壓電式傳感器的使用

傳感器及應(yīng)用1

任務(wù)1：車速檢測中的壓力檢測任務(wù)2：電子秤的壓力檢測任務(wù)3：管道內(nèi)液體的壓力檢測任務(wù)4：物聯(lián)網(wǎng)中的壓力檢測-知識拓展項(xiàng)目六、物聯(lián)網(wǎng)中的壓力檢測傳感器及應(yīng)用1

壓電式傳感器的使用任務(wù)1：車速檢測中的壓力檢測一、壓電式傳感器應(yīng)用舉例壓電式傳感器的應(yīng)用

壓電元件是一種典型的力敏感元件。可用來測量最終能轉(zhuǎn)換為力的多種物理量。常用來測量力和加速度。例如，玻璃破碎報(bào)警；埋在地下作為周界安全防護(hù)報(bào)警；交通道路監(jiān)控，車床動態(tài)切削力測量；體育動態(tài)力

(起跑，跳躍)測量；震動，爆破，地震，汽車安全氣囊等。

土層壓力傳感器壓電式力傳感器壓電傾斜測量儀壓電式傳感器的使用一、壓電式傳感器應(yīng)用舉例壓電式傳感器的特點(diǎn)：是能量轉(zhuǎn)換型（發(fā)電型）傳感器；體積小，重量輕，剛性好，可以提高其固有頻體積小，重量輕，剛性好，可以提高其固有頻率，得到較寬的工作頻率范圍。靈敏度高，穩(wěn)定性好，可靠。對應(yīng)用縱向壓電效應(yīng)的傳感器，電荷量與晶體的變形無關(guān)，因而靈敏度與傳感器剛度無關(guān)。有比較理想的線性，且通常沒有滯后現(xiàn)象。

壓電式傳感器的使用一、壓電式傳感器應(yīng)用舉例壓電式傳感器的應(yīng)用1.低頻特性較差，主要用于動態(tài)測量低頻特性較差，主要用于動態(tài)測量；2.存在橫向效應(yīng)，影響測量結(jié)果；3.應(yīng)用中要求采取嚴(yán)格的絕緣措施，并采用低電容、低噪聲電纜；4.工作原理可逆；5.應(yīng)用：壓電傳感器可以直接用于測力或測量與力有關(guān)的壓力、位移、振動加速度等。

壓電式傳感器的使用一、壓電式傳感器應(yīng)用舉例石英晶體幾何切型：

石英晶體優(yōu)異的頻率溫度關(guān)系雖然能夠提供穩(wěn)定的頻率輸出，但這僅僅局限于特定的晶體方向。通常我們稱這些特殊的方向?yàn)椴煌那行停馕吨梢酝ㄟ^晶體軸的旋轉(zhuǎn)獲得這些方向和以一種特別的方式來切割晶體。常用的切型有AT，SC和ST等。壓電式傳感器的使用一、壓電式傳感器應(yīng)用舉例石英晶體幾何切型的分類

石英晶體在xyz直角坐標(biāo)系中的方位可分為兩大切族：X切族和Y切族（以厚度取向?yàn)榍行停?。?）X切族：是以厚度方向平行于晶體X軸，長度方向平行于Y軸，寬度方向平等于Z軸這一原始位置旋出來的各種不同的幾何切型。如圖（a）。（2）Y切族：這是以厚度方向平行于晶體的Y軸，長度方向平行于X軸，寬度方向平行于Z軸這一原始位置旋轉(zhuǎn)出來的各種幾何切型。如圖（b）。

壓電式傳感器的使用一、壓電式傳感器應(yīng)用舉例石英晶體幾何切型的表示方法：每一種切型的石英晶片用一組字母：x,y,z,t,l,w和角度r來表示。任何一個(gè)切割方位都可以通過一個(gè)起始方位旋轉(zhuǎn)得到。第一個(gè)字母表示起始方位厚度的方向，第二個(gè)字母表示起始方位長度的方向，如X切族以XY表示；Y切族以YX表示。用字母t（厚度）、l（長度）、w（寬度）來表示起始面轉(zhuǎn)動時(shí)圍繞的旋轉(zhuǎn)軸。單轉(zhuǎn)角切型后面的角度表示繞以第三個(gè)字母代表的軸向旋轉(zhuǎn)的角度。雙轉(zhuǎn)角切型的第二個(gè)角度表示繞以第四個(gè)字母代表的軸向旋轉(zhuǎn)的角度。角度為正時(shí)表示晶片繞軸作逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，角度為負(fù)時(shí)表示順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。其方向規(guī)定從x(或y)軸的正端看，若r角繞x(或y)軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，取正值；順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，取負(fù)值。XYZOqfX’壓電式傳感器的使用一、壓電式傳感器應(yīng)用舉例石英晶體幾何切型的表示方法：例：(yxl)+35°15'即（AT）切型，表示晶片的厚度方向與Y軸平行，長度方向與X軸平行，并在yx的原始位置上繞其長度l逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)35°15'的切割。例：(xytl)+5°/(-50°)切型,表示晶片的厚度方向與X軸平行，長度方向與Y軸平行，并且在XY原始位置上，先繞厚度T逆時(shí)針轉(zhuǎn)5°，再繞長度l順時(shí)針轉(zhuǎn)50°的切割。AT切型壓電式傳感器的使用一、壓電式傳感器應(yīng)用舉例壓電式測力傳感器：壓電式測力傳感器是利用壓電元件直接實(shí)現(xiàn)力—電轉(zhuǎn)換的傳感器，在拉、壓場合，通常采用雙片或多片石英晶體作壓電元件。如壓電式三向動態(tài)測力儀用于測試動態(tài)切削力。還可以利用其它彈性材料做的敏感元件來測量力。即通過彈性膜、盒等，把壓力收集轉(zhuǎn)換成力，再傳遞給壓電元件。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，必須注意：（1）確保彈性膜片與后接傳力件間有良好的面接觸，否則，接觸不良會造成滯后或線性惡化，影響靜、動態(tài)特性。（2）傳感器基體和殼體要有足夠的剛度，以保證被測壓力盡可能傳遞到壓電元件上。（3）壓電元件的振動模式選擇要考慮到頻率覆蓋：彎曲；壓縮；剪切。（4）涉及傳力的元件，盡可能采用高音速材料和扁薄結(jié)構(gòu)，以利快速、無損地傳遞彈性元件的彈性波，提高動態(tài)性能。（5）考慮加速度，溫度等環(huán)境干擾的補(bǔ)償。壓電式傳感器的使用一、壓電式傳感器應(yīng)用舉例壓電式測力傳感器：1.單向力傳感器(1)

僅用來測量單向的壓力，如機(jī)床動態(tài)切削力的測量。壓電元件采用xy(即x0°)切型石英晶體，利用其縱向壓電效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)力一電轉(zhuǎn)換。它用兩塊晶片(Φ8mm×1mm)作傳感元件，被測力通過傳力上蓋l使石英晶片2沿電軸方向受壓力作用，由于縱向壓電效應(yīng)使石英晶片在電軸方向上出現(xiàn)電荷，兩塊晶片沿電軸方向并聯(lián)疊加，負(fù)電荷由電極3輸出，壓電晶片正電荷一側(cè)與底座連接。壓電式力傳感器1.傳力上蓋；2.石英晶片；3.電極；4.底座；5.電極引出頭；6.絕緣材料壓電式傳感器的使用一、壓電式傳感器應(yīng)用舉例壓電式測力傳感器：1.單向力傳感器(2)

兩片并聯(lián)可提高其靈敏度。壓力元件彈性變形部分的厚度較薄，其厚度由測力大小決定。這種結(jié)構(gòu)的單向力傳感器體積小、質(zhì)量輕(僅10g)，固有頻率高（約50～60kHz)，可檢測高達(dá)5000N

的動態(tài)力，分辨率為10-3N。壓電式力傳感器1.傳力上蓋；2.石英晶片；3.電極；4.底座；5.電極引出頭；6.絕緣材料壓電式傳感器的使用一、壓電式傳感器應(yīng)用舉例壓電式測力傳感器：2.雙向力傳感器(1)

雙向力傳感器基本用于測量垂直分力Fx與切向分力Fy，以及測量互相垂直的兩個(gè)切向分力，即Fx和Fy。無論哪一種測量，傳感器的結(jié)構(gòu)形式相似。圖所示為雙向壓電石英晶片的力傳感器結(jié)構(gòu)，兩組石英晶片分別測量兩個(gè)分力，下面一組采用xy(x0°)

切型，通過dll實(shí)現(xiàn)力-電轉(zhuǎn)換，測量軸向力Fx；雙向壓電式力傳感器（a）雙向力傳感器；（b）yx切型示意圖壓電式傳感器的使用一、壓電式傳感器應(yīng)用舉例壓電式測力傳感器：2.雙向力傳感器(2)

上面一組采用yx(y0°)切型，晶片的厚度方向?yàn)閥軸方向，在平行于x軸的剪切應(yīng)力σ6(在xy平面內(nèi))的作用下，產(chǎn)生厚度剪切變形。所謂厚度剪切變形是指晶體受剪切應(yīng)力的面與產(chǎn)生電荷的面不共面，如圖(b)所示。這一組石英晶體通過d26實(shí)現(xiàn)力-

電轉(zhuǎn)換來測量Fy。雙向壓電式力傳感器（a）雙向力傳感器；（b）yx切型示意圖壓電式傳感器的使用一、壓電式傳感器應(yīng)用舉例舉例：測加速度(1)當(dāng)傳感器感受振動時(shí)，質(zhì)量塊感受慣性力的作用。質(zhì)量塊有一正比于加速度的交變力作用在壓電片上。由于壓電片壓電效應(yīng)，兩個(gè)表面上就產(chǎn)生交變電荷，當(dāng)振動頻率遠(yuǎn)低于傳感器的固有頻率時(shí)，傳感器的輸出電荷（電壓）與作用力成正比，亦即與試件的加速度成正比。電荷量直接反映加速度大小。其靈敏度與壓電材料壓電系數(shù)和質(zhì)量塊質(zhì)量有關(guān)。輸出電量由傳感器輸出端引出，輸入到前置放大器后就可以用普通的測量儀器測出試件的加速度，如在放大器中加進(jìn)適當(dāng)?shù)姆e分電路，就可以測出試件的振動速度或位移。壓電式傳感器的使用一、壓電式傳感器應(yīng)用舉例舉例：測加速度(2)為了提高傳感器靈敏度，一般選擇壓電系數(shù)大的壓電陶瓷片。若增加質(zhì)量塊質(zhì)量會影響被測振動，同時(shí)會降低振動系統(tǒng)的固有頻率，因此一般不用增加質(zhì)量辦法來提高傳感器靈敏度。此外還可以用增加壓電片數(shù)目和采用合理的連接方法也可提高傳感器靈敏度。壓電式傳感器的使用一、壓電式傳感器應(yīng)用舉例壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)形式：有壓縮型、剪切型和復(fù)合型。壓縮型：（1）正裝中心壓縮式：正裝中心壓縮式如圖。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：質(zhì)量快和彈性元件通過中心螺栓固緊在基座上形成獨(dú)立的體系，殼體僅起防護(hù)和屏蔽作用。具有靈敏度高、性能穩(wěn)定，頻響好，工作可靠等優(yōu)點(diǎn)。但基座的機(jī)械和熱變?nèi)杂杏绊?。壓電式傳感器的使用一、壓電式傳感器?yīng)用舉例壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)形式（2）壓縮型的改進(jìn)型。圖(b)為改進(jìn)型的隔離基座壓縮式，圖(c)為改進(jìn)型的倒裝中心壓縮式，這兩種結(jié)構(gòu)都可以避免基座變形影響。圖(d)為雙筒雙屏蔽的新穎結(jié)構(gòu)，除了外殼起屏蔽作用外，預(yù)載套筒也起內(nèi)屏蔽作用。預(yù)載套筒橫向剛度大，大大提高了傳感器的綜合剛度和橫向抗干擾能力。壓電式傳感器的使用一、壓電式傳感器應(yīng)用舉例振動測量及頻譜分析(1)振動可分為機(jī)械振動、土木結(jié)構(gòu)振動、運(yùn)輸工具振動、武器、爆炸引起的沖擊振動等。從振動的頻率范圍來分，有高頻振動、低頻振動和超低頻振動等。從振動信號的統(tǒng)計(jì)特征來看，可將振動分為周期振動、非周期振動以及隨機(jī)振動等。壓電式傳感器的使用一、壓電式傳感器應(yīng)用舉例振動測量及頻譜分析(2)測振傳感器分類測振用的傳感器又稱拾振器，它有接觸式和非接觸式之分。接觸式中有磁電式、電感式、壓電式等；非接觸式中又有電渦流式、電容式、霍爾式、光電式等。下面介紹壓電式測振傳感器及其應(yīng)用。橫向振動測振器縱向振動測振器壓電式傳感器的使用一、壓電式傳感器應(yīng)用舉例振動測量及頻譜分析(3)地震的測量壓電式傳感器的使用一、壓電式傳感器應(yīng)用舉例振動測量及頻譜分析(4)減速箱故障分析----依靠頻譜分析法進(jìn)行故障診斷

a）時(shí)域波形b）頻域波形壓電式傳感器的使用一、壓電式傳感器應(yīng)用舉例橋墩水下缺陷探測(1)圖示為用壓電式加速度傳感器探測橋墩水下部位裂紋的示意圖。通過放電炮的方式使水箱振動(激振器)，橋墩將承受垂直方向的激勵(lì)，用壓電式加速度傳感器測量橋墩的響應(yīng)，將信號經(jīng)電荷放大器進(jìn)行放大后送入數(shù)據(jù)記錄儀，再將記錄下的信號輸入頻譜分析設(shè)備，經(jīng)頻譜分析后就可判定橋墩有無缺陷。壓電式傳感器的使用一、壓電式傳感器應(yīng)用舉例橋墩水下缺陷探測(2)圖(a)為探測示意圖。沒有缺陷的橋墩為一堅(jiān)固整體，加速度響應(yīng)曲線為單峰，如圖(b)所示。若橋墩有缺陷，其力學(xué)系統(tǒng)變得更為復(fù)雜，激勵(lì)后的加速度響應(yīng)曲線將顯示出雙峰或多峰，如圖(c)所示。壓電式傳感器的使用一、壓電式傳感器應(yīng)用舉例壓電式流量計(jì)利用超聲波在順流方向和逆流方向的傳播速度進(jìn)行測量。其測量裝置是在管外設(shè)置兩個(gè)相隔一定距離的收發(fā)兩用壓電超聲換能器，每隔一段時(shí)間(如1/100s)，發(fā)射和接收互換一次。在順流和逆流的情況下，發(fā)射和接收的相位差與流速成正比。據(jù)這個(gè)關(guān)系，可精確測定流速。流速與管道橫截面積的乘積等于流量。此流量計(jì)可測量各種液體的流速，中壓和低壓氣體的流速，不受該流體的導(dǎo)電率、粘度、密度、腐蝕性以及成分的影響。其準(zhǔn)確度可達(dá)0.5%，有的可達(dá)到0.01%。根據(jù)發(fā)射和接收的相位差隨海洋深度深度的變化，測量聲速隨深度的分布情況.壓電式傳感器的使用一、壓電式傳感器應(yīng)用舉例自來水管道測漏(1)檢測原理：如果地面下有一條均勻的直管道某處O點(diǎn)為漏點(diǎn)，振動聲音從O點(diǎn)向管道兩端傳播，傳播速度為V，在管道上A、B兩點(diǎn)放兩只傳感器，A、B距離為L（已知或可測），從A、B兩個(gè)傳感器接收的由O點(diǎn)傳來的t0時(shí)刻發(fā)出的振動信號所用時(shí)間為

tA（=LA/V）和tB（=LB/V），兩者時(shí)間差為

Δt=tA-tB=（LA-LB）/V（1）又L=LA+LB