第六章压电传感器汽车

存储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。
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音叉式料位开关
工作原理： 运用音叉的 “ 共振 ” 原理， 振动管和内置的振动棒构成 280Hz 振频的 “ 音叉 ” 共 振探头，在压电元件的驱动 下，发生振动。当探头触及 测定物时，振动幅度急剧减 小，由此转化为电子信号， 使继电器进行开关动作...
电
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爆震传感器结构与工作原理
低速

来自百度文库
ECU测出电压，并 根据其电压大小来 判断爆震强度
高速
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皇冠3.0爆震传感器检测
测电阻：
1号爆震传感器
KNK1
KNK2
检测爆震传感器接 线端与外壳之间的 电阻，应为∞，若 为0则需更换。
2号爆震传感器
测信号电压： 在发动机怠速时用 示波器检测传感器 信号输出端KNK与 E1之间的脉冲波形。
无铅压电陶瓷及其换能器外形
（上海硅酸盐研究所研制）
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高分子压电薄膜及拉制
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（三）高分子压电材料
典型的高分子压电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。它是一种柔软的压电材料，
可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。它不易


串联方法正电荷集中于上极板，负电荷集中于下极板，传感 器本身的电容量小、响应快、输出电压大，故这种传感器适 用于测量以电压作输出的信号和频率较高的信号。
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压电片并联和串联
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第二节
压电传感器的测量转换电路
电荷放大器的输出电压仅与输入电荷 和反馈电容有关，电缆长度等因素的影响 很小：
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压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用
压电传感器测量 双腿跳的动态力
压电式步态 分析跑台 压电式纵跳 训练分析装置
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第六章：第四节
一、振动的基本概念
振动测量及频谱分析
振动可分为机械振动、土木结构振动、运输 工具振动、武器、爆炸引起的冲击振动等。
从振动的频率范围来分，有高频振动、低频 振动和超低频振动等。
Q uo Cf
6-4
电荷放大器能将压电传感器输出的电荷转 换为电压（Q/U转换器），但并无放大电荷的 作用，只是一种习惯叫法。
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四通道电荷放大器外形
.
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上图所示的四通道电荷放大器指标
（参考东方振动和噪声技术研究所资料）
灵 敏 度：0.1～1000mV/pC 频率范围：0.3～100KHz 噪声(最大增益)：折合至输入端小于5µ V 准 确 度：1% 最大输出：±10V/10mA 电 源：220V/50Hz 控制方式： 计算机或手动 焊接式 电荷放大器
从振动信号的统计特征来看，可将振动分为 周期振动、非周期振动以及随机振动等。
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地震的巨大威力
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地震波形
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二、测振传感器分类
测振用的传感器又称拾振器，它有
接触式和非接触式之分。接触式中有磁 电式、电感式、压电式等；非接触式中 又有电涡流式、电容式、霍尔式、光电 式等。下面介绍压电式测振传感器及其 应用。
破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较 大面积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围 较宽，测量动态范围可达80dB。
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高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆
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可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板
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压电式脚踏报警器
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其他电荷放大器外形
面板式电荷放大器
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其他电荷放大器外形（续）
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第六章：第三节
1. 玻璃打碎报警装置
将高分子压电测
压电传感器的应用
一、高分子压电材料的应用 粘贴 位置
振薄膜粘贴在玻璃上，
可以感受到玻璃破碎 时会发出的振动，并 将电压信号传送给集 中报警系统。
爆破振动记录仪 打印机
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海啸预警系统
地震是引发海啸的主要原因之一。地震中断层移 动导致断层间产生空洞，当海水填充这个空洞时产生 巨大的海水波动。这种海水波动从深海传至浅海时， 海浪陡然升到十几米高，并以每秒数百米的速度传播。 海浪冲到岸上后，将造成重大破坏。 海啸预警系统通过海底的振动压力传感器记录海 浪变化的数据，并传送到信息浮标，由信息浮标发送 到气象卫星，再从气象卫星传送到卫星地面站。
高分子压电薄膜制作的压电喇叭
（逆压电效应）
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第三节：压电片的并联和串联

在实际应用中，由于单片的输出电荷很小，因此，组成压电 式传感器的晶片不止一片，常常将两片或两片以上的晶片粘 结在一起。粘结的方法有两种，即并联和串联。 并联方法两片压电晶片的负电荷集中在中间电极上，正电荷 集中在两侧的电极上，传感器的电容量大、输出电荷量大、 时间常数也大，故这种传感器适用于测量缓变信号及电荷量 输出信号。
（二）压电陶瓷
压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，
它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造
成本却较低，因此目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
瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及
非铅系压电陶瓷 （如BaTiO3等）。
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压电陶瓷外形
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（一）石英晶体
天然形成的石英晶体外形
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天然形成的石英晶体外形（续）
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石英晶体切片及封装
石英晶体薄片
双面镀银并封装
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石英晶体振荡器（晶振）
晶振
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石英晶体在振荡电 路中工作时，压电效应 与逆压电效应交替作用， 从而产生稳定的振荡输 出频率。 10
包含高次谐波的频谱
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基波与三次谐波的频谱
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基波与
3次谐
波合成
的波形
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方波可分 解成同频 基波及 3、5、 7……奇次 谐波
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依靠频谱分析法
进行故障诊断
减速箱故障分析
a）时域波形 b）频域波形
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高分子压电材料制作的玻璃打碎传感器
将厚约0.2mm左右的PVDF 薄膜裁制成1020mm大小。在它 的正反两面各喷涂透明的二氧化 锡导电电极，再用超声波焊接上 两根柔软的电极引线。并用保护 膜覆盖。 质量块 使用时，用瞬干胶将其粘 贴在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎 的瞬间，压电薄膜感受到剧烈振 动，表面产生电荷Q ，在两个 输出引脚之间产生窄脉冲报警信 号。
将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息 （包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）、车速监测、收费站地 磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据信息采集（道路监 控）及机场滑行道等。
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高分子压电 电缆的应用 演示
将两根高分子压电电缆相距若干米，平行埋设于柏油公路 的路面下约5cm，可以用来测量车速及汽车的载重量，并根据
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2．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）
将长的压电电缆埋在
泥土的浅表层，可起分布 式地下麦克风或听音器的 作用，可在几十米范围内 探测人的步行, 对轮式或履
带式车辆也可以通过信号
处理系统分辨出来。右图 为测量系统的输出波形。
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3.交通监测
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一、压电效应
天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，用金刚 石刀具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片受到 压力时，晶格产生变形，表面产生正电荷，电荷 Q与所施加的力F成正比 ，这种现象称为压电效 应 。还有一些人造的材料也具有压电效应。 若在电介质的极化方向上施加交变电压，它 就会产生机械变形。当去掉外加电场时，电介质 的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应（电 致伸缩效应）。
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超小型电荷放大器模块
主要指标:
灵 敏 度：1、10、100mV/pC(任选一档) 频率范围：0.3～100KHz(上、下限可选) 噪声(最大灵敏度)：输出端小于1mV 归 一 化：外接电阻调整 线性误差：1% 最大输出：±5V或±10V 电 源：±6V～±15V 特点：可组成经济的多点测试系统
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爆震测量
安装位置
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气缸体上
火花塞上
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爆震传感器结构与工作原理
引线
利用压电陶瓷的 压电效应工作
压电元件
配重块
发动机缸体发生振动， 传递到传感器，传感器 外壳和配重块发生相对 运动，压电元件受到挤 压，产生压电效应 压力、位移
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电
电、位移
振动 电、震动
频谱仪外形（续）
频域图
（频谱图）
（参考深圳安泰信电子有限公司资料）
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频域图形
对应于 时域波形 （失真的 正弦波）
的谱线图
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振动时域/频域图形（参考东方振动和噪声技术研究所资料）
不同频率的正弦波频谱变化
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振动时域/频域图形（续）
（参考东方振动和噪声技术研究所资料）
有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，因
此压电式传感器不能用于静态测量。压电元件在
交变力的作用下，电荷可以不断补充，可以供给 测量回路以一定的电流，故只适用于动态测量 （一般必须高于100Hz，但在50kHz以上时，灵敏 度下降）。
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二、压电材料的分类及特性
压电传感器中的压电元件材料一般有 三类： 一类是压电晶体（如上述的石英晶 体）； 另一类是 经过极化处理的 压电陶 瓷；第三类是高分子压电材料。
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七、振动的频谱分析及仪器
测量时域图形用的是示波器，测量频 域图形用频谱仪.
时域图形
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频谱仪
频域图形
（频谱图）
频谱图或频域图：它的横坐标为频率f，纵坐标 可以是加速度，也可以是振幅或功率等。它反映了 在频率范围之内，对应于每一个频率分量的幅值。
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五、压电加速度传感器的安装及使用
a)双头螺丝固定 b)磁铁吸附
1—压电式加速度传感器 4—粘接剂
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c)胶水粘结
d)手持探针式
3—磁钢
2—双头螺栓
5—顶针
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六、压电振动加速度传感器
在汽车中的应用
加速度传感器可以用于判断汽车的碰撞，从 而使安全气囊迅速充气，从而挽救生命；还可安 装在气缸的侧壁上，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。
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爆震波形
汽车发动机中的气缸点火时刻
必须十分精确。如果恰当地将点火 时间提前一些，即有一个提前角，
就可使汽缸中汽油与空气的混合气
体得到充分燃烧，使扭矩增大，排 污减少。但提前角太大时，混合气 体产生自燃，就会产生冲击波，发 出尖锐的金属敲击声，称为爆震， 可能使火花塞、活塞环熔化损坏， 使缸盖、连杆、曲轴等部件过载、 变形，可用压电传感器检测并控制 之。
第六章
压电传感器
主要内容： 1、压电效应 2、压电传感器的并联与串连 3、压电传感器的放大电路 4、压电传感器的应用
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第一节
压电传感器的工作原理
压电式传感器：一种自发电式传感器 它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电 介质表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。 压电传感元件：力敏感元件。 它可以测量最终能变换为力的那些非电物理量，例如动态 力、动态压力、振动加速度等，但不能用于静态参数的测量。 压电式传感器：体积小、质量轻、频响高、信噪比大等。 由于它没有运动部件，因此结构坚固、可靠性、稳定性高。
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三、压电式振动加速度传感器的 结构及外形
横向振动 测振器
纵向振动 测振器
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四、压电振动加速度传感器的性能指标
（以某小型“内装IC的压电加速度传感器”为例）
技术指标： 灵敏度：500mV/g 量程：10g 频率范围：4-4000Hz 安装谐振点:15kHz 分辨力：0.00004g 重量：40g 安装螺纹：M5 mm 线性：≤1%
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石英晶体的压电效应演示
当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压 的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电 荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。
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压电传感器只能应用于动态测量
由于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