传感器与检测技术 5自行车里程计设计与实现

传感器与检测技术自行车里程计设计与实现——项目导入项目导入汽车行驶里程数与速度检测知识目标能力目标素质目标知识技能素质压电式传感器工作原理和应用压电式传感器工作原理和应用振动测量及频谱分析项目实施压电式传感器特性实训敲击式电子门铃分析与制作压电式传感器特性实训自行车里程计分析和设计项目拓评项目小结项目评价传感器与检测技术自行车里程计设计与实现——项目导入5.1项目导入5.1项目导入一、案例介绍汽车仪表盘电动自行车仪表盘出租车计价器外形5.1项目导入一、案例介绍磁电式传感器检测车轮转动速度和圈数，乘以车轮周长（πD），间接得到汽车行驶的速度和里程数，再做单位变换，变成常用的“XXX码（km/H）”和“XXX公里”与车轮联动5.1项目导入一、案例介绍5.1项目导入一、案例介绍粘贴位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。5.1项目导入一、案例介绍质量块

将厚约0.2mm左右的PVDF薄膜裁制成10

20mm大小。在它的正反两面各喷涂透明的二氧化锡导电电极，再用超声波焊接上两根柔软的电极引线。并用保护膜覆盖。使用时，用瞬干胶将其粘贴在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎的瞬间，压电薄膜感受到剧烈振动，表面产生电荷Q

，在两个输出引脚之间产生窄脉冲报警信号。高分子压电材料制作的玻璃打碎传感器5.1项目导入二、教学目标1）掌握压电式传感器的工作原理、检测特性、测量电路及应用。2）熟悉磁电式传感器类型、特性和应用。3）熟悉测量位移、速度、加速度、力等机械量的传感器。4）了解振动传感器的特点、性能指标和频谱分析。知识目标1）会根据使用场合、传感器特性等选择合适的机械量传感器。2）会根据检测要求和机械量的动态特点选用合适的测量电路。3）会根据检测信号分析所测机械量参数。4）会根据频谱分析确定振动机械故障。能力目标1）树立文化自信，增强民族自信心。2）提升规则意识，养成爱岗敬业的职业规范。3）具备遵从标准、推崇规范的优良素质。素质目标传感器与检测技术自行车里程计设计与实现——相关知识与技能：压电式传感器工作原理和应用5.2相关知识与技能5.2.1压电式传感器工作原理和应用一、压电效应与压电材料正压电效应（顺压电效应）：某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的一定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。逆压电效应（电致伸缩效应）：当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。具有压电效应的物质：石英晶体、压电陶瓷、压电半导体电能机械能正压电效应逆压电效应演示5.2.1压电式传感器工作原理和应用一、压电效应与压电材料5.2.1压电式传感器工作原理和应用一、压电效应与压电材料压电材料要求：1）压电常数大；

2）机械强度高；3）电阻率大，介电常数大；4）引起压电效应破坏的温度点（居里点）高；5）时间稳定性好。常用材料：（1）压电晶体如石英晶体等；（2）压电陶瓷如钛酸钡、锆钛酸铅等（3）压电半导体如ZnS、CaS、GaAs等（4）高分子压电材料如聚二氟乙烯PVF2、聚氟乙烯（PVF）、聚氯乙烯（PVC）等5.2.1压电式传感器工作原理和应用一、压电效应与压电材料天然石英晶体双面镀银并封装晶体薄片石英晶体5.2.1压电式传感器工作原理和应用一、压电效应与压电材料石英（SiO2）在20℃～200℃范围内，温度每升高1℃，压电系数仅减少0.016％。但是当到573℃时，它完全失去了压电特性，这就是它的居里点。石英晶体优点：性能非常稳定，机械强度高，绝缘性能好。但价格昂贵，压电系数比压电陶瓷低得多。因此一般仅用于标准仪器或要求较高的传感器中。5.2.1压电式传感器工作原理和应用一、压电效应与压电材料压电系数返回石英晶体的压电效应演示当力的大小变化时，电荷的数量随之改变，当力的方向改变时，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；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。5.2.1压电式传感器工作原理和应用一、压电效应与压电材料

石英：二氧化硅单晶，六角棱柱体，

X、Y、Z三个晶轴。ｙxｚＺ光轴Ｘ电轴机械轴坐标轴晶体切块5.2.1压电式传感器工作原理和应用一、压电效应与压电材料1、X向应力--纵向压电效应电荷计算：2、Y向应力—横向压电效应Ｚ光轴Ｘ电轴机械轴晶体切块压力拉力压力拉力分别为两个方向的压电系数。且：5.2.1压电式传感器工作原理和应用一、压电效应与压电材料关于压电效应的解释：硅离子硅离子硅离子氧离子氧离子氧离子石英晶体在X-Y平面离子分布X方向受力Y方向受力Z方向受力将不产生压电效应！返回5.2.1压电式传感器工作原理和应用一、压电效应与压电材料压电陶瓷比石英晶体的压电灵敏度高得多，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有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及非铅系压电陶瓷（如BaTiO3等）。5.2.1压电式传感器工作原理和应用一、压电效应与压电材料

压电陶瓷：多晶铁电体，具有电畴结构（分子自发形成的电场区域）的压电材料。正常状态下对外不呈现电荷。在一定温度下，对压电陶瓷加强电场进行极化处理，内部电畴的排列被人为地规则化，当强电场撤消后，压电陶瓷就具有了压电特性。极化前、极化中和极化后的铁电陶瓷5.2.1压电式传感器工作原理和应用一、压电效应与压电材料正压电效应逆压电效应返回5.2.1压电式传感器工作原理和应用一、压电效应与压电材料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。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，价格便宜，频率响应范围较宽，测量动态范围可达80dB。5.2.1压电式传感器工作原理和应用一、压电效应与压电材料返回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。AB2米5.2.1压电式传感器工作原理和应用二、压电传感器的测量电路当两极板聚集异性电荷时，则两极板呈现一定的电压，其大小为aaqUC=压电传感器的等效电路把压电传感器看成一个以压电材料为电介质的电容，其电容量为其中h为压电元件厚度，A为压电元件极板面积＋＋＋＋――――q电极压电晶体（a）电荷源（b）电压源压电传感器实际的等效电路将压电传感器和测量仪器连接时,应考虑连线的等效电容,前置放大器的输入电阻、输入电容及传感器的漏电阻。Ca传感器的固有电容Ci

前置放大器输入电容Cc

连线电容Ra传感器的漏电阻Ri前置放大器输入电阻5.2.1压电式传感器工作原理和应用二、压电传感器的测量电路+－(a)并联++－图（a）为并联接法，输出电荷大，本身电容大，时间常数大，适用于测量慢变信号并以电荷作为输出的场合图（b）为串联接法，输出电压高，本身电容小，适用于以电压作为输出量及测量电路输入阻抗很高的场合+－(b)串联++－－5.2.1压电式传感器工作原理和应用二、压电传感器的测量电路压电式传感器的前置放大器有两个作用：把压电式传感器的高输出阻抗变换成低阻抗输出；放大压电式传感器输出的弱信号。前置放大器形式：（a）电压放大器（b）电荷放大器5.2.1压电式传感器工作原理和应用二、压电传感器的测量电路（a）电压放大器C=Cc+Cb

压电元件所受作用力则压电元件产生的电压值为5.2.1压电式传感器工作原理和应用三、压电传感器的应用常见压电式传感器及压电元件外形图压电式传感器，通过检测压电元件表面聚积电荷的数量测量被测量。当被测量变为静态量时，压电元件表面电荷很容易泄露消失，不能被检测电路检测到。所以不能用于静态测量。压电元件在交变力的作用下，电荷可以不断补充。所以压电传感器只适用于动态测量。动态频率必须高于100Hz，但在30kHz以上时，灵敏度急剧下降。5.2.1压电式传感器工作原理和应用三、压电传感器的应用1.压电式单向测力传感器底座插座盖板晶片绝缘套5.2.1压电式传感器工作原理和应用三、压电传感器的应用1.压电式单向测力传感器压电式动态力传感器在车床中用于动态切削力的测量

5.2.1压电式传感器工作原理和应用三、压电传感器的应用1.压电式单向测力传感器压电传感器测量双腿跳的动态力压电式步态分析跑台压电式纵跳训练分析装置压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用5.2.1压电式传感器工作原理和应用三、压电传感器的应用1.压电式单向测力传感器压电式传感器用于足压测试、步态分析、前庭测试5.2.1压电式传感器工作原理和应用三、压电传感器的应用2.压电式压力传感器晶片膜片引线壳体绝缘子预压圆筒壳体绝缘体引线电极压电堆片膜片弹簧5.2.1压电式传感器工作原理和应用三、压电传感器的应用3.压电式振动加速度传感器基座基座压电片质量块m压簧壳体5.2.1压电式传感器工作原理和应用三、压电传感器的应用3.压电式振动加速度传感器横向振动测振器纵向振动测振器5.2.1压电式传感器工作原理和应用三、压电传感器的应用3.压电式振动加速度传感器5.2.1压电式传感器工作原理和应用三、压电传感器的应用4.如何选择压电式传感器灵敏度低的传感器可用于动态范围很宽的振动测量打桩机的冲击振动汽车的撞击试验炸弹的贯穿延时引爆高灵敏度的压电传感器可用于测量微弱的振动。寻找地下管道的泄漏点（水管漏水处可发出几千赫的特殊振动）测量桥梁、楼房、桩基的受激振动分析精密机床床身的振动以提高加工精度传感器与检测技术自行车里程计设计与实现——相关知识与技能：磁电式传感器工作原理和特性5.2相关知识与技能5.2.2磁电式传感器工作原理和特性一、磁电式传感器工作原理5.2.2磁电式传感器工作原理和特性一、磁电式传感器工作原理5.2.2磁电式传感器工作原理和特性一、磁电式传感器工作原理

电感式传感器是把被测量转换成电感量(自感、互感）的变化

能量控制型(无源)

磁电式传感器是通过检测磁场大小和变化测量被测量，把被测量转换成感应电压的变化。

能量转换型(有源)-+

请问：电感式传感器和磁电式传感器有什么相同点和不同点？5.2.2磁电式传感器工作原理和特性二、磁电式传感器结构和应用结构：磁电式传感器由磁钢、线圈、弹簧、阻尼器和壳体等组成，是典型的二阶系统。分类：根据原理有两种1.恒磁通式:恒定磁场，运动部件可以是线圈也可以是磁铁。2.变磁通式:线圈、磁铁静止不动，转动物体引起磁阻、磁通变化。磁电感应式动圈式动铁式恒磁通开磁路变磁通闭磁路旋转物体的角速度、转速的测量振动、加速度测量磁路方式运动部件传感器不适合于低速测量。开磁路f>50Hz闭磁路f>30Hz5.2.2磁电式传感器工作原理和特性二、磁电式传感器结构和应用恒磁通式（a）开磁路（b）闭磁路变磁通式

结构：磁电式传感器由磁钢、线圈、弹簧、阻尼器和壳体等组成，是典型的二阶系统。分类：根据原理有两种1.恒磁通式:恒定磁场，运动部件可以是线圈也可以是磁铁。2.变磁通式:线圈、磁铁静止不动，转动物体引起磁阻、磁通变化。5.2.2磁电式传感器工作原理和特性二、磁电式传感器结构和应用1.变磁通式磁电传感器开磁路感应脉冲计数器（转/分）请问：如何利用磁电式传感器测量自行车的车速和里程数？

5.2.2磁电式传感器工作原理和特性二、磁电式传感器结构和应用1.变磁通式磁电传感器闭磁路请问：椭圆形测量轮的转速与输出信号频率满足什么关系？（转/分）=30f这种传感器有一个下限工作频率，开磁路式一般为50Hz，闭磁路式可降至30Hz左右。随着转速下降输出电压幅值减小，当转速低到一定程度时，电压幅值会减小到无法检测出来的程度。故这种传感器不适合于低速测量。为提高低转速的测量效果，可采用电涡流式转速传感器。E∝ω5.2.2磁电式传感器工作原理和特性二、磁电式传感器结构和应用2.恒磁通式磁电传感器动圈式永久磁铁线圈弹簧动铁式5.2.2磁电式传感器工作原理和特性二、磁电式传感器结构和应用2.恒磁通式磁电传感器动圈式永久磁铁线圈弹簧动铁式5.2.2磁电式传感器工作原理和特性二、磁电式传感器结构和应用2.恒磁通式磁电传感器动圈式测量振动速度，传感器固定或紧压于被测系统，磁钢4与壳体2一起随被测系统的振动而振动。装在芯轴6上的线圈5和阻尼环3组成惯性系统的质量块并在磁场中运动。5.2.2磁电式传感器工作原理和特性二、磁电式传感器结构和应用2.恒磁通式磁电传感器动圈式

技术参数：

灵敏度：20～50mV／mm／Sec±1％（根据用户调整）频率响应（可选）：5～100Hz，10～500Hz，10～1000Hz

固有频率：约10Hz

振幅极限：2mm（峰-峰值）最大加速度：10gS-ZS型磁电式振动速度传感器

S-ZS型振动速度传感器与振动监控仪或振动烈度监控仪配接后，可以测量各种位移、速度等，用来对机械故障进行预测和报警。

5.2.2磁电式传感器工作原理和特性二、磁电式传感器结构和应用2.恒磁通式磁电传感器动圈式振动传感器输出特性ve5.2.3振动测量及频谱分析一、振动的基本概念物体围绕平衡位置作往复运动称为振动二、测振传感器的分类接触式磁电式、电感式、压电式等非接触式电涡流式、电容式、霍尔式、光电式三、测振系统力学模型5.2.3振动测量及频谱分析三、压电振动加速度传感器的性能指标1．灵敏度许多压电加速度传感器的灵敏度单位为mV/g，通常为10~1000mV/g。2．频率范围大多数压电加速度传感器的频率范围为0.1Hz至20kHz。3．动态范围常用的测量范围为0.1~100g国标加速度单位：m/s2灵敏度单位如10PC/(m/s2)工程习惯加速度单位：g(1g=9.8m/s2)

灵敏度单位如10~1000mV/g。

国标加速度单位：m/s2灵敏度单位如10PC/(m/s2)工程习惯加速度单位：g(1g=9.8m/s2)

灵敏度单位如10~1000mV/g。

5.2.3振动测量及频谱分析四、压电式振动加速度传感器应用1．压电加速度传感器检测桥墩缺陷5.2.3振动测量及频谱分析四、压电式振动加速度传感器应用2．压电加速度传感器检测电机振动加速度和速度传感器振动测量

工程上可采用频谱分析识别信号中的周期分量，通过测量的振动信号进行频谱分析，确定最大幅值的频率分量，然后找出故障。5.2.3振动测量及频谱分析五、振动的频谱分析1．时域图形2．频域图形空调压缩机的时域波形图

空调压缩机的频谱图5.2.3振动测量及频谱分析五、振动的频谱分析3．依靠频谱分析法进行故障诊断

手扶拖拉机发动机活塞振动时域图

手扶拖拉机发动机活塞振动频域图5.2.3振动测量及频谱分析五、振动的频谱分析3．依靠频谱分析法进行故障诊断例：某钢管厂的轧辊减速箱振动很大，现将压电式振动传感器固定在减速箱体上。使用示波器测得的时域信号和用频谱仪测得的频域信号如图所示，请作频谱分析和故障诊断。（a）时域图（b）频域图减速箱振动的时域图和频域图传感器与检测技术自行车里程计设计与实现——相关知识与技能：压电式传感器特性实验5.3项目实施5.3.1压电式传感器特性实验一、压电式传感器测量振动1．实训器件振动台、压电传感器、检波、移相、低通滤波器模板、压电式传感器实训模板、双踪示波器2．实训步骤1）安装压电变压器2）接线3）上电4）观察示波器波形5）改变低频振荡器的频率，观察输出波形变化6）用示波器的两个通道同时观察低通滤波器输入端和输出端波形传感器与检测技术自行车里程计设计与实现——相关知识与技能：敲击式电子门铃分析与制作5.3项目实施5.3.2敲击式电子门铃分析与制作一、工作原理5.3.2敲击式电子门铃分析与制作二、元器件选型R1~R7均选用RTX-1/8W碳膜电阻。C1~C3均选用涤纶电容器或独石电容；C4~C6均选用CD11-16V的电解电容。VT1用9014或3DG8型硅NPN小功率晶体管，要求电流放大系数β大于等于150；VT2选用9013或3DG12、3DK4型硅NPN中功率晶体管，要求电流放大系数β大于等于100；VT3选用9012型硅PNP中功率晶体管，要求电流放大系数β大于等于50。IC1选用CD4013双D触发器数字集成电路；IC2选用CD4017十进制计数分频器数字集成电路；IC3选用KD2538音乐集成电路。BL选用0.25W、8Ω微型电动式扬声器。BC用中ϕ27mm的压电陶瓷片，如FT-27等型号。G用两节5号干电池串连而成3V电压。5.3.2敲击式电子门铃分析与制作三、制作与调试IC3芯片通过4根7mm长的元器件剪脚线插焊在电路板上；除压电陶瓷片BC外，焊接好的电路板连同扬声器BL、电池G（带塑料架）一起装入绝缘材料小盒内。盒面板为BL开出拾音孔；盒侧面通过适当长度的双芯屏蔽线引出到压电陶瓷BC。实际安装时，将压电陶瓷片BC通过502胶粘贴在大门背面正对客人常敲门的位置（一般离地面1.4m左右），门铃盒则固定在室内墙壁上。传感器与检测技术自行车里程计设计与实现——相关知识与技能：磁电式传感器特性实验5.3项目实施5.3.3磁电式传感器特性实验一、磁电式传感器测量转速1．实训器件磁电式转速传感器、直流电源＋5V、转动源及2-24V直流源、数显单元2．实训步骤1）安装磁电式转速传感器2）将显示开关选择转速测量档。3）上电。4）逐步增加电源电压观察转速变化情况。传感器与检测技术自行车里程计设计与实现——相关知识与技能：自行车里程计分析和设计5.3项目实施5.3.4自行车里程计分析和设计一、设计思路传感器在自行车测速及里程测量中的应用非接触传感器的安装位置显示器的安装位置干簧管

磁铁N5.3.4