1、项目项目13 压电式振动传感器的安装与测试压电式振动传感器的安装与测试 项目描述项目描述 本项目安装并测试一台压电式振动传感器。 压电式传感器其有灵敏度高、频带宽、质量轻、体积小、工作可靠等优点，随着电子技术的发展，与之配套的二次仪表以及低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现，使压电传感器在各种动态力、机械冲击与振动的测量，以及声学、医学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用。 知识和能力目标； 掌握压电效应概念。 了解压电式传感器的性能、特点。 熟悉压电元件的连接方式。 能分析由压电传感器组成检测系统的工作原理，正确应用和维护压电传感器。一、认识压电效应及压电材料一、认识压电效应及压电材料
2、（一）一） 压电效应压电效应 1.压电效应的概念压电效应的概念 某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，其内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，其又重新恢复到不带电状态，这种现象称压电效应。相反，当在电介质极化方向施加电场，这些电介质也会产生变形，这种现象称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。 2压电效应原理压电效应原理 具有压电效应的物质很多，如石英晶体、压电陶瓷、高分子压电材料等。现以石英晶体为例，简要说明压电效应的机理 （1）在无外力作用时，硅离子所带的正电荷等效中心与氧离子所带负电荷的等效中心是重合的，整个晶胞不呈现带电现象，如图8-4（a）所
3、示。（2）当晶体沿电轴（x轴）方向受到压力时，晶格产生变形，如图8-4（b）所示。硅离子的正电荷中心上移，氧离子的负电荷中心下移，正负电荷中心分离，在晶体的x面的上表面产生正电荷，下表面产生负电荷而形成电场。反之，如果受到拉力作用时，情况恰好相反，x面的上表面产生负电荷，下表面产生正电荷。如果受到的是交变力，则在x面的上下表面间将产生交变电场。如果在x上下表面镀上银电极，就能测出所产生电荷的大小。（3）同样，当晶体的机械轴（y轴）方向受到压力时，也会产生晶格变形，如图8-4（c）所示。硅离子的正电荷中心下移，氧离子的负电荷中心上移，在x面的上表面产生负电荷，在x面的下表面产生正电荷，这个过程恰
4、好与x轴方向受压力时的情况相反。（4）当晶体的光轴（z轴）方向受到受力时，由于晶格的变形不会引起正负电荷中心的分离，所以不会产生压电效应。 在晶体的弹性限度内，在x轴方向上施加压力Fx上时，x面上产生的电荷为Q=d11Fx （8-1） 式中，d11为压电常数。 在y轴方向施加压力时，在x面上产生的电荷为Q = d12Fy = - d11Fy（8-2） 式中，l、分别为石英晶片的长度与厚度。（二）压电材料（二）压电材料 1. 压电材料的主要特性参数压电材料的主要特性参数 压电材料的主要特性参数有如下几个。 （1）压电常数 压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数，它直接关系到压电输出的灵敏度。 （2
5、）弹性常数 压电材料的弹性常数、刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。 （3）介电常数 对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容与介电常数有关；而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。 （4）机械耦合系数 在压电效应中，其值等于转换输出能量（如电能）与输入能量（如机械能）之比的平方根；它是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。 （5）绝缘电阻 电阻压电材料的绝缘电阻能减少电荷泄漏，从而改善压电传感器的低频特性。 （6）居里点 2. 常用压电材料 （1）石英晶体它的突出优点是性能非常稳定，介电常数与压电系数的温度稳定性特别好，且居里点高，达到575（即到575时，石英晶体将完全丧失压电性
6、质）。此外，它还具有很大的机械强度和稳定的机械性能，绝缘性能好、动态响应快、线性范围宽、迟滞小等优点。但石英晶体的压电常数小（d11=2.311012C/N），灵敏度低，且价格较贵，所以只在标准传感器、高精度传感器或高温环境下工作的传感器中作为压电元件使用。石英晶体分为天然与人造晶体两种。 （2）压电陶瓷 压电陶瓷的压电系数很高，具有烧制方便、耐湿、耐高温、易于成型等特点，制造成本很低。因此，在实际应用中的压电传感器，大多采用压电陶瓷材料。压电陶瓷的弱点是，居里点较石英晶体要低200400，性能没有石英晶体稳定。但随着材料科学的发展，压电陶瓷的性能正在逐步提高。常用的压电陶瓷材料有以下几种：
7、钛酸钡压电陶瓷（BaTiO3） 常用的压电陶瓷材料有以下几种： 钛酸钡压电陶瓷（BaTiO3） 锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT） 铌酸盐系列压电陶瓷 铌镁酸铅压电陶瓷（PMN） （3）高分子压电材料 某些合成高分子聚合物薄膜经延展拉伸和电场极化后，具有一定的压电性能，这类薄膜称为高分子压电薄膜 二、压电式传感器测量电路二、压电式传感器测量电路 （一）压电式传感器的等效电路压电元件的等效电路 压电元件实际的等效电路图 1. 电荷放大器2. 电压放大器（阻抗变换器）项目实施项目实施三、压电式振动传感器的安装与测试三、压电式振动传感器的安装与测试 通过本实训项目学习使大家进一步了解压电传感器的测量振动
8、的原理和方法。 本实训项目需用器件与单元：转动、振动源模块、压电传感器、移相/相敏检波/低通滤波器模块、压电式传感器实训模块、双线示波器。如图13-11所示。(a) 压电传感器 (b) 移相/相敏检波/低通滤波器模块 (c) 压电式传感器实训模块 (g) 双线示波器 实训步骤： 1首先将压电传感器装在振动源模块上，压电传感器底部装有磁钢，可和振动盘中心的磁钢相吸。 2将低频振荡器信号接入到振动源的低频输入源插孔。 3将压电传感器输出两端插入到压电传感器实训模块两输入端，按图13-12连接好实训电路，压电传感器黑色端子接地。将压电传感器实训模块电路输出端Vo1（如增益不够大，则Vo1接入IC2，
9、Vo2接入低通滤波器）接入低通滤波器输入端Vi，低通滤波器输出Vo与示波器相连。图13-12 压电式传感器性能实验接线图 4.合上主控箱电源开关，调节低频振荡器的频率与幅度旋钮使振动台振动，观察示波器波形。 5.改变低频振荡器频率，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。项目拓展项目拓展四、四、 压电式传感器的应用压电式传感器的应用 （一）（一）压电传感器的基本连接压电元件的串联和并联接法 压电片的并联连接电路图 1. 压电式力传感器（二）压电传感器的应用（二）压电传感器的应用 2. 压电式加速度传感器 3. 声振动报警器项目小结项目小结 通过本项目的学
10、习主要给大家介绍了压电效应和逆压电效应的概念、常用的压电材料以及压电传感器的应用。 1.某些电介质，当沿着一定方向对它施加压力时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上产生相反的电荷；当外力去掉后，电介质又重新恢复为不带电状态，这种现象被称为压电效应。相反，当在电介质极化方向施加电场, 这些电介质也会产生变形, 这种现象称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。 元件上的电荷是有极性的，因此接法有串联和并联两种。 2.在自然界中大多数晶体具有压电效应, 但压电效应十分微弱。应用于压电式传感器中的压电元件材料一般有三类：压电晶体、经过极化处理的压电陶瓷、高分子压电材料。 3.压电传感器的前置放大器有两个作用：一是把传感器的高阻抗输出转换为低阻抗输出；二是把传感器的微弱信号进行放大。前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。 4.在压电式传感器中，为了提高灵敏度，往往采用多片压电晶片粘结在一起。其中最常用的是两片结构。由于压电
