压电式传感器测振动实验.
振动传感器工作原理
振动传感器工作原理振动传感器作为一种重要的测量设备，被广泛应用于机械、汽车、航空航天等领域。
它能够感知物体的振动，并将其转化为相应的电信号，实现振动信号的测量和分析。
本文将介绍振动传感器的工作原理及其应用。
一、振动传感器的工作原理振动传感器的工作原理基于物体的振动与形变之间的关系。
通常采用压电式和电阻式两种工作原理。
1. 压电式振动传感器压电式振动传感器利用压电材料的压电效应实现振动信号的转换。
当物体振动时，压电材料会产生电荷分布的变化，进而生成电压信号。
这个电压信号的振幅和频率与物体的振动情况密切相关。
2. 电阻式振动传感器电阻式振动传感器则是通过物体的振动引起电阻值的变化，进而反映振动信号的大小。
一般采用杨氏效应或皮尔森效应等原理实现。
当物体振动时，电阻值会随之发生变化，电流通过电阻产生的电压信号也相应改变。
二、振动传感器的应用振动传感器在诸多领域都有广泛应用。
下面列举几个典型的例子：1. 机械设备的振动监测机械设备的振动监测对于保证设备的正常运行和预防故障非常重要。
振动传感器可以安装在设备关键位置，实时监测设备的振动状态。
通过分析振动信号的频率、幅值等参数，可以判断设备是否存在异常，及时采取措施进行修理或维护。
2. 汽车工业中的应用振动传感器在汽车工业中起到至关重要的作用。
它可以被用于发动机的振动监测，以及车辆悬挂系统、制动系统等重要部件的振动检测。
准确地监测和分析振动信号可以帮助提高汽车性能，延长零部件的使用寿命。
3. 结构工程中的振动测量在结构工程领域，振动传感器用于测量建筑物、桥梁等结构的振动响应。
通过对结构振动的监测，可以评估结构的稳定性和安全性，及时发现隐患并采取措施进行修复，确保建筑物的正常运行。
4. 科学研究中的应用振动传感器在科学研究中也扮演着重要的角色。
比如，在地震研究中，振动传感器可以用来监测地壳的振动情况，以及识别地震的发生与规模。
而在物理实验中，振动传感器可以被用来测量物体的共振频率等参数。
压电传感器的动态响应实验
压电传感器的动态响应实验压电传感器是一种常见的传感器，它利用压电效应来测量力、压力、加速度等物理量。
它的优点包括高灵敏度、快速响应、结构简单等。
在动态响应实验中，我们需要考虑压电传感器的频率响应，因为这关系到它能否正确地测量快速变化的物理量。
以下是一篇关于压电传感器动态响应实验的实验报告。
一、实验目的本实验的目的是探究压电传感器的动态响应特性，了解其在不同频率和振幅下的输出信号表现，以便在实际应用中选择合适的压电传感器，并确保测量结果的准确性。
二、实验原理压电传感器的工作原理是基于压电效应。
当压电传感器受到外力作用时，其内部晶体会发生形变，导致晶体内部电荷分布发生变化，从而产生电信号。
这个电信号与所受外力成正比。
在动态响应实验中，我们通常采用振动台对传感器施加正弦波形的外力，并测量其输出信号。
三、实验步骤1.准备实验器材：压电传感器、振动台、信号发生器、示波器、计算机等。
2.将压电传感器连接到振动台上，确保连接稳定且无松动。
3.通过信号发生器产生不同频率和振幅的正弦波形信号，输入到振动台上，使压电传感器受到不同程度的外力作用。
4.通过示波器实时监测压电传感器的输出信号，并将数据传输到计算机进行记录和分析。
5.重复步骤3和4，进行多次实验，以获取压电传感器在不同条件下的输出信号表现。
6.对实验数据进行整理和分析，绘制压电传感器的频率响应曲线和幅值响应曲线。
四、实验结果及分析1.实验数据整理在实验过程中，我们记录了不同频率和振幅下的压电传感器的输出信号数据。
以下是部分实验数据的表格：根据实验数据，我们绘制了压电传感器的频率响应曲线和幅值响应曲线。
从频率响应曲线中可以看出，随着频率的增加，压电传感器的输出信号逐渐减小。
这主要是因为高频信号会导致传感器的谐振频率发生变化，从而影响其灵敏度和响应速度。
在低频范围内，传感器的输出信号受频率影响较小，因此适用于低频测量。
幅值响应曲线则显示了压电传感器在不同振幅下的输出信号表现。
3.振动(压电)
三、振动（压电）①实验内容：振动测试②实验目的：利用压电传感器测量振动③实验原理：通过压电传感器测量振动，通过电荷放大、信号放大和比较器，得到测量结果。
压电式传感器是将被测量变化转换成材料受机械力产生静电电荷或电压变化的传感器，是一种典型的、有源的、双向机电能量转换型传感器或自发电型传感器。
压电元件是机电转换元件，它可以测量最终能变换为力的非电物理量，例如力、压力、加速度等。
压电式传感器刚度大、固有频率高，一般都在几十千赫兹以上，配有适当的电荷放大器，能在0～10KH Z 的范围内工作，尤其适用于测量迅速变化的参数；其测量值可到上百吨力，又能分辨出小到几克力。
近年来压电测试技术发展迅速，特别是电子技术的迅速发展，使压电式传感器的应用越来越广泛。
3.1.1压电式传感器的工作原理 1.压电效应某些晶体(如石英等)在一定方向的外力作用下，不仅几何尺寸会发生变化，而且晶体内部会发生极化现象，晶体表面上有电荷出现，形成电场。
当外力去除后，表面又恢复到不带电状态，这种现象被称为压电效应。
表达这一关系的压电方程如式（3-1）所示。
Q d F = （3-1） 式中 F ——作用的外力；Q ——产生的表面电荷；d ——压电系数，是描述压电效应的物理量。
具有压电效应的电介质物质称为压电材料。
在自然界中，大多数晶体都具有压电效应。
压电效应是可逆的，若将压电材料置于电场中，其几何尺寸也会发生变化。
这种由于外电场作用下，导致压电材料产生机械变形的现象，称为逆压电效应或电致伸缩效应。
由于在压电材料上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，因此压电传感器不能用于静态测量。
压电材料在交变力作用下，电荷可以不断补充，以供给测量回路一定的电流，所以可适用于动态测量。
压电元件具有自发电和可逆两种重要性能，因此，压电式传感器是一种典型的“双向”传感器。
它的主要缺点是无静态输出，阻抗高，需要低电容、低噪声的电缆。
2.等效电路当压电式传感器的压电元件受力时，在电极表面就会出现电荷，且两个电极表面聚集的电荷量相等，极性相反，如图3-1a 所示。
基于压电传感器的旋转机械振动信号测试技术
２ ）采 用 神经 网络 建 模 的方 法 得到 压 电信 号 处
理 电路 的模 型 ，然 后按 照该 模 型 对 振 动 信 号 进 行
在 线 补 偿 ，既 解 决 非 线性 问题 ，又 解 决 了 信 号 处 理 电路 对信 号频率 特性 的影 响 。
参考文献：
【］彭善琼． １ 高精度振动信 号处理 系统的研究［】 Ｊ． 微计算机信
本 ，利 用 改进 型ＢＰ 习算 法训 练 网络 ，得 到 幅 频 学 特性模 型 ； ５ ）对得 到 的幅 频 特性 模 型进 行仿 真 ，若 精 度 不 能 达 到 要求 ，调 整Ｂ 学 习 算法 的 参数 重 复 步骤 Ｐ ４ ）进 行训 练 。
按 照 上 述 步 骤 可 以得 到 振 动 信 号 处 理 电 路 的 幅频 特 性 的 模 型 ，采 用 同 样 的方 法 可 以得 到其 相 拼 特 性 的 模 型 。神 经 网 络建 立 的模 型 包 含 在神 经
整周期 采样 。 本 文 软 件 实 现 整 周期 采 样 的 思 路 为 ：同 时 对
振 动 信 号 和 转 速 脉 冲 信 号采 样 ，并 将 其 分 别 放 人
数 组 中 ，从 脉 冲 的第Ｎ个脉 冲 的上升 沿 对应 的振 动 数 据 开 始 提 取 ，到 第Ｎ＋ ｘ个 脉 冲 的上 升 沿 结 束 ， 中间抽 取 的数 据 即为Ｘ个 周期 内的 整周期 数 据 。如 需 要整 周期 内２ 个数 据 ，则采 用插 值 的方 式 得到 间 “
电荷 放 大 电路 ， 它将 输 入 电 荷 信 号变 成 与之 成 正
比的 电压 信 号 。程 控 放 大 电 路 的 原理 是 通 过 模 拟
开 关 来 切换 不 同 电 阻来 实 现 增 益 的 自动 调 整 ，模 拟 开关 的控 制 信号 由ＡＤ采 集卡 上 的 开关 量 输 出单
压电式传感器测振动实验.
实验二十一压电式传感器测振动实验一、实验目的：了解压电传感器的原理和测量振动的方法。
二、基本原理：压电式传感器是一和典型的发电型传感器，其传感元件是压电材料，它以压电材料的压电效应为转换机理实现力到电量的转换。
压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动进行测量，在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用。
1、压电效应：具有压电效应的材料称为压电材料，常见的压电材料有两类压电单晶体，如石英、酒石酸钾钠等；人工多晶体压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等。
压电材料受到外力作用时，在发生变形的同时内部产生极化现象，它表面会产生符号相反的电荷。
当外力去掉时，又重新回复到原不带电状态，当作用力的方向改变后电荷的极性也随之改变，如图21—1 (a) 、(b) 、(c)所示。
这种现象称为压电效应。
(a) (b) (c)图21—1 压电效应2、压电晶片及其等效电路多晶体压电陶瓷的灵敏度比压电单晶体要高很多，压电传感器的压电元件是在两个工作面上蒸镀有金属膜的压电晶片，金属膜构成两个电极，如图21—2(a)所示。
当压电晶片受到力的作用时，便有电荷聚集在两极上，一面为正电荷，一面为等量的负电荷。
这种情况和电容器十分相似，所不同的是晶片表面上的电荷会随着时间的推移逐渐漏掉，因为压电晶片材料的绝缘电阻(也称漏电阻)虽然很大，但毕竟不是无穷大，从信号变换角度来看，压电元件相当于一个电荷发生器。
从结构上看，它又是一个电容器。
因此通常将压电元件等效为一个电荷源与电容相并联的电路如21—2(b)所示。
其中e a=Q/C a。
式中，e a为压电晶片受力后所呈现的电压，也称为极板上的开路电压；Q为压电晶片表面上的电荷；C a为压电晶片的电容。
实际的压电传感器中，往往用两片或两片以上的压电晶片进行并联或串联。
压电晶片并联时如图21—2(c)所示，两晶片正极集中在中间极板上，负电极在两侧的电极上，因而电容量大，输出电荷量大，时间常数大，宜于测量缓变信号并以电荷量作为输出。
振动传感器的实训报告
一、实训目的通过本次实训，了解振动传感器的原理、结构、工作原理和性能特点，掌握振动传感器的安装、调试和维修方法，提高对振动传感器在实际工程中的应用能力。
二、实训内容1. 振动传感器原理与结构（1）振动传感器原理：振动传感器是一种将振动信号转换为电信号的装置，主要利用压电效应、电磁感应等原理实现。
压电式振动传感器通过振动引起压电元件产生电荷，从而实现振动信号的转换。
（2）振动传感器结构：振动传感器主要由敏感元件、放大电路、信号处理电路、输出电路等组成。
2. 振动传感器性能特点（1）频率响应范围宽：振动传感器能够检测从低频到高频的振动信号。
（2）灵敏度较高：振动传感器对微小振动信号的检测能力强。
（3）抗干扰性能好：振动传感器具有良好的抗电磁干扰、抗温度漂移等性能。
3. 振动传感器安装与调试（1）安装：振动传感器安装位置应根据检测对象和检测要求确定。
通常，振动传感器应安装在设备轴承、振动源或振动敏感部位。
（2）调试：振动传感器安装后，需要进行调试，包括校准、滤波、放大等。
4. 振动传感器维修（1）检查：定期检查振动传感器的性能，如灵敏度、频率响应等。
（2）清洗：清洁振动传感器，去除灰尘、油污等。
（3）更换：更换损坏的部件，如压电元件、电缆等。
三、实训过程1. 实验准备（1）实验器材：振动传感器、信号发生器、示波器、数据采集卡等。
（2）实验环境：实验室、振动台等。
2. 实验步骤（1）安装振动传感器：将振动传感器安装在振动台上，确保传感器安装牢固。
（2）连接信号线：将振动传感器的信号线与数据采集卡连接。
（3）设置参数：在数据采集卡上设置采样频率、滤波器参数等。
（4）进行实验：启动信号发生器，使振动台产生振动，观察示波器波形，记录数据。
（5）数据分析：对实验数据进行处理和分析，得出振动传感器的性能指标。
3. 实验结果与分析（1）实验数据：通过实验，得到了振动传感器的灵敏度、频率响应等性能指标。
（2）结果分析：根据实验数据，分析了振动传感器的性能特点，如频率响应范围宽、灵敏度高等。
振动传感器校准实验
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力传感器 序列号
电荷放大器 放大倍数
锤帽
测试电压值 换算冲击力值
（V）
（N）
灵敏度 PC / N
4. 调整第一通道“伏/格”为1.00V（屏幕左下角显示，
“秒/格”为25ms(屏幕下中显示）；
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六、注意事项
1. 拔插传感器导线时，一定要关闭仪器电源， 否则容易将放大器输入端烧毁。
2. 调节各输出旋钮时要缓慢，调节过程中应
随时观察仪器是否有异常情况，如有异常应立即 关闭仪器电源。
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1. 压电型加速度传感器
压电式加速度传感器最常见的类型有三种，即中
心压缩型、剪切型和三角剪切型。中心压缩型压电加
速度传感器的敏感元件由两个压电晶体片组成，其上
放有一重金属制成的惯性质量块，用一预紧硬弹簧板
将惯性质量块和压电元件片压紧在基座上。整个组件
就构成了一个惯性传感器（见图1）。为了使加速度
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图2
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电涡流传感器的工作原理如图2所示。
当通有交变电流i的线圈靠近导体表面时，
由于交变磁场的作用，在导体表面层就感
生电动势，并产生闭合环流ie，称为电涡
流。电涡流传感器中有一线圈，当给传感
器线圈通以高频激励电流i时，其周围就产
生一高频交变磁场。当被测的导体靠近传
感器线圈时，由于受到高频交变磁场的作
3. 记录测试数据时应待仪器显示稳定后再读 数，并能分析并剔除测试结果的异常数据。
【实验报告】压电式传感器测振动实验报告
压电式传感器测振动实验报告篇一：压电式传感器实验报告一、实验目的：了解压电传感器的测量振动的原理和方法。
二、基本原理：压电式传感器由惯性质量块和受压的压电片等组成。
（观察实验用压电加速度计结构）工作时传感器感受与试件相同频率的振动，质量块便有正比于加速度的交变力作用在晶片上，由于压电效应，压电晶片上产生正比于运动加速度的表面电荷。
三、需用器件与单元：振动台、压电传感器、检波、移相、低通滤波器模板、压电式传感器实验模板。
双踪示波器。
四、实验步骤：1、压电传感器装在振动台面上。
2、将低频振荡器信号接入到台面三源板振动源的激励源插孔。
3、将压电传感器输出两端插入到压电传感器实验模板两输入端，与传感器外壳相连的接线端接地，另一端接R1。
将压电传感器实验模板电路输出端Vo1，接R6。
将压电传感器实验模板电路输出端V02，接入低通滤波器输入端Vi，低通滤波器输出V0与示波器相连。
3、合上主控箱电源开关，调节低频振荡器的频率和幅度旋钮使振动台振动，观察示波器波形。
4、改变低频振荡器的频率，观察输出波形变化。
光纤式传感器测量振动实验一、实训目的：了解光纤传感器动态位移性能。
二、实训仪器：光纤位移传感器、光纤位移传感器实验模块、振动源、低频振荡器、通信接口（含上位机软件）。
三、相关原理：利用光纤位移传感器的位移特性和其较高的频率响应，用合适的测量电路即可测量振动。
四、实训内容与操作步骤1、光纤位移传感器安装如图所示，光纤探头对准振动平台的反射面，并避开振动平台中间孔。
2、根据“光纤传感器位移特性试验”的结果，找出线性段的中点，通过调节安装支架高度将光纤探头与振动台台面的距离调整在线性段中点（大致目测）。
3、参考“光纤传感器位移特性试验”的实验连线，Vo1与低通滤波器中的Vi 相接，低通输出Vo接到示波器。
4、将低频振荡器的幅度输出旋转到零，低频信号输入到振动模块中的低频输入。
5、将频率档选在6~10Hz左右，逐步增大输出幅度，注意不能使振动台面碰到传感器。
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实验二十一压电式传感器测振动实验
一、实验目的：了解压电传感器的原理和测量振动的方法。
二、基本原理：压电式传感器是一和典型的发电型传感器，其传感元件是压电材料，它以压电材料的压电效应为转换机理实现力到电量的转换。
压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动进行测量，在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用。
1、压电效应：
具有压电效应的材料称为压电材料，常见的压电材料有两类压电单晶体，如石英、酒石酸钾钠等；人工多晶体压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等。
压电材料受到外力作用时，在发生变形的同时内部产生极化现象，它表面会产生符号相反的电荷。
当外力去掉时，又重新回复到原不带电状态，当作用力的方向改变后电荷的极性也随之改变，如图21—1 (a) 、(b) 、(c)所示。
这种现象称为压电效应。
(a) (b) (c)
图21—1 压电效应
2、压电晶片及其等效电路
多晶体压电陶瓷的灵敏度比压电单晶体要高很多，压电传感器的压电元件是在两个工作面上蒸镀有金属膜的压电晶片，金属膜构成两个电极，如图21—2(a)所示。
当压电晶片受到力的作用时，便有电荷聚集在两极上，一面为正电荷，一面为等量的负电荷。
这种情况和电容器十分相似，所不同的是晶片表面上的电荷会随着时间的推移逐渐漏掉，因为压电晶片材料的绝缘电阻(也称漏电阻)虽然很大，但毕竟不是无穷大，从信号变换角度来看，压电元件相当于一个电荷发生器。
从结构上看，它又是一个电容器。
因此通常将压电元件等效为一个电荷源与电容相并联的电路如21—2(b)所示。
其中e a=Q/C a。
式中，e a为压电晶片受力后所呈现的电压，也称为极板上的开路电压；Q为压电晶片表面上的电荷；C a为压电晶片的电容。
实际的压电传感器中，往往用两片或两片以上的压电晶片进行并联或串联。
压电晶片并联时如图21—2(c)所示，两晶片正极集中在中间极板上，负电极在两侧的电极上，因而电容
量大，输出电荷量大，时间常数大，宜于测量缓变信号并以电荷量作为输出。
(a) 压电晶片 (b) 等效电荷源
(c) 并联(d)压电式加速度传感器
图21—2压电晶片及等效电路
压电传感器的输出，理论上应当是压电晶片表面上的电荷Q。
根据图21—2(b)可知测试中也可取等效电容C a上的电压值，作为压电传感器的输出。
因此，压电式传感器就有电荷和电压两种输出形式。
3、压电式加速度传感器
图21—2(d) 是压电式加速度传感器的结构图。
图中，M是惯性质量块，K是压电晶片。
压电式加速度传感器实质上是一个惯性力传感器。
在压电晶片K上，放有质量块M。
当壳体随被测振动体一起振动时，作用在压电晶体上的力F＝Ma。
当质量M一定时，压电晶体上产生的电荷与加速度a成正比。
4、压电式加速度传感器和放大器等效电路
压电传感器的输出信号很弱小，必须进行放大，压电传感器所配接的放大器有两种结构形式：一种是带电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压(即传感器的输出电压)成正比；另一种是带电容反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷量成正比。
电压放大器测量系统的输出电压对电缆电容C c敏感。
当电缆长度变化时，C c就变化，使得放大器输入电压e i变化，系统的电压灵敏度也将发生变化，这就增加了测量的困难。
电荷放大器则克服了上述电压放大器的缺点。
它是一个高增益带电容反馈的运算放大器。
当略
图21—3是传感器-电缆-电荷放大器系统的等效电路图。
去传感器的漏电阻Ra和电荷放大器的输入电阻R i影响时，有
Q=e i(Ca+Cc+Ci)+(e i-e y)C f……（21—1）。
式中，e i为放大器输入端电压；e y为放大器输出端电压e y=-K e i；K为电荷放大器开环放大倍数；C f为电荷放大器反馈电容。
将e y=-K e i代入式(21—1)，可得到放大器输出端电压e y 与传感器电荷Q的关系式：设C=Ca+Cc+Ci
e y=-KQ/[(C+C f)+KC f]……（21—2）
当放大器的开环增益足够大时，则有KC f>>C+C f（21—2）简化为
e y=-Q/C
f ……（21—3）
式（21—3）表明，在一定条件下，电荷放大器的输出电压与传感器的电荷量成正比，而与电缆的分布电容无关，输出灵敏度取决于反馈电容。
所以，电荷放大器的灵敏度调节，都是采用切换运算放大器反馈电容的办法。
采用电荷放大器时，即使连接电缆长度达百米以上，其灵敏度也无明显变化，这是电荷放大器的主要优点。
5、压电加速度传感器实验原理图
压电加速度传感器实验原理、电荷放大器由图21—4(a)、(b)所示。
图21—4(a) 压电加速度传感器实验原理框图
图21—4(b) 电荷放大器原理图
三、需用器件与单元：主机箱±15V直流稳压电源、低频振荡器；压电传感器、压电传感器实验模板、移相器/相敏检波器/滤波器模板；振动源、双踪示波器。
四、实验步骤：
1、按图21—5所示将压电传感器安装在振动台面上(与振动台面中心的磁钢吸合)，振动源的低频输入接主机箱中的低频振荡器，其它连线按图示意接线。
图21—5 压电传感器振动实验安装、接线示意图
2、将主机箱上的低频振荡器幅度旋钮逆时针转到底(低频输出幅度为零)，调节低频振荡器的频率在6～8Hz左右。
检查接线无误后合上主机箱电源开关。
再调节低频振荡器的幅度使振动台明显振动(如振动不明显可调频率)。
3、用示波器的两个通道[正确选择双踪示波器的“触发”方式及其它(TIME/DIV ：在50mS～20mS范围内选择；VOLTS/DIV：0.5V～50mV范围内选择)设置]同时观察低通滤波器输入端和输出端波形；在振动台正常振动时用手指敲击振动台同时观察输出波形变化。
4、改变低频振荡器的频率(调节主机箱低频振荡器的频率)，，观察输出波形变化。
实验完毕，关闭电源。