模塊3-速度與加速度檢測

模塊3速度與加速度檢測主要內(nèi)容：單元1霍爾式轉(zhuǎn)速檢測單元2超聲波速度檢測單元3壓電式加速度檢測速度是表示物體運動快慢的程度。速度檢測技術(shù)廣泛應用于機械制造、印刷、輕工、紡織、電力、醫(yī)藥、食品加工、交通、氣象等行業(yè)，實際速度檢測包括轉(zhuǎn)速、振動速度及線速度測量，如交通領域的車輛速度檢測，控制系統(tǒng)的傳動機構(gòu)、電機、軸等轉(zhuǎn)速測量，振動測試中振動線速度測量，氣象預報中的風速測量等。加速度是反映物體速度改變快慢的物理量，為速度相對時間的變化率。加速度檢測則應用于沖擊和振動測試，或用于測量物體的加速度，如飛機和輪船在行駛中，提供有關它們位置、速度和運行位移，制動、加速情況等信息，以及汽車安全氣囊系統(tǒng)的防碰撞檢測，智能手機、平板電腦、體感游戲輸入設備的傾斜、搖晃檢測等。模塊3速度與加速度檢測

【引導語】

1．速度的基本概念速度有線速度與轉(zhuǎn)速之分。線速度定義為單位時間內(nèi)的位移線，單位為m/s，而轉(zhuǎn)速則一般表示為單位轉(zhuǎn)過的角度，記為rad/s。工程中常用每分鐘旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)表示，即r/min。常用的轉(zhuǎn)速測量傳感器有光電傳感器、霍爾傳感器、磁電式轉(zhuǎn)速傳感器、變磁阻式、測速發(fā)電機等。線速度測量：流水線或傳送帶的線速度，軌道車輛時速的地面監(jiān)測，子彈飛行過程的速度監(jiān)測等。流水線或傳送帶的直線運動，其實是旋轉(zhuǎn)運動通過傳動機構(gòu)實現(xiàn)的直線運動，可通過監(jiān)測旋轉(zhuǎn)機械的旋轉(zhuǎn)速度，儀器內(nèi)部再乘以一個系數(shù)就可以直讀線速度；有些線速度需要按照線速度的物理定義，監(jiān)測運動物體通過兩點的距離和時間，通過運算獲得?！颈尘爸R】模塊3速度與加速度檢測

【背景知識】

部分轉(zhuǎn)速傳感器性能比較模塊3速度與加速度檢測

2．加速度的基本概念加速度的單位是m/s2，有時采用重力加速度g來表達。g的大小因測量位置不同會有微小變化，但普遍被接收的g值是9.80665m/s2，通常簡化為9.81m/s2。加速度傳感器有多種形式，其工作原理都是利用慣性質(zhì)量受加速度所產(chǎn)生的慣性力而造成的各種效應，進一步轉(zhuǎn)化成電量后間接獲得加速度的。常用的加速度傳感器有電阻應變式、壓電式、磁致伸縮式、電容式等。模塊3速度與加速度檢測

【背景知識】

2．加速度的基本概念模塊3速度與加速度檢測

【背景知識】

部分加速度傳感器性能比較速度、加速度傳感器的應用模塊3速度與加速度檢測

【背景知識】

風速儀電子產(chǎn)品內(nèi)置加速度傳感器演示視頻加速度傳感器震動報警演示速度、加速度傳感器的應用模塊3速度與加速度檢測

【背景知識】

脈沖錘——振動測試及故障診斷中廣泛使用的激振器之一，內(nèi)置加速度傳感器以獲取激振力、加速度等信息。阻抗頭——加速度與力的復合型傳感器，在機械阻抗性能測試中用以獲取接線的速度、加速度阻抗等性能參數(shù)。在汽車制動時，如果車輪抱死滑移，車輪與路面間的側(cè)向附著力將完全消失。如果只是前輪(轉(zhuǎn)向輪)制動到抱死滑移而后輪還在滾動，汽車將失去轉(zhuǎn)向能力。如果只是后輪制動到抱死滑移而前輪還在滾動，即使受到不大的側(cè)向干擾力，汽車也將產(chǎn)生側(cè)滑(甩尾)現(xiàn)象。這些都極易造成嚴重的交通事故。防抱死制動系統(tǒng)(AntilockBrakeSystem，ABS)，即在普通制動系統(tǒng)的基礎上加裝車輪速度傳感器、ABS電控單元、制動壓力調(diào)節(jié)裝置及制動控制電路等，通過監(jiān)測車輪轉(zhuǎn)速判斷抱死是否發(fā)生，并通過控制機構(gòu)調(diào)節(jié)左右輪制動力，從而增加輪胎與路面的附著能力，減輕或消除抱死現(xiàn)象。

單元1霍爾式轉(zhuǎn)速檢測

【問題引入】

1．霍爾傳感器的工作原理半導體在外加磁場作用下，當有電流流過時，運動電子受洛淪磁力的作用而偏移，在兩側(cè)形成電荷積累，產(chǎn)生電動勢UH。

單元1霍爾式轉(zhuǎn)速檢測

【問題分析】

霍爾電壓UH為：

e——電子電量KH——霍爾元件靈敏度式中n——載流子數(shù)濃度KH＝1/ned霍爾效應1．霍爾傳感器的工作原理單元1霍爾式轉(zhuǎn)速檢測

【問題分析】

霍爾效應2．霍爾式傳感器的基本測量電路霍爾元件的基本電路如圖所示。控制電流由電源E供給，RP為調(diào)節(jié)電阻，調(diào)節(jié)控制電流的大小。在磁場與控制電流的作用下，負載上就有電壓輸出。在實際使用時，I或B或兩者同時作為信號輸入，而輸出信號則正比于I或B或兩者乘積。單元1霍爾式轉(zhuǎn)速檢測

【問題分析】

結(jié)構(gòu)示意實物圖霍爾元件的基本電路3．霍爾式傳感器的轉(zhuǎn)速檢測（1）霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器是小型封閉式傳感器，它的檢測對象為磁性材料或?qū)Т挪牧?，如磁鋼、鐵和電工鋼等。當被測體上帶有凸起（或凹陷）的磁性或?qū)Т挪牧?，隨著被測物體轉(zhuǎn)動時，傳感器輸出與旋轉(zhuǎn)頻率相關的脈沖信號，經(jīng)計算可獲得轉(zhuǎn)速。

單元1霍爾式轉(zhuǎn)速檢測

【問題分析】（2）霍爾式傳感器轉(zhuǎn)速檢測單元1霍爾式轉(zhuǎn)速檢測

【問題分析】

霍爾傳感器轉(zhuǎn)速測量示意圖1-輸入軸；2-轉(zhuǎn)盤；3-小磁鐵；4-霍爾傳感器

式中：z—齒盤每圈齒數(shù)；f—頻率（Hz）（2）霍爾式傳感器轉(zhuǎn)速檢測單元1霍爾式轉(zhuǎn)速檢測

【問題分析】

霍爾轉(zhuǎn)速傳感器轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)1．霍爾元件的材料及結(jié)構(gòu)特點根據(jù)霍爾效應原理做成的器件叫做霍爾元件，霍爾元件一般采用具有N型的鍺、銻化銦和砷化銦等半導體單晶材料制成

單元1霍爾式轉(zhuǎn)速檢測

【知識鏈接】材料輸出特性溫度情況銻化銦輸出大溫度影響大鍺元件輸出小溫度性能和線性度較好砷化銦輸出較大溫度的影響較小，線性度較好砷化銦為霍爾元件的材料得到普遍應用

（a）霍爾元件結(jié)構(gòu)示意圖b）圖形符號（c）外形2．霍爾元件的參數(shù)

單元1霍爾式轉(zhuǎn)速檢測

【知識鏈接】

（1）輸入電阻Ri；（2）輸出電阻R0；（3）最大激勵電流IM；（4）靈敏度KH；（5）最大磁感應強度BM；（6）不等位電勢；（7）霍爾電勢溫度系數(shù)3．集成霍爾元件集成霍爾元件可分為線性型和開關型兩大類，前者是將霍爾元件和恒流源、線性放大器等做在一個芯片上，輸出電壓較高，使用非常方便。單元1霍爾式轉(zhuǎn)速檢測

【知識鏈接】

3．集成霍爾元件單元1霍爾式轉(zhuǎn)速檢測

【知識鏈接】

線性型集成霍爾元件輸出特性3．集成霍爾元件開關型是將霍爾元件、穩(wěn)壓電路、放大器、施密特觸發(fā)器、OC門等做在同一個芯片上。當外加磁場強度超過規(guī)定的工作點時，OC門由高電阻狀態(tài)變?yōu)閷顟B(tài)，輸出低電平，當外加磁場低于釋放點時，OC門重新變?yōu)楦咦锠顟B(tài)，輸出高電平。單元1霍爾式轉(zhuǎn)速檢測

【知識鏈接】

開關型集成霍爾元件輸出特性4．霍爾式傳感器應用類型（1）利用霍爾電勢正比于磁感強度的特性來測量磁場及與之有關的電量和非電量。如磁場計、方位計、電流計、微小位移計、角度計、轉(zhuǎn)速計、加速度計、磁讀頭、函數(shù)發(fā)生器、同步傳動裝置、無刷直流電機、非接觸開關等。（2）利用霍爾電勢正比于激勵電流的特性可制作回轉(zhuǎn)器、隔離器、電流控制裝置等。（3）利用霍爾電勢正比于激勵電流與磁感應強度乘積的規(guī)律制成乘算器、除算器、乘方器、開方器、功率計等，也可以作混頻、調(diào)制、斬波、解調(diào)等用途。單元1霍爾式轉(zhuǎn)速檢測

【知識鏈接】

4．霍爾式傳感器應用類型單元1霍爾式轉(zhuǎn)速檢測

【知識鏈接】

霍爾式壓力傳感器霍爾式角位移傳感器4．霍爾式傳感器應用類型單元1霍爾式轉(zhuǎn)速檢測

【知識鏈接】

霍爾轉(zhuǎn)速測量霍爾鉗形電流表4．霍爾式傳感器應用類型單元1霍爾式轉(zhuǎn)速檢測

【知識鏈接】

高斯計（特斯拉計）【案例1】ABS轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)ABS是在普通制動系統(tǒng)的基礎上加裝車輪速度傳感器、ABS電控單元、制動壓力調(diào)節(jié)裝置及制動控制電路等組成。單元1霍爾式轉(zhuǎn)速檢測

【應用案例】

ABS系統(tǒng)的組成(分置式)及工作原理1-前輪速度傳感器；2-制動壓力調(diào)節(jié)裝置；3-ABS電控單元；4-ABS報警燈；5-后輪速度傳感器；6-停車燈開關；7-制動主缸；8-比例分配閥；9-制動輪缸；10-蓄電池；11-點火開關【案例1】ABS轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)單元1霍爾式轉(zhuǎn)速檢測

【應用案例】

（a）前輪（b）后輪霍爾傳感器在車輪上的安裝位置1-齒圈；2-霍爾傳感器；3-輪轂；4-固定支架霍爾傳感器輪速檢測示意圖1-磁體；2-霍爾元件；3-齒圈【案例1】ABS轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)制動過程中，ABS電控單元（ECU）3不斷地從傳感器1和5獲取車輪速度信號，并加以處理，分析是否有車輪即將抱死拖滑。如果沒有車輪即將抱死拖滑，制動壓力調(diào)節(jié)裝置2不參與工作，制動主缸7和各制動輪缸9相通，制動輪缸中的壓力繼續(xù)增大，此即ABS制動過程中的增壓狀態(tài)。如果電控單元判斷出某個車輪(假設為左前輪)即將抱死拖滑，它即向制動壓力調(diào)節(jié)裝置發(fā)出命令，關閉制動主缸與左前制動輪缸的通道，使左前制動輪缸的壓力不再增大，此即ABS制動過程中的保壓狀態(tài)。若電控單元判斷出左前輪仍趨于抱死拖滑狀態(tài)，它即向制動壓力調(diào)節(jié)裝置發(fā)出命令，打開左前制動輪缸與儲液室或儲能器的通道，使左前制動輪缸中的油壓降低，此即ABS制動過程中的減壓狀態(tài)。單元1霍爾式轉(zhuǎn)速檢測【應用案例】

【案例2】自行車碼表自行車碼表可用以計算速度及里程，由安裝于前車圈鋼條上的感應磁鐵、前叉上的感應器、連接線、置于車把上面的碼表座和座上面的碼表顯示裝置構(gòu)成。單元1霍爾式轉(zhuǎn)速檢測

【應用案例】

自行車碼表1-顯示裝置；2-連接線；3-感應器；4-安裝支座；5-磁鐵【案例2】自行車碼表碼表感應器一般采用開關型霍爾集成元件，實現(xiàn)磁信號至電信號的轉(zhuǎn)換。行駛時，輻條帶動永久磁鐵轉(zhuǎn)動，磁場相應發(fā)生變化，霍爾元件將獲得一定頻率的脈沖信號，經(jīng)換算可得自行車行駛速度及里程。單元1霍爾式轉(zhuǎn)速檢測

【應用案例】

碼表的安裝自行車碼表的安裝與調(diào)試1．項目要求熟悉霍爾傳感器工作原理，認知集成霍爾元件及其類型，能夠正確進行霍爾式自行車碼表的安裝與調(diào)試。2．設備與工具示波器一臺；自行車碼表一套、1.5V電池2節(jié)；自行車、皮尺、秒表（或電機、光電手持轉(zhuǎn)速表、磁力表座）；常用電工組裝工具一套。單元1霍爾式轉(zhuǎn)速檢測

【實踐項目】

3．操作步驟（1）參照教材圖3-17進行感應器、磁鐵、實現(xiàn)裝置的安裝并連線（或在電機輸出軸安裝磁鐵，參照圖3-4，感應器用支架或磁力表座固定）。安裝時注意磁鐵與感應器距離應不超過4mm，注意磁鐵應盡量正對感應器。（2）參閱說明書，裝入電池，開機初始化后進行相應設置。（3）在室外場地選擇一處，用皮尺丈量10米，做上標記，勻速騎行自行車并用秒表計時，將碼表顯示的車速與計時計算的車速比較，判斷測速結(jié)果并分析。如進行電機轉(zhuǎn)速測試，則同時利用手持光電轉(zhuǎn)速表進行分析校準。（4）如存在較大偏差，可將感應器信號線引出并連接至示波器，手動搖動自行車踏板，觀察輸出波形。單元1霍爾式轉(zhuǎn)速檢測

【實踐項目】

1．測速發(fā)電機測速發(fā)電機是機電一體系統(tǒng)中用于測量和自動調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的一種傳感器，測量方式為接觸式測量。它由帶有繞組的定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成。根據(jù)電磁感應原理，當轉(zhuǎn)子繞組供給勵磁電壓并隨被測電動機轉(zhuǎn)動時，定子繞組則產(chǎn)生與轉(zhuǎn)速成正比的感應電動勢。根據(jù)勵磁電流的種類，測速發(fā)電機可分為直流測速發(fā)電機和交流測速發(fā)電機兩大類。直流測速發(fā)電機的工作原理與一般直流發(fā)電機相同。在恒定磁場中，旋轉(zhuǎn)的電樞繞組切割磁通，產(chǎn)生感應電動勢，由電刷兩端引出的電樞感應電動勢為單元1霍爾式轉(zhuǎn)速檢測

【拓展提高】

Ke－感應系數(shù)；Φ－磁通（單位：Wb）；n－轉(zhuǎn)速（單位：r/min）；Ce－感應電動勢與轉(zhuǎn)速的比例系數(shù)（單位：V/（r/min））。1．測速發(fā)電機交流測速發(fā)電機有永磁式、感應式和脈沖式三種。交流測速發(fā)電機多采用輸出感應電動勢頻率與轉(zhuǎn)速有關進行轉(zhuǎn)速測量的。計算式

單元1霍爾式轉(zhuǎn)速檢測【拓展提高】

式中：z—轉(zhuǎn)子齒數(shù)或電機極對數(shù)；f—頻率（Hz）2．光電轉(zhuǎn)速測量光電式轉(zhuǎn)速表有反射式和透射式兩種，它可以在距被測物數(shù)十毫米處非接觸地測量其轉(zhuǎn)速。由于光電器件的動態(tài)特性較好，所以可以用于高轉(zhuǎn)速的測量而又不影響被測物的轉(zhuǎn)動。單元1霍爾式轉(zhuǎn)速檢測

【拓展提高】

透射式反射式1－光源；2、5－透鏡；3－被測旋轉(zhuǎn)物；4－反光紙；6－光敏二極管；7－遮光罩；8－放大、整形電路；9－計頻電路；10－顯示器；11－時基電路2．光電轉(zhuǎn)速測量單元1霍爾式轉(zhuǎn)速檢測

【拓展提高】

反射式光電轉(zhuǎn)速傳感器反射式光電轉(zhuǎn)速表超速行車在交通違規(guī)中占有極大比例，是引發(fā)交通事故的主要因由之一，因此對于重點路口、事故多發(fā)路段進行車輛速度檢測監(jiān)控并加強管理是減少交通超速違章，保障交通安全的有效途徑。單元2超聲波速度檢測

【問題引入】

（a）手持式（b）固定安裝式測速雷達車輛行駛速度為線速度，對于車載測速而言，可通過測量傳遞機構(gòu)或車輪轉(zhuǎn)速再經(jīng)換算獲??；而外部設置的車速檢測裝置宜采用非接觸線速度測量裝置如超聲波測速、視頻/感應線圈配合測速、紅外測速、激光測速等。超聲多譜勒法則是利用波的多普勒效應實現(xiàn)速度測量的。一般來說，對于運動物體的速度測量多采用超聲多譜勒法。1．超聲波測速超聲波測速適合作流動物質(zhì)中含有較多雜質(zhì)的流體的流速測量，或運動物體的速度測量，主要方法有頻差法和時差法，超聲多譜勒法。單元2超聲波速度檢測

【問題分析】

時差法：測量沿運動物體或流體的正反兩個不同方向發(fā)射的超聲波到達接收端的時差。由于聲速參與運算，而聲速受溫度的影響變化較大，所以不適合用在工業(yè)環(huán)境等溫度變化范圍大的場合。單元2超聲波速度檢測

【問題分析】

F1發(fā)射的超聲波到達

F2的時間較短頻差法：當超聲波在流動的媒質(zhì)中傳播時，相對于固定坐標系統(tǒng)來說，超聲波速度與靜止媒質(zhì)中的傳播速度有所不同，其變化值與媒質(zhì)流速有關。采用頻差法，就可以避開聲速隨溫度變化的影響，但測頻計數(shù)由于存在±1誤差，對于高精度測量，需要高速計數(shù)器。

單元2超聲波速度檢測【問題分析】

發(fā)射、接收探頭也可以安裝在管道的同一側(cè)2．多普勒效應物體輻射的波長因為波源和觀測者的相對運動而產(chǎn)生變化。假設檢測點超聲發(fā)射機向被測物體發(fā)射頻率為f0的超聲波，被測物體以速度v向檢測點運動，被測物體獲得的信號頻率為f1

經(jīng)被測物體反射的頻率f1聲波信號到達檢測點后的頻率的頻率為f2

，則頻率差Fd單元2超聲波速度檢測【問題分析】

3．超聲多普勒速度檢測超聲多普勒測速儀由超聲探頭（發(fā)射和接收）、信號發(fā)生電路、驅(qū)動電路、放大、檢波及處理電路組成。利用多普勒效應可以對被測物體的線速度進行測量。圖示車輛速度檢測：當有車輛經(jīng)過時，信號將由車輛前端反射。由于多普勒效應，接收的超聲頻率與發(fā)射的超聲頻率之間存在頻偏Fd，根據(jù)此頻偏即可獲得被測車輛的線速度，其值為

單元2超聲波速度檢測

【問題分析】

3．超聲多普勒速度檢測單元2超聲波速度檢測【問題分析】

超聲速度檢測電路原理圖1．超聲波簡介超聲波是一種機械波，超聲波是頻率高于20kHz的機械振動波，它方向性好，穿透能力強，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠，可用于測距、測速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等。在醫(yī)學、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)上有很多的應用。超聲波因其頻率下限大約等于人的聽覺上限而得名。超聲波的特性與頻率的關系：頻率越高，其聲場指向性越好，與光波的反射、折射特性就越接近。常用的聲波頻率為幾十千赫茲至幾十兆赫茲。單元2超聲波速度檢測

【知識鏈接】

1．超聲波簡介單元2超聲波速度檢測

【知識鏈接】

蝙蝠能發(fā)出和聽見超聲波蝙蝠依靠超聲波捕食1．超聲波簡介通常，超聲波波形有縱波、橫波和表面波三種形式?？v波：媒體介質(zhì)中各體元振動的方向與波傳播的方向平行。單元2超聲波速度檢測

【知識鏈接】

縱波1．超聲波簡介橫波：媒體介質(zhì)中各體元振動的方向與波傳播的方向垂直。單元2超聲波速度檢測

【知識鏈接】

橫波1．超聲波簡介表面波：沿著兩種媒質(zhì)的界面?zhèn)鞑サ木哂锌v波和橫波雙重性質(zhì)的波。

單元2超聲波速度檢測

【知識鏈接】

表面波2．超聲波傳感器的材料超聲波主要材料有壓電晶體及鎳鐵合金（磁致伸縮）、壓電陶瓷鋯鈦酸鉛（PZT）等。超聲波傳感器習慣上稱為超聲換能器或超聲探頭，分為發(fā)射換能器和接收換能器。發(fā)射換能器利用壓電元件的逆壓電效應，而接收換能器則利用壓電效應。超聲波換能器的種類很多，按照其結(jié)構(gòu)可分為直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探頭、雙探頭（發(fā)射和接收）、聚焦探頭（將聲波聚集成一束）、水浸探頭及專有探頭等。按照實現(xiàn)超聲換能器機電轉(zhuǎn)換的物理效應的不同可分為電動式、電磁式、壓電式、磁致伸縮式等。單元2超聲波速度檢測

【知識鏈接】

3．超聲波探頭的結(jié)構(gòu)與原理由于結(jié)構(gòu)不同，又分為直探頭、斜探頭等。

單元2超聲波速度檢測

【知識鏈接】

超聲波探頭結(jié)構(gòu)示意圖1—接插件；2—外殼；3—阻尼吸收塊；4—引線；5—壓電晶體；6—保護膜；7—隔離層；8—延遲塊；9—有機玻璃斜楔塊；10—試件；11—耦合劑3．超聲波探頭的結(jié)構(gòu)與原理單元2超聲波速度檢測

【知識鏈接】

外殼用金屬制作，保護膜用硬度很高的耐磨材料制作，防止壓電晶片磨損。保護膜接插件直探頭3．超聲波探頭的結(jié)構(gòu)與原理單元2超聲波速度檢測

【知識鏈接】

雙晶直探頭發(fā)射晶片接收晶片將兩個單晶探頭組合裝配在同一殼體內(nèi)，其中一片發(fā)射超聲波，另一片接收超聲波。兩晶片之間用一片吸聲性能強、絕緣性能好的薄片加以隔離。雙晶探頭的結(jié)構(gòu)雖然復雜些，但檢測精度比單晶直探頭高，且超聲信號的反射和接收的控制電路較單晶直探頭簡單。3．超聲波探頭的結(jié)構(gòu)與原理單元2超聲波速度檢測

【知識鏈接】

斜探頭底部耐磨材料接插件3．超聲波探頭的結(jié)構(gòu)與原理單元2超聲波速度檢測

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空氣傳導探頭

1—外殼2—金屬絲網(wǎng)罩3—錐形共振盤4—壓電晶片5—引腳6—阻抗匹配器7—超聲波束

a）

超聲發(fā)射器b）超聲接收器3．超聲波探頭的結(jié)構(gòu)與原理單元2超聲波速度檢測

【知識鏈接】

空氣傳導探頭3．超聲波探頭的結(jié)構(gòu)與原理單元2超聲波速度檢測

【知識鏈接】

空氣傳導探頭3．超聲波探頭的結(jié)構(gòu)與原理單元2超聲波速度檢測

【知識鏈接】

水浸探頭水浸聚焦探頭3．超聲波探頭的結(jié)構(gòu)與原理單元2超聲波速度檢測

【知識鏈接】

聚焦探頭原理3．超聲波發(fā)射、接收電路單元2超聲波速度檢測

【知識鏈接】

超聲接收電路圖超聲發(fā)射電路圖超聲波的應用

單元2超聲波速度檢測

【知識鏈接】

醫(yī)學檢查超聲清洗波浪氣泡超聲波的應用

單元2超聲波速度檢測

【知識鏈接】

魚群探測超聲波測速儀CS12手持式測速儀利用超聲波多普勒效應測速，可將目標車輛速度值直觀顯示在彩色LCD屏上，具有觸摸功能，各種操作設置必須在屏上輕輕點擊即可完成。體積小，重量輕，可手持或設在三腳架上使用。測速儀具有靜態(tài)和動態(tài)兩種工作模式，即可固定安置使用，也可在行駛中巡邏車上使用。單元2超聲波速度檢測

【應用案例】

手持測速儀

測速儀主界面超聲波測速儀【發(fā)射/關閉】發(fā)射開關切換按鈕，可打開或關閉雷達天線，狀態(tài)為“發(fā)射”時，雷達連續(xù)測速；狀態(tài)為“關閉”時，停止測速。【靜態(tài)/動態(tài)】測速模式按鈕，“靜態(tài)”是指測速儀位置固定，“動態(tài)”是指測速儀加設在行駛車輛上，相對地面處于運動狀態(tài)?！就?反向/雙向】測速方向切換按鈕?！綤PH/MPH】速度單位轉(zhuǎn)換按鈕，以公里或英里每小時表示。【音叉關/音叉開】音叉測試開關。在“音叉開”狀態(tài)下，可以用音叉來模擬目標速度值簡單測試正常與否。在實際使用中，應設置為“音叉關”。單元2超聲波速度檢測

【應用案例】

超聲波測速儀的操作1．項目要求熟悉超聲測速儀工作原理，通過操作，能夠正確進行測速儀的測試模式、測試方向設置；路段信息、限速要求信息輸入、測試儀校準及實際速度測量。2．設備與工具手持超聲測速儀、三腳架；常用電工組裝工具一套。3．操作步驟（1）按測速儀操作指南進行測速儀校準。單元2超聲波速度檢測

【實踐項目】

超聲波測速儀的操作（2）將測速儀安裝于三腳架上并置于道路邊，調(diào)整好角度，設置“靜態(tài)”模式、單位、時間等信息。分別對過往車輛進行“同向”、“反向”、“雙向”測試，記錄并打印。（3）將測速儀安裝于車輛上，車輛按一定速度勻速行駛，分別對過往車輛進行“同向”、“反向”、“雙向”測試，記錄并打印。（4）查閱資料了解該款測速儀工作原理。（5）思考：溫度是否對測值有影響？如有，如何減小或消除？單元2超聲波速度檢測

【實踐項目】

1．超聲多普勒成像超聲多普勒法成像就是應用超聲波的多普勒效應，從體外得到人體運動臟器的信息，進行處理和顯示?，F(xiàn)已普遍用于血流、心臟和產(chǎn)科等方面的檢查。彩色多普勒體層成像是用脈沖多普勒法對于一點的血流信息進行實時二維顯示。一般取流向探頭的血流設為紅色，遠離探頭的血流設為藍色。其基本原理和脈沖多普勒法一樣，所不同的是比脈沖多普勒成像裝置多了MTI（移動目標指示裝置）計算電路。接收到的多普勒回波信號經(jīng)過混頻電路和低通濾波器進行相位檢波后，一路送到處理電路，進行頻譜分析，以顯示多普勒頻譜；一路送到計算機電路，以得到彩色多普勒血流信息。單元2超聲波速度檢測

【拓展提高】

1．超聲多普勒成像單元2超聲波速度檢測

【拓展提高】

彩色多普勒成像2．風速檢測風速檢測在氣象、風力發(fā)電、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境保護、交通、災害預警等領域應用廣泛。單元2超聲波速度檢測

【拓展提高】

（a）三杯風速計（b）風向傳感器風速、風向傳感器外形

風速、風向傳感器結(jié)構(gòu)1-透鏡單元；2-凸出部位；3-圓盤；4-傳動齒輪；5-光纖連接器；6-液壓緩沖器；7-磁耦合器；8-箭尾；9-光電轉(zhuǎn)換開關；10-連接器；11-透鏡；12-多頭連接器為了減少意外撞車對人體帶來的傷害，安全氣囊已成為汽車安全系統(tǒng)配備的主要裝置。汽車安全氣囊采用帶橡膠襯里的特種織物尼龍制成，工作時用無害的氮氣填充。在發(fā)生碰撞時，安全氣囊充氣大約需要0.03秒。非?？斓某錃馑俣葘Υ_保當乘客的身體被安全帶束縛不動，而頭部仍然向前行進時，安全氣囊能及時到位。在頭部碰到安全氣囊時，安全氣囊通過氣囊表面的氣孔開始排氣。氣體的排出有一定的速率，確保讓人的身體部位緩慢地減速。在汽車碰撞瞬間，駕駛?cè)藛T無法快速反應啟動安全氣囊系統(tǒng)，因此必須碰撞檢測系統(tǒng)獲取碰撞信息，自動開啟安全氣囊。單元3壓電式加速度檢測

【問題引入】

單元3壓電式加速度檢測

【問題引入】

防碰撞方法可采用加速度檢測。汽車行駛過程中，傳感器系統(tǒng)不斷向控制裝置發(fā)送加速度（或速度變化）信息，由控制裝置（中央控制器）對這些信息加以分析判斷，如果所測的加速度、速度變化量或其它指標超過預定值（即真正發(fā)生了碰撞），則控制裝置向氣體發(fā)生器發(fā)出點火命令或傳感器直接控制點火，點火后發(fā)生爆炸反應，產(chǎn)生N2或?qū)夤拗袎嚎s氮氣釋放出來充滿碰撞氣袋。乘員與氣袋接觸時，通過氣袋上排氣孔的阻尼吸收碰撞能量，達到保護乘員的目的。壓電式加速度傳感器具有頻率范圍廣、動態(tài)范圍寬、靈敏度高等優(yōu)點，因而應用廣泛。單元3壓電式加速度檢測

【問題分析】

1．壓電效應和逆壓電效應某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用產(chǎn)生變形時，內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在其表面產(chǎn)生電荷。當外力去掉后，又重新回到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應。反之，在電介質(zhì)的極化方向上施加交變電場，它會產(chǎn)生機械變形，當去掉外加電場，電介質(zhì)變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應或叫做電致伸縮效應。壓電材料的壓電特性常用壓電方程來描述：Q=dF

式中：Q—產(chǎn)生的電荷（單位：C）；d—壓電系數(shù)（單位：C/N）；F—在晶體的彈性限度內(nèi)施加的力（單位：N）。單元3壓電式加速度檢測

【問題分析】

1．壓電效應和逆壓電效應單元3壓電式加速度檢測

【問題分析】

電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力

產(chǎn)生變形

外力去掉，回到不帶電狀態(tài)

內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，表面產(chǎn)生電荷

壓電效應1．壓電效應和逆壓電效應單元3壓電式加速度檢測

【問題分析】

極化方向上施加交變電場

產(chǎn)生機械變形

去外加電場，變形消失

逆壓電效應2．壓電式加速度傳感器利用壓電陶瓷的壓電效應可構(gòu)成不同使用要求的加速度傳感器。常用的有如圖壓縮型、剪切型和彎曲型三種結(jié)構(gòu)。單元3壓電式加速度檢測

【問題分析】

a）壓縮型b）剪切型c）彎曲型壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)類型1－質(zhì)量塊（慣性元件）；2－壓電元件；3－基體；4－輸出接頭；5－敏感方向2．壓電式加速度傳感器單元3壓電式加速度檢測

【問題分析】

壓縮型振動加速度傳感器1-質(zhì)量塊；2-壓電元件；3-彈簧壓電加速度測量系統(tǒng)原理圖2．壓電式加速度傳感器單元3壓電式加速度檢測

【問題分析】

1．壓電材料自然界中，大多數(shù)晶體都具有壓電效應，但多數(shù)晶體的壓電效應過于微弱。具有實用價值的壓電材料基本上可分為三大類：壓電晶體、壓電陶瓷和有機壓電材料。壓電晶體是一種單晶體，例如石英晶體、酒石酸鉀鈉等。壓電陶瓷是一種人工制造的多晶體，例如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛、鈮酸鍶等。有機壓電材料屬于新一代的壓電材料，其中較為重要的有壓電半導體和高分子壓電材料。單元3壓電式加速度檢測

【知識鏈接】

石英晶體單元3壓電式加速度檢測

【知識鏈接】

石英晶體薄片及封裝單元3壓電式加速度檢測

【知識鏈接】

石英晶體石英晶體中間棱柱斷面的下半部分，其斷面為正六邊形。Z軸是晶體的對稱軸，稱為光軸，該軸方向上沒有壓電效應；X軸稱為電軸，垂直于X軸晶面上的壓電效應最顯著；Y軸稱為機械軸，在電場的作用下，沿此軸方向的機械變形最顯著。單元3壓電式加速度檢測

【知識鏈接】

石英晶體的壓電效應(a)石英晶體(b)石英晶體切片石英晶體石英晶體具有壓電效應，是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的。組成石英晶體的硅離子Si4+和氧離子O2-在Z平面投影，如圖(a)。為討論方便，將這些硅、氧離子等效為圖(b)中正六邊形排列，圖中“＋”代表Si4+，“－”代表2O2-。

單元3壓電式加速度檢測

【知識鏈接】

硅氧離子的排列示意圖（a）硅氧離子在Z平面上的投影（b）等效為正六邊形排列的投影(b)(a)++---YXXY+石英晶體當FX=0時，正負電荷中心重合，電偶極矩矢量和為0；當FX<0時，晶體沿X方向?qū)a(chǎn)生收縮，正、負電荷中心不重合，電偶極矩在X方向的分量>0；受到X方向的拉力（FX＞0）時，在X軸正向出現(xiàn)負電荷。單元3壓電式加速度檢測

【知識鏈接】

Y+++---X(a)FX=0P1P2P3FXXY++++－－－－FX(b)FX<0+++---P1P2P3(c)FX>0Y+++--X-+++－－－FXFXP2P3P1+－石英晶體在沿著電軸X方向力的作用下，產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象稱為縱向壓電效應；而把沿機械軸Y方向力的作用下，產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象稱為橫向壓電效應。若沿晶片的X軸施加壓力Fx，則在加壓的兩表面上分別出現(xiàn)正、負電荷;若沿晶片的Y軸施加壓力FY時，則在加壓的表面上不出現(xiàn)電荷，電荷仍出現(xiàn)在垂直于X軸的表面上，只是電荷的極性相反。單元3壓電式加速度檢測

【知識鏈接】

壓電陶瓷壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料，它具有類似鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)的電疇結(jié)構(gòu)。極化處理后，陶瓷材料內(nèi)部仍存在有很強的剩余極化強度，當壓電陶瓷受外力作用時，電疇的界限發(fā)生移動，因此剩余極化強度將發(fā)生變化，壓電陶瓷就呈現(xiàn)出壓電效應。單元3壓電式加速度檢測

【知識鏈接】

壓電陶瓷壓電原理

鈦酸鋇壓電陶瓷的電疇結(jié)構(gòu)

壓電陶瓷單元3壓電式加速度檢測

【知識鏈接】

(a)極化處理前(b)極化處理中(c)極化處理后

直流電場E剩余極化強度剩余伸長電場作用下的伸長由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的電極面上吸附了一層來自外界的自由電荷，與束縛電荷符號相反而數(shù)量相等，屏蔽和抵消陶瓷片內(nèi)極化強度對外界的作用。如果在陶瓷片上加一個與極化方向平行的壓力F，片內(nèi)的正、負束縛電荷之間的距離、極化強度也變小。原來吸附在電極上的自由電荷，一部分被釋放，出現(xiàn)放電荷現(xiàn)象。單元3壓電式加速度檢測

【知識鏈接】

－－－－－

－－－－－

＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋自由電荷束縛電荷電極電極極化方向束縛電荷與電極上吸附電荷示意圖＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋

極化方向正壓電效應示意圖F－＋壓電陶瓷單元3壓電式加速度檢測

【知識鏈接】

壓電陶瓷實物圖片高分壓電材料有機壓電材料屬于新一代的壓電材料，主要有壓電半導體和高分子壓電材料。單元3壓電式加速度檢測

【知識鏈接】

高分子壓電材料2．壓電材料的主要特性指標（1）壓電系數(shù)d

表示壓電材料產(chǎn)生電荷與作用力的關系。單位為C/N（庫侖/牛頓）。（2）剛度H

壓電材料的剛度是它固有頻率的重要參數(shù)。（3）介電常數(shù)ε

這是決定壓電晶體固有電容的主要參數(shù)，而固有電容影響傳感器工作頻率的下限值。（4）電阻R

它是壓電晶體的內(nèi)阻，它的大小決定其泄漏電流。（5）居里點壓電效應消失的溫度轉(zhuǎn)變點。單元3壓電式加速度檢測

【知識鏈接】

3．壓電元件的等效電路壓電元件相當于一個電荷發(fā)生器，當壓電元件表面聚集電荷時，它又相當于一個以壓電材料為介質(zhì)的電容器。電容器上的電壓Ua、電荷量Q和電容Ca三者關系為：單元3壓電式加速度檢測

【知識鏈接】

（a）電荷等效電路（b）電壓等效電路壓電傳感器的等效電路4．壓電式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路根據(jù)壓電式傳感器的工作原理及等效電路，它的輸出可以是電荷信號，也可以是電壓信號，因此與之相配的前置放大器也有電荷前置放大器和電壓前置放大器兩種形式。單元3壓電式加速度檢測

【知識鏈接】

電荷放大器等效電路壓電傳感器實際的等效電路4．壓電式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路單元3壓電式加速度檢測

【知識鏈接】

電荷放大器外形圖5．壓電元件常用的結(jié)構(gòu)形式單元3壓電式加速度檢測

【知識鏈接】

并聯(lián)接法C′＝2CU′＝UQ′＝

2Q（1）串聯(lián)（2）并聯(lián)C′＝

C/2U′＝2UQ′＝

Q6．壓電式加速度傳感器的安裝主要有4種安裝方法：螺釘安裝、磁力安裝座安裝、粘接劑粘接、探針安裝。單元3壓電式加速度檢測

【知識鏈接】

【案例1】汽車安全氣囊系統(tǒng)安全氣囊系統(tǒng)主要由碰撞傳感器、安全氣囊處理器、SRS指示燈和氣囊組件四部分組成。單元3壓電式加速度檢測

【應用案例】

【案例1】汽車安全氣囊系統(tǒng)單元3壓電式加速度檢測

【應用案例】

【案例2】電子產(chǎn)品的振動檢測筆記本電腦內(nèi)置了加速度傳感器，能夠動態(tài)地監(jiān)測筆記本在使用中的振動，并根據(jù)振動數(shù)據(jù)，會智