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,1,传感器及应用,1,任务,1,：车速检测中的压力检测,任务,2,：电子秤的压力检测,任务,3,：管道内液体的压力检测,任务,4,：物联网中的压力检测,-,知识拓展,项目四、物联网中的压力检测,传感器及应用,1,压电式传感器的使用,任务,1,：车速检测中的压力检测,一、压电式传感器应用举例,压电式传感器的应用,压电元件是一种典型的力敏感元件。可用来测量最终能转换为力的多种物理量。常用来测量力和加速度。例如，玻璃破碎报警；埋在地下作为周界安全防护报警；交通道路监控，车床动态切削力测量；体育动态力,(,起跑，跳跃,),测量；震动，爆破，地震，汽车安全气囊等。,土层压力传感器,压电式力传感器,压电倾斜测量仪,压电式传感器的使用,一、压电式传感器应用举例,压电式传感器的特点：,是能量转换型（发电型）传感器；,体积小，重量轻，刚性好，可以提高其固有频体积小，重量轻，刚性好，可以提高其固有频率，得到较宽的工作频率范围。,灵敏度高，稳定性好，可靠。对应用纵向压电效应的传感器，电荷量与晶体的变形无关，因而灵敏度与传感器刚度无关。,有比较理想的线性，且通常没有滞后现象。,压电式传感器的使用,一、压电式传感器应用举例,压电式传感器的应用,1.,低频特性较差，主要用于动态测量低频特性较差，主要用于动态测量；,2.,存在横向效应，影响测量结果；,3.,应用中要求采取严格的绝缘措施，并采用低电容、低噪声电缆；,4.,工作原理可逆；,5.,应用：压电传感器可以直接用于测力或测量与力有关的压力、位移、振动加速度等。,压电式传感器的使用,一、压电式传感器应用举例,石英晶体几何切型：,石英晶体优异的频率温度关系虽然能,够提供稳定的频率输出，但这仅仅局,限于特定的晶体方向。通常我们称这,些特殊的方向为不同的切型，意味着,可以通过晶体轴的旋转获得这些方向,和以一种特别的方式来切割晶体。常,用的切型有,AT,，,SC,和,ST,等。,压电式传感器的使用,一、压电式传感器应用举例,石英晶体几何切型的分类,石英晶体在,xyz,直角坐标系中的方位可分为两大切族：,X,切族和,Y,切族（以厚度取向为切型）。,（,1,）,X,切族：是以厚度方向平行于晶体,X,轴，长度方向平行于,Y,轴，宽度方向平等于,Z,轴这一原始位置旋出来的各种不同的几何切型。如图（,a,）。,（,2,）,Y,切族：这是以厚度方向平行于晶体的,Y,轴，长度方向平行于,X,轴，宽度方向平行于,Z,轴这一原始位置旋转出来的各种几何切型。如图（,b,）。,压电式传感器的使用,一、压电式传感器应用举例,石英晶体几何切型的表示方法：,每一种切型的石英晶片用一组字母：,x,y,z,t,l,w,和角度,r,来表示。任何一个切割方位都可以通过一个起始方位旋转得到。第一个字母表示起始方位厚度的方向，第二个字母表示起始方位长度的方向，如,X,切族以,XY,表示；,Y,切族以,YX,表示。用字母,t,（厚度）、,l,（长度）、,w,（宽度）来表示起始面转动时围绕的旋转轴。,单转角切型后面的角度表示绕以第三个字母代表的轴向旋转的角度。双转角切型的第二个角度表示绕以第四个字母代表的轴向旋转的角度。角度为正时表示晶片绕轴作逆时针旋转，角度为负时表示顺时针旋转。其方向规定从,x(,或,y),轴的正端看，若,r,角绕,x(,或,y),轴逆时针旋转，取正值；顺时针旋转，取负值。,X,Y,Z,O,q,f,X,压电式传感器的使用,一、压电式传感器应用举例,石英晶体几何切型的表示方法：,例：,(yxl)+3515,即（,AT,）切型，表示晶片的厚度方向与,Y,轴平行，长度方向与,X,轴平行，并在,yx,的原始位置上绕其长度,l,逆时针旋转,3515,的切割。,例：,(xytl)+5/(-50),切型,表示晶片的厚度方向与,X,轴平行，长度方向与,Y,轴平行，并且在,XY,原始位置上，先绕厚度,T,逆时针转,5,，再绕长度,l,顺时针转,50,的切割。,AT,切型,压电式传感器的使用,一、压电式传感器应用举例,压电式测力传感器：,压电式测力传感器是利用压电元件直接实现力,电转换的传感器，在拉、压场合，通常采用双片或多片石英晶体作压电元件。如压电式三向动态测力仪用于测试动态切削力。,还可以利用其它弹性材料做的敏感元件来测量力。即通过弹性膜、盒等，把压力收集转换成力，再传递给压电元件。,在结构设计中，必须注意：,（,1,）确保弹性膜片与后接传力件间有良好的面接触，否则，接触不良会造成滞后或线性恶化，影响静、动态特性。,（,2,）传感器基体和壳体要有足够的刚度，以保证被测压力尽可能传递到压电元件上。,（,3,）压电元件的振动模式选择要考虑到频率覆盖：弯曲；压缩；剪切。,（,4,）涉及传力的元件，尽可能采用高音速材料和扁薄结构，以利快速、无损地传递弹性元件的弹性波，提高动态性能。,（,5,）考虑加速度，温度等环境干扰的补偿。,压电式传感器的使用,一、压电式传感器应用举例,压电式测力传感器：,1.,单向力传感器,(1),仅用来测量单向的压力，如机床动态切削力的,测量。压电元件采用,xy(,即,x0),切型石英晶体，,利用其纵向压电效应，实现力一电转换。它用,两块晶片,(8mm1mm),作传感元件，被测力通,过传力上盖,l,使石英晶片,2,沿电轴方向受压力作,用，由于纵向压电效应使石英晶片在电轴方向,上出现电荷，两块晶片沿电轴方向并联叠加，,负电荷由电极,3,输出，压电晶片正电荷一侧与,底座连接。,压电式力传感器,1.,传力上盖；,2.,石英晶片；,3.,电极；,4.,底座；,5.,电极引出头；,6.,绝缘材料,压电式传感器的使用,一、压电式传感器应用举例,压电式测力传感器：,1.,单向力传感器,(2),两片并联可提高其灵敏度。压力元件弹,性变形部分的厚度较薄，其厚度由测力,大小决定。这种结构的单向力传感器体,积小、质量轻,(,仅,10 g),，固有频率高,（约,50,60 kHz),，可检测高达,5000 N,的动态力，分辨率为,10-3N,。,压电式力传感器,1.,传力上盖；,2.,石英晶片；,3.,电极；,4.,底座；,5.,电极引出头；,6.,绝缘材料,压电式传感器的使用,一、压电式传感器应用举例,压电式测力传感器：,2.,双向力传感器,(1),双向力传感器基本用于测量垂直分力,Fx,与切向分力,Fy,，以及测量互相垂直的两个切向分力，即,Fx,和,Fy,。无论哪一种测量，传感器的结构形式相似。,图所示为双向压电石英晶片的力传,感器结构，两组石英晶片分别测量,两个分力，下面一组采用,xy(x0),切型，通过,d,ll,实现力,-,电转换，测,量轴向力,Fx,；,双向压电式力传感器,（,a,）双向力传感器；,（,b,）,yx,切型示意图,压电式传感器的使用,一、压电式传感器应用举例,压电式测力传感器：,2.,双向力传感器,(2),上面一组采用,yx(y0),切型，晶片的厚度方向为,y,轴方向，在平行于,x,轴的剪切应力,6,(,在,xy,平面内,),的作用下，产生厚,度剪切变形。所谓厚度剪切变形,是指晶体受剪切应力的面与产生,电荷的面不共面，如图,(b),所示。,这一组石英晶体通过,d,26,实现力,-,电转换来测量,Fy,。,双向压电式力传感器,（,a,）双向力传感器；,（,b,）,yx,切型示意图,压电式传感器的使用,一、压电式传感器应用举例,举例：测加速度,(1),当传感器感受振动时，质量块感受惯性力的作用。质量块有一正比于加速度的交变力作用在压电片上。由于压电片压电效应，两个表面上就产生交变电荷，当振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器的输出电荷（电压）与作用力成正比，亦即与试件的加速度成正比。电荷量直接反映加速度大小。其灵敏度与压电材料压电系数和质量块质量有关。,输出电量由传感器输出端引出，输入到前置放大器后就可以用普通的测量仪器测出试件的加速度，如在放大器中加进适当的积分电路，就可以测出试件的振动速度或位移。,压电式传感器的使用,一、压电式传感器应用举例,举例：测加速度,(2),为了提高传感器灵敏度，一般选择压电系数大的压电陶瓷片。,若增加质量块质量会影响被测振动，同时会降低振动系统的固有频率，因此一般不用增加质量办法来提高传感器灵敏度。此外还可以用增,加压电片数目和采用合理的,连接方法也可提高传感器灵,敏度。,压电式传感器的使用,一、压电式传感器应用举例,压电加速度传感器结构形式：,有压缩型、剪切型和复合型。,压缩型：,（,1,）正装中心压缩式：正装中心压缩式如图。结构特点：质量快和弹性元件通过中心螺栓固紧在基座上形成独立的体系，壳体仅起防护和屏蔽作用。具有灵敏度高、性能稳定，频响好，工作可靠等优点。但基座的机械和热变仍有影响。,压电式传感器的使用,一、压电式传感器应用举例,压电加速度传感器结构形式,（,2,）压缩型的改进型。,图,(b),为改进型的隔离基座压缩式，图,(c),为改进型的倒装中心压缩式，这两种结构都可以避免基座变形影响。图,(d),为双筒双屏蔽的新颖结构，除了外壳起屏蔽作用外，预载套筒也起内屏蔽作用。预载套筒横向刚度大，大大提高了传感器的综合刚度和横向抗干扰能力。,压电式传感器的使用,一、压电式传感器应用举例,振动测量及频谱分析,(1),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。,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。,压电式传感器的使用,一、压电式传感器应用举例,振动测量及频谱分析,(2),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。,横向振动,测振器,纵向振动,测振器,压电式传感器的使用,一、压电式传感器应用举例,振动测量及频谱分析,(3),地震的测量,压电式传感器的使用,一、压电式传感器应用举例,振动测量及频谱分析,(4),减速箱故障分析,-,依靠频谱分析法进行故障诊断,a,）时域波形,b,）频域波形,压电式传感器的使用,一、压电式传感器应用举例,桥墩水下缺陷探测,(1),图示为用压电式加速度传感器探测桥墩水下部位裂纹的示意图。通过放电炮的方式使水箱振动,(,激振器,),，桥墩将承受垂直方向的激励，用压电式加速度传感器测量桥墩的响应，将信号经电荷放大器进行放大后送入数据记录仪，再将记录下的信号输入频谱分析设备，经频谱分析后就可判定桥墩有无缺陷。,压电式传感器的使用,一、压电式传感器应用举例,桥墩水下缺陷探测,(2),图,(a),为探测示意图。没有缺陷的桥墩为一坚固整体，加速度响应曲线为单峰，如图,(b),所示。若桥墩有缺陷，其力学系统变得更为复杂，激励后的加速度响应曲线将显示出双峰或多峰，如图,(c),所示。,压电式传感器的使用,一、压电式传感器应用举例,压电式流量计,利用超声波在顺流方向和逆流方向的传播速度进行测量。其测量装置是在管外设置两个相隔一定距离的收发两用压电超声换能器，每隔一段时间,(,如,1/100s),，发射和接收互换一次。在顺流和逆流的情况下，发射和接收的相位差与流速成正比。据这个关系，可精确测定流速。流速与管道横截面积的乘积等于流量。,此流量计可测量各种液体的流速，中压和低压气体的流速，不受该流体的导电率、粘度、密度、腐蚀性以及成分的影响。其准确度可达,0.5%,，有的可达到,0.01%,。根据发射和接收的相位差随海洋深度深度的变化，测量声速随深度的分布情况,.,压电式传感器的使用,一、压电式传感器应用举例,自来水管道测漏,(1),检测原理,：,如果地面下有一条均匀的直管道某处,O,点为漏点，振动声音从,O,点向管道两端传播，传播速度为,V,，在管道上,A,、,B,两点放两只传感器，,A,、,B,距离为,L,（已知或可测），从,A,、,B,两个传感器接收的由,O,点传来的,t0,时刻发出的振动信号所用时间为
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