信号波形

L公路2—PVDF压电电缆（A、B共两根）3—车轮

现有一辆超重车辆以较快的车速压过测速传感器，两根PVDF压电电缆的输出信号如图b所•示，

求：

1）估算车速为多少km/h。

2）估算汽车前后轮间距d（可据此判定车型）；轮距与哪些因素有关？

3）说明载重量机以及车速V与A、B压电电缆输出信号波形的幅度或时间间隔之间的关系。

1）估算车速u为多少km/h：

提示：

车速v等于前轮通过A、B压电电缆的输出脉冲信号的时间差（不要去涉及前后轮的时间差，车

速的计算与后轮无关；当然，也可以只计算后轮，那么就不必考虑前轮的参数，前后轮的轴的直线位

移速度在正常情况下，是一致的）

第一步：找到A压电电缆输出信号波形的第一个脉冲，再找到压电电缆B输出信号波形的第一

个脉冲。目测并以作图法得到A、B压电电缆的输出脉冲信号的时间差有多少格。从左下图可以看

出，大约是2.4格。

第二步：根据坐标图的每格的扫描时间（从左下图可以看出是25ms/div）,计算出A、B压电电

缆的输出脉冲信号的时间差与“格”的数目有关。目测有一点误差不要紧。

△IAB二格数X每格扫描时间=2.4格X25ms/div=60ms=0.06s

(

o

-

£

言

一

二

77(25mv*div>

图6-03PVDF压电电缆的输出信号作图法

第三步：将A、B压电电缆的安装距离L除以汽车通过A、R压电电缆的时间，就等于汽车前轮

（此处不提及“后轮”是因为怕引起混乱，考虑后轮也是一样的结果）的车轮轴的直线位移速

度，也就是车速：

v=L/fAB=2m4~0.06s=33.33m/s；乘以3600s,再除以1000m,就等于每小时的公里数：v=（33.33m/s

X3600）4-1000m=120km/so

如果认为是2.5格，也可以，车速就不是整数。本来就是估算的