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1、CompanyLOGO 玻璃破碎报警器的设计 压电式传感器压电式传感器 压电效应压电效应 压电效应压电效应某些电介质，当沿着一定方向对其施力某些电介质，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，而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又恢复到不带的电荷，当外力去掉后，又恢复到不带电的状态。电的状态。逆压电效应逆压电效应当沿电介质极化方向对其施加电场，这些当沿电介质极化方向对其施加电场，这些电介质会产生几何变形。电介质会产生几何变形。压电材料的主要特性参数压电材料的主要特性参数压电常数：衡量压电效应
2、强弱的参数。压电常数：衡量压电效应强弱的参数。弹性常数：决定压电器件的固有频率和动态特性。弹性常数：决定压电器件的固有频率和动态特性。介电常数：介电常数：其绝缘电阻将减少电荷泄漏，改善压电传其绝缘电阻将减少电荷泄漏，改善压电传感器的低频特性。感器的低频特性。电阻：电阻：居里点温度居里点温度：压电材料开始丧失压电特性的温度。：压电材料开始丧失压电特性的温度。衡量压电材料机、电能量转换效率衡量压电材料机、电能量转换效率的重要参数。的重要参数。机械耦合系数：机械耦合系数：石英晶体石英晶体光轴光轴机机械械轴轴电轴电轴横向压电效应横向压电效应压电效应压电效应纵向纵向压电效应压电效应不产生不产生石英晶体石
3、英晶体不受不受外力时外力时沿沿 X X 轴轴受力受力沿沿 Y Y 轴轴受力受力石英晶体的压电效应演示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；当动态力变为静态力时，压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。压电陶瓷压电陶瓷压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料，呈电中性，不压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料，呈电中性，不具有压电性质。当外加电场增强到一定程度，材料的极具有压电性质。当外加电场增强到一定程度，材料的极化达到饱
4、和程度时，所有电畴极化方向与外电场方向一化达到饱和程度时，所有电畴极化方向与外电场方向一致，即使外电场去掉，电畴极化方向基本不变，此时材致，即使外电场去掉，电畴极化方向基本不变，此时材料才具有压电特性。料才具有压电特性。因受力而产生的由机械效应转变因受力而产生的由机械效应转变为电效应，将机械能转变为电能为电效应，将机械能转变为电能的现象。的现象。正压电效应：正压电效应：d33q =F压电陶瓷的压电陶瓷的压电系数压电系数电荷量电荷量压电式传感器压电式传感器基本原理：基本原理：利用压电材料的压电效应，当有外利用压电材料的压电效应，当有外力作用在压电材料上时传感器就有力作用在压电材料上时传感器就有电
5、荷（或电压）输出电荷（或电压）输出压电元件的连接方式：压电元件的连接方式：+ + + + + + + + + +并联并联串联串联输出输出电荷大电荷大输出输出电压电压高高在压电式传感器中，在压电式传感器中，常用两片或多片组常用两片或多片组合在一起使用。由合在一起使用。由于压电材料是有极于压电材料是有极性的，因此接法也性的，因此接法也有两种，如下图所有两种，如下图所示。图示。图a为并联接法，为并联接法，图中图中b为串联接法为串联接法并联接法适宜测量慢变信号且以电荷作为输出量的场合。并联接法适宜测量慢变信号且以电荷作为输出量的场合。 串联接法适宜用于以电压作为输出信号，且测量电路串联接法适宜用于以电
6、压作为输出信号，且测量电路输入阻抗很高的场合。输入阻抗很高的场合。压电传感器的应用当受到外力作用时，它将产生弹性形变，将力传递当受到外力作用时，它将产生弹性形变，将力传递到石英晶片上，利用石英晶片的压电效应实现力到石英晶片上，利用石英晶片的压电效应实现力电转换。电转换。 压电式测力传感器压电式测力传感器它的测力范围是它的测力范围是050N，最小，最小分辨率为分辨率为0.01N，绝缘阻抗为，绝缘阻抗为，固有频率为固有频率为5060kHz。非线性。非线性误差小于误差小于1%。整个该传感器重。整个该传感器重为为10g，可用于机床动态切削力，可用于机床动态切削力的测量。的测量。 压电加速度传感器压电加
7、速度传感器压电加速度传感器压电加速度传感器当传感器与被测物体一起受到冲击振动时，由于弹簧当传感器与被测物体一起受到冲击振动时，由于弹簧的刚度相当大，而质量块的质量相对较小，可认为质的刚度相当大，而质量块的质量相对较小，可认为质量块的惯性很小，因此，质量块与传感器基座感受到量块的惯性很小，因此，质量块与传感器基座感受到相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力的作相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力的作用，根据牛顿第二定律，此惯性力为用，根据牛顿第二定律，此惯性力为传感器输出的电荷与作用力成正比，即传感器输出的电荷与作用力成正比，即它的主要优点是；灵敏度高、体积它的主要优点是；灵敏度高、体
8、积小、重量轻、测量频率上限较高、小、重量轻、测量频率上限较高、动态范围大。但易受外界干扰，在动态范围大。但易受外界干扰，在测试前需进行各种校验。测试前需进行各种校验。YD型压电式加速度传感器型压电式加速度传感器压电加速度计是以压电晶体做敏感件。体积小、压电加速度计是以压电晶体做敏感件。体积小、重量轻、输出信号大，固有频率高，可用于测量重量轻、输出信号大，固有频率高，可用于测量振动、冲击等信号。振动、冲击等信号。其外形见下图。其外形见下图。 6100系列压电加速度计系列压电加速度计HZ-9508HZ-9508型测振表是用于旋转机械进行振动测量、简易型测振表是用于旋转机械进行振动测量、简易故障诊断
9、的一种便携式数字显示测振表，用故障诊断的一种便携式数字显示测振表，用YDYD型压电式型压电式加速度传感器作为表头。它除了可测量一般机械振动产加速度传感器作为表头。它除了可测量一般机械振动产生的加速度、速度、位生的加速度、速度、位移等参数外，还具有测量移等参数外，还具有测量齿轮、轴承故障产生的高频齿轮、轴承故障产生的高频加速度值的功能，并具有低加速度值的功能，并具有低电压监测功能。其外形结构电压监测功能。其外形结构如右图所示。如右图所示。HZ-9508型测振表型测振表 压电元件用来感知玻璃受到撞击时产生的振动波，压电元件用来感知玻璃受到撞击时产生的振动波，外形及内部电路见下图外形及内部电路见下图
10、 所示。传感器把振动波转换成所示。传感器把振动波转换成电压输出，输出电压经放大、滤波、比较等处理后提电压输出，输出电压经放大、滤波、比较等处理后提供给报警使用时，将传感器用胶粘贴在玻璃上，然后供给报警使用时，将传感器用胶粘贴在玻璃上，然后通过电缆和报警电路连接。通过电缆和报警电路连接。R3906V红色红色VT3DJ6HGVD1VD2SPDsC0.022F压电传感开关电路压电传感开关电路压电传感开关电路中，压电传感开关电路中，vT采用场效应管采用场效应管3DJ6H，SP采用压电陶瓷片。接通电源时，电容器采用压电陶瓷片。接通电源时，电容器C极板两端电极板两端电压为零，与之相连的场效应管控制栅极板压
11、为零，与之相连的场效应管控制栅极板G的偏压为的偏压为零，这时零，这时vT（ ），红色发光二极管（），红色发光二极管（ ）。当用小）。当用小的物体从的物体从10cm高度自由落下砸到压电陶瓷片上时，高度自由落下砸到压电陶瓷片上时，SP产生负向脉冲电压，通过二极管产生负向脉冲电压，通过二极管vD1向电容器向电容器C充充电，电，vT的控制极加上负偏压，并超过的控制极加上负偏压，并超过3DJ6H所需的所需的夹断电压夹断电压-9v，这时，这时vT（ ），红色发光二极管（），红色发光二极管（ ）二极管二极管vD2旁路旁路SP在碰撞结束后，随着电容器在碰撞结束后，随着电容器C上上 电压由于元器件漏电而逐渐降低
12、，小于夹断电压，电压由于元器件漏电而逐渐降低，小于夹断电压，vT处于（处于（ ）状态，产生漏源电流，红色发光二极管）状态，产生漏源电流，红色发光二极管逐渐（逐渐（ ），最终电路恢复到初始状态。），最终电路恢复到初始状态。晶体管声、光控开关电路1 1、原理电路图、原理电路图 压力监测电路的设计与制作压力监测电路的设计与制作 车内胎被锐物扎破漏气部位的气流声被传声器车内胎被锐物扎破漏气部位的气流声被传声器BM接收，转换成电信号，经电容接收，转换成电信号，经电容C2耦合到晶体三极管耦合到晶体三极管VT放大，再经耦合电容放大，再经耦合电容C3、C4并由电位器并由电位器RP选择音选择音量后，由量后，由S
13、L31集成功率放大器充分放大，由耳机集成功率放大器充分放大，由耳机BE放音。选用放音。选用SL31(或或LA4101)低电压集成功率放大电低电压集成功率放大电路，其使用电压可在路，其使用电压可在24.5V间选择，现用间选择，现用3V工作电工作电源。源。 2、制作与调试、制作与调试 印制板参考尺寸为印制板参考尺寸为65mm55mm，可自制。，可自制。电路板可安装在小盒内，传声器电路板可安装在小盒内，传声器BM由屏蔽传声由屏蔽传声器线单独引出，线长器线单独引出，线长1.2m。 在印制电路板非铜箔面装上电池夹。在印制电路板非铜箔面装上电池夹。SL31集成功率放大器焊在铜箔面。元器件全部焊装后，集成功
14、率放大器焊在铜箔面。元器件全部焊装后，装上两节电池，旋动电位器装上两节电池，旋动电位器RP的拨盘，闭合电的拨盘，闭合电源开关，把电位器旋到约源开关，把电位器旋到约13位置处，耳机位置处，耳机BE中有极轻微的中有极轻微的“沙沙沙沙”声。声。 如有如有“扑扑扑扑”声出现，说明有自激现象，可声出现，说明有自激现象，可调节电阻调节电阻R5，减小，减小SL31集成功率放大器的增益，集成功率放大器的增益，试试能否消除。试试能否消除。 调节电阻调节电阻R2，使晶体三极管，使晶体三极管VT的工作电流的工作电流Ic值在值在23mA。再调节电阻。再调节电阻R1，使驻极体传声器，使驻极体传声器BM工作状态较佳。工作状态较佳。 调试时耳机调试时耳机BE不必戴在头上，以免突发巨大不必戴在头上，以免突发巨大的声响震伤调试者的耳膜。的声响震伤调试者的耳膜。小结CompanyLOGOAdd your company slogan
