1、机、电类传感器与检测技术项目教程模块七、振动检测模块七、振动检测 课件统一书号：统一书号：ISBN 978-7-111-48817-0课程配套网站www.sensor-或或 2015年年2月第月第1版版（作者：梁森、黄杭美、王明霄、王侃夫）（作者：梁森、黄杭美、王明霄、王侃夫）本模块介绍本模块介绍“振动振动”的基本概念、的基本概念、各种测各种测振传感器振传感器、激振的方法、激振的方法、各种激振器各种激振器，简要介简要介绍频谱图绍频谱图、振动的频谱分析，、振动的频谱分析，还介绍了还介绍了MEMSMEMS加速度传感器加速度传感器。内容简介内容简介今天是：今天是：20222022年年8 8月月131
2、3日星期六日星期六 模块七、振动检测（上）模块七、振动检测（上）目录目录进入进入进入进入进入进入知识链接知识链接 振动的基本概念振动的基本概念项目一、测振传感器项目一、测振传感器 项目二、振动的频谱分析与故障诊断项目二、振动的频谱分析与故障诊断拓展阅读拓展阅读 MEMS加速度传感器加速度传感器現在時間現在時間是：是：15:2715:27知识链接知识链接 振动的基本概念振动的基本概念物体围绕平衡位置作往复运动称为振动。物体围绕平衡位置作往复运动称为振动。振动分类：振动分类：机械振动（例如机床、电机、泵、风机械振动（例如机床、电机、泵、风机等运行时的振动）机等运行时的振动）；土木结构振动（房屋、桥
3、梁等土木结构振动（房屋、桥梁等的振动）的振动）；运输工具振动（汽车、飞机等的振动）运输工具振动（汽车、飞机等的振动）以以及地震、武器、爆炸引起的冲击振动。及地震、武器、爆炸引起的冲击振动。一、振动的分类一、振动的分类振动的类型：振动的类型：自由振动自由振动、受迫振动受迫振动、自激振动自激振动、简简谐振动谐振动、周期振动周期振动、瞬态振动瞬态振动、随机振动随机振动、单自由度系单自由度系统振动统振动、多自由多自由度系统振度系统振动动、线性线性振动振动、非非线性振动线性振动、低频振动低频振动、中频振动中频振动、高频振动高频振动等。等。表表7-17-1 机械振动的分类与特征机械振动的分类与特征分分 类
4、类名名 称称特特 征征按振动按振动产生产生的原因的原因分类分类自由振动自由振动 是系统受短暂的初始干扰或外部激振后，系统本身由弹是系统受短暂的初始干扰或外部激振后，系统本身由弹性恢复力和惯性力所维持的振动。当系统存在阻尼时，其性恢复力和惯性力所维持的振动。当系统存在阻尼时，其振动幅度将逐渐衰减振动幅度将逐渐衰减受迫振动受迫振动 由外界持续干扰引起和维持的振动，系统的振动频率为由外界持续干扰引起和维持的振动，系统的振动频率为激振频率激振频率自激振动自激振动 是在一定条件下，没有外部激振力而仅由系统本身产生是在一定条件下，没有外部激振力而仅由系统本身产生的交变力激发和维持的一种稳定的周期性振动，其
5、振动频的交变力激发和维持的一种稳定的周期性振动，其振动频率接近于系统的固有频率率接近于系统的固有频率按振动按振动的规的规律分类律分类简谐振动简谐振动 振动量为时间的正弦或余弦函数，是最基本的机械振动振动量为时间的正弦或余弦函数，是最基本的机械振动形式，其他复杂的振动都可以看成多个简谐振动的合成形式，其他复杂的振动都可以看成多个简谐振动的合成周期振动周期振动 振动量为时间的周期性函数，可展开为一系列简谐振动振动量为时间的周期性函数，可展开为一系列简谐振动瞬态振动瞬态振动 振动量为时间的非周期函数，一般在较短振动量为时间的非周期函数，一般在较短(几个周期几个周期)的的时间内存在，是可用各种脉冲函数
6、或衰减函数描述的振动时间内存在，是可用各种脉冲函数或衰减函数描述的振动表表7-17-1 机械振动的分类与特征（续）机械振动的分类与特征（续）分分 类类名名 称称特特 征征按系统按系统的自由度的自由度分类分类单自由度单自由度系统振动系统振动用一个独立变量就能表示的系统振动用一个独立变量就能表示的系统振动多自由度多自由度系统振动系统振动须用多个独立变量表示的系统振动须用多个独立变量表示的系统振动按系统按系统结构结构参数的特参数的特性分类性分类线性振动线性振动 可以用常系数线性微分方程来描述，系统的惯性力、可以用常系数线性微分方程来描述，系统的惯性力、阻尼力和弹性力分别与振动加速度、速度和位移成正阻
7、尼力和弹性力分别与振动加速度、速度和位移成正比比非线性振非线性振动动 须用非线性微分方程来描述，微分方程中出现非线须用非线性微分方程来描述，微分方程中出现非线性项性项按振动的按振动的频率分类频率分类低频振动低频振动f 10Hz的振动，旋转机件的不平衡、机械变形等与位的振动，旋转机件的不平衡、机械变形等与位移成正比，主要利用位移传感器来测量移成正比，主要利用位移传感器来测量中频振动中频振动 10Hzf1000Hz的振动，振动噪声与速度成正比，的振动，振动噪声与速度成正比，主要利用速度传感器来测量主要利用速度传感器来测量高频振动高频振动 f 1000Hz的振动，振动冲击力及人体感觉与加速的振动，振
8、动冲击力及人体感觉与加速度成正比，主要利用加速度传感器来测量度成正比，主要利用加速度传感器来测量二、振动的描述与计算二、振动的描述与计算振动的基本参数：振动的基本参数：振动频率振动频率、位移位移、速度速度、加速度加速度、初相角来描述。振动频率初相角来描述。振动频率 f 指物体每秒振动循环的次数，指物体每秒振动循环的次数，单位是赫兹（单位是赫兹（Hz）。）。振动角频率振动角频率的单位为弧度的单位为弧度/秒秒（rad/s）。振动频率振动频率f的倒数称振动周期，用的倒数称振动周期，用T表示，表示，T1/f，单位是秒，单位是秒(s)。振幅：物体离开平衡位置的最大位移的绝对值，用振幅：物体离开平衡位置的
9、最大位移的绝对值，用xm表示，单位是表示，单位是m、mm或或m。峰峰值（峰峰值（xpp）：整个振动历程的正峰与负峰之间的）：整个振动历程的正峰与负峰之间的差值。差值。单峰值（单峰值（xp）：正峰或负峰的最大值；）：正峰或负峰的最大值；有效值（有效值（xrms）:振幅的均方根值。振幅的均方根值。简谐振动时，单峰值等于峰峰值的简谐振动时，单峰值等于峰峰值的1/2；有效值（有效值（xap或或x）等于单峰值的等于单峰值的0.707；平均值等于单峰值的平均值等于单峰值的0.637。1 1简谐振动位移、速度、加速度的换算简谐振动位移、速度、加速度的换算将简谐振动的位移对时间将简谐振动的位移对时间 t 求导
10、，可得振动速度求导，可得振动速度；将将速度对时间速度对时间t求导（或对位移进行二次求导），可得振求导（或对位移进行二次求导），可得振动加速度动加速度。x=xmcos(t+)（7-1）v=dxm/dt=-xmsin(t+)=vmcos(t+/2)（7-2）a=d2xm/dt=dv/dt=-2xmcos(t+)=amcos(t+)（7-3）式中式中 xm振幅（振幅（m）；）；振动角频率（振动角频率（rad/s，=2f）；）；初相角（初相角（rad）；vm速度幅值（速度幅值（m/s，vm=xp）；）；am加速度幅值（加速度幅值（m/s2，am=2xp）。）。也可也可将简谐振动的加速度将简谐振动的加速
11、度a对时间积分，得到振动的对时间积分，得到振动的速度速度v；再；再将振动速度将振动速度v对时间积分（或将加速度对时间积分（或将加速度a对时对时间双重积分），可得振动的位移间双重积分），可得振动的位移x。峰值峰值=xm；峰峰值峰峰值=2 xm；有效值有效值=0.707 xm（峰值峰值=1.414 有效值有效值）；）；平均值平均值=0.637 xm。简谐振动的三个基本参数简谐振动的三个基本参数 图图7-2 7-2 简谐振动的位移、速度、加速度变化曲简谐振动的位移、速度、加速度变化曲线线例例7-17-1 弹簧振子的简谐振动如弹簧振子的简谐振动如图图7-3所示，弹簧振子所示，弹簧振子在在C、O、B间作
12、无摩擦力、无阻尼的简谐运动。间作无摩擦力、无阻尼的简谐运动。O为平为平衡位置，衡位置，C、B分别为负的和正的终止位置。已知分别为负的和正的终止位置。已知B、C的距离为的距离为100mm，CB运动的时间为运动的时间为1s，求：振动的，求：振动的周期周期T、频率频率f和和振幅振幅x m。解解 振动的振动的周期周期T 等于弹簧振子从等于弹簧振子从COBOC的过的过程所经历的时间程所经历的时间，所以，所以 T=2tCB=21s=2s，f=1/T=1/(2s)=0.5Hz 振幅振幅xm等于等于CO的距离，或的距离，或OB的距离的距离，所以，所以 xm=100mm/2=50mm。2 2振动烈度与位移的换算
13、振动烈度与位移的换算振动速度的有效值称为振动的烈度振动速度的有效值称为振动的烈度。振动烈度是以人可感觉到的振动烈度是以人可感觉到的0.071mm/s为起点为起点，到到71mm/s，共共15个量级个量级，相邻两个烈度量级的比值约为相邻两个烈度量级的比值约为1.6（相差（相差4dB）。（7-5）FFpp22 20.45vvxAf例例7-7-2 2 利用磁电速度传感器测得振动烈度利用磁电速度传感器测得振动烈度vF=4mm/s，测，测得旋转机械的转速得旋转机械的转速n=3 000r/min（即（即3 000rpm），），假设假设旋转机械的振动只有与转速成正比的基频振动旋转机械的振动只有与转速成正比的基
14、频振动，求：旋求：旋转机械的振幅峰峰值转机械的振幅峰峰值xpp为多少微米？为多少微米？解解 该旋转机械每旋转一圈振动一次时的基频该旋转机械每旋转一圈振动一次时的基频f=n/60=(3000/60)Hz=50HzFpp4mm/s0.450.450.036mm=36m50Hzvxf如果旋转机械的转速如果旋转机械的转速n=1500r/min，在，在用速度测振用速度测振仪测得相同的烈度时，振幅将仪测得相同的烈度时，振幅将增大一倍。增大一倍。三、测振传感器的分类三、测振传感器的分类按照振动检测的目的，测振传感器可分为两大类：按照振动检测的目的，测振传感器可分为两大类：一类是一类是测量设备在运行时的振动参
15、量，检测目的是了解测量设备在运行时的振动参量，检测目的是了解被测对象的振动状态、评定振动等级和寻找振源，以及被测对象的振动状态、评定振动等级和寻找振源，以及进行监测、识别、诊断和故障预估进行监测、识别、诊断和故障预估；另一类是另一类是对设备对设备或部件进行某种激或部件进行某种激振，使其产生受迫振，使其产生受迫振动，振动，以便测得被以便测得被测对象的振动力学测对象的振动力学参量或动态性能参量或动态性能，如如固有频率固有频率、阻尼、阻尼、阻抗、阻抗、响应和模态响应和模态等等。表表7-2 7-2 测振传感器的种类及特点测振传感器的种类及特点种种 类类基本测量基本测量原理原理测量对象与测量对象与测量范
16、围测量范围特特 点点压电式压电式测振传感测振传感器器压电效应压电效应振动体的振动体的加速度加速度1Hz50kHz 自发电式，现场不需要电源，上限频率自发电式，现场不需要电源，上限频率响应高，体积小，不易损坏；标定困难响应高，体积小，不易损坏；标定困难涡流式测涡流式测振传感器振传感器电磁感应电磁感应定律与涡定律与涡流效应流效应振动体的振动体的位移；位移；010kHz 非接触式测量，标定和校验比较容易；非接触式测量，标定和校验比较容易；材料和温度不同时，需要重新标定材料和温度不同时，需要重新标定磁电式磁电式测振传感测振传感器器电磁感应电磁感应定律定律振动体的速振动体的速度；度；0.1Hz1kHz
17、自发电式，通过微分或积分，可获得简自发电式，通过微分或积分，可获得简谐振动的加速度值和位移值；线圈易损坏，谐振动的加速度值和位移值；线圈易损坏，输出电压的低频率响应应及高频率响应应输出电压的低频率响应应及高频率响应应均不好；用于振动速度检测均不好；用于振动速度检测MEMS电电容式加速容式加速度传感器度传感器变极距式变极距式电容效应电容效应振动体的加振动体的加速度速度0Hz10kHz 体积小，集成度高，可同时测量三维振体积小，集成度高，可同时测量三维振动；可用于汽车、手机、火箭、卫星、钻动；可用于汽车、手机、火箭、卫星、钻地炸弹等测振地炸弹等测振1 1绝对式和相对式测振传感器绝对式和相对式测振传
18、感器（1）绝对式测振传感器：）绝对式测振传感器：将测振传感器外壳固定在将测振传感器外壳固定在振动体待测点上，传感器壳体的振动等于被测物的振动振动体待测点上，传感器壳体的振动等于被测物的振动。传感器的主要力学组件是惯性质量块及弹性体。传感器的主要力学组件是惯性质量块及弹性体。在一定在一定的频率范围内，质量块相对于基座的运动，的频率范围内，质量块相对于基座的运动，与位移、速与位移、速度和加速度成正比度和加速度成正比。常见的绝对式测振传感器有压电式。常见的绝对式测振传感器有压电式加速度计、电容式测振传感器等。加速度计、电容式测振传感器等。（2）相对式测振传感器：）相对式测振传感器：将测振传感器壳体固
19、定在将测振传感器壳体固定在不动的支架上（也称固定基准），不动的支架上（也称固定基准），传感器的敏感元件靠传感器的敏感元件靠近被测振动体表面近被测振动体表面，从而感受被测振动体表面的位移从而感受被测振动体表面的位移。也可以将传感器中也可以将传感器中质量很轻的质量很轻的“触杆触杆”与被测振动与被测振动体接触，触杆与敏感元件形成相对振动体接触，触杆与敏感元件形成相对振动。常见的相对式常见的相对式测振传感器有涡流式加速度计及激光式测振传感器等测振传感器有涡流式加速度计及激光式测振传感器等。图图7-47-4 旋转机械的绝对式振动测量与相对式振动测量旋转机械的绝对式振动测量与相对式振动测量a）绝对式绝对式
20、振动测量振动测量 b）相对式相对式振动测量振动测量2 2测振系统力学模型测振系统力学模型图图7-5 测振系统力学模型测振系统力学模型1振动体基座振动体基座 2壳体壳体 3阻尼器阻尼器 4惯性体惯性体 5弹簧弹簧 6标尺标尺阻尼衰减振动阻尼衰减振动振幅振幅测振系统力学模型测振系统力学模型弹簧振子的简谐振动弹簧振子的简谐振动fffff测振系统测振系统力学模型分析力学模型分析 在在图图7-5所示的测振系统力学模型中，有所示的测振系统力学模型中，有质量块质量块m、弹弹簧簧k、阻尼器阻尼器c（包括弹性体的内耗及弹性滞后），称为（包括弹性体的内耗及弹性滞后），称为惯性式测振系统惯性式测振系统。惯性式测振系
21、统必须紧固在被测振动体惯性式测振系统必须紧固在被测振动体A上。上。当测振当测振系统自身的固有振动频率系统自身的固有振动频率f0=(1/2)(K/m)，远小于被测，远小于被测振动体振动体A的振动频率的振动频率f，即，即f05f时，质量块时，质量块m相对于壳体相对于壳体的振动位移的振动位移x将与被测振动体将与被测振动体A的振动位移的振动位移x成正比，成正比，这这样的测振传感器称为振幅计样的测振传感器称为振幅计。1振动体基座振动体基座 2壳体壳体 3阻尼器阻尼器 4惯性体惯性体 5弹簧弹簧 6标尺标尺测振系统测振系统力学模型力学模型分析（续）分析（续）当当f0f、且阻尼、且阻尼c很大时，质量块很大时
22、，质量块m的振动位移的振动位移x将将与被测振动体与被测振动体A的振动速度的振动速度v成正比，这样的测振传感成正比，这样的测振传感器称为速度计，如电动式测振仪器称为速度计，如电动式测振仪；当当f05f时，质量块将时，质量块将与振动体与振动体A一起振动，质量块与被测振动体一起振动，质量块与被测振动体A所感受到所感受到的振动加速度基本一致，的振动加速度基本一致，这样的测振传感器称为加速度这样的测振传感器称为加速度计计。项目一项目一 测振传感器测振传感器【项目教学目标【项目教学目标】知识目标知识目标1）了解压电效应及压电元件。）了解压电效应及压电元件。2）掌握电荷放大器的工作原理。）掌握电荷放大器的工
23、作原理。3）了解涡流式测振传感器的工作原理。）了解涡流式测振传感器的工作原理。4）了解磁电式测振传感器的工作原理。）了解磁电式测振传感器的工作原理。技能目标技能目标1）掌握压电式测振传感器的应用。）掌握压电式测振传感器的应用。2）掌握振动设备的激振方法。）掌握振动设备的激振方法。回目录回目录現在時間現在時間是：是：15:2715:27任务一任务一 压电式加速度传感器测量振动压电式加速度传感器测量振动一、压电效应一、压电效应某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面上产生电荷，时，内部会产生极化现象，同时在其表面上
24、产生电荷，当外力去掉后，又重新回到不带电的状态，这种现象称当外力去掉后，又重新回到不带电的状态，这种现象称为压电效应为压电效应。反之，在电介质的极化方向上施加交变电反之，在电介质的极化方向上施加交变电场或电压，它会产生机械变形。去掉外加电场时，电介场或电压，它会产生机械变形。去掉外加电场时，电介质变形随之消失，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩质变形随之消失，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）效应）。在晶体的弹性限度内，压电材料受力后，其表面产在晶体的弹性限度内，压电材料受力后，其表面产生的电荷生的电荷Q与所施加的力与所施加的力Fx成正比，即：成正比，即：Q=d Fx （7-6）式中式中 d
25、压电常数。压电常数。石英晶体石英晶体的压电效的压电效应演示应演示当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电输出电压的频率与动态力的频率相同压的频率与动态力的频率相同；当施加静态力时，当施加静态力时，在在初始瞬间，产生与力成正比的电荷，但由于初始瞬间，产生与力成正比的电荷，但由于表面漏电，表面漏电，所产生的电荷很快泄漏，并消失所产生的电荷很快泄漏，并消失。天然石英晶体外形天然石英晶体外形石英晶体的特性石英晶体的特性石英（石英（SiO2）是一种具有良好压电特性的压电晶体。）是一种具有良好压电特性的压电晶体。其其介电常数和压电系数的温度稳定性相当好介电常数和压
26、电系数的温度稳定性相当好,在常温范在常温范围内这两个参数几乎不随温度变化如下两图。围内这两个参数几乎不随温度变化如下两图。在在20200范围内，温度每升高范围内，温度每升高1，压电系数仅，压电系数仅减少减少0.016。但是当到。但是当到573时，它突然时，它突然完全失去了完全失去了压电特性压电特性，这就是它的，这就是它的居里点居里点。石英的石英的d11系数相对于系数相对于20的的d11温度变化特性温度变化特性石英在高温下相对介电常数的石英在高温下相对介电常数的温度特性温度特性天然石英晶体外形（续）天然石英晶体外形（续）石英晶体的切片石英晶体的切片石英晶体片及封装石英晶体片及封装石英晶体薄片石英
27、晶体薄片双面镀银并封装双面镀银并封装清代诗人苏履吉赞颂鸣沙清代诗人苏履吉赞颂鸣沙“雷送余音声袅袅，风生细响语喁喁雷送余音声袅袅，风生细响语喁喁”鸣沙山上的逆压电效应鸣沙山上的逆压电效应鸣沙丘鸣沙丘交变外力作用在压电元件上交变外力作用在压电元件上，可以产生交变的电可以产生交变的电荷荷Q，在上下镀银的表面上产生交变电压在上下镀银的表面上产生交变电压。对压电元件施加交变力，产生交变电荷对压电元件施加交变力，产生交变电荷 压电传感器产生的交变电荷的压电传感器产生的交变电荷的变化频率与交变力变化频率与交变力的频率相同的频率相同，等效于交变电荷源等效于交变电荷源。二、压电材料的分类及特性二、压电材料的分类
28、及特性 压电传感器中的压电元件材料常用的有三类：压电传感器中的压电元件材料常用的有三类：一类是：一类是：压电晶体压电晶体（如上述的石英晶体）；（如上述的石英晶体）；第二类是：经过极化处理的第二类是：经过极化处理的 压电陶瓷压电陶瓷；第三类是：经过极化处理的第三类是：经过极化处理的高分子压电材料。高分子压电材料。压电压电材料材料的的分类分类（1）石英晶体的特性）石英晶体的特性石英晶体在石英晶体在20200的范围内压电常数的变化量的范围内压电常数的变化量只有只有-0.0001/。还具有。还具有自振频率高自振频率高、动态响应好动态响应好、机械强度高机械强度高、绝缘性能好绝缘性能好、迟滞小迟滞小、重复
29、性好重复性好、线性线性范围宽范围宽等优点。等优点。石英晶体的不足之处是石英晶体的不足之处是压电常数较小压电常数较小：d=2.31 10-12C/N。因此石英晶体大多只在。因此石英晶体大多只在标准传感标准传感器器、高准确度传感器高准确度传感器或或高温压电传感器高温压电传感器中使用，而在中使用，而在一般要求的测量中，基本上采用一般要求的测量中，基本上采用压电陶瓷压电陶瓷。（2）压电陶瓷）压电陶瓷 压电陶瓷是压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料人工制造的多晶压电材料，它比石英晶，它比石英晶体的体的压电灵敏度高得多压电灵敏度高得多，而制造，而制造成本却较低成本却较低，因此目，因此目前国内外生产的压电元件绝
30、大多数都采用压电陶瓷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常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及及非铅系压电陶瓷非铅系压电陶瓷(如如BaTiO3等等)。压电陶瓷外形压电陶瓷外形 压电陶瓷（多晶材料）的工作原理压电陶瓷（多晶材料）的工作原理某些陶瓷粉末原料，经某些陶瓷粉末原料，经1000以上高温烧结和机械以上高温烧结和机械加工，可以制成圆片或其他需要的形状。烧结而成的加工，可以制成圆片或其他需要的形状。烧结而成的压电陶瓷由无数细微的电畴组成压电陶瓷由无数细微的电畴组成。在无外电场作用时，各个电畴在晶体中杂乱分布，在无外电场作用时，各
31、个电畴在晶体中杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消了它们的极化效应被相互抵消了，因此，因此原始的压电陶瓷原始的压电陶瓷呈中性呈中性,不具有压电性质不具有压电性质。为了使压电陶瓷具有压电效应，必须在高温下，为了使压电陶瓷具有压电效应，必须在高温下，用用上千伏高电压施加在上下极板上，上千伏高电压施加在上下极板上，进行进行极化处理极化处理，使使电畴的方向趋向一致电畴的方向趋向一致，冷却后就具有压电效应。，冷却后就具有压电效应。压电陶瓷的极化处理压电陶瓷的极化处理 a）极化处理前电畴杂乱分布）极化处理前电畴杂乱分布 b）在极化电压下的电畴分布）在极化电压下的电畴分布 c）冷却、稳定后的电畴分布）冷却、稳
32、定后的电畴分布1镀银上电极镀银上电极 2压电陶瓷压电陶瓷 3镀银下电极镀银下电极 4电畴电畴 5极化高压电源极化高压电源 细微的电畴极化方向细微的电畴极化方向压电陶瓷极化的影响因素压电陶瓷极化的影响因素极化电场和极化温度越高，促使电畴取向排列极化电场和极化温度越高，促使电畴取向排列的作用越大，极化就越充分的作用越大，极化就越充分。常用压电陶瓷材料的常用压电陶瓷材料的极化温度取极化温度取320420，极化时间从几分钟到几十分极化时间从几分钟到几十分钟钟。常用的压电陶瓷材料常用的压电陶瓷材料（1）锆钛酸铅系列压电陶瓷（锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）：是由钛酸：是由钛酸铅和锆酸铅组成的固熔体。有较高
33、的压电常数铅和锆酸铅组成的固熔体。有较高的压电常数d（200500）10-12C/N。在上述材料中加入微量的。在上述材料中加入微量的镧（镧（La）、铌（）、铌（Nb）或锑（）或锑（Sb）等，可以得到不同）等，可以得到不同性能的性能的PZT材料。材料。（2）非铅系压电陶瓷非铅系压电陶瓷：能减少制造过程中铅对能减少制造过程中铅对环境的污染环境的污染。BaTiO3基无铅压电陶瓷基无铅压电陶瓷、BNT基无铅基无铅压电陶瓷、铌酸盐基无铅压电陶瓷、钛酸铋钠钾无压电陶瓷、铌酸盐基无铅压电陶瓷、钛酸铋钠钾无铅压电陶瓷、钛酸铋锶钙无铅压电陶瓷和钛酸钡钙铅压电陶瓷、钛酸铋锶钙无铅压电陶瓷和钛酸钡钙压电陶瓷等，它们
34、的多项性能都已超过含铅系列压压电陶瓷等，它们的多项性能都已超过含铅系列压电陶瓷，电陶瓷，是今后压电陶瓷的发展方向是今后压电陶瓷的发展方向。压电陶瓷与石英晶体的特性比较压电陶瓷与石英晶体的特性比较（3）高分子压电材料）高分子压电材料 典型的高分子压电材料有典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（聚偏二氟乙烯（PVF2或或PVDF）、聚氟乙烯（、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（）、改性聚氯乙烯（PVC）等。它是一种柔软的压电材料，可根据需要制成等。它是一种柔软的压电材料，可根据需要制成薄薄膜或电缆套管膜或电缆套管等形状。它等形状。它不易破碎不易破碎，具有防水性具有防水性，可以大量连续拉制可以大量连续
35、拉制，制成较大面积或较长的尺度，制成较大面积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较宽，价格便宜，频率响应范围较宽，测量动态范围可达测量动态范围可达80dB。高分子压电材料简述高分子压电材料简述 特点：柔性，特点：柔性，密度低密度低。可以在几十微米的可以在几十微米的PVDF压电膜上，压电膜上，两面蒸镀金、两面蒸镀金、银等金属电极银等金属电极，电极厚度约，电极厚度约0.1m，再层压在，再层压在0.125mm聚酯基片上，并制作两个压接端子，作为信号引脚。聚酯基片上，并制作两个压接端子，作为信号引脚。应用：医学测量脉动信号，例如：超声诊断仪、血应用：医学测量脉动信号，例如：超声诊断仪、血压计、指脉膊计
36、、心率计。压计、指脉膊计、心率计。工业中测量振动；工业中测量振动；机器人的触觉传感器机器人的触觉传感器、加速度传、加速度传感器等。感器等。军事：军事：水声探测器水声探测器、边界振动报警边界振动报警、防盗报警系统防盗报警系统等。等。高分子压电材料高分子压电材料的种类、加工的种类、加工典型的高分子压电材料有典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（聚偏二氟乙烯（PVF2或或PVDF）、聚氟乙烯（聚氟乙烯（PVF）、尼龙、尼龙11等，等，输出脉冲输出脉冲电压可以直接驱动电压可以直接驱动CMOS集成门电路集成门电路。将将PVDF树脂加热，用辊压机压制成膜或电缆套管。树脂加热，用辊压机压制成膜或电缆套管。定向
37、拉伸的温度约为定向拉伸的温度约为120，在拉伸薄膜的两面蒸镀，在拉伸薄膜的两面蒸镀金、银等金属电极，电极厚度为金、银等金属电极，电极厚度为0.1m。与压电陶瓷类似，与压电陶瓷类似，必须用高电压进行极化处理必须用高电压进行极化处理。薄。薄膜经极化处理后，分子偶极子就趋向一致的方向，显膜经极化处理后，分子偶极子就趋向一致的方向，显现出电压特性。现出电压特性。极化场强约极化场强约5kV/mm，极化温度为，极化温度为80100，极化时间为，极化时间为3060min。高分子压电薄膜及拉制高分子压电薄膜及拉制、切片、切片高分子压电材料高分子压电材料的特性的特性不易破碎，具有防水性，可以制成较大面积或较长不
38、易破碎，具有防水性，可以制成较大面积或较长的成品，因此价格便宜。其测量动态范围可达的成品，因此价格便宜。其测量动态范围可达80dB，频率响应范围可从频率响应范围可从0.1Hz直至直至109Hz。工作温度一般低于工作温度一般低于100。温度升高时，灵敏度将温度升高时，灵敏度将降低降低。它的机械强度不够高，耐紫外线能力较差，不。它的机械强度不够高，耐紫外线能力较差，不宜暴晒，以免老化。宜暴晒，以免老化。高分子压电材料制作的高分子压电材料制作的压电垫和压电电缆压电垫和压电电缆 可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板 压电式脚踏报警器压电式脚踏报警器 压电式周界报
39、警系统压电式周界报警系统（用于重要位置出入口、周界安全防护等）（用于重要位置出入口、周界安全防护等）将长的压电电缆埋在泥将长的压电电缆埋在泥土的浅表层土的浅表层，可起分布式可起分布式地下麦克风或听音器的作地下麦克风或听音器的作用用，可，可在几十米范围内探在几十米范围内探测人的步行测人的步行,对对轮式或履带轮式或履带式车辆也可以通过信号处式车辆也可以通过信号处理系统分辨出来理系统分辨出来。测量系统的输出波形。测量系统的输出波形。交通监测交通监测（包括（包括轴数轴数、轴距轴距、单双轮胎单双轮胎）、）、车速监测车速监测、收费站出、收费站出、入口入口、闯红灯闯红灯拍照、拍照、停车区域监控停车区域监控、
40、交通数据信息采、交通数据信息采集（道路监控）及集（道路监控）及机场滑行道机场滑行道等。等。将高分子将高分子压电电缆埋压电电缆埋在公路上，在公路上，可以获取车可以获取车型分类信息：型分类信息：高分子压电电缆的应用演示高分子压电电缆的应用演示压电式动态力传感器在车床中压电式动态力传感器在车床中用于动态切削力的测量用于动态切削力的测量 一体化车刀动一体化车刀动态力测量态力测量三、电荷放大器三、电荷放大器压电传感器的输出阻抗较大，压电传感器的输出阻抗较大，要求电压放大器具有要求电压放大器具有较大的输入阻抗较大的输入阻抗。又由于压电传感器的。又由于压电传感器的输出电压与压输出电压与压电片的极间电容电片的
41、极间电容Ca以及传输线的对地分布电容以及传输线的对地分布电容Cc有关有关，如果接入普通的电压放大电路，将受到很多外界因素如果接入普通的电压放大电路，将受到很多外界因素（主要是分布电容主要是分布电容）的影响。）的影响。现在多采用现在多采用“电荷放大器电荷放大器”来来将将压电传感器输出的压电传感器输出的电荷转换为电压，属于电荷转换为电压，属于Q-U转换器，但并转换器，但并无放大电荷无放大电荷的作用的作用，只是一种，只是一种习惯叫法习惯叫法。1压电元件的等效电路压电元件的等效电路（图图7-8 ）a）结构示意图）结构示意图 b）压电元件的符号）压电元件的符号 c）压电元件的等效电路）压电元件的等效电路
42、1镀银上电极镀银上电极 2压电晶体压电晶体 3镀银下电极镀银下电极压电传感器与二次仪表连接的等效电路压电传感器与二次仪表连接的等效电路Ci、Ri为放大器的输入电容和输入电阻为放大器的输入电容和输入电阻2与压电式加速度计相匹配的前置放大器与压电式加速度计相匹配的前置放大器电荷放大器电荷放大器电荷放大器是一个具有反馈电容电荷放大器是一个具有反馈电容Cf 的高增益运算放的高增益运算放大器电路大器电路。当放大器开环增益。当放大器开环增益A和输入电阻和输入电阻R i、反馈、反馈电阻电阻Rf（用于防止放大器的直流饱和）相当大时，放（用于防止放大器的直流饱和）相当大时，放大器的输出电压大器的输出电压Uo正比
43、于输入电荷正比于输入电荷Q，反比于反馈电反比于反馈电容容Cf，而基本上与而基本上与Cc、Ca、Ci无关无关：（7-9）off1AQQUA CC 电荷放大器电路电荷放大器电路（图图7-9）1压电传感器压电传感器 2屏蔽电缆线屏蔽电缆线 3传输线分布电容传输线分布电容 4电荷放大器电荷放大器SC灵敏度选择开关灵敏度选择开关 SR带宽选择开关带宽选择开关 Cf Cf 在放大器输入端的密勒等效电容在放大器输入端的密勒等效电容 CfCf在放大器输出端的密勒等效电容在放大器输出端的密勒等效电容电荷放大器两级电路（放大图）电荷放大器两级电路（放大图）电荷放大器的四级电路框图电荷放大器的四级电路框图有源巴特沃
44、斯有源巴特沃斯低通滤波器低通滤波器压电传感器与压电传感器与电荷放大器及电荷放大器及后续仪表的后续仪表的连接连接3 3反馈电容和反馈电阻的选取反馈电容和反馈电阻的选取当被测振动较小时，电荷放大器的反馈电容当被测振动较小时，电荷放大器的反馈电容C f应应取得小一些，可以获得较大的输出电压取得小一些，可以获得较大的输出电压。电荷放大器的电荷放大器的高频截止频率主要由运算放大器的高频截止频率主要由运算放大器的电压上升率和电缆引线电容决定电压上升率和电缆引线电容决定。下限频率下限频率fL由由Rf与与Cf的乘积决定的乘积决定。当被测电荷信号的频率下降到。当被测电荷信号的频率下降到fL时，时，电荷放大器的电
45、荷放大器的输出电压降低到中频时的输出电压降低到中频时的1/22，此时，此时的下限频率的下限频率fL=1/(2R fC f)。电荷放大器电荷放大器的频率特性的频率特性 .|1/Cf|压电传感器只能应用于动态测量压电传感器只能应用于动态测量 由于由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在无外力作用在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具有无限泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗大的输入阻抗，这实际上是不可能的，因此压电式，这实际上是不可能的，因此压电式传感器传感器不能用于静态测量不能用于静态测量。压电元件在交变力的作用下，电荷可以不断补充，压电元件在交
46、变力的作用下，电荷可以不断补充，可以供给测量回路以一定的电流，故可以供给测量回路以一定的电流，故只适用于动态只适用于动态测量测量（一般（一般必须高于必须高于3Hz3Hz，但，但在在30kHz30kHz以上时，灵敏以上时，灵敏度下降度下降）。）。例例7-37-3 某压电元件用于测量振动，灵敏度某压电元件用于测量振动，灵敏度d11=10010-12C/N，电荷放大器的反馈电容，电荷放大器的反馈电容Cf=1000pF，Rf=100M，测得测得图图7-9中中A1的输出电压的输出电压Uo=0.2V，求：，求：1）压电元件的输出电荷量压电元件的输出电荷量Q的有效值为多少皮库伦？的有效值为多少皮库伦？2）被
47、测振动力被测振动力F的有效值为多少牛顿？的有效值为多少牛顿？3）电荷放大器的灵敏度）电荷放大器的灵敏度K为多少为多少mV/pC？4）电荷放大器的下限截止频率为多少赫？电荷放大器的下限截止频率为多少赫？解 1）压电元件的输出电荷量压电元件的输出电荷量Q的有效值的有效值Q=CfUo=(100010-120.2)C=200pC2）被测振动力被测振动力F的有效值的有效值3）电荷放大器的灵敏度电荷放大器的灵敏度4）电荷放大器的下限截止频率电荷放大器的下限截止频率121211200 10C2N100 10C/NQFd200mV1mV/pC200pCQUKQL6-12ff111.6Hz223.14 100
48、101000 10 sfR C四通道电荷放大器外形四通道电荷放大器外形 .某电荷放大器的前后面板某电荷放大器的前后面板典型电荷放大器指标典型电荷放大器指标灵灵 敏敏 度：度：0.11000mV/pC可调；可调；频率范围：频率范围：0.3100kHz；噪声噪声(最大增益时最大增益时)：折合至输入端，小于折合至输入端，小于5V；准准 确确 度：度：1%；最大输出：最大输出：10V或或10mA；电电 源：源：220V/50Hz；控制方式：控制方式：计算机、遥控或手动。计算机、遥控或手动。超小型电荷放大器模块超小型电荷放大器模块灵灵 敏敏 度：度：1、10、100mV/pC（任选一档）（任选一档）频率
49、范围：频率范围：0.3100KHz（上、下限可选）（上、下限可选）噪声噪声(最大灵敏度最大灵敏度)：输出端小于：输出端小于1mV归归 一一 化：电容调整化：电容调整线性误差：线性误差：1%最大输出：最大输出：5V或或10V电电 源：源：15V特点：可组成经济的多点测试系统。特点：可组成经济的多点测试系统。主要性能指标主要性能指标:焊接式焊接式 电荷放大器电荷放大器其他电荷放大器外形其他电荷放大器外形面板式电荷放大器面板式电荷放大器多通道电荷放大器外形多通道电荷放大器外形四、压电式加速度传感器的结构及应用四、压电式加速度传感器的结构及应用1压电式加速度传感器探头压电式加速度传感器探头当当压电式加
50、速度传感器与被测振动的机件紧固在一起压电式加速度传感器与被测振动的机件紧固在一起后，后，传感器受机械运动的振动加速度作用传感器受机械运动的振动加速度作用，压电晶片受压电晶片受到质量块惯性引起的交变力到质量块惯性引起的交变力，其方向与振动加速度，其方向与振动加速度方向方向相反相反，大小由大小由F=ma决定决定。惯性引起的压力作用在压电。惯性引起的压力作用在压电晶片上产生电荷。电荷由引出电极输出，将振动加速度晶片上产生电荷。电荷由引出电极输出，将振动加速度转换成电参量。转换成电参量。弹簧给压电晶片施加预紧力弹簧给压电晶片施加预紧力。预紧力的。预紧力的大小基本不影响输出电荷的大小。大小基本不影响输出
