第6章 压电传感器

检测技术与故障诊断第6章压电传感器第6章压电式传感器PiezoelectricSensors发电式传感器力敏感元件压电器件受力、表面形变电荷主要内容6.1压电式传感器的工作原理6.2压电式传感器的测量电路6.3压电式传感器的结构和应用6.4振动测量及频谱分析6.5工程项目 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 实例6.1压电式传感器的工作原理1、正（顺）压电效应一、压电效应Piezoelectriceffect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。压电介质正压电效应Q(E)电能T(S)机械能逆压电效应在某些电介质（晶体）的极化方向上施加交变电场或电压，它会产生机械振动。当去掉外加电场时，电介质变形随之消失。这种现象称逆压电效应。2、逆压电效应（电致伸缩）二、压电 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 的分类和特性1.石英晶体Quartzcrystal2.压电陶瓷Piezoelectricceramic3.高分子压电材料1.石英晶体Quartzcrystal居里点573℃，六角晶系结构,各向异性光轴电轴机械轴x轴方向受力：压力x轴方向受力：拉力y轴方向受力：压力y轴方向受力：拉力石英晶体sio2压电模型Q=d11Fx在Y轴施加压力时，在x轴方向上产生的电荷与施加的压力成正比，还与石英晶片的长度和厚度有关2、压电陶瓷(多晶体）人造多晶体：经极化处理后的人工多晶铁电体电畴未极化前：不具压电性撤销外电场加外高电压，强电场E对外不呈极性加力F：放电现象取消F：充电现象机械能电能3、高分子压电材料新型合成材料的分子链中C—F键具有极性，有一定的偶极矩，通常晶胞内的极矩相互抵消整体不显极性，没有压电效应。必须经过拉伸、极化过程，特殊处理才会具有良好的压电效应。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。可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板二、压电材料的分类及特性6.2压电传感器的测量转换电路一、压电元件的等效电路当压电晶体承受应力作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。故可把压电传感器看成一个电荷源与一个电容并联的电荷发生器。只适宜动态测量压电晶片：压电传感器：二、电荷放大生器电荷放大器与二次仪表接线电荷放大器是一个具有反馈电容Cf的高增益运算放大器电路。当放大器开环增益A和输入电阻Ri、反馈电阻Rf（用于防止放大器的直流饱和）相当大时，放大器的输出电压Uo正比于输入电荷Q，反比于反馈电容Cf，而基本上与Cc、Ca、Ci无关：电荷放大器由运算放大器基本特性，可求出电荷放大器的输出电压通常A=104-108，因此,当满足(1+A)Cf>>Ca+Cc+Ci时，上式可表示为：电荷放大器的输出电压Uo只取决于输入电荷与反馈电容CF，与电缆电容Cc无关，且与q成正比，因此，采用电荷放大器时，即使连接电缆长度在百米以上，其灵敏度也无明显变化，这是电荷放大器的最大特点。电荷放大器原理当被测振动较小时，电荷放大器的反馈电容Cf取小一些，可获得较大的输出电压；为减小分布电容的影响，电荷放大器紧靠传感器；为防止电荷放大器输入端受过电压的影响，可在集成运放输入端并联保护二极管VD1，VD2；为防止因Cf长期充电导致运放直流饱和，必须Cf两端并联负反馈电阻Rf。电荷放大器的高频截止频率由运放的电压上升率和电缆引线电容决定；下限频率由RfCf的乘积决定。1）压电元件的输出电荷量Q的有效值为多少库伦？2）被测振动力F的有效值为多少？3）电荷放大器的灵敏度KQ为多少mV/pC？4）该电荷放大器的下限截止频率为多少赫？例某压电元件用于测量振动，灵敏度d11=100×10-12C/N，电荷放大器的反馈电容Cf=1000pF，Rf=10MΩ，测得A1的输出电压Uo=0.2V，求:解1）压电元件的输出电荷量Q的有效值Q=CfUo=(1000×10-12F×0.2V)=200pC2）被测振动力4）下限频率：3）灵敏度6.3压电传感器的结构和应用石英晶体主要用于精密测量，多用作实验室基准传感器；压电陶瓷灵敏较高，机械强度稍低，多用作测力和振动传感器；高分子压电材料多用于定性测量。6.3压电传感器的结构和应用一、高分子压电材料的应用1.玻璃打碎报警器2.压电式周界报警系统二、压电陶瓷传感器的应用1.压电陶瓷的并联接法2.压电陶瓷的预紧力3.压电陶瓷用于动态力、振动和加速度的测量一、高分子压电材料的应用1.玻璃打碎报警装置将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上，当玻璃遭暴力打碎瞬间，压电薄膜感受到剧烈振动，表面产生电荷Q，在两输出引脚间产生窄脉冲电压U=Q/C,脉冲信号经放大后，用电缆输送到集中报警系统，产生报警信号。2．压电式周界报警系统2．压电式周界报警系统在警戒区四周埋设多根以高分子压电材料为绝缘物的单芯屏蔽电缆，屏蔽层接地，与电缆芯线之间以PVDF为介质而构成分布电容。当有人踩到电缆上的柔性地面时，该压电电缆受到挤压，产生电脉冲，引起报警。（1）并联：增加输出电荷（2）串联：提高输出电压压电陶瓷传感器的应用2.压电陶瓷的预紧力预紧力不影响交变力的测量；保证压电片受力时不易松动；消除两压电片之间因接触不良而引起的非线性误差。预紧力不能太大，否则引起压电陶瓷破损。3.压电式加速度传感器——重块质量——加速度压电式加速度传感器主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。整个部件装在外壳内，并由螺栓加以固定。当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时，压电元件受质量块惯性力的作用，根据牛顿第二定律，此惯性力是加速度的函数，即F=maq=d11F=d11ma与加速度a成正比。因此，测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。此时惯性力F作用于压电元件上，因而产生电荷q，当传感器选定后，m为常数，则传感器输出电荷为4.压电式压力传感器引线壳体基座压电晶片受压膜片导电片p当膜片受到压力F作用后，在压电晶片表面上产生电荷。在一个压电片上所产生的电荷q为即：压电式压力传感器的输出电荷q与输入压强P成正比。3.压电式声传感器铝头螺钉黄铜尾部压电陶瓷圆环当交变信号加在压电陶瓷片两端面时，由于压电陶瓷的逆压电效应，陶瓷片会在电极方向产生周期性的伸长和缩短。当一定频率的声频信号加在换能器上时，换能器上的压电陶瓷片受到外力作用而产生压缩变形，由于压电陶瓷的正压电效应，压电陶瓷上将出现充、放电现象，即将声频信号转换成了交变电信号。这时的声传感器就是声频信号接收器。6.4振动测量及频谱分析一、振动的基本概念物体在某一平衡位置附近所做的往复运动，称为机械振动，简称为振动。洗衣机机床风机夯实机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。振动幅值随时间的变化得到的曲线，叫振动波形。一、振动的基本概念振幅测振系统力学模型弹簧振子的简谐振动简谐振动——最基本的、最简单的周期振动。位移：x=Asin(ωt+φ)速度：v=Aωsin(ωt+φ+π/2)加速度：a=Aω2sin(ωt+φ+π)位移、速度和加速度的关系：（1）都是同频率的简谐波；（2）三者的幅值依次为A、Aω、Aω2。（3）相位关系，加速度超前于速度90˚，速度超前于位移90˚。简谐振动的三个基本参数二、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。根据振动系统固有振动频率f0和被测体振动频率f的关系，分为：振幅计f>5f0速度计f0=f加速度计f0>5f当传感器与被测振动加速度的机件紧固在一起后，传感器收机械运动的振动加速度作用，压电晶片受到质量块惯性引起的交变力，其方向与振动加速度方向相反，大小由F=ma决定。惯性引起的压电作用在压电晶片上产生电荷，电荷由引出电极输出，由此将振动加速度转换成电参量。三、压电式振动加速度传感器的结构四、压电振动加速度传感器的性能指标（1）灵敏度K压电式加速度传感器的输出为电荷量，以pC为单位（1pC=10-12C）。而输入量为加速度，单位为m/s2,所以灵敏度以pC/ms-2为单位,或用重力加速度pC/g。灵敏度的范围约为10～100pC/g。目前许多压电加速度传感器的输出是电压，所以灵敏度单位也可以为mV/g，通常为10～1000mV/g。（2）频率范围常见的压电加速度传感器的频率范围为0.01Hz～20kHz。（3）动态范围常用的测量范围为0.1～100g，或1000m/s2。测量冲击振动时应选用100～10000g的高频加速度传感器；而测量桥梁、地基等微弱振动往往要选择0.001～10g的高灵敏度的低频加速度传感器。五、压电振动加速度传感器的安装及使用a）长期监测：双头螺钉固定法b）短时间监测：磁铁吸附法c）临时监测：胶水粘结法d）定期巡检：手持探针式法d）典型压电式振动加速度传感器的特性参数六、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。压电陶瓷加速度传感器点火时间可用压电传感器检测爆震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（例如10度以内），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，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。当发生爆震时，传感器产生共振，输出尖脉冲信号送到汽车发动机的电控单元，进而推迟点火时刻。尽量使点火时刻接近爆震区而又不发生爆震。七、振动测量及频谱分析时域图形测量时域图形用示波器等仪器，测量频域图形用频谱仪等仪器。频域图形（频谱图）同一台空压机的时域图形和频域图形比较同一台拖拉机的时域图形和频域图形比较频谱图不因相位变化而变化，依靠频谱分析法可进行故障诊断。f2的存在说明发电机的燃气压缩比比正确；f1和f2的两侧还出现较多的小谱线（边频带）说明发电机减速齿轮磨损严重，导致啮合不良。频谱图不因相位变化而变化，依靠频谱分析法可进行故障诊断。保存正常和各种非正常的频谱图档案，当与正常运行状态下的频谱图相比较时，若出现新的谱线，就要考虑出现了新的故障。频谱分析法故障诊断6.5工程项目案例磨煤机齿轮故障诊断 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ：频谱分析法问题：某发电厂的低速筒式磨煤机噪声大，振动剧烈，该厂希望通过振动频谱分析，确定磨煤机振动的原因和故障点。采用压电加速度传感器，把振动信号转换成电信号，对输入信号进行分析处理，得到被侧振动的加速度、速度、位移值、并通过频谱分析得到故障的原因依靠频谱分析法进行故障诊断减速箱故障分析例2：减速箱的故障测试1.对多个测点进行标记，以保证每次测定的部位不变；2.尽可能沿着相互垂直的两个径向以及轴向同时进行测定。减速箱故障分析时域图和频域图磨煤机筒体转速约22r/min，相当于0.366r/s.磨煤机筒体啮合的大齿轮36齿，小齿轮19齿；6.9Hz为小齿轮的啮合频率。（0.366*19）该频率两旁出现许多小谱线，说明小齿轮严重磨损；出现14hz,21.3hz频谱线，说明大小齿的啮合不好。3.7hz谱线说明大齿轮有某个齿出现破损；50hz的谱线是由工频电压引起的振动例3：某旋转机械的不平衡频谱图a）故障前的频谱，转频处1800r/min,幅值最大，约1.5umb）运行3个月后的频谱，转频处幅值高达2.8um，达到机械运行报警值。c）排除故障后的频谱，转频处幅值仅0.978um，例4：齿轮箱弯曲故障频谱图分析转频处1020r/min,幅值最大，幅值高达4.6um，初判为不平衡所致；平衡校正后，幅值减小到0.5um运行1段时间后频谱，转频处幅值又高达高达4um，2X,3X处的谐波说明有轴向抖动。停机检查后，发现时转轴长期冲击下发生弯曲而致。什么是正压电效应和逆压电效应?6-26-3