加速度測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)制作

加速度測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)制作第一頁，共33頁。

1項(xiàng)目描述設(shè)計(jì)一種加速度測(cè)量?jī)x實(shí)現(xiàn)對(duì)各種振動(dòng)和沖擊進(jìn)行監(jiān)測(cè)。1.1任務(wù)要求1.以壓電傳感器為傳感元件；2.對(duì)于加速度的不同能夠有明顯區(qū)別的不同提示，可酌情加分；3.當(dāng)加速度到達(dá)低于或高于一定閾值時(shí)能夠發(fā)出聲光報(bào)警，可酌情加分；4.鼓勵(lì)采用單片機(jī)為控制單元，可酌情加分；5.最終上交調(diào)試成功的試驗(yàn)系統(tǒng)—加速度檢測(cè)儀；6.要求有每個(gè)步驟的文字材料，包括原理圖、使用說明、元件清單、進(jìn)程表、調(diào)試過程描述等。第二頁，共33頁。

1.2相關(guān)知識(shí)點(diǎn)分析本項(xiàng)目單元主要講述壓電傳感器的各項(xiàng)知識(shí)。具體知識(shí)點(diǎn)如下：1.掌握壓電傳感器的工作原理；2.了解各種壓電材料及特性；3.了解壓電傳感器的產(chǎn)生機(jī)理；4.理解壓電元件的結(jié)構(gòu)形式；5.掌握壓電傳感器的等效電路及測(cè)量電路；6.了解壓電傳感器的各種應(yīng)用；7.了解振動(dòng)的測(cè)量及頻譜分析；第三頁，共33頁。

2相關(guān)知識(shí)2.1壓電式傳感器的理論基礎(chǔ)壓電效應(yīng)

某些電介質(zhì)物體在沿一定方向受到外力的作用而發(fā)生變形，其內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，并且在其表面上產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力撤銷后，它們又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。簡(jiǎn)稱壓電效應(yīng)。反之，在電介質(zhì)的極化方向施加電場(chǎng)或電壓時(shí)，這些電介質(zhì)將產(chǎn)生幾何形變，當(dāng)撤銷外加的電場(chǎng)電壓后，電介質(zhì)的形變也隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。壓電材料的壓電特性常用壓電方程來描述：

Q=dF（6-1）式中Q-----為產(chǎn)生的電荷

d——壓電常數(shù)。

F------為在晶體的彈性限度內(nèi)施加的外力第四頁，共33頁。2.2壓電材料的分類及特性壓電式傳感器中的壓電元件材料主要有三類：壓電晶體（單晶體）：它包括壓電石英晶體和其它壓電單晶；經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷（多晶體），也稱為晶半導(dǎo)瓷，為極化處理的多晶體；新型壓電材料：有壓電半導(dǎo)體和有機(jī)高分子壓電材料兩種。第五頁，共33頁。1.石英晶體石英晶體：俗稱水晶，化學(xué)成分為SiO2，有天然和人工之分。突出的優(yōu)點(diǎn)是性能非常穩(wěn)定。石英晶體的主要性能特點(diǎn)：①壓電常數(shù)?。╠＝2.31×10-12C／N），其時(shí)間和溫度穩(wěn)定性極好，常溫下幾乎不變，在20~200℃內(nèi)其溫度變化率約為2.15106/℃；②強(qiáng)度和品質(zhì)因數(shù)高，許用應(yīng)力高達(dá)（6.8~9.8）×107Pa。且剛度大，能承受700~1000kg／cm2的壓力。固有頻率高且十分穩(wěn)定，動(dòng)態(tài)特性好；③居里點(diǎn)高，達(dá)到573℃，無熱釋電性，且絕緣性、重復(fù)性均好。石英是理想的壓電傳感器的壓電材料。石英晶體大多只在標(biāo)準(zhǔn)傳感器、高精度傳感器或使用溫度較高的傳感器中使用，而在一般要求的測(cè)量中，基本上采用壓電陶瓷。第六頁，共33頁。2.壓電陶瓷壓電陶瓷是人造多晶系壓電材料。常用的壓電陶瓷有鈦酸鋇壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷(PZT)、鈮酸鹽系壓電陶瓷和鈮鎂酸鉛壓電陶瓷四大類。壓電陶瓷的壓電系數(shù)比石英晶體的大得多，所以采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器的靈敏度較高。但介電常數(shù)、機(jī)械性能不如石英好。由于它們品種多，性能各異，可根據(jù)它們各自的特點(diǎn)制作各種不同的壓電傳感器。而且制造成本較低，因此，目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的壓電元件絕大多數(shù)都采用壓電陶瓷。3.高分子壓電材料高分子壓電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的壓電常數(shù)最高。第七頁，共33頁。4.壓電材料的主要特性參數(shù)①壓電常數(shù):壓電常數(shù)是衡量材料壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù)，它直接關(guān)系到壓電元件輸出靈敏度。②彈性常數(shù):壓電材料的彈性常數(shù)、剛度決定著壓電器件的固有頻率和動(dòng)態(tài)特性。③介電常數(shù):對(duì)于一定形狀、尺寸的壓電元件，其固有電容特性與介電常數(shù)有關(guān)；而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限。④機(jī)械耦合系數(shù)：它的意義是，在壓電效應(yīng)中，轉(zhuǎn)換輸出能量（如電能）與輸入的能量（如機(jī)械能）之比的平方根，這是衡量壓電材料機(jī)—電能量轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)重要參數(shù)。⑤電阻:壓電材料的絕緣電阻將減少電荷泄漏，從而改善壓電傳感器的低頻特性。⑥居里點(diǎn)溫度:它是指壓電材料開始喪失壓電特性的溫度。第八頁，共33頁。5.壓電效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理

（a）（b）（c）（d）圖6-1石英晶體外形與切片第九頁，共33頁。為了直觀地了解石英晶體的壓電效應(yīng)，將構(gòu)成石英晶體的硅離子和氧離子在垂直于z軸的xy平面上投影，則等效為一個(gè)正六邊形排列。矩形晶體上受力與產(chǎn)生電荷的關(guān)系是：若沿X軸施加壓力Fx，則在與

x軸垂直的平面（加壓的兩表面）上分別出現(xiàn)正負(fù)電荷；若沿Y軸施加壓力Fy，則在加壓的兩表面上不出現(xiàn)電荷，電荷仍然出現(xiàn)在與

x軸垂直的平面上，只是電荷符號(hào)相反。若將X、Y軸方向施加的壓力改為拉力，則產(chǎn)生電荷的位置與施加壓力時(shí)相同，仍然出現(xiàn)在與

x軸垂直的平面上，但電荷的符號(hào)與施加壓力時(shí)相反。當(dāng)然用切向應(yīng)力作用時(shí)也會(huì)產(chǎn)生電荷，此時(shí)可用力的分解方法來考慮。通常把沿電軸

X方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為縱向壓電效應(yīng)；把沿機(jī)械軸

Y方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為橫向壓電效應(yīng)，沿光軸

Z方向受力時(shí)不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。第十頁，共33頁。

圖6.3受力形變示意圖如果在x軸方向施加拉力，體沿x方向?qū)a(chǎn)生拉伸變形，正負(fù)離子的相對(duì)位置也隨之變動(dòng)。如圖6-3（b）所示，此時(shí)正負(fù)電荷重心不再重合，P1的增加，P2、P3的減小，，在x軸正向呈負(fù)電荷，在x軸負(fù)向呈正電荷。第十一頁，共33頁。綜上所述：矩形晶體上受力與產(chǎn)生電荷的關(guān)系是：若沿X軸施加壓力Fx，則在與

x軸垂直的平面（加壓的兩表面）上分別出現(xiàn)正負(fù)電荷；若沿Y軸施加壓力Fy，則在加壓的兩表面上不出現(xiàn)電荷，電荷仍然出現(xiàn)在與

x軸垂直的平面上，只是電荷符號(hào)相反。若將X、Y軸方向施加的壓力改為拉力，則產(chǎn)生電荷的位置與施加壓力時(shí)相同，仍然出現(xiàn)在與

x軸垂直的平面上，但電荷的符號(hào)與施加壓力時(shí)相反。當(dāng)然用切向應(yīng)力作用時(shí)也會(huì)產(chǎn)生電荷，此時(shí)可用力的分解方法來考慮。通常把沿電軸

X方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為縱向壓電效應(yīng)；把沿機(jī)械軸

Y方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為橫向壓電效應(yīng)。沿光軸

Z方向受力時(shí)不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。第十二頁，共33頁。壓電陶瓷壓電效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理:壓電陶瓷是人工制造的多晶體（無數(shù)微細(xì)的單晶組成）壓電材料。其壓電效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理與石英不同。壓電陶瓷內(nèi)部有許多自發(fā)極化的電疇，它們具有一定的極化方向，從而存在電場(chǎng)。極化處理以前，各電疇在晶體中雜亂分布，它們各自的極化效應(yīng)相互抵消，壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零。因此原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質(zhì),如圖6.4（a）所示。壓電陶瓷必須經(jīng)過極化處理后才具有壓電效應(yīng)。圖6.4壓電陶瓷極化第十三頁，共33頁。6.壓電元件常用的結(jié)構(gòu)形式(1)壓電元件的基本變形壓電元件作為壓電式傳感器的核心，在受外力作用時(shí)，其受力和變形方式大致有厚度變形、長(zhǎng)度變形、體積變形和厚度剪切變形等幾種形式，如圖6.6所示。圖6.6厚度變形(TE);(b)長(zhǎng)度變形(LE)；(c)體積變形(VE)；面切變形(FS)；(e)剪切變形(TS)第十四頁，共33頁。(2)壓電元件的結(jié)構(gòu)形式壓電元件的接法有并聯(lián)和串聯(lián)兩種并聯(lián)連接式壓電傳感器的輸出電容和極板上的電荷分別為單塊晶體片的2倍，而輸出電壓與單片上的電壓相等。即:

串聯(lián)時(shí)，輸出總電荷Q等于單片上的電荷，輸出電壓為單片電壓的2倍，總電容應(yīng)為單片的1/2。即第十五頁，共33頁。圖6.7壓電元件的并聯(lián)和串聯(lián)并聯(lián)接法雖然輸出電荷大，但由于本身電容亦大，故時(shí)間常數(shù)大，只適宜測(cè)量慢變化信號(hào)，并以電荷作為輸出的情況。串聯(lián)接法雖然輸出電壓高，本身電容小，故適宜用于以電壓作為輸出信號(hào)、且測(cè)量電路輸入阻抗很高的情況。

第十六頁，共33頁。(3)壓電材料選擇作為壓電材料首先應(yīng)具有較大的壓電常數(shù)

d，有利于機(jī)—電性能的轉(zhuǎn)換。其次，壓電元件作為受力元件，希望它的強(qiáng)度高，剛度大，以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動(dòng)頻率。第三，希望具有高的電阻率和大的介電常數(shù)，以期減弱外部分布電容的影響和減小電荷泄漏并獲得良好的低頻特性。第四，溫度和濕度穩(wěn)定性要好，具有較高的居里點(diǎn)，以期得到較寬的工作溫度范圍。第五，時(shí)間穩(wěn)定性要好，壓電特性不隨時(shí)間蛻變。第十七頁，共33頁。

2.3等效電路和測(cè)量電路1.壓電式傳感器的等效電路晶體片的兩表面相當(dāng)于一個(gè)電容的兩個(gè)極板，兩極板間的壓電材料作為絕緣體介質(zhì)，其電容量為

（6-2）S——極板面積（壓電片面積）；h——壓電片厚度；r——壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)；0——真空介電常數(shù)，0＝8.85×1012F/m兩極板間的開路電壓為

（6-3）圖6.8壓電傳感器的等效電路圖第十八頁，共33頁。壓電傳感器在實(shí)際使用時(shí)總要與測(cè)量?jī)x器或測(cè)量電路相連接，因此還必須考慮連接電纜的等效電容Cc，放大器的輸入電阻Ri、輸入電容Ci，及壓電式傳感器的泄漏電阻Ra，這樣，在測(cè)量系統(tǒng)中，壓電傳感器的實(shí)際等效電路如圖6.9所示:

圖6.9壓電傳感器的實(shí)際等效電路圖第十九頁，共33頁。2.壓電式傳感器的測(cè)量電路圖6.10電荷放大器a）電路b）外形1－壓電傳感器2－屏蔽電纜線3－分布電容4－電荷放大器SC－靈敏度選擇開關(guān)SR－帶寬選擇開關(guān)Cf′－Cf在放大器輸入端的密勒等效電容Cf″－Cf在放大器輸出端的密勒等效電容第二十頁，共33頁。3.壓電式傳感器的應(yīng)用

(1)壓電式測(cè)力傳感器:壓電式測(cè)力傳感器在直接測(cè)量拉力或壓力時(shí)，通常多采用雙片或多片石英晶體作壓電元件。按測(cè)力狀態(tài)分為單向力、雙向力和三向力傳感器。圖6.11壓電式測(cè)力傳感器第二十一頁，共33頁。(2)壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器是一種最常用的加速度計(jì)。圖6.12是一種壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。它主要由壓電元件、質(zhì)量塊、預(yù)壓彈簧、基座及外殼等組成。

圖6.12壓電式加速度傳感器第二十二頁，共33頁。(3)壓電式金屬加工切削力測(cè)量圖6.13是利用壓電陶瓷傳感器測(cè)量刀具切削力的示意圖。由于壓電陶瓷元件的自振頻率高,特別適合測(cè)量變化劇烈的載荷。圖中壓電傳感器位于車刀前部的下方,當(dāng)進(jìn)行切削加工時(shí),切削力通過刀具傳給壓電傳感器,壓電傳感器將切削力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出,記錄下電信號(hào)的變化便測(cè)得切削力的變化。圖6.13壓電式刀具切削力測(cè)量示意圖第二十三頁，共33頁。(4)壓電式報(bào)警器

BS-D2壓電式傳感器是專門用于檢測(cè)玻璃破碎的一種傳感器，它利用壓電元件對(duì)振動(dòng)敏感的特性來感知玻璃受撞擊和破碎時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)波。傳感器把振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成電壓輸出，輸出電壓經(jīng)放大、濾波、比較等處理后提供給報(bào)警系統(tǒng)。

使用時(shí)把傳感器貼在玻璃上，然后通過電纜和報(bào)警電路相連。為了提高報(bào)警器的靈敏度，信號(hào)經(jīng)放大后，再經(jīng)帶通濾波器進(jìn)行濾波，要求它對(duì)選定的頻譜通帶的衰減要小，而頻帶外衰減要盡量大。由于玻璃振動(dòng)的波長(zhǎng)在音頻和超聲波的范圍內(nèi)，

這就使濾波器成為電路中的關(guān)鍵。只有當(dāng)傳感器輸出信號(hào)高于設(shè)定的閾值時(shí)，才會(huì)輸出報(bào)警信號(hào)，驅(qū)動(dòng)報(bào)警執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作。玻璃破碎報(bào)警器可廣泛用于文物保管、貴重商品保管及其他商品柜臺(tái)保管等場(chǎng)合。第二十四頁，共33頁。4振動(dòng)測(cè)量及頻譜分析(1)振動(dòng)的基本概念(2)測(cè)振傳感器分類(3)壓電式振動(dòng)加速度傳感器的結(jié)構(gòu)(4)壓電振動(dòng)加速度傳感器的性能指標(biāo)靈敏度K頻率范圍動(dòng)態(tài)范圍第二十五頁，共33頁。(5)振動(dòng)的頻譜分析時(shí)域圖形

縱坐標(biāo)為輸入信號(hào)，橫坐標(biāo)為時(shí)間軸，稱為時(shí)域圖。頻域圖形

如果將時(shí)域圖經(jīng)過快速傅里葉變換（FFT），就能在計(jì)算機(jī)顯示器上顯示出另一種坐標(biāo)圖，它的橫坐標(biāo)為頻率f，縱坐標(biāo)可以是加速度，也可以是振幅或功率等。專門用于測(cè)量和顯示頻譜圖的儀器稱為頻譜儀。

第二十六頁，共33頁。依靠頻譜分析法進(jìn)行故障診斷

從頻譜儀得到的頻域圖（又稱頻譜圖，見圖6-15b）中可以清楚地看到，活塞的振動(dòng)是由5Hz和10Hz等多個(gè)振動(dòng)分量合成的。10Hz的幅值大約是5Hz幅