实验报告15大作业.docx

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实验报告15大作业

实验十五压电传感器实验模块

15.1实验目的：

15.1.1、掌握敏感（传感）元件的转换原理、型号、使用方法，叙述辅助部分的设计和工作原理。

压电传感元件是力敏感元件，所以它能测量最终能变换为力的那些物理量，例如力、压力、加速度等。

基于压电效应的传感器。

是一种自发电式和机电转换式传感器。

它的敏感元件由压电材料制成。

压电材料受力后表面产生电荷。

此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。

15.1.2、了解和掌握转换后信号的处理原理和方法。

音频信号接到扬声器中，音频振动会引起扬声器发出声音，此声音带动周围的空气振动，让此声音接近压电传感器，则压电式传感器将会感应出正弦波形。

在实验操作过程中，是将音频信号转换成电信号，接入示波器，这样当我们调节音频功率放大器的音量时，就可以看到示波器中波形的幅度会随之改变。

15.2实验设备和元件：

15.2.1实验设备：

震动测量实验模块、音频功率放大器、15号压电式传感器实验模块、信号源、示波器。

15.2.2其它设备：

其它：

（特殊材料向老师申请）

15.3实验内容：

被测信息→压电元件→信号调理电路→输出信息

基于压电效应的传感器，是一种自发电式和机电转换式传感器。

它的敏感元件由压电材料制成。

压电材料受力后表面产生电荷。

此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。

压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量。

它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。

缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。

（一）压电传感器原理

压电效应是压电传感器的主要工作原理，它是通过机械和电气元件将被测压力转换成电量（如电压、电流、频率等）来进行测量的仪表，例如各种压力传感器和压力变送器。

压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。

实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。

压电效应分为：

正压电效应和逆压电效应。

正压电效应（顺压电效应）：

某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的一定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。

当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。

逆压电效应（电致伸缩效应）：

当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。

（二）压电材料分类

⒈压电晶体（如石英等）

石英晶体的简介：

石英晶体是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，在常温范围内几乎不随温度变化。

石英晶体的突出优点是性能非常稳定，机械强度高，绝缘性能也相当好。

但石英材料价格昂贵，且压电系数比压电陶瓷低得多。

因此一般仅用于标准仪器或要求较高的传感器中。

因为石英是一种各向异性晶体，因此，按不同方向切割的晶体，其物理性质（如弹性、压电效应、温度特性等）相差很大。

为了在设计石英传感器时，根据不同时用要求正确地选择石英片的切型。

石英晶体的压电效应：

石英晶体在温度低于573℃时，为a-石英，属六角晶系；高于573℃时，为b-石英，属三角晶系。

实验证明,a-石英的压电效应很明显，b-石英的压电效应可忽略。

a-石英外形为六角形晶柱，两端是六棱锥形状，用三个互相垂直的轴来表示。

注：

压电式传感器主要是利用纵压电效应。

石英晶体的分子式是SiO2，每个晶体单元含有三个硅离子和六个氧离子。

将它们在Z平面投影，并等效为正六边形排列。

⒉压电陶瓷（如钛酸钡、锆钛酸铅（PZT）等）

压电陶瓷的简介：

压电陶瓷具有很高的压电系数，因此在压电式传感器中应用十分广泛。

⑴钛酸钡压电陶瓷BaTiO3

钛酸钡是由碳酸钡和二氧化钛按1：

1克分子比例混合后充分研磨成形，经高温1300~1400℃烧结，然后经人工极化处理得到的压电陶瓷。

这种压电陶瓷具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为石英晶体的50倍）。

不足是居里温度低（120℃），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。

⑵锆钛酸铅压电陶瓷（PZT）

锆钛酸铅是由PbTiO3和PbZrO3组成的固溶体Pb（Zr、Ti）O3。

它与钛酸钡相比，压电系数更大，居里温度在300℃以上，各项机电参数受温度影响小，时间稳定好。

因此，PZT系列压电陶瓷是目前压电式传感器中应用最为广泛的压电材料。

此外，在锆钛酸中添加一种或两种其他微量元素（如铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的PZT材料。

压电陶瓷的压电效应：

压电陶瓷是人工制造的多晶体，它的压电机理与石英的压电机理不同，它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。

电畴是分子自发形成的区域，这些区域会自发极化，从而存在一定的电场。

在无外电场作用下，如图（a），各个电畴在晶体上杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消，因此原始的压电陶瓷内极化强度为0。

在外电场的作用下，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场的方向排列，从而使材料极化。

如图（b）。

极化后，当外电场去掉后，陶瓷内部仍存在很强的剩余极化强度，如图（c）。

通过上面的分析，在陶瓷片极化的两端出现束缚电荷，一端为正，一端为负。

如下图。

由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上很快吸附了一层来自外界的自由电荷。

这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数值相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外的作用。

因此，陶瓷片对外不表现出极性。

总结：

压电陶瓷所以具有压电效应，是由于陶瓷内部存在自发极化。

这些自发极化经过极化工序处理而被迫取向排列后，陶瓷内即存在剩余极化强度。

如果外界的作用（如压力或电场的作用）能使此极化强度发生变化，陶瓷就出现压电效应。

陶瓷内的极化电荷是束缚电荷，而不是自由电荷，这些束缚电荷不能自由移动。

所以在陶瓷中产生的放电或充电现象，是通过陶瓷内部极化强度的变化，引起电极面上自由电荷的释放或补充的结果。

⒊有机压电薄膜（如聚偏二氟乙烯PVdF）

聚二氟乙烯（PVF2）是目前发现的压电效应较强的聚合物薄膜，这种合成高分子薄膜就其对称性来看，不存在压电效应，但是它们具有“平面锯齿”结构，存在抵消不了的偶极子。

经延展和拉伸后可以使分子链轴成规则排列，并在与分子轴垂直方向上产生自发极化偶极子。

当在膜厚方向加直流高压电场极化后，就可以成为具有压电性能的高分子薄膜。

这种薄膜有可挠性，并容易制成大面积压电元件。

这种元件耐冲击、不易破碎、稳定性好、频带宽。

为提高其压电性能还可以掺入压电陶瓷粉末，制成混合复合材料（PVF2—PZT）。

（三）压电传感器命名规则与生产厂家信息

命名规则：

⑴传感器的型号代号由四部分构成，用大写汉语拼音字母和阿拉伯数字表示:

a）主称；

b）被测量；

c）（应变）转换原理按工艺的分类；

d）序号。

⑵类型代号：

粘贴（电阻）应变式Z

厚膜（电阻）应变式H

薄膜（电阻）应变式B

半导体（电阻）应变式D

应变筒式T

生产厂家：

杭州润辰科技有限公司

产品名称：

PRC-801压力传感器

一、产品概述：

产品具有多种结构形式（直接引线、航空插头、霍斯曼接头），外形结构紧凑，方便用户使用，精湛的封装技术以及完善的装配工艺确保了该产品的优异质量和和最佳性能，该产品有多种接口形式和多种引线方式,能够最大限度的满足客户的需要，压力敏感元件采用扩散硅充油芯体，长期稳定性好。

采用不锈钢壳体，具有耐腐蚀性能。

方便安装，价格低廉，适合批量配套使用。

二、产品特点:

高性能、全固态、高可靠性、耐腐蚀

不锈钢全焊接结构及时”0”型圈密封结构

恒压源、恒流源供电可选择

多种外型结构可供选择

质保期:

18个月

三、主要技术指标：

测量介质：

与316不锈钢兼容的各种液体、气体或蒸汽

量程范围:

0～200Kpa…….0～100Mpa

测量精度:

0.5%/0.2%FS（包含线性、重复性、迟滞指标）

输出形式:

电压输出,≥50MV

压力接口:

M20×1.5（可定制）

瞬时过载:

2.5倍满量程

压力形式:

表压、绝压

长期稳定性:

±0.2%FS

供电:

9～36VDC

响应时间:

≤10ms可达90%FS

介质温度:

-30℃～85℃

环境温度:

-20℃～85℃

补偿温度:

-30℃～85℃

四、适用范围：

液压及气动控制系统

液位测量与控制

石化、环保、空气压缩

电站运行巡检、机车制动系统

热电机组、空调机组、制冷设备

轻工、机械、冶金

其他自动控制和检测系统

工业过程检测与控制

实验室压力校验

产品名称：

PRC-802硅压阻式压力传感器

一、产品概述：

PRC-802型硅压阻式压力传感器，是利用硅压阻式压力芯体组装而成的。

压力接口和外壳均为不锈钢，具有很好的抗腐蚀性和长期稳定性.传感器在宽温度范围内进行了补偿，保证了传感器的技术指标。

公司可以为用户量身定做，承接特殊结构尺寸和温度要求的产品。

公司可以为用户量身定做,承接特殊结构尺寸和温度要求的产品.

二、产品特点:

316L不锈钢隔离膜片、全不锈钢结构

高精度、高输出

高可靠、耐腐蚀性优良

外型结构多样化

质保期:

18个月.

三、主要技术指标：

量程范围:

0～200Kpa…….0～100Mpa

压力形式:

表压、绝压

测量精度:

0.5%/0.1%FS（包含线性，重复性，迟滞指标）

输出形式:

电压输出,≥50mv供电形式:

≤12VDC

瞬时过载:

2倍满量程

工作温度:

-40℃～125℃

响应时间:

10ms

补偿温度:

-10℃～70℃

灵敏度温度漂移：

±0.02%FS/℃

长期稳定性：

≤0.2%FS/年

安装方式：

螺纹安装

压力接口:

M20×1.5、M12×1、G1/4（用户可定制）

四、适用范围：

液压及气动控制系统

液位测量与控制

石化、环保、空气压缩

电站运行巡检、机车制动系统

热电机组、空调机组、制冷设备

轻工、机械、冶金

其他自动控制和检测系统

工业过程检测与控制

实验室压力校验

（四）压电传感器的应用

压电式传感器常用来测量力、压力、振动的加速度，也可用于声学（包括超声）和声发射等的测量。

主要应用如下：

㈠压电式加速传感器

结构原理：

压电陶瓷4和质量块2为环型，通过螺母3对质量块2预先加载，使之压紧在压电陶瓷上，测量时传感器基座5与被测对象牢牢地紧固在一起，输出信号由电极1引出。

当传感器受到振动时，质量块将感受与传感器基座相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力：

该惯性力作用在压电陶瓷片上产生电荷为：

注：

说明电荷量将直接反映加速度的大小。

它的灵敏度与压电材料的压电系数和质量块的质量有关。

㈡压电式压力传感器

当膜片受到压力后，在压电晶片上产生电荷。

㈢压电式流量计

利用超声波在顺流和逆流方向的传播速度不同来进行测量。

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，产生超声波和接收超声波的换能器都是利用压电元件构成的，压电元件几乎全采用锆钛酸铅（PZT）压电陶瓷。

每隔一定时间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，利用这个关系，可精确测定流速。

流速与管道截面积的乘积等于流量。

发射超声波利用逆压电效应，即在压电材料切片上施加交变电压，使它产生电致伸缩振动而产生超声波。

当外加交变电压的频率等于晶片的固有频率时产生共振，这时产生的超声波最强。

接收超声波利用正压电效应，当超声波作用到压电晶片上时，使晶片伸缩，在晶片的两个界面上产生交变电荷这种电荷被转换成电压经放大后送到测量电路。

㈣用压电式传感器测表面粗糙度

㈤压电引爆

压电引爆结构图如图（a）所示，早期的40火箭筒原理如图（b）所示，平时电路开路，当火箭筒撞击时，内外电极相撞引爆。

改进的压电引爆原理见图（c）所示，当火箭筒撞击时，压电晶体产生电荷，使电发火管打火，从而引爆。

㈥煤气灶电子点火装置

图所示为煤气灶电子点火装置，它是让高压跳火来点燃煤气。

当使用者将开关往里压时，把气阀打开；将开关旋转，则使弹簧往左压。

此时，弹簧有一很大的力撞击压电晶体，则产生高压放电导致燃烧盘点火。

㈦压电式周界报警系统

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。

㈧交通监测

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。

15.3.2、单独画出放大电路原理图，并进行输入阻抗、放大倍数等性能的分析。

注：

实验中所用的15号压电式传感器只有转换电路，没有放大电路。

15.3.3、单独画出其他辅助电路原理图，并说明其作用等。

注：

⑴本次实验中的辅助部分是信号源模块。

其作用为给音频功率放大器提供信号，使其驱动震动模块产生震动。

⑵本次实验所用的是信号发生器。

＊15.3.4、分析有无系统误差并处理。

＊15.3.5、处理上述测量结果，求出它的方差和数学期望，分析有无疏失误差并处理。

15.4实验结果与讨论

15.4.1、详细记录实验结果。

（注：

输入幅度为2.23v）

输入频率（Hz）

223.69

363.25

500.92

591.07

680.34

829.87

930.0

输出幅度（mv）

16.3

23.25

180.3

264

169.9

21.2

2.3

分析：

1.在频率为591.07Hz时输出波形达到最大不失真状态，输出幅度达到264mv。

2．在频率为223.69Hz时输出波形达到最小不失真状态，输出幅度达到16.3mv。

＊15.4.2、写出系统误差的存在形式，说明减小办法。

数据结果处理图：

说明：

由于房间内存在一定的电磁干扰，所以存在一定的误差。

从上面那张图可以看出，在输出波形达到最大不失真时，其频率为591.07Hz，幅度为264mv；之后分别取在591.07Hz左右两侧的频率，记录幅度值。

当频率达到223.69Hz，输出波形达到最小不失真状态，输出幅度达到16.3mv。

＊15.4.3、分析有无疏失误差并进行处理。

无疏失误差。

15.4.4、简要分析实验中出现的问题及处理方法。

实验过程中出现的问题及解决方法：

问题1：

将音频功率放大器的输入、输出端接反了，导致输出波形的频率达到KHz级别，原因是具有强大的干扰信号。

后来在老师的指点之下，找出错误并改正。

正确接线如下，将信号源的输出端接入音频功率放大器的输入端，音频功率放大器的输出端接入振动实验模块。

问题2：

无法让输出频率与输入频率达到一致。

原因是信号源模块有缺陷。

15.4.5、其他实验体会。

在本次所有的实验中，所用到的实验原理是：

将音频信号接到扬声器中，音频振动会引起扬声器发出声音，此声音带动周围的空气震动，如果让此声音接近压电传感器，则压电式传感器将会感应出正弦波形。

整个实验操作的流程如下：

⑴正确接线（首先把15号模块安装在音频震动测量实验模块上，然后将信号发生器的输出端接入音频功率放大器的输入端，音频功率放大器的输出端接入振动实验模块）

⑵调节信号源，使其频率为500.92Hz，幅度为2.23v。

⑶将示波器的一端接入信号发生器，显示输入波形。

同时，将示波器的另一端输出接到15号模块的TP1和TP2端。

调节信号发生器频率，观察输出波形达到最大不失真时的输入频率为多少，并记录输出波形的幅度。

接着，分别将信号发生器频率调大、调小，观察输出波形达到最小不失真时的输入频率为多少，并记录输出波形的幅度。

在整个实验的操作过程中，调节频率与幅度是最棘手的问题。

由于所在空间存在着较大的干扰信号，示波器经常出现的是干扰信号的波形，频率到达KHz级别，所以在调节波形时一定要慢慢调。

若长时间调不出来，可能是信号源板子出现了问题，可以试着换一块板子再重新接线。