模块3-速度与加速度检测

模块3速度与加速度检测主要内容：单元1霍尔式转速检测单元2超声波速度检测单元3压电式加速度检测速度是表示物体运动快慢的程度。速度检测技术广泛应用于机械制造、印刷、轻工、纺织、电力、医药、食品加工、交通、气象等行业，实际速度检测包括转速、振动速度及线速度测量，如交通领域的车辆速度检测，控制系统的传动机构、电机、轴等转速测量，振动测试中振动线速度测量，气象预报中的风速测量等。加速度是反映物体速度改变快慢的物理量，为速度相对时间的变化率。加速度检测则应用于冲击和振动测试，或用于测量物体的加速度，如飞机和轮船在行驶中，提供有关它们位置、速度和运行位移，制动、加速情况等信息，以及汽车安全气囊系统的防碰撞检测，智能手机、平板电脑、体感游戏输入设备的倾斜、摇晃检测等。模块3速度与加速度检测

【引导语】

1．速度的基本概念速度有线速度与转速之分。线速度定义为单位时间内的位移线，单位为m/s，而转速则一般表示为单位转过的角度，记为rad/s。工程中常用每分钟旋转的圈数表示，即r/min。常用的转速测量传感器有光电传感器、霍尔传感器、磁电式转速传感器、变磁阻式、测速发电机等。线速度测量：流水线或传送带的线速度，轨道车辆时速的地面监测，子弹飞行过程的速度监测等。流水线或传送带的直线运动，其实是旋转运动通过传动机构实现的直线运动，可通过监测旋转机械的旋转速度，仪器内部再乘以一个系数就可以直读线速度；有些线速度需要按照线速度的物理定义，监测运动物体通过两点的距离和时间，通过运算获得。【背景知识】模块3速度与加速度检测

【背景知识】

部分转速传感器性能比较模块3速度与加速度检测

2．加速度的基本概念加速度的单位是m/s2，有时采用重力加速度g来表达。g的大小因测量位置不同会有微小变化，但普遍被接收的g值是9.80665m/s2，通常简化为9.81m/s2。加速度传感器有多种形式，其工作原理都是利用惯性质量受加速度所产生的惯性力而造成的各种效应，进一步转化成电量后间接获得加速度的。常用的加速度传感器有电阻应变式、压电式、磁致伸缩式、电容式等。模块3速度与加速度检测

【背景知识】

2．加速度的基本概念模块3速度与加速度检测

【背景知识】

部分加速度传感器性能比较速度、加速度传感器的应用模块3速度与加速度检测

【背景知识】

风速仪电子产品内置加速度传感器演示视频加速度传感器震动报警演示速度、加速度传感器的应用模块3速度与加速度检测

【背景知识】

脉冲锤——振动测试及故障诊断中广泛使用的激振器之一，内置加速度传感器以获取激振力、加速度等信息。阻抗头——加速度与力的复合型传感器，在机械阻抗性能测试中用以获取接线的速度、加速度阻抗等性能参数。在汽车制动时，如果车轮抱死滑移，车轮与路面间的侧向附着力将完全消失。如果只是前轮(转向轮)制动到抱死滑移而后轮还在滚动，汽车将失去转向能力。如果只是后轮制动到抱死滑移而前轮还在滚动，即使受到不大的侧向干扰力，汽车也将产生侧滑(甩尾)现象。这些都极易造成严重的交通事故。防抱死制动系统(AntilockBrakeSystem，ABS)，即在普通制动系统的基础上加装车轮速度传感器、ABS电控单元、制动压力调节装置及制动控制电路等，通过监测车轮转速判断抱死是否发生，并通过控制机构调节左右轮制动力，从而增加轮胎与路面的附着能力，减轻或消除抱死现象。

单元1霍尔式转速检测

【问题引入】

1．霍尔传感器的工作原理半导体在外加磁场作用下，当有电流流过时，运动电子受洛沦磁力的作用而偏移，在两侧形成电荷积累，产生电动势UH。

单元1霍尔式转速检测

【问题分析】

霍尔电压UH为：

e——电子电量KH——霍尔元件灵敏度式中n——载流子数浓度KH＝1/ned霍尔效应1．霍尔传感器的工作原理单元1霍尔式转速检测

【问题分析】

霍尔效应2．霍尔式传感器的基本测量电路霍尔元件的基本电路如图所示。控制电流由电源E供给，RP为调节电阻，调节控制电流的大小。在磁场与控制电流的作用下，负载上就有电压输出。在实际使用时，I或B或两者同时作为信号输入，而输出信号则正比于I或B或两者乘积。单元1霍尔式转速检测

【问题分析】

结构示意实物图霍尔元件的基本电路3．霍尔式传感器的转速检测（1）霍尔式转速传感器霍尔式转速传感器是小型封闭式传感器，它的检测对象为磁性材料或导磁材料，如磁钢、铁和电工钢等。当被测体上带有凸起（或凹陷）的磁性或导磁材料，随着被测物体转动时，传感器输出与旋转频率相关的脉冲信号，经计算可获得转速。

单元1霍尔式转速检测

【问题分析】（2）霍尔式传感器转速检测单元1霍尔式转速检测

【问题分析】

霍尔传感器转速测量示意图1-输入轴；2-转盘；3-小磁铁；4-霍尔传感器

式中：z—齿盘每圈齿数；f—频率（Hz）（2）霍尔式传感器转速检测单元1霍尔式转速检测

【问题分析】

霍尔转速传感器转速测量系统1．霍尔元件的材料及结构特点根据霍尔效应原理做成的器件叫做霍尔元件，霍尔元件一般采用具有N型的锗、锑化铟和砷化铟等半导体单晶材料制成

单元1霍尔式转速检测

【知识链接】材料输出特性温度情况锑化铟输出大温度影响大锗元件输出小温度性能和线性度较好砷化铟输出较大温度的影响较小，线性度较好砷化铟为霍尔元件的材料得到普遍应用

（a）霍尔元件结构示意图b）图形符号（c）外形2．霍尔元件的参数

单元1霍尔式转速检测

【知识链接】

（1）输入电阻Ri；（2）输出电阻R0；（3）最大激励电流IM；（4）灵敏度KH；（5）最大磁感应强度BM；（6）不等位电势；（7）霍尔电势温度系数3．集成霍尔元件集成霍尔元件可分为线性型和开关型两大类，前者是将霍尔元件和恒流源、线性放大器等做在一个芯片上，输出电压较高，使用非常方便。单元1霍尔式转速检测

【知识链接】

3．集成霍尔元件单元1霍尔式转速检测

【知识链接】

线性型集成霍尔元件输出特性3．集成霍尔元件开关型是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、OC门等做在同一个芯片上。当外加磁场强度超过规定的工作点时，OC门由高电阻状态变为导通状态，输出低电平，当外加磁场低于释放点时，OC门重新变为高阻状态，输出高电平。单元1霍尔式转速检测

【知识链接】

开关型集成霍尔元件输出特性4．霍尔式传感器应用类型（1）利用霍尔电势正比于磁感强度的特性来测量磁场及与之有关的电量和非电量。如磁场计、方位计、电流计、微小位移计、角度计、转速计、加速度计、磁读头、函数发生器、同步传动装置、无刷直流电机、非接触开关等。（2）利用霍尔电势正比于激励电流的特性可制作回转器、隔离器、电流控制装置等。（3）利用霍尔电势正比于激励电流与磁感应强度乘积的规律制成乘算器、除算器、乘方器、开方器、功率计等，也可以作混频、调制、斩波、解调等用途。单元1霍尔式转速检测

【知识链接】

4．霍尔式传感器应用类型单元1霍尔式转速检测

【知识链接】

霍尔式压力传感器霍尔式角位移传感器4．霍尔式传感器应用类型单元1霍尔式转速检测

【知识链接】

霍尔转速测量霍尔钳形电流表4．霍尔式传感器应用类型单元1霍尔式转速检测

【知识链接】

高斯计（特斯拉计）【案例1】ABS转速测量系统ABS是在普通制动系统的基础上加装车轮速度传感器、ABS电控单元、制动压力调节装置及制动控制电路等组成。单元1霍尔式转速检测

【应用案例】

ABS系统的组成(分置式)及工作原理1-前轮速度传感器；2-制动压力调节装置；3-ABS电控单元；4-ABS报警灯；5-后轮速度传感器；6-停车灯开关；7-制动主缸；8-比例分配阀；9-制动轮缸；10-蓄电池；11-点火开关【案例1】ABS转速测量系统单元1霍尔式转速检测

【应用案例】

（a）前轮（b）后轮霍尔传感器在车轮上的安装位置1-齿圈；2-霍尔传感器；3-轮毂；4-固定支架霍尔传感器轮速检测示意图1-磁体；2-霍尔元件；3-齿圈【案例1】ABS转速测量系统制动过程中，ABS电控单元（ECU）3不断地从传感器1和5获取车轮速度信号，并加以处理，分析是否有车轮即将抱死拖滑。如果没有车轮即将抱死拖滑，制动压力调节装置2不参与工作，制动主缸7和各制动轮缸9相通，制动轮缸中的压力继续增大，此即ABS制动过程中的增压状态。如果电控单元判断出某个车轮(假设为左前轮)即将抱死拖滑，它即向制动压力调节装置发出命令，关闭制动主缸与左前制动轮缸的通道，使左前制动轮缸的压力不再增大，此即ABS制动过程中的保压状态。若电控单元判断出左前轮仍趋于抱死拖滑状态，它即向制动压力调节装置发出命令，打开左前制动轮缸与储液室或储能器的通道，使左前制动轮缸中的油压降低，此即ABS制动过程中的减压状态。单元1霍尔式转速检测【应用案例】

【案例2】自行车码表自行车码表可用以计算速度及里程，由安装于前车圈钢条上的感应磁铁、前叉上的感应器、连接线、置于车把上面的码表座和座上面的码表显示装置构成。单元1霍尔式转速检测

【应用案例】

自行车码表1-显示装置；2-连接线；3-感应器；4-安装支座；5-磁铁【案例2】自行车码表码表感应器一般采用开关型霍尔集成元件，实现磁信号至电信号的转换。行驶时，辐条带动永久磁铁转动，磁场相应发生变化，霍尔元件将获得一定频率的脉冲信号，经换算可得自行车行驶速度及里程。单元1霍尔式转速检测

【应用案例】

码表的安装自行车码表的安装与调试1．项目要求熟悉霍尔传感器工作原理，认知集成霍尔元件及其类型，能够正确进行霍尔式自行车码表的安装与调试。2．设备与工具示波器一台；自行车码表一套、1.5V电池2节；自行车、皮尺、秒表（或电机、光电手持转速表、磁力表座）；常用电工组装工具一套。单元1霍尔式转速检测

【实践项目】

3．操作步骤（1）参照教材图3-17进行感应器、磁铁、实现装置的安装并连线（或在电机输出轴安装磁铁，参照图3-4，感应器用支架或磁力表座固定）。安装时注意磁铁与感应器距离应不超过4mm，注意磁铁应尽量正对感应器。（2）参阅说明书，装入电池，开机初始化后进行相应设置。（3）在室外场地选择一处，用皮尺丈量10米，做上标记，匀速骑行自行车并用秒表计时，将码表显示的车速与计时计算的车速比较，判断测速结果并分析。如进行电机转速测试，则同时利用手持光电转速表进行分析校准。（4）如存在较大偏差，可将感应器信号线引出并连接至示波器，手动摇动自行车踏板，观察输出波形。单元1霍尔式转速检测

【实践项目】

1．测速发电机测速发电机是机电一体系统中用于测量和自动调节电机转速的一种传感器，测量方式为接触式测量。它由带有绕组的定子和转子构成。根据电磁感应原理，当转子绕组供给励磁电压并随被测电动机转动时，定子绕组则产生与转速成正比的感应电动势。根据励磁电流的种类，测速发电机可分为直流测速发电机和交流测速发电机两大类。直流测速发电机的工作原理与一般直流发电机相同。在恒定磁场中，旋转的电枢绕组切割磁通，产生感应电动势，由电刷两端引出的电枢感应电动势为单元1霍尔式转速检测

【拓展提高】

Ke－感应系数；Φ－磁通（单位：Wb）；n－转速（单位：r/min）；Ce－感应电动势与转速的比例系数（单位：V/（r/min））。1．测速发电机交流测速发电机有永磁式、感应式和脉冲式三种。交流测速发电机多采用输出感应电动势频率与转速有关进行转速测量的。计算式

单元1霍尔式转速检测【拓展提高】

式中：z—转子齿数或电机极对数；f—频率（Hz）2．光电转速测量光电式转速表有反射式和透射式两种，它可以在距被测物数十毫米处非接触地测量其转速。由于光电器件的动态特性较好，所以可以用于高转速的测量而又不影响被测物的转动。单元1霍尔式转速检测

【拓展提高】

透射式反射式1－光源；2、5－透镜；3－被测旋转物；4－反光纸；6－光敏二极管；7－遮光罩；8－放大、整形电路；9－计频电路；10－显示器；11－时基电路2．光电转速测量单元1霍尔式转速检测

【拓展提高】

反射式光电转速传感器反射式光电转速表超速行车在交通违规中占有极大比例，是引发交通事故的主要因由之一，因此对于重点路口、事故多发路段进行车辆速度检测监控并加强管理是减少交通超速违章，保障交通安全的有效途径。单元2超声波速度检测

【问题引入】

（a）手持式（b）固定安装式测速雷达车辆行驶速度为线速度，对于车载测速而言，可通过测量传递机构或车轮转速再经换算获取；而外部设置的车速检测装置宜采用非接触线速度测量装置如超声波测速、视频/感应线圈配合测速、红外测速、激光测速等。超声多谱勒法则是利用波的多普勒效应实现速度测量的。一般来说，对于运动物体的速度测量多采用超声多谱勒法。1．超声波测速超声波测速适合作流动物质中含有较多杂质的流体的流速测量，或运动物体的速度测量，主要方法有频差法和时差法，超声多谱勒法。单元2超声波速度检测

【问题分析】

时差法：测量沿运动物体或流体的正反两个不同方向发射的超声波到达接收端的时差。由于声速参与运算，而声速受温度的影响变化较大，所以不适合用在工业环境等温度变化范围大的场合。单元2超声波速度检测

【问题分析】

F1发射的超声波到达

F2的时间较短频差法：当超声波在流动的媒质中传播时，相对于固定坐标系统来说，超声波速度与静止媒质中的传播速度有所不同，其变化值与媒质流速有关。采用频差法，就可以避开声速随温度变化的影响，但测频计数由于存在±1误差，对于高精度测量，需要高速计数器。

单元2超声波速度检测【问题分析】

发射、接收探头也可以安装在管道的同一侧2．多普勒效应物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化。假设检测点超声发射机向被测物体发射频率为f0的超声波，被测物体以速度v向检测点运动，被测物体获得的信号频率为f1

经被测物体反射的频率f1声波信号到达检测点后的频率的频率为f2

，则频率差Fd单元2超声波速度检测【问题分析】

3．超声多普勒速度检测超声多普勒测速仪由超声探头（发射和接收）、信号发生电路、驱动电路、放大、检波及处理电路组成。利用多普勒效应可以对被测物体的线速度进行测量。图示车辆速度检测：当有车辆经过时，信号将由车辆前端反射。由于多普勒效应，接收的超声频率与发射的超声频率之间存在频偏Fd，根据此频偏即可获得被测车辆的线速度，其值为

单元2超声波速度检测

【问题分析】

3．超声多普勒速度检测单元2超声波速度检测【问题分析】

超声速度检测电路原理图1．超声波简介超声波是一种机械波，超声波是频率高于20kHz的机械振动波，它方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。超声波因其频率下限大约等于人的听觉上限而得名。超声波的特性与频率的关系：频率越高，其声场指向性越好，与光波的反射、折射特性就越接近。常用的声波频率为几十千赫兹至几十兆赫兹。单元2超声波速度检测

【知识链接】

1．超声波简介单元2超声波速度检测

【知识链接】

蝙蝠能发出和听见超声波蝙蝠依靠超声波捕食1．超声波简介通常，超声波波形有纵波、横波和表面波三种形式。纵波：媒体介质中各体元振动的方向与波传播的方向平行。单元2超声波速度检测

【知识链接】

纵波1．超声波简介横波：媒体介质中各体元振动的方向与波传播的方向垂直。单元2超声波速度检测

【知识链接】

横波1．超声波简介表面波：沿着两种媒质的界面传播的具有纵波和横波双重性质的波。

单元2超声波速度检测

【知识链接】

表面波2．超声波传感器的材料超声波主要材料有压电晶体及镍铁合金（磁致伸缩）、压电陶瓷锆钛酸铅（PZT）等。超声波传感器习惯上称为超声换能器或超声探头，分为发射换能器和接收换能器。发射换能器利用压电元件的逆压电效应，而接收换能器则利用压电效应。超声波换能器的种类很多，按照其结构可分为直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头、双探头（发射和接收）、聚焦探头（将声波聚集成一束）、水浸探头及专有探头等。按照实现超声换能器机电转换的物理效应的不同可分为电动式、电磁式、压电式、磁致伸缩式等。单元2超声波速度检测

【知识链接】

3．超声波探头的结构与原理由于结构不同，又分为直探头、斜探头等。

单元2超声波速度检测

【知识链接】

超声波探头结构示意图1—接插件；2—外壳；3—阻尼吸收块；4—引线；5—压电晶体；6—保护膜；7—隔离层；8—延迟块；9—有机玻璃斜楔块；10—试件；11—耦合剂3．超声波探头的结构与原理单元2超声波速度检测

【知识链接】

外壳用金属制作，保护膜用硬度很高的耐磨材料制作，防止压电晶片磨损。保护膜接插件直探头3．超声波探头的结构与原理单元2超声波速度检测

【知识链接】

双晶直探头发射晶片接收晶片将两个单晶探头组合装配在同一壳体内，其中一片发射超声波，另一片接收超声波。两晶片之间用一片吸声性能强、绝缘性能好的薄片加以隔离。双晶探头的结构虽然复杂些，但检测精度比单晶直探头高，且超声信号的反射和接收的控制电路较单晶直探头简单。3．超声波探头的结构与原理单元2超声波速度检测

【知识链接】

斜探头底部耐磨材料接插件3．超声波探头的结构与原理单元2超声波速度检测

【知识链接】

空气传导探头

1—外壳2—金属丝网罩3—锥形共振盘4—压电晶片5—引脚6—阻抗匹配器7—超声波束

a）

超声发射器b）超声接收器3．超声波探头的结构与原理单元2超声波速度检测

【知识链接】

空气传导探头3．超声波探头的结构与原理单元2超声波速度检测

【知识链接】

空气传导探头3．超声波探头的结构与原理单元2超声波速度检测

【知识链接】

水浸探头水浸聚焦探头3．超声波探头的结构与原理单元2超声波速度检测

【知识链接】

聚焦探头原理3．超声波发射、接收电路单元2超声波速度检测

【知识链接】

超声接收电路图超声发射电路图超声波的应用

单元2超声波速度检测

【知识链接】

医学检查超声清洗波浪气泡超声波的应用

单元2超声波速度检测

【知识链接】

鱼群探测超声波测速仪CS12手持式测速仪利用超声波多普勒效应测速，可将目标车辆速度值直观显示在彩色LCD屏上，具有触摸功能，各种操作设置必须在屏上轻轻点击即可完成。体积小，重量轻，可手持或设在三脚架上使用。测速仪具有静态和动态两种工作模式，即可固定安置使用，也可在行驶中巡逻车上使用。单元2超声波速度检测

【应用案例】

手持测速仪

测速仪主界面超声波测速仪【发射/关闭】发射开关切换按钮，可打开或关闭雷达天线，状态为“发射”时，雷达连续测速；状态为“关闭”时，停止测速。【静态/动态】测速模式按钮，“静态”是指测速仪位置固定，“动态”是指测速仪加设在行驶车辆上，相对地面处于运动状态。【同向/反向/双向】测速方向切换按钮。【KPH/MPH】速度单位转换按钮，以公里或英里每小时表示。【音叉关/音叉开】音叉测试开关。在“音叉开”状态下，可以用音叉来模拟目标速度值简单测试正常与否。在实际使用中，应设置为“音叉关”。单元2超声波速度检测

【应用案例】

超声波测速仪的操作1．项目要求熟悉超声测速仪工作原理，通过操作，能够正确进行测速仪的测试模式、测试方向设置；路段信息、限速要求信息输入、测试仪校准及实际速度测量。2．设备与工具手持超声测速仪、三脚架；常用电工组装工具一套。3．操作步骤（1）按测速仪操作指南进行测速仪校准。单元2超声波速度检测

【实践项目】

超声波测速仪的操作（2）将测速仪安装于三脚架上并置于道路边，调整好角度，设置“静态”模式、单位、时间等信息。分别对过往车辆进行“同向”、“反向”、“双向”测试，记录并打印。（3）将测速仪安装于车辆上，车辆按一定速度匀速行驶，分别对过往车辆进行“同向”、“反向”、“双向”测试，记录并打印。（4）查阅资料了解该款测速仪工作原理。（5）思考：温度是否对测值有影响？如有，如何减小或消除？单元2超声波速度检测

【实践项目】

1．超声多普勒成像超声多普勒法成像就是应用超声波的多普勒效应，从体外得到人体运动脏器的信息，进行处理和显示。现已普遍用于血流、心脏和产科等方面的检查。彩色多普勒体层成像是用脉冲多普勒法对于一点的血流信息进行实时二维显示。一般取流向探头的血流设为红色，远离探头的血流设为蓝色。其基本原理和脉冲多普勒法一样，所不同的是比脉冲多普勒成像装置多了MTI（移动目标指示装置）计算电路。接收到的多普勒回波信号经过混频电路和低通滤波器进行相位检波后，一路送到处理电路，进行频谱分析，以显示多普勒频谱；一路送到计算机电路，以得到彩色多普勒血流信息。单元2超声波速度检测

【拓展提高】

1．超声多普勒成像单元2超声波速度检测

【拓展提高】

彩色多普勒成像2．风速检测风速检测在气象、风力发电、农业生产、环境保护、交通、灾害预警等领域应用广泛。单元2超声波速度检测

【拓展提高】

（a）三杯风速计（b）风向传感器风速、风向传感器外形

风速、风向传感器结构1-透镜单元；2-凸出部位；3-圆盘；4-传动齿轮；5-光纤连接器；6-液压缓冲器；7-磁耦合器；8-箭尾；9-光电转换开关；10-连接器；11-透镜；12-多头连接器为了减少意外撞车对人体带来的伤害，安全气囊已成为汽车安全系统配备的主要装置。汽车安全气囊采用带橡胶衬里的特种织物尼龙制成，工作时用无害的氮气填充。在发生碰撞时，安全气囊充气大约需要0.03秒。非常快的充气速度对确保当乘客的身体被安全带束缚不动，而头部仍然向前行进时，安全气囊能及时到位。在头部碰到安全气囊时，安全气囊通过气囊表面的气孔开始排气。气体的排出有一定的速率，确保让人的身体部位缓慢地减速。在汽车碰撞瞬间，驾驶人员无法快速反应启动安全气囊系统，因此必须碰撞检测系统获取碰撞信息，自动开启安全气囊。单元3压电式加速度检测

【问题引入】

单元3压电式加速度检测

【问题引入】

防碰撞方法可采用加速度检测。汽车行驶过程中，传感器系统不断向控制装置发送加速度（或速度变化）信息，由控制装置（中央控制器）对这些信息加以分析判断，如果所测的加速度、速度变化量或其它指标超过预定值（即真正发生了碰撞），则控制装置向气体发生器发出点火命令或传感器直接控制点火，点火后发生爆炸反应，产生N2或将储气罐中压缩氮气释放出来充满碰撞气袋。乘员与气袋接触时，通过气袋上排气孔的阻尼吸收碰撞能量，达到保护乘员的目的。压电式加速度传感器具有频率范围广、动态范围宽、灵敏度高等优点，因而应用广泛。单元3压电式加速度检测

【问题分析】

1．压电效应和逆压电效应某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用产生变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面产生电荷。当外力去掉后，又重新回到不带电状态，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，它会产生机械变形，当去掉外加电场，电介质变形随之消失，这种现象称为逆压电效应或叫做电致伸缩效应。压电材料的压电特性常用压电方程来描述：Q=dF

式中：Q—产生的电荷（单位：C）；d—压电系数（单位：C/N）；F—在晶体的弹性限度内施加的力（单位：N）。单元3压电式加速度检测

【问题分析】

1．压电效应和逆压电效应单元3压电式加速度检测

【问题分析】

电介质在沿一定方向上受到外力

产生变形

外力去掉，回到不带电状态

内部产生极化现象，表面产生电荷

压电效应1．压电效应和逆压电效应单元3压电式加速度检测

【问题分析】

极化方向上施加交变电场

产生机械变形

去外加电场，变形消失

逆压电效应2．压电式加速度传感器利用压电陶瓷的压电效应可构成不同使用要求的加速度传感器。常用的有如图压缩型、剪切型和弯曲型三种结构。单元3压电式加速度检测

【问题分析】

a）压缩型b）剪切型c）弯曲型压电加速度传感器结构类型1－质量块（惯性元件）；2－压电元件；3－基体；4－输出接头；5－敏感方向2．压电式加速度传感器单元3压电式加速度检测

【问题分析】

压缩型振动加速度传感器1-质量块；2-压电元件；3-弹簧压电加速度测量系统原理图2．压电式加速度传感器单元3压电式加速度检测

【问题分析】

1．压电材料自然界中，大多数晶体都具有压电效应，但多数晶体的压电效应过于微弱。具有实用价值的压电材料基本上可分为三大类：压电晶体、压电陶瓷和有机压电材料。压电晶体是一种单晶体，例如石英晶体、酒石酸钾钠等。压电陶瓷是一种人工制造的多晶体，例如钛酸钡、锆钛酸铅、铌酸锶等。有机压电材料属于新一代的压电材料，其中较为重要的有压电半导体和高分子压电材料。单元3压电式加速度检测

【知识链接】

石英晶体单元3压电式加速度检测

【知识链接】

石英晶体薄片及封装单元3压电式加速度检测

【知识链接】

石英晶体石英晶体中间棱柱断面的下半部分，其断面为正六边形。Z轴是晶体的对称轴，称为光轴，该轴方向上没有压电效应；X轴称为电轴，垂直于X轴晶面上的压电效应最显著；Y轴称为机械轴，在电场的作用下，沿此轴方向的机械变形最显著。单元3压电式加速度检测

【知识链接】

石英晶体的压电效应(a)石英晶体(b)石英晶体切片石英晶体石英晶体具有压电效应，是由其内部结构决定的。组成石英晶体的硅离子Si4+和氧离子O2-在Z平面投影，如图(a)。为讨论方便，将这些硅、氧离子等效为图(b)中正六边形排列，图中“＋”代表Si4+，“－”代表2O2-。

单元3压电式加速度检测

【知识链接】

硅氧离子的排列示意图（a）硅氧离子在Z平面上的投影（b）等效为正六边形排列的投影(b)(a)++---YXXY+石英晶体当FX=0时，正负电荷中心重合，电偶极矩矢量和为0；当FX<0时，晶体沿X方向将产生收缩，正、负电荷中心不重合，电偶极矩在X方向的分量>0；受到X方向的拉力（FX＞0）时，在X轴正向出现负电荷。单元3压电式加速度检测

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Y+++---X(a)FX=0P1P2P3FXXY++++－－－－FX(b)FX<0+++---P1P2P3(c)FX>0Y+++--X-+++－－－FXFXP2P3P1+－石英晶体在沿着电轴X方向力的作用下，产生电荷的现象称为纵向压电效应；而把沿机械轴Y方向力的作用下，产生电荷的现象称为横向压电效应。若沿晶片的X轴施加压力Fx，则在加压的两表面上分别出现正、负电荷;若沿晶片的Y轴施加压力FY时，则在加压的表面上不出现电荷，电荷仍出现在垂直于X轴的表面上，只是电荷的极性相反。单元3压电式加速度检测

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压电陶瓷压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料，它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。极化处理后，陶瓷材料内部仍存在有很强的剩余极化强度，当压电陶瓷受外力作用时，电畴的界限发生移动，因此剩余极化强度将发生变化，压电陶瓷就呈现出压电效应。单元3压电式加速度检测

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压电陶瓷压电原理

钛酸钡压电陶瓷的电畴结构

压电陶瓷单元3压电式加速度检测

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(a)极化处理前(b)极化处理中(c)极化处理后

直流电场E剩余极化强度剩余伸长电场作用下的伸长由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷，与束缚电荷符号相反而数量相等，屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外界的作用。如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F，片内的正、负束缚电荷之间的距离、极化强度也变小。原来吸附在电极上的自由电荷，一部分被释放，出现放电荷现象。单元3压电式加速度检测

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＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋自由电荷束缚电荷电极电极极化方向束缚电荷与电极上吸附电荷示意图＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋

极化方向正压电效应示意图F－＋压电陶瓷单元3压电式加速度检测

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压电陶瓷实物图片高分压电材料有机压电材料属于新一代的压电材料，主要有压电半导体和高分子压电材料。单元3压电式加速度检测

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高分子压电材料2．压电材料的主要特性指标（1）压电系数d

表示压电材料产生电荷与作用力的关系。单位为C/N（库仑/牛顿）。（2）刚度H

压电材料的刚度是它固有频率的重要参数。（3）介电常数ε

这是决定压电晶体固有电容的主要参数，而固有电容影响传感器工作频率的下限值。（4）电阻R

它是压电晶体的内阻，它的大小决定其泄漏电流。（5）居里点压电效应消失的温度转变点。单元3压电式加速度检测

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3．压电元件的等效电路压电元件相当于一个电荷发生器，当压电元件表面聚集电荷时，它又相当于一个以压电材料为介质的电容器。电容器上的电压Ua、电荷量Q和电容Ca三者关系为：单元3压电式加速度检测

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（a）电荷等效电路（b）电压等效电路压电传感器的等效电路4．压电式传感器的测量转换电路根据压电式传感器的工作原理及等效电路，它的输出可以是电荷信号，也可以是电压信号，因此与之相配的前置放大器也有电荷前置放大器和电压前置放大器两种形式。单元3压电式加速度检测

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电荷放大器等效电路压电传感器实际的等效电路4．压电式传感器的测量转换电路单元3压电式加速度检测

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电荷放大器外形图5．压电元件常用的结构形式单元3压电式加速度检测

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并联接法C′＝2CU′＝UQ′＝

2Q（1）串联（2）并联C′＝

C/2U′＝2UQ′＝

Q6．压电式加速度传感器的安装主要有4种安装方法：螺钉安装、磁力安装座安装、粘接剂粘接、探针安装。单元3压电式加速度检测

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【案例1】汽车安全气囊系统安全气囊系统主要由碰撞传感器、安全气囊处理器、SRS指示灯和气囊组件四部分组成。单元3压电式加速度检测

【应用案例】

【案例1】汽车安全气囊系统单元3压电式加速度检测

【应用案例】

【案例2】电子产品的振动检测笔记本电脑内置了加速度传感器，能够动态地监测笔记本在使用中的振动，并根据振动数据，会智