基于压电陶瓷片设计的速度测量的实现
时间：2022-10-03 03:37:02
【摘 要】利用压电材料受力后产生的压电效应可以制成压电传感器，将不便于定量检测和处理的位移、速度等物理量转换为易于定量检测、便于信息传输与处理的电学量。本文设计的速度测量装置就是利用压电陶瓷的压电效应将运动物体施加的力信号变成电信号，并通过单片机编写程序完成信号采集和数据处理，从而实现速度测量。
【关键词】压电陶瓷片；速度测量；单片机
位移或者速度的检测常常采用传感器技术，把不便于定量检测和处理的位移、速度等物理量转换为易于定量检测、便于信息传输与处理的电学量[1]。本文是应用压电陶瓷片设计了一个速度测量装置，并通过单片机编写程序，实现速度测量。
1.压电效应及压电陶瓷片
具有压电效应电介质在沿一定方向上受到外力的作用变形时，内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上产生极性相反的电荷；当外力去掉后，电介质表面又恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力方向改变时，产生的极化电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质极化方向上施加电场时，这些电介质会产生机械形变；当去掉外加电场后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应[2]。
在自然界中大多数晶体具有压电效应，其中压电效应明显且稳定的压电材料有石英晶体、钛酸钡和锆钛酸钡等。压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料，其压电系数比石英晶体的大得多，所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高[3]。
利用压电材料受力后产生的压电效应可以制成压电传感器。压电传感器一般由将外界力传递到压电陶瓷片的力学系统、压电陶瓷片和将电荷传递到仪表的测量电路三部分构成[4]。从信号变换角度来看，压电陶瓷片相当于一个电荷发生器，也是传感器的关键部件。
2.速度测量的装置构成
本装置共有四部分构成，如图1所示。利用压电陶瓷片采集电信号，采集到信号之后信号指示模块的灯光会闪烁提示，传递给单片机Arduino模块完成信号处理，再由STC89C52模块进行数据处理，最后通过LCD显示屏将结果输出。
图1 结构图与实物图
3.测速原理以及测速程序
在地面缓冲装置中安装压电陶瓷片，运动物体经过缓冲装置时，物体作用于地面的压力传到压电陶瓷片的表面。压电片因受力而产生相应强度的电流。若在距离S内安放两个地面缓冲装置，通过计时装置测出产生两次电流的间隔时间t。由距离S和测定的时间t，则速度v=S/t由STC89C52处理模块可以计算出。
压电陶瓷片产生的电信号通过单片机Arduino模块编写程序来实现信号采集，然后经由STC89C52模块处理计算，最后的具体数据通过LED显示屏显示出来。
3.1 基于Arduino的信号采集处理程序
void setup（）
{
Serial.begin（9600）； //
pinMode（3，OUTPUT）；
pinMode（4，OUTPUT）；
pinMode（5，OUTPUT）；
pinMode（6，OUTPUT）；
}
void loop（）
{
int val，val1；
val=analogRead（0）；//Connect the sensor to analog pin 0
delay（10）；
val1=analogRead（5）；//Connect the sensor to analog pin 1
Serial.println（val，DEC）；//
delay（100）；
if（val>1000）
{
3.2 基于STC89C52的数据处理程序
if（signal_1==0） //收到信号开始计时
{
while（signal_1==0）；
time_s=0；
a=0；
TR0=1；
ET0=1；
}
if（signal_2==0）//收到停止信号
{
while（signal_2==0）；
TR0=0；
ET0=0；
write_com（0x80+0x40）；
for（num=0；num
{
write_data（table1[num]）；
delay（5）；
}
3.3 部分最终STC89C52处理程序（速度取两位小数）
void display3（）
{
if（signal_1==0）
{
delay1ms（20）；
if（signal_1==0）
{
while（signal_1==0）；//按键松手检测程序，等待按键释放
haomiao=0；sec1=0；sec2=0；sec3=0； delay1ms（1）；
TR0=1；
}
}
if（signal_2==0）
{
delay1ms（20）；
if（signal_2==0）
{
while（signal_2==0）；
TR0=0；
}
}
}
4.实验以及数据测量
在程序中设置地面信号采集间距为1m，多次读取启动信号和结束信号触发后显示的时间和速度，计算其通过距离是否为1m，从反面证明装置的可行性。数据如下表。
标准S=1（单位：m） 装置显示时间t
（单位：s） 装置显示速度v
（单位：km/h）
第1组 1.0000000 0.9 4.00
第2组 0.9991667 1.1 3.27
第3组 0.9966667 1.3 2.76
第4组 0.9950000 1.8 1.99
第5组 0.9916667 3.4 1.05
第6组 0.9966667 3.9 0.92
5.结语
压电陶瓷片易获得，成本廉，在现实生活中应用广泛。本测速装置可以安装在公路上用来检测车辆的速度，可以安装在跑道上获取田径运动员的运动过程信息，以便于制定更加合理的训练计划；还可以与运动鞋结合，用于记步。本实验装置虽然具有可行性，但是要提高实验结果的精确度，实验装置的器件还需进一步的改进。
参考文献：
[1]昌学年，姚毅等.位移传感器的发展及研究[J]，计量与测试技术， 2009（ 9）：42-44.
[2]董佳丽，相文峰等.薄膜压电系数测量方法的研究进展[J]，微纳电子技术，2014（1）：59-64.
[3]马惠铖.压电效应以及压电材料的研究[J]，科技资讯，2010 .（30）：119.
[4]王海鸿，牛晶等.利用压电传感器设计的高跟鞋压力检测装置[J]，科技向导，2011（20）：22.
资助基金项目：
上海工程技术大学大学生创新项目（cx1421005）
通讯作者：
徐红霞，女，民族：汉，1970年出生，山东菏泽人，副教授，硕士研究生，研究领域：物理课程的教学与研究。
