实验六压电式传感器测振动实验

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传感器原理及应用实验指导解读

《传感器原理及应用》

实

验

指

导

书

自动控制技术教研室编者：张春芳王海荣

实验一金属箔式应变片----单臂、半臂、全桥性能实验

一、实验目的：了解金属箔式应变片的应变效应，单臂、半臂、全电桥工作

原理和性能。

二、基本原理：电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，

这就是电阻应变效应,描述电阻应变效应的关系式为：ΔR/R=Kε式中：ΔR/R 为：ΔR/R电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数，ε=ΔL/L为电阻丝长度相对变化，金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，通过它转换被测部件受力状态变化、电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。对单臂电桥输出电压Uο1=Ekє/4。在半桥性能实验中，不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善。当应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压Uο2=Ekє/2。在全桥测量电路中，将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，不同的接入邻边，当应变片初始阻力值：R1=R2=R3=R4，其变化值ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4时，其桥路输出电压Uο3=Ekє。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到改善。

三、实验设备：应变式传感器实验模板、应变式传感器、砝码、数显表、±15V、

±4V直流电源、万用表。

四、实验方法和要求：

1、根据电子电路知识，实验前设计出实验电路连线图。

2、独力完成实验电路连线。

3、找出这三种电桥输出电压与加负载重量之间的关系，并作出V o=F(m)的

《传感器技术与应用》实验讲义

本课共设置了 10 个实验，涉及到了差动变压器、电容式传感器、、压电式传感器、电涡流传感器、光纤传感器、超声波传感器、光电传感器等多种传感器，涵盖了本门课程中的主要内容。
编者于 2008 年 8 月
-I-
传感器技术与应用实验
目录
序 ................................................................................................................................................. I 1 传感器实验概述 .................................................................................................................... 1
二、线性范围任何传感器都有一定的线性工作范围。在线性范围内输出与输入成比例关系，线性范围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。传感器工作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件。例如，机械式传感器中的测力弹性元件，其材料的弹性极限是决定测力量程的基本因素，当超出测力元件允许的弹性范围时，将产生非线性误差。然而，对任何传感器，保证其绝对工作在线性区域内是不容易的。在某些情况下，在许可限度内，也可以取其近似线性区域。例如：变间隙型的电容、电感式传感器，其工作区均选在初始间隙附近，而且必须考虑被测量变化范围，令其非线性误差在允许限度以内。三、稳定性稳定性是表示传感器经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素是时间与环境。

第6章压电传感器

2）被测振动力
Q 2001012V F 2N 12 d11 10010 V / N
3）灵敏度 4）下限频率：
KQ
U 200m V 1m V / pC 12 Q 20010 V / C
1 1 fL 16Hz 6 12 2R f C f 2 3.141010 100010 s
6.1 压电式传感器的工作原理一、压电效应Piezoelectric effect
1、正（顺）压电效应
某些电介质（晶体）当沿着一定方向施加力变形时，内部产生极化现象，同时在它表面会产生符号相反的电荷；当外力去掉后又重新恢复不带电状态；当作用力方向改变后，电荷的极性也随之改变; 这种现象称压电效应。
洗衣机
机床
风机
一、振动的基本概念

物体围绕平衡位置作往复运动称为振动。

物体振动一次所需的时间称为周期,用T表示,单位
是s。每秒振动的次数称频率，用f表示,单位为Hz。

振动物体的位移用x表示，偏离平衡位置的最大距
离称为振幅，用Am表示，单位为mm；

振动的速度用v表示，单位为m/s；
加速度用a表示，单位为m/s2。
尽量使点火时刻接近爆震区而不发生爆震，但又能使发动机输出尽可能大的扭矩。
点火时间可用压电传感器检测爆震
压电陶瓷加速度传感器

【实验报告】压电式传感器测振动实验报告

压电式传感器测振动实验报告

篇一：压电式传感器实验报告

一、实验目的：了解压电传感器的测量振动的原理和方法。

二、基本原理：压电式传感器由惯性质量块和受压的压电片等组成。（观察实验用压电加速度计结构）工作时传感器感受与试件相同频率的振动，质量块便有正比于加速度的交变力作用在晶片上，由于压电效应，压电晶片上产生正比于运动加速度的表面电荷。

三、需用器件与单元：振动台、压电传感器、检波、移相、低通滤波器模板、压电式传感器实验模板。双踪示波器。

四、实验步骤：

1、压电传感器装在振动台面上。

2、将低频振荡器信号接入到台面三源板振动源的激励源插孔。

3、将压电传感器输出两端插入到压电传感器实验模板两输入端，与传感器外壳相连的接线端接地，另一端接R1。将压电传感器实验模板电路输出端

Vo1，接R6。将压电传感器实验模板电路输出端V02，接入低通滤波器输入端Vi，低通滤波器输出V0与示波器相连。

3、合上主控箱电源开关，调节低频振荡器的频率和幅度旋钮使振动台振动，观察示波器波形。

4、改变低频振荡器的频率，观察输出波形变化。

光纤式传感器测量振动实验

一、实训目的：了解光纤传感器动态位移性能。

二、实训仪器：光纤位移传感器、光纤位移传感器实验模块、振动源、低频振荡器、通信接口（含上位机软件）。

三、相关原理：利用光纤位移传感器的位移特性和其较高的频率响应，用合适的测量电路即可测量振动。

四、实训内容与操作步骤

1、光纤位移传感器安装如图所示，光纤探头对准振动平台的反射面，并避开振动平台中间孔。

2、根据“光纤传感器位移特性试验”的结果，找出线性段的中点，通过调节安装支架高度将光纤探头与振动台台面的距离调整在线性段中点（大致目测）。

第6章压电式传感器

(2)压电晶体产生压电效应时，其电荷是束缚电荷吗？
它会对外显电性吗？
10
5.施加外力后：(1)压力：正负束缚电荷距离减小，束缚电场减小，吸收的自由电荷减小→自由电荷放电。 (2)拉力:正负束缚电荷距离增加，束缚电场增大，吸收的自由电荷增加→自由电荷充电。可见：只要测出充放电的电荷，就可以测出外力。
l2 l3
p2
p3
---
③y方向施加压力→l1↑,l2= l3↓→ p1 ↑,p2= p3↓
总电偶极距p p1 p2 p3向上
所以, 上表面带正电,下表面带负电。结论: y方向施加压力，仍是在垂直于x轴方向出现正负电荷。
8
④z方向施加外力
+ +
+
+ +
+
-
p1
-
p2
p3
-
p1
-
-
p2
20
1.电压放大器
如图，该电路在等效电路
Ca
ui A
上增加了集成运放A。设放大器输入电压和输出电压分别 ua
为ui和uo。
Ra
Cc Ri Ci
uo
(1)A可看成理想运放，则 ui=uo 可见，讨论ui就等同于讨论uo。
(2)设压电元件所受外力按正弦规律变化,即

f Fmsin t, F Fm0

压电式传感器实验报告

传感器实验报告

某某大学?

综合性、设计性实验报告

实验项目名称

所属课程名称传感器工程实践

实验日期

班级

学号

姓名

成绩

电气与信息工程学院实验室

篇二：东南大学传感器实验报告

传感器第一次实验

试验一金属箔式应变片——单臂电桥性能实验

一．实验目的

了解金属箔式应变片的应变效应及单臂电桥工作原理和性能。

二．基本原理

电阻丝在外力作用下发生机械形变时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应。金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，通过它反映被测部位受力状态的变化。电桥的作用是完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。单臂电桥输出电压Uo1?EK?/4，其中K为应变灵敏系数，L/L为电阻丝长度相对变化。

三．实验器材

主机箱、应变传感器实验模板、托盘、砝码、万用表、导线等。四．实验步骤

1. 根据接线示意图安装接线。

2. 放大器输出调零。

3. 电桥调零。

4. 应变片单臂电桥实验。

测得数据如下：

实验曲线如下所示：

分析：由图可以看出，输出电压与加载的重量成线性关系，由于一开始调零不好，致使曲线没有经过原点，往上偏离了一段距离。

5. 根据表中数据计算系统的灵敏度S??U/?W（?U为输出电压变化量，?W为重量

变化量）和非线性误差m/yFS?100%，式中?m为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差；yFS为满量程输出平

均值，此处为140g。?U=30mv，?W=140g，

0 所以S?30/140.2m1v43g

m=1.9768g，yFS=140g，

振动测试技术实验报告

2020-11-17

实验一机械振动基本参数测量 (2)

一、实验目的 (2)

二、实验内容 (2)

三、实验系统框图 (2)

四、实验原理 (2)

五、测量过程 (4)

六、实验结果与分析 (4)

实验二用自由衰减法测量单自由度系统固有频率和阻尼比 (6)

一、实验目的 (6)

二、实验系统框图 (6)

三、实验原理 (6)

四、实验方法 (8)

实验三用共振法测简支梁的固有频率、阻尼比和振型 (10)

一、实验目的 (10)

二、实验系统框图 (10)

三、实验原理 (10)

四、仪器参数设置 (12)

五、实验步骤 (13)

六、实验结果与分析 (13)

七、思考题 (15)

实验四用正弦扫频、随机和敲击激励测简支梁的频率响应函数 (16)

一、实验目的 (16)

二、实验系统框图 (16)

三、实验原理 (16)

四、实验方法 (19)

五、实验结果记录与分析 (20)

六、思考题 (21)

实验五用锤击法测量简支梁的模态参数 (23)

一、实验目的 (23)

二、实验系统框图 (23)

三、实验原理 (23)

四、实验步骤 (26)

五、实验结果和分析 (29)

实验六用不测力模态分析法测量简支梁的模态参数 (31)

一、实验目的 (31)

二、实验系统框图 (31)

三、实验原理 (31)

四、实验步骤 (32)

五、实验结果和分析 (33)

实验一机械振动基本参数测量

一、实验目的

1、掌握位移、速度和加速度传感器工作原理及其配套仪器的使用方法。

2、掌握电动式激振器的工作原理、使用方法和特点。

3、熟悉简谐振动各基本参数的测量及其相互关系。

使用振动传感器进行振动实验的技术要点

振动传感器是一种用于测量物体振动及其特性的设备。在工程、科学研究和制

造业等领域，振动实验是一项重要的技术活动。使用振动传感器进行振动实验需要注意一些关键的技术要点，本文将介绍其中的几个要点。

一、传感器选择

在进行振动实验之前，首先需要选择适合的振动传感器。振动传感器种类繁多，常见的有压电传感器、电阻式传感器和电感式传感器等。根据实验需求，可以选择不同类型的传感器。压电传感器通常具有高灵敏度、宽频响范围和良好的线性度，适用于高频振动实验；电阻式传感器具有较低的成本，适用于一般的振动实验；而电感式传感器则适用于低频振动实验。

二、传感器安装

振动传感器的安装位置对实验结果至关重要。一般来说，传感器应该尽量靠近

振动源，并与待测物体直接接触。对于机械设备，传感器可以安装在主轴或重要零部件上，以获取真实的振动信号。此外，对于高频振动实验，为避免信号失真，传感器的线缆长度应尽量短，并防止与其他电磁干扰源相接触。

三、传感器校准

在进行振动实验之前，需要对传感器进行校准。传感器的校准可以通过专业的

校准设备进行，也可以使用已知频率和振幅的标准振动源进行。校准的目的是建立传感器输出信号与真实振动之间的关系，并确定传感器的灵敏度。

四、信号采集与分析

采集和分析振动信号是进行振动实验的关键步骤。传感器所采集到的振动信号

应通过数据采集系统进行记录。数据采集系统应具备足够的采样率和动态范围，以

保证信号的准确性和可靠性。同时，还需要选择适当的分析方法，如频域分析、时域分析和轨迹分析等，以深入了解振动的特性和源头。

振动测量的实验报告

1. 实验目的

本实验的目的是通过使用振动传感器对不同振动源进行测量，了解振动信号的特点和测量方法，掌握实际振动信号的处理和分析技巧。

2. 实验装置和原理

实验装置由振动传感器、信号调理器和示波器组成。振动传感器可以将物体的振动信号转化为电信号；信号调理器可以对电信号进行放大和滤波处理；示波器可以将电信号转化为可视化的波形图。振动信号的频率可以通过示波器的设置进行调整，以便观察不同频率下的振动信号。

3. 实验步骤

1. 将振动传感器固定在实验台上，并接上信号调理器。

2. 将示波器与信号调理器连接，确保信号传输畅通。

3. 打开示波器，在示波器上设置合适的时间基和电压基准，以确保波形信号清晰可见。

4. 将振动传感器放置在不同的振动源旁边，观察示波器上所显示的振动信号波形。

5. 改变示波器的设置，调整不同的频率，观察波形信号的变化。

4. 实验数据记录与分析

在实验中，我们观察到了来自不同振动源的振动信号，并记录了对应的波形数据。通过对波形数据的分析，我们得到了以下结论：

1. 振动信号的幅值和频率之间存在一定关系，随着频率的增加，波形信号的幅值减小。

2. 振动信号的频率越高，波形信号越接近正弦波。

3. 不同振动源产生的振动信号具有不同的频率特征，可以通过观察波形图来比较不同振动源之间的差异。

5. 实验结果讨论

本次实验通过振动传感器测量了不同振动源产生的振动信号，并对波形信号进行了观察和分析。实验结果表明振动信号的幅值和频率存在一定的关系，并且不同振动源产生的振动信号具有不同的频率特征。这些结果对于振动信号的处理和分析具有一定的参考价值。

CSY2000实验指南

前言

CSY2000系列传感器与检测技术实验台是本公司多年生产传感技术教学实验装置的基础上，为适应不同类别、不同层次的专业需要，最新推出的模块化的新产品。

其优点在于：

1、能适应不同专业的需要，不同专业可以有不同的菜单，本公司还可以为用户的特殊要求制作模板。

2、能适应不断发展的形势，作为信息拾取的工具，传感器发展很快，可以不断补充新型的传感器模板。

3、指导教师和学生自己可以开发与组织新实验，本公司可以提供空白的模板。

4、可以利用主控台的共用源用于学生课程设计、毕业设计和自制装置。

CSY2000系列传感器与检测技术实验台主要用于各大、中专院校及职业院校开设的“传感器原理与技术”“自动化检测技术”“非电量电测技术”“工业自动化仪表与控制”“机械量电测”等课程的实验教学。

CSY2000系列传感器与检测技术实验台上采用的大部分传感器虽然是教学传感器（透明结构便于教学），但其结构与线路是工业应用的基础，希望通过实验帮助广大学生加强对书本知识的理解，并在实验的进行过程中，通过信号的拾取，转换，分析，掌握作为一个科技工作者应具有的基本的操作技能与动手能力。

本实验指导书，由于编写时间，水平所限，又是初次试用，难免有疏漏廖误之处，热切期望实验指导老师与学生们，能提出宝贵的意见，谢谢。

实验目录

实验一金属箔式应变片――单臂电桥性能实验 (4)

实验二金属箔式应变片――半桥性能实验 (6)

实验三金属箔式应变片――全桥性能实验 (7)

实验四金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较 (8)

实验五金属箔式应变片的温度影响实验 (8)

基于压电传感器振动测量及信号调理电路设计

目录-----------------------------------------------------------------------------1 摘要-----------------------------------------------------------------------------2

一、方案设计-----------------------------------------------------------------------3

1.1.选择的传感器类型------------------------------------------------------------3 1.

2.对传感器的分析---------------------------------------------------------------5

1.3.系统方案------------------------------------------------------------------------6

二、理论分析-----------------------------------------------------------------------7

2.1.压电效应-------------------------------------------------------------8 2.2.压电晶片及其等效电路-------------------------------------------------8 2.

加速度传感器振动测量实验

实验二加速度传感器振动测量实验

一实验目的

通过本实验了解并掌握机械振动信号测量的基本方法。

二实验原理

1. 振动测量原理

机械在运动时，由于旋转件的不平衡、负载的不均匀、结构刚度的各向异性、间隙、润滑不良、支撑松动等因素，总是伴随着各种振动。

机械振动在大多数情况下是有害的，振动往往会降低机器性能，破坏其正常工作，缩短使用寿命，甚至导致事故。机械振动还伴随着同频率的噪声，恶化环境，危害健康。另一方面，振动也被利用来完成有益的工作，如运输、夯实、清洗、粉碎、脱水等。这时必须正确选择振动参数，充分发挥振动机械的性能。

在现代企业管理制度中，除了对各种机械设备提出低振动和低噪声要求外，还需随时对机器的运行状况进行监测、分析、诊断，对工作环境进行控制。为了提高机械结构的抗振性能，有必要进行机械结构的振动分析和振动设计。这些都离不开振动测试。

振动测试包括两种方式：一是测量机械或结构在工作状态下的振动，如振动位移、速度、加速度、频率和相位等，了解被测对象的振动状态，评定等级和寻找振源，对设备进行监测、分析、诊断和预测。二是对机械设备或结构施加某种激励，测量其受迫振动，以便求得被测对象的振动力学参量或动态性能，如固有频率、阻尼、刚度、频率响应和模态等。

振动的幅值、频率和相位是振动的三个基本参数，称为振动三要素。

幅值：幅值是振动强度的标志，它可以用峰值、有效值、平均值等方法来表示。

频率：不同的频率成分反映系统内不同的振源。通过频谱分析可以确定主要频率成分及其幅值大小，从而寻找振源，采取相应的措施。

相位：振动信号的相位信息十分重要，如利用相位关系确定共振点、测量振型、旋转件动平衡、有源振动控制、降噪等。对于复杂振动的波形分析，各谐波的相位关系是不可缺少的。

第六章压电式传感器

第六章压电式传感器双压电晶片
山东理工大学机械学院
实际应用中，如果只用单片压晶片，要产生足够的表面电荷需较大作用力。而测表面粗糙度和微压差时提供的力较小，故常将两片或两片以上压电片组合使用。（1）双片悬臂元件（即双片弯曲式压电传感器）当自由端受力F时，晶片弯曲，上片受拉，下片受压，
中性面OO长度不变。
第六章压电式传感器
山东理工大学机械学院
石英晶体的特点：（1）石英晶体的介电、压电常数的温度稳定性好，适于做工作温度很宽的传感器。压电常数与温度关系如图6－5。
术语居里点：石英压电常数d在常温几乎不随温度变化，但当温度超过 500℃时，急剧下降，达到573 ℃时，石英晶体失去压电特性，该温度称其居里点或倒转温度。
山东理工大学机械学院
q d ij j q－电荷密度； d ij－压电应力常数；
j－应力。
几点说明：
下角标i、j：i=1、2、3，表示晶体的极化方向；j=1、 2、3、4、5、6，分别表示沿x轴、y轴、z轴方向的单向应力和围绕x轴、y轴、z轴作用的剪切应力。
第六章压电式传感器
山东理工大学机械学院
简单、工作可靠、重量轻、体积小。
缺点：无静态输出，阻抗高，需要低电容的低噪
声电缆，很多压电材料工作温度在250℃左右。
第六章压电式传感器
山东理工大学机械学院第一节压电效应与压电元件

自动检测技术(化工版)教案：第六章压电式传感器

自动检测技术(化工版）教案：第六章压电式传感器

➢教学要求

1．掌握压电效应的基本概念。

2．熟悉压电材料的分类及特性。

3．了解压电元件的等效电路。

4．熟悉压电传感器的应用。

5．掌握振动的基本概念和测振传感器分类

6．熟悉压电式振动加速度传感器的结构和性能指标

7．了解振动的频谱分析

➢教学手段多媒体课件、实物演示

➢教学课时3学时

➢教学内容：

第一节压电式传感器的工作原理

一、压电效应（举敦煌鸣沙山的例子）

在晶体的弹性限度内，压电材料受力后，其表面产生的电荷Q与所施加的力F成正比，公式的实际应用的意义：Q=dF x（6-1）式中d的意义：压电常数。

图6-1：压电效应的示意图（动画）。

二、压电材料的分类及特性

压电式传感器中的压电元件材料分类：一类是压电晶体（单晶体）；另一类是经过极化处理的压电陶瓷（多晶体）；第三类是高分子压电材料。

（一）石英晶体

石英晶体特点：性能非常稳定（讨论石英手表）、自振频率高、动态响应好、机械强度高、绝缘性能好、迟滞小、重复性好、线性范围宽等。

（二）压电陶瓷

压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它由无数细微的电畴组成。

常用的压电陶瓷材料主要有以下几种：（观看实物）

1.锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）

2.非铅系压电陶瓷

（三）高分子压电材料：

高分子压电材料是一种柔软的压电材料。可根据需要制成压电薄膜或压电电缆套管（实物）等形状。经极化处理后就显现出电压特性。

讨论特点：不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制。讨论使用场合：在一些不要求测量精度的场合，例如水声测量，防盗、振动测量等领域中获得应用。