《自動檢測技術》

項目4:玻璃破碎報警器的設計

任務3：玻璃破碎報警器的設計壓電式傳感器

壓電效應

某些電介質，當沿著一定方向對其施力而使它變形時，內部就產生極化現象，同時在它的兩個表面上便產生符號相反的電荷，當外力去掉后，又恢復到不帶電的狀態。逆壓電效應

當沿電介質極化方向對其施加電場，這些電介質會產生幾何變形。壓電材料的主要特性參數壓電常數：衡量壓電效應強弱的參數。彈性常數：決定壓電器件的固有頻率和動態特性。介電常數：其絕緣電阻將減少電荷泄漏，改善壓電傳感器的低頻特性。電阻：居里點溫度：壓電材料開始喪失壓電特性的溫度。衡量壓電材料機、電能量轉換效率的重要參數。機械耦合系數：石英晶體光軸機械軸電軸橫向壓電效應壓電效應縱向壓電效應不產生石英晶體石英晶體石英晶體不受外力時沿X軸受力沿Y軸受力石英晶體石英晶體的壓電效應演示

當力的方向改變時，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動態力的頻率相同；當動態力變為靜態力時，電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失。壓電陶瓷壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料，呈電中性，不具有壓電性質。當外加電場增強到一定程度，材料的極化達到飽和程度時，所有電疇極化方向與外電場方向一致，即使外電場去掉，電疇極化方向基本不變，此時材料才具有壓電特性。因受力而產生的由機械效應轉變為電效應，將機械能轉變為電能的現象。正壓電效應：d33q=F壓電陶瓷的壓電系數電荷量壓電式傳感器基本原理：利用壓電材料的壓電效應，當有外力作用在壓電材料上時傳感器就有電荷（或電壓）輸出壓電元件的連接方式：+－+++++++++－－－－++++－并聯串聯輸出電荷大輸出電壓高在壓電式傳感器中，常用兩片或多片組合在一起使用。由于壓電材料是有極性的，因此接法也有兩種，如下圖所示。圖a為并聯接法，圖中b為串聯接法并聯接法適宜測量慢變信號且以電荷作為輸出量的場合。

串聯接法適宜用于以電壓作為輸出信號，且測量電路

輸入阻抗很高的場合。壓電式傳感器壓電傳感器的應用當受到外力作用時，它將產生彈性形變，將力傳遞到石英晶片上，利用石英晶片的壓電效應實現力—電轉換。壓電式測力傳感器它的測力范圍是0～50N，最小分辨率為0.01N，絕緣阻抗為，固有頻率為50～60kHz。非線性誤差小于±1%。整個該傳感器重為10g，可用于機床動態切削力的測量。壓電式測力傳感器壓電加速度傳感器當傳感器與被測物體一起受到沖擊振動時，由于彈簧的剛度相當大，而質量塊的質量相對較小，可認為質量塊的慣性很小，因此，質量塊與傳感器基座感受到相同的振動，并受到與加速度方向相反的慣性力的作用，根據牛頓第二定律，此慣性力為傳感器輸出的電荷與作用力成正比，即壓電加速度傳感器壓電加速度傳感器它的主要優點是；靈敏度高、體積小、重量輕、測量頻率上限較高、動態范圍大。但易受外界干擾，在測試前需進行各種校驗。YD型壓電式加速度傳感器壓電加速度計是以壓電晶體做敏感件。體積小、重量輕、輸出信號大，固有頻率高，可用于測量振動、沖擊等信號。其外形見下圖。

6100系列壓電加速度計

HZ-9508型測振表是用于旋轉機械進行振動測量、簡易故障診斷的一種便攜式數字顯示測振表，用YD型壓電式加速度傳感器作為表頭。它除了可測量一般機械振動產生的加速度、速度、位移等參數外，還具有測量齒輪、軸承故障產生的高頻加速度值的功能，并具有低電壓監測功能。其外形結構如右圖所示。HZ-9508型測振表

壓電元件用來感知玻璃受到撞擊時產生的振動波，外形及內部電路見下圖所示。傳感器把振動波轉換成電壓輸出，輸出電壓經放大、濾波、比較等處理后提供給報警使用時，將傳感器用膠粘貼在玻璃上，然后通過電纜和報警電路連接。R3906V紅色VT3DJ6HGVD1VD2SPDsC0.022μF壓電傳感開關電路壓電傳感開關電路中，vT采用場效應管3DJ6H，SP采用壓電陶瓷片。接通電源時，電容器C極板兩端電壓為零，與之相連的場效應管控制柵極板G的偏壓為零，這時vT（），紅色發光二極管（）。當用小的物體從10cm高度自由落下砸到壓電陶瓷片上時，SP產生負向脈沖電壓，通過二極管vD1向電容器C充電，vT的控制極加上負偏壓，并超過3DJ6H所需的夾斷電壓-9v，這時vT（），紅色發光二極管（）二極管vD2旁路SP在碰撞結束后，隨著電容器C上電壓由于元器件漏電而逐漸降低，小于夾斷電壓，vT處于（）狀態，產生漏源電流，紅色發光二極管逐漸（），最終電路恢復到初始狀態。壓電傳感開關電路晶體管聲、光控開關電路1、原理電路圖

壓力監測電路的設計與制作

車內胎被銳物扎破漏氣部位的氣流聲被傳聲器BM接收，轉換成電信號，經電容C2耦合到晶體三極管VT放大，再經耦合電容C3、C4并由電位器RP選擇音量后，由SL31集成功率放大器充分放大，由耳機BE放音。選用SL31(或LA4101)低電壓集成功率放大電路，其使用電壓可在2—4.5V間選擇，現用3V工作電源。

壓力監測電路的設計與制作2、制作與調試印制板參考尺寸為65mm×55mm，可自制。電路板可安裝在小盒內，傳聲器BM由屏蔽傳聲器線單獨引出，線長1.2m。在印制電路板非銅箔面裝上電池夾。SL31集成功率放大器焊在銅箔面。元器件全部焊裝后，裝上兩節電池，旋動電位器RP的撥盤，閉合電源開關，把電位器旋到約1／3位置處，耳機BE中有極輕微的“沙沙”聲。壓力監測電路的設計與制作

如有“撲撲”聲出現，說明有自激現象，可調節電阻R5，減小SL31集成功率放大器的增益，試試能否消除。