模块振动检测上课件

机、电类

《传感器与检测技术项目教程》

模块七、振动检测课件

统一书号：ISBN978-7-111-48817-0

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2015年2月第1版（作者：梁森、黄杭美、王明霄、王侃夫）12/21/20221机、电类

《传感器与检测技术项目教程》

模块七、振动检测本模块介绍“振动”的基本概念、各种测振传感器、激振的方法、各种激振器，简要介绍频谱图、振动的频谱分析，还介绍了MEMS加速度传感器。内容简介今天是：12/21/202212/21/20222本模块介绍“振动”的基本概念、各种测振传感器、激振的方法、模块七、振动检测（上）目录进入进入进入知识链接振动的基本概念项目一、测振传感器项目二、振动的频谱分析与故障诊断拓展阅读MEMS加速度传感器現在時間是：12:3212/21/20223模块七、振动检测（上）目录进入进入进入知识链接知识链接振动的基本概念物体围绕平衡位置作往复运动称为振动。振动分类：机械振动（例如机床、电机、泵、风机等运行时的振动）；土木结构振动（房屋、桥梁等的振动）；运输工具振动（汽车、飞机等的振动）以及地震、武器、爆炸引起的冲击振动。12/21/20224知识链接振动的基本概念物体围绕平衡位置作往复运动称为振动一、振动的分类振动的类型：自由振动、受迫振动、自激振动、简谐振动、周期振动、瞬态振动、随机振动、单自由度系统振动、

多自由度系统振动、线性振动、非线性振动、低频振动、中频振动、高频振动等。12/21/20225一、振动的分类振动的类型：自由振动、受迫振动、自激振动、简谐表7-1机械振动的分类与特征分类名称特征按振动产生的原因分类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，系统的振动频率为激振频率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按振动的规

律分类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振动量为时间的非周期函数，一般在较短(几个周期)的时间内存在，是可用各种脉冲函数或衰减函数描述的振动12/21/20226表7-1机械振动的分类与特征分类名称特征按振表7-1机械振动的分类与特征（续）分类名称特征按系统的自由度分类单自由度系统振动用一个独立变量就能表示的系统振动多自由度系统振动须用多个独立变量表示的系统振动按系统结构参数的特性分类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、阻尼力和弹性力分别与振动加速度、速度和位移成正比非线性振动须用非线性微分方程来描述，微分方程中出现非线性项按振动的频率分类低频振动f≤10Hz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中频振动10Hz＜f≤1000Hz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高频振动f＞1000Hz的振动，振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12/21/20227表7-1机械振动的分类与特征（续）分类名称特二、振动的描述与计算振动的基本参数：振动频率、位移、速度、加速度、初相角来描述。振动频率f指物体每秒振动循环的次数，单位是赫兹（Hz）。振动角频率ω的单位为弧度/秒（rad/s）。振动频率f的倒数称振动周期，用T表示，T＝1/f，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xm表示，单位是m、mm或μm。峰峰值（xpp）：整个振动历程的正峰与负峰之间的差值。单峰值（xp）：正峰或负峰的最大值；有效值（xrms）:振幅的均方根值。简谐振动时，单峰值等于峰峰值的1/2；有效值（xap或x）等于单峰值的0.707；平均值等于单峰值的0.637。12/21/20228二、振动的描述与计算振动的基本参数：振动频率、位移、速度、加1．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t求导，可得振动速度；将速度对时间t求导（或对位移进行二次求导），可得振动加速度。x=xmcos(ωt+φ)（7-1）v=dxm/dt=-ωxmsin(ωt+φ)=vmcos(ωt+φ+π/2)（7-2）a=d2xm/dt=dv/dt=-ω2xmcos(ωt+φ)=amcos(ωt+φ+π)（7-3）式中xm——振幅（m）；ω——振动角频率（rad/s，ω=2πf）；φ——初相角（rad）；vm——速度幅值（m/s，vm=ωxp）；am——加速度幅值（m/s2，am=ω2xp）。也可将简谐振动的加速度a对时间积分，得到振动的速度v；再将振动速度v对时间积分（或将加速度a对时间双重积分），可得振动的位移x。12/21/202291．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峰值=xm；峰峰值=2xm；有效值=0.707xm（峰值=1.414有效值）；平均值=0.637xm。简谐振动的三个基本参数

12/21/202210峰值=xm；简谐振动的三个基本参数12/17/2022图7-2简谐振动的位移、速度、加速度变化曲线例7-1弹簧振子的简谐振动如图7-3所示，弹簧振子在C、O、B间作无摩擦力、无阻尼的简谐运动。O为平衡位置，C、B分别为负的和正的终止位置。已知B、C的距离为100mm，C→B运动的时间为1s，求：振动的周期T、频率f和振幅xm。12/21/202211图7-2简谐振动的位移、速度、加速度变化曲线例7-1解振动的周期T等于弹簧振子从C→O→B→O→C的过程所经历的时间，所以

T=2tC→B=2×1s=2s，f=1/T=1/(2s)=0.5Hz

振幅xm等于C→O的距离，或O→B的距离，所以xm=100mm/2=50mm。12/21/202212解振动的周期T等于弹簧振子从C→O→B→O→C的过程所2．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。振动烈度是以人可感觉到的0.071mm/s为起点，到71mm/s，共15个量级，相邻两个烈度量级的比值约为1.6（相差4dB）。（7-5）12/21/2022132．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。12例7-2利用磁电速度传感器测得振动烈度vF=4mm/s，测得旋转机械的转速n=3000r/min（即3000rpm），假设旋转机械的振动只有与转速成正比的基频振动，求：旋转机械的振幅峰峰值xpp为多少微米？解

该旋转机械每旋转一圈振动一次时的基频f=n/60=(3000/60)Hz=50Hz如果旋转机械的转速n=1500r/min，在用速度测振仪测得相同的烈度时，振幅将增大一倍。12/21/202214例7-2利用磁电速度传感器测得振动烈度vF=4mm/s，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：一类是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，以及进行监测、识别、诊断和故障预估；另一类是对设备或部件进行某种激振，使其产生受迫振动，以便测得被测对象的振动力学参量或动态性能，如固有频率、阻尼、阻抗、响应和模态等。12/21/202215三、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表7-2测振传感器的种类及特点种类基本测量原理测量对象与测量范围特点压电式测振传感器压电效应振动体的加速度1Hz~50kHz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；标定困难涡流式测振传感器电磁感应定律与涡流效应振动体的位移；0~10kHz非接触式测量，标定和校验比较容易；材料和温度不同时，需要重新标定磁电式测振传感器电磁感应定律振动体的速度；0.1Hz~1kHz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，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MEMS电容式加速度传感器变极距式电容效应振动体的加速度0Hz~10kHz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、钻地炸弹等测振12/21/202216表7-2测振传感器的种类及特点种类基本测量原理测量对1．绝对式和相对式测振传感器（1）绝对式测振传感器：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。传感器的主要力学组件是惯性质量块及弹性体。在一定的频率范围内，质量块相对于基座的运动，与位移、速度和加速度成正比。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。（2）相对式测振传感器：将测振传感器壳体固定在不动的支架上（也称固定基准），传感器的敏感元件靠近被测振动体表面，从而感受被测振动体表面的位移。也可以将传感器中质量很轻的“触杆”与被测振动体接触，触杆与敏感元件形成相对振动。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。12/21/2022171．绝对式和相对式测振传感器（1）绝对式测振传感器：将测振传图7-4旋转机械的绝对式振动测量与相对式振动测量a）绝对式振动测量b）相对式振动测量12/21/202218图7-4旋转机械的绝对式振动测量与相对式振动测量a）绝对2．测振系统力学模型图7-5测振系统力学模型1－振动体基座2－壳体3－阻尼器

4－惯性体

5－弹簧6－标尺阻尼衰减振动12/21/2022192．测振系统力学模型图7-5测振系统力学模型阻尼衰减振动振幅测振系统力学模型弹簧振子的简谐振动fffff12/21/202220振幅测振系统力学模型弹簧振子的简谐振动fffff12/17/测振系统

力学模型分析在图7-5所示的测振系统力学模型中，有质量块m、弹簧k、阻尼器c（包括弹性体的内耗及弹性滞后），称为惯性式测振系统。惯性式测振系统必须紧固在被测振动体A上。当测振系统自身的固有振动频率f0=(1/2π)√(K/m)，远小于被测振动体A的振动频率f，即f0≤5f时，质量块m相对于壳体的振动位移x‘将与被测振动体A的振动位移x成正比，这样的测振传感器称为振幅计。1－振动体基座2－壳体

3－阻尼器4－惯性体5－弹簧

6－标尺12/21/202221测振系统

力学模型分析在图7-5所示的测振系统力学模测振系统

力学模型

分析（续）当f0≈f

、且阻尼c很大时，质量块m的振动位移x’将与被测振动体A的振动速度v成正比，这样的测振传感器称为速度计，如电动式测振仪；当f0≥5f时，质量块将与振动体A一起振动，质量块与被测振动体A所感受到的振动加速度基本一致，这样的测振传感器称为加速度计。12/21/202222测振系统

力学模型

分析（续）当f0≈f、且阻尼c项目一测振传感器【项目教学目标】☞知识目标1）了解压电效应及压电元件。2）掌握电荷放大器的工作原理。3）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。☞技能目标1）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。回目录現在時間是：12:3212/21/202223项目一测振传感器【项目教学目标】回目录現在時間是：23:任务一压电式加速度传感器测量振动一、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时，内部会产生极化现象，同时在其表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新回到不带电的状态，这种现象称为压电效应。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，电介质变形随之消失，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）。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Fx成正比，即：Q=dFx

（7-6）式中d——压电常数。12/21/202224任务一压电式加速度传感器测量振动一、压电效应12/17/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；当施加静态力时，在初始瞬间，产生与力成正比的电荷，但由于表面漏电，所产生的电荷很快泄漏，并消失。12/21/202225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，天然石英晶体外形12/21/202226天然石英晶体外形12/17/202226石英晶体的特性石英（SiO2）是一种具有良好压电特性的压电晶体。其介电常数和压电系数的温度稳定性相当好,在常温范围内这两个参数几乎不随温度变化如下两图。在20～200℃范围内，温度每升高1℃，压电系数仅减少0.016％。但是当到573℃时，它突然完全失去了压电特性，这就是它的居里点。

石英的d11系数相对于20℃的d11温度变化特性石英在高温下相对介电常数的温度特性12/21/202227石英晶体的特性石英（SiO2）是一种具有良好压电特性的压电晶天然石英晶体外形（续）12/21/202228天然石英晶体外形（续）12/17/202228石英晶体的切片12/21/202229石英晶体的切片12/17/202229石英晶体片及封装石英晶体薄片双面镀银并封装12/21/202230石英晶体片及封装石英晶体薄片双面镀银并封装12/17/202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”——鸣沙山上的逆压电效应鸣沙丘12/21/202231清代诗人苏履吉赞颂鸣沙鸣沙丘12/17/202231交变外力作用在压电元件上，可以产生交变的电荷Q，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，产生交变电荷压电传感器产生的交变电荷的变化频率与交变力的频率相同，等效于交变电荷源。12/21/202232交变外力作用在压电元件上，可以产生交变的电荷Q，在上下镀银的二、压电材料的分类及特性压电传感器中的压电元件材料常用的有三类：一类是：压电晶体（如上述的石英晶体）；第二类是：经过极化处理的压电陶瓷；第三类是：经过极化处理的高分子压电材料。12/21/202233二、压电材料的分类及特性压电传感器中的压电元件材料常用的压电材料的

分类12/21/202234压电材料的

分类12/17/202234（1）石英晶体的特性石英晶体在20～200℃的范围内压电常数的变化量只有-0.0001/℃。还具有自振频率高、动态响应好、机械强度高、绝缘性能好、迟滞小、重复性好、线性范围宽等优点。石英晶体的不足之处是压电常数较小：d=2.3110-12C/N。因此石英晶体大多只在标准传感器、高准确度传感器或高温压电传感器中使用，而在一般要求的测量中，基本上采用压电陶瓷。12/21/202235（1）石英晶体的特性石英晶体在20～200℃的范围内压电常数（2）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)。

12/21/202236（2）压电陶瓷压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比压电陶瓷外形

12/21/202237压电陶瓷外形12/17/202237压电陶瓷（多晶材料）的工作原理某些陶瓷粉末原料，经1000℃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，它们的极化效应被相互抵消了，因此原始的压电陶瓷呈中性,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，用上千伏高电压施加在上下极板上，进行极化处理，使电畴的方向趋向一致，冷却后就具有压电效应。12/21/202238压电陶瓷（多晶材料）的工作原理某些陶瓷粉末原料，经1000℃压电陶瓷的极化处理

a）极化处理前电畴杂乱分布b）在极化电压下的电畴分布c）冷却、稳定后的电畴分布1－镀银上电极2－压电陶瓷3－镀银下电极4－电畴5－极化高压电源↑－细微的电畴极化方向12/21/202239压电陶瓷的极化处理a）极化处理前电畴杂乱分布12/17压电陶瓷极化的影响因素极化电场和极化温度越高，促使电畴取向排列的作用越大，极化就越充分。常用压电陶瓷材料的极化温度取320~420℃，极化时间从几分钟到几十分钟。12/21/202240压电陶瓷极化的影响因素极化电场和极化温度越高，促使电畴取向排常用的压电陶瓷材料（1）锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）：是由钛酸铅和锆酸铅组成的固熔体。有较高的压电常数[d＝（200～500）10-12C/N]。在上述材料中加入微量的镧（La）、铌（Nb）或锑（Sb）等，可以得到不同性能的PZT材料。（2）非铅系压电陶瓷：能减少制造过程中铅对环境的污染。BaTiO3基无铅压电陶瓷、BNT基无铅压电陶瓷、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压电陶瓷等，它们的多项性能都已超过含铅系列压电陶瓷，是今后压电陶瓷的发展方向。12/21/202241常用的压电陶瓷材料（1）锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）：是由压电陶瓷与石英晶体的特性比较12/21/202242压电陶瓷与石英晶体的特性比较12/17/202242（3）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。12/21/202243（3）高分子压电材料典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（P高分子压电材料简述特点：柔性，密度低。可以在几十微米的PVDF压电膜上，两面蒸镀金、银等金属电极，电极厚度约0.1μm，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。应用：医学测量脉动信号，例如：超声诊断仪、血压计、指脉膊计、心率计。工业中测量振动；机器人的触觉传感器、加速度传感器等。军事：水声探测器、边界振动报警、防盗报警系统等。12/21/202244高分子压电材料简述特点：柔性，密度低。12/17/2022高分子压电材料的种类、加工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）、尼龙11等，输出脉冲电压可以直接驱动CMOS集成门电路。将PVDF树脂加热，用辊压机压制成膜或电缆套管。定向拉伸的温度约为120℃，在拉伸薄膜的两面蒸镀金、银等金属电极，电极厚度为0.1μm。与压电陶瓷类似，必须用高电压进行极化处理。薄膜经极化处理后，分子偶极子就趋向一致的方向，显现出电压特性。极化场强约5kV/mm，极化温度为80~100℃，极化时间为30~60min。12/21/202245高分子压电材料的种类、加工典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯高分子压电薄膜及拉制、切片12/21/202246高分子压电薄膜及拉制、切片12/17/202246高分子压电材料的特性不易破碎，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80dB，频率响应范围可从0.1Hz直至109Hz。工作温度一般低于100℃。温度升高时，灵敏度将降低。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。12/21/202247高分子压电材料的特性不易破碎，具有防水性，可以制成较大面积或高分子压电材料制作的

压电垫和压电电缆

12/21/202248高分子压电材料制作的

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

12/21/202249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

12/21/202250压电式脚踏报警器12/17/2022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。测量系统的输出波形。12/21/202251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）交通监测

（包括轴数、轴距、单双轮胎）、车速监测、收费站出、入口、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。

将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息：12/21/202252交通监测（包括轴数、轴距、单双轮胎）、车速监测、收费站出、高分子压电电缆的应用演示12/21/202253高分子压电电缆的应用演示12/17/202253压电式动态力传感器在车床中用于动态切削力的测量

一体化车刀动态力测量12/21/202254压电式动态力传感器在车床中用于动态切削力的测量三、电荷放大器压电传感器的输出阻抗较大，要求电压放大器具有较大的输入阻抗。又由于压电传感器的输出电压与压电片的极间电容Ca以及传输线的对地分布电容Cc有关，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）的影响。现在多采用“电荷放大器”来将压电传感器输出的电荷转换为电压，属于Q-U转换器，但并无放大电荷的作用，只是一种习惯叫法。

12/21/202255三、电荷放大器压电传感器的输出阻抗较大，要求电压放大器具有较1．压电元件的等效电路（图7-8

）a）结构示意图b）压电元件的符号c）压电元件的等效电路1－镀银上电极2－压电晶体3－镀银下电极12/21/2022561．压电元件的等效电路（图7-8）a）结构示意图b）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12/21/202257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2．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R

i、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：

（7-9）12/21/2022582．与压电式加速度计相匹配的前置放大器

——电荷放大器电荷放电荷放大器电路（图7-9）1－压电传感器2－屏蔽电缆线3－传输线分布电容4－电荷放大器SC－灵敏度选择开关SR－带宽选择开关Cf´－Cf

在放大器输入端的密勒等效电容

Cf″－Cf在放大器输出端的密勒等效电容12/21/202259电荷放大器电路（图7-9）1－压电传感器2－屏蔽电缆线电荷放大器两级电路（放大图）12/21/202260电荷放大器两级电路（放大图）12/17/202260电荷放大器的四级电路框图有源巴特沃斯低通滤波器12/21/202261电荷放大器的四级电路框图有源巴特沃斯12/17/202261压电传感器与电荷放大器及

后续仪表的连接12/21/202262压电传感器与电荷放大器及

后续仪表的连接12/17/20223．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C

f应取得小一些，可以获得较大的输出电压。电荷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。下限频率fL由Rf与Cf的乘积决定。当被测电荷信号的频率下降到fL时，电荷放大器的输出电压降低到中频时的1/√2，此时的下限频率fL=1/(2πR

fC

f)。12/21/2022633．反馈电容和反馈电阻的选取当被测振动较小时，电荷放大器的反电荷放大器的频率特性.|1/Cf|12/21/202264电荷放大器的频率特性.|1/Cf|1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3Hz，但在30kHz以上时，灵敏度下降）。

12/21/202265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例7-3

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=100MΩ，测得图7-9中A1的输出电压Uo=0.2V，求：

1）压电元件的输出电荷量Q的有效值为多少皮库伦？

2）被测振动力F的有效值为多少牛顿？

3）电荷放大器的灵敏度K为多少mV/pC？

4）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Q的有效值Q=CfUo=(1000×10-12×0.2)C=200pC2）被测振动力F的有效值3）电荷放大器的灵敏度4）电荷放大器的下限截止频率12/21/202266例7-3某压电元件用于测量振动，灵敏度d11=100×1四通道电荷放大器外形.12/21/202267四通道电荷放大器外形.12/17/202某电荷放大器的前后面板12/21/202268某电荷放大器的前后面板12/17/202268典型电荷放大器指标灵敏度：0.1～1000mV/pC可调；频率范围：0.3～100kHz；

噪声(最大增益时)：折合至输入端，小于5µV；

准确度：1%；最大输出：±10V或10mA；

电

源：220V/50Hz；

控制方式：

计算机、遥控或手动。12/21/202269典型电荷放大器指标灵敏度：0.1～1000mV/pC可调超小型电荷放大器模块灵敏度：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：电容调整线性误差：1%最大输出：±5V或±10V电

源：±15V特点：可组成经济的多点测试系统。主要性能指标:焊接式电荷放大器12/21/202270超小型电荷放大器模块灵敏度：1、10、100mV/pC（其他电荷放大器外形面板式电荷放大器12/21/202271其他电荷放大器外形面板式电荷放大器12/17/202271多通道电荷放大器外形12/21/202272多通道电荷放大器外形12/17/202272四、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当压电式加速度传感器与被测振动的机件紧固在一起后，传感器受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，将振动加速度转换成电参量。弹簧给压电晶片施加预紧力。预紧力的大小基本不影响输出电荷的大小。若预紧力不够，而加速度又较大时，质量块将与压电晶片敲击碰撞；预紧力也不能太大，否则会引起压电晶片的非线性误差。12/21/202273四、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图7-10常用压电式加速度传感器探头a）原理图b）中心压缩式c）环形剪切式d）三角剪切型e）外形1－基座2－引出电极3－压电晶片4－质量块5－弹簧6－壳体7－固定螺孔8－夹持环常用的压电式振动加速度传感器12/21/202274图7-10常用压电式加速度传感器探头常用的压电式振动加速1－基座2－引出电极3－压电晶片4－质量块5－弹簧6－壳体7－固定螺孔8－夹持环常用的压电式振动加速度传感器（图7-10）12/21/2022751－基座2－引出电极3－压电晶片4－质量块常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12/21/202276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1典型压电式振动加速度传感器的特性参数12/21/2022771典型压电式振动加速度传感器的特性参数12/17/20227（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。压电振动加速度传感器的性能指标12/21/202278（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（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的高灵敏度低频加速度传感器。（4）线性度：测量频率范围内，传感器灵敏度在理论上应为常数，即输出信号与被测振动成正比。实际上传感器只在一定幅值范围保持线性特性，偏离比例常数的范围称为非线性，在规定线性度内可测幅值范围称为线性范围。压电式传感器约有1%左右的非线性误差。压电振动加速度传感器的性能指标（续）12/21/202279（3）动态范围：常用的测量范围为0.1～100g，或1000某小型“内装IC的压电加速度传感器”

性能指标灵敏度：500mV/g

量程：10g

频率范围：4-4000Hz

安装谐振点:15kHz

分辨力：0.0001g

重量：40g

安装螺纹：M5

线性：≤1%12/21/202280某小型“内装IC的压电加速度传感器”

性能指标灵敏度：5002．压电式加速度传感器的组成图7-11压电式加速度传感器原理图将探头测得加速度a进行积分，可以得到简谐振动的速度v；二次积分，可以得到简谐振动的位移x。12/21/2022812．压电式加速度传感器的组成图7-11压电式加速度传感器图7-12便携压电式加速度仪外形及显示的频谱图1－量程选择开关SC2－压电传感器输入信号插座3－多路选择开关

4－带宽选择开关SR

5－带背光的点阵液晶频谱显示器6－电池盒7－可变角度支架12/21/202282图7-12便携压电式加速度仪外形及显示的频谱图1－量程选择【电荷放大器参数填表训练】便携压电式加速度计面板如图7-12所示，压电探头的灵敏度d11=100×10-12C/N=100pC/N，开关SR置于100MΩ档位，fL=1/(2πR

fC

f)，请填写下表。输入动态力F/N电荷量Q/pC开关SC位置输出电压Uo/V下限截止频率fL/Hz1100pF111001000pF0.01μF0.10.16100100000.0161000.01μF112/21/202283【电荷放大器参数填表训练】便携压电式加速度计面板如图7-123．压电式加速度传感器的主要技术特性（1）灵敏度K：压电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，灵敏度的单位是pC/ms-2。经常用标准重力加速度g作为加速度的单位。灵敏度的范围约为10～100pC/g。或mV/g，通常为10～1000mV/g。灵敏度低的传感器可用于动态范围很宽的振动测量。而高灵敏度的压电传感器可用于测量微弱的振动。（2）频率范围：常见的压电加速度传感器的频率范围为0.1Hz～20kHz。图7-1312/21/2022843．压电式加速度传感器的主要技术特性（1）灵敏度K：压电压电式加速度传感器的主要技术特性（续）（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的高灵敏度低频加速度传感器。（4）线性度：测量频率范围内，传感器灵敏度、输出信号与被测振动加速度成正比，约有1%左右的误差。（5）横向灵敏度：理想的加速度传感器对与该轴垂直的方向振动无反应。横向灵敏度通常用主轴灵敏度的百分比来表示。一般要求横向灵敏度小于3%～5%。12/21/202285压电式加速度传感器的主要技术特性（续）（3）动态范围：常用的4．压电式振动加速度传感器的安装、使用方法图7-14压电式振动加速度传感器的安装、使用方法a）双头螺钉固定法

b）磁铁吸附法

c）胶水粘结法

d）手持探针式法1－压电式加速度传感器2－双头螺钉3－磁铁4－粘结剂5－顶针12/21/2022864．压电式振动加速度传感器的安装、使用方法图7-14压电压电加速度传感器的使用手持式测振仪12/21/202287压电加速度传感器的使用手持式测振仪12/17/202287手持式压电加速度传感器听诊器12/21/202288手持式压电加速度传感器听诊器12/17/2022885．轴承振动检测图7-15压电式加速度传感器检测轴承振动的安装示意图A－轴承的轴向振动加速度传感器B－轴承的径向振动加速度传感器

C－壳体振动加速度传感器12/21/2022895．轴承振动检测图7-15压电式加速度12/17/2026．汽车发动机爆震检测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。可用压电传感器检测到爆震，并适当延迟之。爆震波形12/21/2022906．汽车发动机爆震检测汽车发动机中的气缸点火时刻必须十分精确爆震测控原理（图7-16）a）汽车爆震传感器b）爆震波形c）爆震控制原理框图12/21/202291爆震测控原理（图7-16）a）汽车12/17/202291爆震测量压电陶瓷加速度传感器12/21/202292爆震测量压电陶瓷12/17/202292休息一下拓展阅读网络资料列表网址：回目录12/21/202293休息一下拓展阅读网络资料列表网址：http://www12/21/2022現在時間是：

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休息一下！

12/21/20229412/17/2022現在時間是：23:33休息一下！机、电类

《传感器与检测技术项目教程》

模块七、振动检测课件

统一书号：ISBN978-7-111-48817-0

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2015年2月第1版（作者：梁森、黄杭美、王明霄、王侃夫）12/21/202295机、电类

《传感器与检测技术项目教程》

模块七、振动检测本模块介绍“振动”的基本概念、各种测振传感器、激振的方法、各种激振器，简要介绍频谱图、振动的频谱分析，还介绍了MEMS加速度传感器。内容简介今天是：12/21/202212/21/202296本模块介绍“振动”的基本概念、各种测振传感器、激振的方法、模块七、振动检测（上）目录进入进入进入知识链接振动的基本概念项目一、测振传感器项目二、振动的频谱分析与故障诊断拓展阅读MEMS加速度传感器現在時間是：12:3212/21/202297模块七、振动检测（上）目录进入进入进入知识链接知识链接振动的基本概念物体围绕平衡位置作往复运动称为振动。振动分类：机械振动（例如机床、电机、泵、风机等运行时的振动）；土木结构振动（房屋、桥梁等的振动）；运输工具振动（汽车、飞机等的振动）以及地震、武器、爆炸引起的冲击振动。12/21/202298知识链接振动的基本概念物体围绕平衡位置作往复运动称为振动一、振动的分类振动的类型：自由振动、受迫振动、自激振动、简谐振动、周期振动、瞬态振动、随机振动、单自由度系统振动、

多自由度系统振动、线性振动、非线性振动、低频振动、中频振动、高频振动等。12/21/202299一、振动的分类振动的类型：自由振动、受迫振动、自激振动、简谐表7-1机械振动的分类与特征分类名称特征按振动产生的原因分类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，系统的振动频率为激振频率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按振动的规

律分类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振动量为时间的非周期函数，一般在较短(几个周期)的时间内存在，是可用各种脉冲函数或衰减函数描述的振动12/21/2022100表7-1机械振动的分类与特征分类名称特征按振表7-1机械振动的分类与特征（续）分类名称特征按系统的自由度分类单自由度系统振动用一个独立变量就能表示的系统振动多自由度系统振动须用多个独立变量表示的系统振动按系统结构参数的特性分类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、阻尼力和弹性力分别与振动加速度、速度和位移成正比非线性振动须用非线性微分方程来描述，微分方程中出现非线性项按振动的频率分类低频振动f≤10Hz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中频振动10Hz＜f≤1000Hz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高频振动f＞1000Hz的振动，振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12/21/2022101表7-1机械振动的分类与特征（续）分类名称特二、振动的描述与计算振动的基本参数：振动频率、位移、速度、加速度、初相角来描述。振动频率f指物体每秒振动循环的次数，单位是赫兹（Hz）。振动角频率ω的单位为弧度/秒（rad/s）。振动频率f的倒数称振动周期，用T表示，T＝1/f，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xm表示，单位是m、mm或μm。峰峰值（xpp）：整个振动历程的正峰与负峰之间的差值。单峰值（xp）：正峰或负峰的最大值；有效值（xrms）:振幅的均方根值。简谐振动时，单峰值等于峰峰值的1/2；有效值（xap或x）等于单峰值的0.707；平均值等于单峰值的0.637。12/21/2022102二、振动的描述与计算振动的基本参数：振动频率、位移、速度、加1．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t求导，可得振动速度；将速度对时间t求导（或对位移进行二次求导），可得振动加速度。x=xmcos(ωt+φ)（7-1）v=dxm/dt=-ωxmsin(ωt+φ)=vmcos(ωt+φ+π/2)（7-2）a=d2xm/dt=dv/dt=-ω2xmcos(ωt+φ)=amcos(ωt+φ+π)（7-3）式中xm——振幅（m）；ω——振动角频率（rad/s，ω=2πf）；φ——初相角（rad）；vm——速度幅值（m/s，vm=ωxp）；am——加速度幅值（m/s2，am=ω2xp）。也可将简谐振动的加速度a对时间积分，得到振动的速度v；再将振动速度v对时间积分（或将加速度a对时间双重积分），可得振动的位移x。12/21/20221031．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峰值=xm；峰峰值=2xm；有效值=0.707xm（峰值=1.414有效值）；平均值=0.637xm。简谐振动的三个基本参数

12/21/2022104峰值=xm；简谐振动的三个基本参数12/17/2022图7-2简谐振动的位移、速度、加速度变化曲线例7-1弹簧振子的简谐振动如图7-3所示，弹簧振子在C、O、B间作无摩擦力、无阻尼的简谐运动。O为平衡位置，C、B分别为负的和正的终止位置。已知B、C的距离为100mm，C→B运动的时间为1s，求：振动的周期T、频率f和振幅xm。12/21/2022105图7-2简谐振动的位移、速度、加速度变化曲线例7-1解振动的周期T等于弹簧振子从C→O→B→O→C的过程所经历的时间，所以

T=2tC→B=2×1s=2s，f=1/T=1/(2s)=0.5Hz

振幅xm等于C→O的距离，或O→B的距离，所以xm=100mm/2=50mm。12/21/2022106解振动的周期T等于弹簧振子从C→O→B→O→C的过程所2．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。振动烈度是以人可感觉到的0.071mm/s为起点，到71mm/s，共15个量级，相邻两个烈度量级的比值约为1.6（相差4dB）。（7-5）12/21/20221072．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。12例7-2利用磁电速度传感器测得振动烈度vF=4mm/s，测得旋转机械的转速n=3000r/min（即3000rpm），假设旋转机械的振动只有与转速成正比的基频振动，求：旋转机械的振幅峰峰值xpp为多少微米？解

该旋转机械每旋转一圈振动一次时的基频f=n/60=(3000/60)Hz=50Hz如果旋转机械的转速n=1500r/min，在用速度测振仪测得相同的烈度时，振幅将增大一倍。12/21/2022108例7-2利用磁电速度传感器测得振动烈度vF=4mm/s，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：一类是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，以及进行监测、识别、诊断和故障预估；另一类是对设备或部件进行某种激振，使其产生受迫振动，以便测得被测对象的振动力学参量或动态性能，如固有频率、阻尼、阻抗、响应和模态等。12/21/2022109三、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表7-2测振传感器的种类及特点种类基本测量原理测量对象与测量范围特点压电式测振传感器压电效应振动体的加速度1Hz~50kHz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；标定困难涡流式测振传感器电磁感应定律与涡流效应振动体的位移；0~10kHz非接触式测量，标定和校验比较容易；材料和温度不同时，需要重新标定磁电式测振传感器电磁感应定律振动体的速度；0.1Hz~1kHz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，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MEMS电容式加速度传感器变极距式电容效应振动体的加速度0Hz~10kHz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、钻地炸弹等测振12/21/2022110表7-2测振传感器的种类及特点种类基本测量原理测量对1．绝对式和相对式测振传感器（1）绝对式测振传感器：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。传感器的主要力学组件是惯性质量块及弹性体。在一定的频率范围内，质量块相对于基座的运动，与位移、速度和加速度成正比。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。（2）相对式测振传感器：将测振传感器壳体固定在不动的支架上（也称固定基准），传感器的敏感元件靠近被测振动体表面，从而感受被测振动体表面的位移。也可以将传感器中质量很轻的“触杆”与被测振动体接触，触杆与敏感元件形成相对振动。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。12/21/20221111．绝对式和相对式测振传感器（1）绝对式测振传感器：将测振传图7-4旋转机械的绝对式振动测量与相对式振动测量a）绝对式振动测量b）相对式振动测量12/21/2022112图7-4旋转机械的绝对式振动测量与相对式振动测量a）绝对2．测振系统力学模型图7-5测振系统力学模型1－振动体基座2－壳体3－阻尼器

4－惯性体

5－弹簧6－标尺阻尼衰减振动12/21/20221132．测振系统力学模型图7-5测振系统力学模型阻尼衰减振动振幅测振系统力学模型弹簧振子的简谐振动fffff12/21/2022114振幅测振系统力学模型弹簧振子的简谐振动fffff12/17/测振系统

力学模型分析在图7-5所示的测振系统力学模型中，有质量块m、弹簧k、阻尼器c（包括弹性体的内耗及弹性滞后），称为惯性式测振系统。惯性式测振系统必须紧固在被测振动体A上。当测振系统自身的固有振动频率f0=(1/2π)√(K/m)，远小于被测振动体A的振动频率f，即f0≤5f时，质量块m相对于壳体的振动位移x‘将与被测振动体A的振动位移x成正比，这样的测振传感器称为振幅计。1－振动体基座2－壳体

3－阻尼器4－惯性体5－弹簧

6－标尺12/21/2022115测振系统

力学模型分析在图7-5所示的测振系统力学模测振系统

力学模型

分析（续）当f0≈f

、且阻尼c很大时，质量块m的振动位移x’将与被测振动体A的振动速度v成正比，这样的测振传感器称为速度计，如电动式测振仪；当f0≥5f时，质量块将与振动体A一起振动，质量块与被测振动体A所感受到的振动加速度基本一致，这样的测振传感器称为加速度计。12/21/2022116测振系统

力学模型

分析（续）当f0≈f、且阻尼c项目一测振传感器【项目教学目标】☞知识目标1）了解压电效应及压电元件。2）掌握电荷放大器的工作原理。3）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。☞技能目标1）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。回目录現在時間是：12:3212/21/2022117项目一测振传感器【项目教学目标】回目录現在時間是：23:任务一压电式加速度传感器测量振动一、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时，内部会产生极化现象，同时在其表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新回到不带电的状态，这种现象称为压电效应。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，电介质变形随之消失，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）。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Fx成正比，即：Q=dFx

（7-6）式中d——压电常数。12/21/2022118任务一压电式加速度传感器测量振动一、压电效应12/17/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；当施加静态力时，在初始瞬间，产生与力成正比的电荷，但由于表面漏电，所产生的电荷很快泄漏，并消失。12/21/2022119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，天然石英晶体外形12/21/2022120天然石英晶体外形12/17/202226石英晶体的特性石英（SiO2）是一种具有良好压电特性的压电晶体。其介电常数和压电系数的温度稳定性相当好,在常温范围内这两个参数几乎不随温度变化如下两图。在20～200℃范围内，温度每升高1℃，压电系数仅减少0.016％。但是当到573℃时，它突然完全失去了压电特性，这就是它的居里点。

石英的d11系数相对于20℃的d11温度变化特性石英在高温下相对介电常数的温度特性12/21/2022121石英晶体的特性石英（SiO2）是一种具有良好压电特性的压电晶天然石英晶体外形（续）12/21/2022122天然石英晶体外形（续）12/17/202228石英晶体的切片12/21/2022123石英晶体的切片12/17/202229石英晶体片及封装石英晶体薄片双面镀银并封装12/21/2022124石英晶体片及封装石英晶体薄片双面镀银并封装12/17/202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”——鸣沙山上的逆压电效应鸣沙丘12/21/2022125清代诗人苏履吉赞颂鸣沙鸣沙丘12/17/202231交变外力作用在压电元件上，可以产生交变的电荷Q，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，产生交变电荷压电传感器产生的交变电荷的变化频率与交变力的频率相同，等效于交变电荷源。12/21/2022126交变外力作用在压电元件上，可以产生交变的电荷Q，在上下镀银的二、压电材料的分类及特性压电传感器中的压电元件材料常用的有三类：一类是：压电晶体（如上述的石英晶体）；第二类是：经过极化处理的压电陶瓷；第三类是：经过极化处理的高分子压电材料。12/21/2022127二、压电材料的分类及特性压电传感器中的压电元件材料常用的压电材料的

分类12/21/2022128压电材料的

分类12/17/202234（1）石英晶体的特性石英晶体在20～200℃的范围内压电常数的变化量只有-0.0001/℃。还具有自振频率高、动态响应好、机械强度高、绝缘性能好、迟滞小、重复性好、线性范围宽等优点。石英晶体的不足之处是压电常数较小：d=2.3110-12C/N。因此石英晶体大多只在标准传感器、高准确度传感器或高温压电传感器中使用，而在一般要求的测量中，基本上采用压电陶瓷。12/21/2022129（1）石英晶体的特性石英晶体在20～200℃的范围内压电常数（2）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)。

12/21/2022130（2）压电陶瓷压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比压电陶瓷外形

12/21/2022131压电陶瓷外形12/17/202237压电陶瓷（多晶材料）的工作原理某些陶瓷粉末原料，经1000℃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，它们的极化效应被相互抵消了，因此原始的压电陶瓷呈中性,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，用上千伏高电压施加在上下极板上，进行极化处理，使电畴的方向趋向一致，冷却后就具有压电效应。12/21/2022132压电陶瓷（多晶材料）的工作原理某些陶瓷粉末原料，经1000℃压电陶瓷的极化处理

a）极化处理前电畴杂乱分布b）在极化电压下的电畴分布c）冷却、稳定后的电畴分布1－镀银上电极2－压电陶瓷3－镀银下电极4－电畴5－极化高压电源↑－细微的电畴极化方向12/21/2022133压电陶瓷的极化处理a）极化处理前电畴杂乱分布12/17压电陶瓷极化的影响因素极化电场和极化温度越高，促使电畴取向排列的作用越大，极化就越充分。常用压电陶瓷材料的极化温度取320~420℃，极化时间从几分钟到几十分钟。12/21/2022134压电陶瓷极化的影响因素极化电场和极化温度越高，促使电畴取向排常用的压电陶瓷材料（1）锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）：是由钛酸铅和锆酸铅组成的固熔体。有较高的压电常数[d＝（200～500）10-12C/N]。在上述材料中加入微量的镧（La）、铌（Nb）或锑（Sb）等，可以得到不同性能的PZT材料。（2）非铅系压电陶瓷：能减少制造过程中铅对环境的污染。BaTiO3基无铅压电陶瓷、BNT基无铅压电陶瓷、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压电陶瓷等，它们的多项性能都已超过含铅系列压电陶瓷，是今后压电陶瓷的发展方向。12/21/2022135常用的压电陶瓷材料（1）锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）：是由压电陶瓷与石英晶体的特性比较12/21/2022136压电陶瓷与石英晶体的特性比较12/17/202242（3）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。12/21/2022137（3）高分子压电材料典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（P高分子压电材料简述特点：柔性，密度低。可以在几十微米的PVDF压电膜上，两面蒸镀金、银等金属电极，电极厚度约0.1μm，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。应用：医学测量脉动信号，例如：超声诊断仪、血压计、指脉膊计、心率计。工业中测量振动；机器人的触觉传感器、加速度传感器等。军事：水声探测器、边界振动报警、防盗报警系统等。12/21/2022138高分子压电材料简述特点：柔性，密度低。12/17/2022高分子压电材料的种类、加工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）、尼龙11等，输出脉冲电压可以直接驱动CMOS集成门电路。将PVDF树脂加热，用辊压机压制成膜或电缆套管。定向拉伸的温度约为120℃，在拉伸薄膜的两面蒸镀金、银等金属电极，电极厚度为0.1μm。与压电陶瓷类似，必须用高电压进行极化处理。薄膜经极化处理后，分子偶极子就趋向一致的方向，显现出电压特性。极化场强约5kV/mm，极化温度为80~100℃，极化时间为30~60min。12/21/2022139高分子压电材料的种类、加工典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯高分子压电薄膜及拉制、切片12/21/2022140高分子压电薄膜及拉制、切片12/17/202246高分子压电材料的特性不易破碎，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80dB，频率响应范围可从0.1Hz直至109Hz。工作温度一般低于100℃。温度升高时，灵敏度将降低。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。12/21/2022141高分子压电材料的特性不易破碎，具有防水性，可以制成较大面积或高分子压电材料制作的

压电垫和压电电缆

12/21/2022142高分子压电材料制作的

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

12/21/2022143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

12/21/2022144压电式脚踏报警器12/17/2022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。测量系统的输出波形。12/21/2022145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）交通监测

（包括轴数、轴距、单双轮胎）、车速监测、收费站出、入口、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。

将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息：12/21/2022146交通监测（包括轴数、轴距、单双轮胎）、车速监测、收费站出、高分子压电电缆的应用演示12/21/2