6.2 压电式振动传感器（课件）-《传感器检测技术》同步教学（电子工业版）

2024/1/4 模块六 振动测量 振动是物体在平衡位置附近作周期往复运动的形式。振动会影响机器的正常运转；利用振动现象又可以制造机器设备。 测量和分析振动，对机电设备安全十分必要！ LOGO 2024/1/4 课题一 电容式振动传感器 课题二 压电式加速度传感器 课题三 磁电感应式振动传感器 模块六 振动测量 LOGO 课题二 压电式振动传感器 [任务提出] 提升机是类似电梯的矿山主运输系统。为了保证运输安全，要求对提升机提升容器定期检测。通常是利用振动传感器把容器的振动信息转化为电信号，经放大器放大后送给采集装置存储、处理。小李承担了为提升容器测试系统选择传感器和制定测试方案的任务。 矿用提升机机房 提升机系统构成 LOGO [任务分析] 本任务的关键是根据测试要求、被测量、测试环境选择合适的传感器，以此为核心组建测试系统。 选择传感器，需要了解测量的实际需要和常用振动传感器的性能特点。 本课题在上一课题所学电容式振动传感器的基础上，再学习常用的压电式振动传感器的相关知识，通过对测量需求的分析，确定适合本任务的传感器类型和相关配套元件。 LOGO [相关知识] 一、压电效应和压电传感器 1、压电效应 压电效应（正压电效应）：某些物质沿一定方向上受到外力作用变形时，内部被极化，表面产生电荷，外力去除后又回到不带电状态的现象。 逆压电效应（电致伸缩效应）：在某些物质极化方向施加电场，在一定方向上产生机械变形或机械压力；外电场撤去后，变形或应力随之消失的现象 LOGO 压电效应与施加外力的关系（如图）： 该晶体有三个晶轴：z轴（光轴）、x轴（电轴）和y轴（机械轴）。当沿着x轴或y轴对晶片施加力时，晶格变形，正负电荷中心分离，在垂直于x轴的表面上产生电荷，出现压电效应；而沿着z轴方向受力时，晶格的变形不会引起正负电荷中心分离，不产生压电效应。 LOGO 在晶体弹性限度内，在x轴方向上施加压力Fx时，在x面上产生的电荷为 式中d11—— 某种材料的压电常数； 在y轴方向施加力时，在x面上产生的电荷为 式中 l、δ——石英晶体的长度和厚度，μm。 可见，沿机械轴方间的力产生的电荷与晶体几何尺寸有关；沿机械轴方向的力引起的电荷极性与沿电轴方向力引起的电荷极性相反。 LOGO 2、压电材料（压电元件） 具有压电效应的物质称为压电材料，常见的有压电单晶体、多晶体压电陶瓷和高分子压电材料等。 石英晶体：是压电单晶体的典型代表。突出优点是性能稳定、机械强度高、绝缘性能好。但价格昂贵，压电常数小，多用在标准、高精度传感器中。 压电陶瓷：人工制造的多晶体压电材料，是在原始压电陶瓷基础上经极化处理后得到的，压电系数高达石英晶体的几百倍。常用的有钛酸钡（BaTiQ3）、锆钛酸铅系列（PZT）、铌镁酸铅系列等。 LOGO 高分子压电薄膜：高分子聚合物经延展拉伸和电场极化后形成。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，用在防盗等不要求定量测量精度的场合。缺点是温度升高时灵敏度会降低，不宜暴晒。优势是既保持了高分子压电薄膜的柔软性，又具有较高的压电系数，是一种很有希望的压电材料。 LOGO 3、压电传感器 利用压电元件在敏感轴方向上受到外力作用时，在电介质表面产生电荷实现测量目的 。 工作过程：压电元件受到力F作用时，分别在两个极板上积聚数量相等、极性相反的电荷，通过外部测量电路转变为电流输出，通过测量电流大小可测得F的情况。 LOGO 特点：如果施加于压电元件的外力不变，极板上的电荷无泄漏，电荷量将保持不变，与外力F成正比。但这需要测量回路具有无限大输入阻抗，实际上办不到。只有在动态力的作用下才能补充电荷量的泄露，形成稳定的电流输出。因此，压电传感器仅适于动态测量，如动态力、动态压力及动态振动加速度的测量。 LOGO 压电式传感器中，常用多片组合使用。接法有两种：可采用并联接法（C‘=nC，U’=U，Q‘= nQ），也可用串联接法（Q’＝Q，U‘= nU，C’=C/n）。 并联接法输出电荷大，电容大，适用于测量缓变信号，以电荷量作为输出的场合；串联接法输出电压高，电容小，适用于以电压作为输出量以及测量电路输入阻抗很高的场合。 LOGO 二、压电式振动传感器 1、结构 有基于压电元件厚度大小变形的压缩式加速度传感器、基于压电元件剪切变形的剪切式加速度传感器及复合型加速度传感器等。 LOGO 典型结构由压电元件、质量块、预压弹簧、基座、外壳等部分组成，装在带有磁性头的外壳内。压电片用压电陶瓷制成，两压电片并联，质量块对压电元件施加预载荷。测量时，将底座吸附在物体上。当被测物体产生加速度时，质量块将产生惯性力F1 ，与预紧力F0叠加后作用在压电元件上： LOGO 压电元件上产生与加