压电式传感器测量悬臂梁振动的优化方法

一、任务目标

通过本任务的学习，让学生了解压电效应及压电元件的分类，掌握压电式传感器的工作原理，并学会利用压电式传感器测量悬臂梁的振动频率。

二、任务分析

练习

（1）某些物质在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生改变时，其表面上会产生电荷；若将外力去掉时，它们又重新回到不带电的状态，这种现象就称为________效应。相反，在电介质的极化方向上施加电场，产生机械形变，去掉外加电场，电介质恢复原状态，这种现象称为________效应。

（2）压电式传感器的输出信号非常微小，需要接入前置放大器，前置放大器分为________和________两种形式，________的灵敏度不受电缆变化的影响，适合远距离传输。

（3）使用压电陶瓷制作的力或压力传感器可测量________。

A.人的体重 B.车刀的压紧力

C.车刀在切削时感受到的切削力的变化量 D.自来水管中的水的压力

（4）动态力传感器中，两片压电片多采用________接法，可增大输出电荷量；在电子打火机和煤气灶点火装置中，多片压电片采用________接法，可使输出电压达上万伏，从而产生电火花。

A.串联 B.并联 C.既串联又并联

思考

根据图2-41所示石英晶体切片上第一次受力情况下产生的电荷极性，查阅资料试标出其余三种受力情况下产生的电荷极性。

图2-41　石英晶体切片受力产生电荷极性

三、任务实施

1.认识压电式传感器及其实验模块

本任务中使用的压电式传感器如图2-42所示，与其配套的实验模块如图2-43所示。

图2-42　压电式传感器

图2-43　压电传感器实验模块

本任务中除了使用压电式传感器、压电式传感器实验模块外，还要用到振动源、低频振荡器及移相检波模块。

2.压电式传感器测量悬臂梁振动的工作原理

压电式传感器由惯性质量块和压电陶瓷片等组成，将压电式传感器放置在振动源的悬臂梁上，悬臂梁振动时压电式传感器的质量块与悬臂梁一起以相同的频率振动，这样便有正比于加速度的交变力作用在压电陶瓷片上，由于正压电效应，压电陶瓷片表面产生电荷，电荷的极性和大小正比于交变的力信号。将这些电荷通过压电传感器实验模块和移相检波低通实验模块，转换成电压输出，通过测量输出电压就可以知道悬臂梁振动的频率。

3.任务实施步骤

1）压电式传感器的安装。如图2-44所示，将压电式传感器安装在振动源的圆盘上。

图2-44　压电式传感器安装图

（a）安装图；（b）实物图

2）调节悬臂梁的振动幅度。将实验台上信号源的US2 接到振动源的“低频输入” 端，检查接线无误后，合上实验台电源开关，调节US2调幅到最大、频率调至适当位置，使悬臂梁的振幅逐渐增大。

3）压电传感器实验模块、移相检波低通实验模块的接线。将压电式传感器的输出端接到压电传感器实验模块的输入端Ui1，再将压电传感器实验模块上的Uo1 接Ui2，再将Uo2 接上的移相检波低通实验模块的低通滤波器输入Ui，最后将低通滤波器的输出Uo 接示波器，具体的接线如图2-45所示，实物接线图如图2-46所示。

图2-45　压电式传感器测量振动的接线图(www.xing528.com)

图2-46　压电式传感器测量振动的实物接线图

4）测量共振频率。改变US2低频输出信号的频率，记录振动源不同振动频率下压电式传感器输出波形的幅值，填入表2-12中，并由此得出振动系统的共振频率。

表2-12　悬臂梁振动频率与压电式传感器输出电压的关系

5）实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。

4.数据处理

根据表2-12的测量数据绘制悬臂梁振动频率与压电式传感器输出电压的关系曲线（f-Up-p曲线），如图2-47所示。

图2-47　f-Up-p曲线

5.任务内容和评分标准

任务内容和评分标准见表2-13。

表2-13　压电式传感器测量悬臂梁振动频率评分表

四、任务拓展

压电式传感器除了可以测量物体的振动，还可以测量物体受到的动态力、物体的加速度等，请查阅相关的资料，找到压电式传感器测量物体的加速度的应用实例，并分析其结构和工作原理。

数控机床刀具切削力检测

在数控车床的加工过程中，切削力对整个加工过程有着重要的影响。首先，在切削过程中，切削力导致了切削热的产生，切削热会使刀具产生不同程度的磨损，进而降低刀具的耐用度与加工表面的质量，会影响整个加工过程。其次，可以根据切削力计算出切削功率的大小，选择合适的机床、刀具与夹具。最后，通过对切削力的测量可以保证数控机床顺利地运行，在数控加工中可以实时监控，有利于数控机床的自动加工，避免出现过载等问题。在研究数控车床切削力的时候，根据实际需要通常把总的切削力分解成x、y、z 方向上3 个互相垂直的力Fx、Fy、Fz 来进行测量，如图2-48所示。

1.数控车床切削力测量方法分类

图2-48　数控车床刀具切削过程

（a）结构图；（b）实物图

数控车床切削力测量一般采用电阻应变式传感器设计组成的八角环测力仪，作为测定x、y、z 三个方向切削力的传感器。其中的八角环是弹性元件，在环的内外壁相应的应变节点上分别粘贴四片电阻应变片，以克服测试过程中的交叉干扰，把四片电阻应变片按全桥方式连接，分别构成3 个测量电桥，如图2-49所示。在数控车床车削时，切削力经工件转动传递于车刀上，再由车刀刀杆传递到八角环，八角环的变形使紧贴在其上的电阻应变片也随之变形，电阻值就会随之发生变化，测量转换电桥会输出与切削力成正比例的电信号，经过一系列处理后读出3 个方向上的切削分力值Fx、Fy、Fz。这种方法具有灵敏度高、量程范围大等优点，但是耗时大、误差大、测量精度较低，可以通过不同的数据处理方法提高测量精度。

图2-49　八角环测力仪

（a）结构图；（b）实物图

2.基于单片机的数控车床切削力测量

利用单片机测量数控车床的切削力，系统设计一般为将力通过传感器进行测量，通过电桥放大器把信号进行放大，然后进行模／数转换，设计单片机进行信号处理，通过设计按键电路使LED 数码管进行循环显示切削力的大小，设置通信接口，当切削力过大时进行过载报警。

电阻应变片和压电晶体是我们测量力的时候常用的传感器。其中电阻应变片具有灵活性大、适应性广、性能稳定等优点。在数控车床车削时，车削力经工件转动传递于车刀刀架上，使紧贴在上面的电阻应变片产生变形。无论应变片受拉伸使电阻丝直径变细，或者应变片受压缩变形使电阻丝直径变粗，都会使电阻值发生变化，从而产生电信号。

3.基于虚拟分析仪的切削力测量

当今时代，科学技术迅速发展，计算机技术发展尤其迅速，有各种各样新式仪器，现在出现了一种基于计算机和软件的仪器——虚拟仪器。

切削力测量的传统方法需要用专门的测力仪、示波器、记录仪等，这种方法的局限性是只能测量力的数值，之后需要进行大量的数据分析与数据处理，才能得到经验公式。虚拟分析仪可以对作用在刀具上的力和力矩进行分析，对数据进行滤波、平滑等一系列的处理。虚拟仪器可以显示图形，这可以提高对测量数据的理解和解释，可对测量数据进行数据库管理，充分体现了计算机在数据计算、存储和显示等方面的巨大优势。在节省财力、人力的条件下，具有精确度高、速度快、稳定性高、使用方便等优点。

力信号可以应用八角环测力仪转换成电阻变化信号，再通过动态电阻应变仪将电阻变化信号转换成电压信号，通过A／D 转换将电信号转换成数字信号，后面连接计算机，再通过虚拟分析仪对数据进行处理。

在数控机床车削加工中，利用虚拟分析仪对输出的电信号进行数据采集，可以得到切削力的值。通过实验可以得出，对各种电信号可以利用虚拟式信号分析仪器进行数据的采集、处理和分析。此种方法包含了各种仪器，方便使用，有很好的发展潜力。