第四章 力敏傳感器ppt課件

1、傳感器與檢測技術(shù),第4章 力敏傳感器,主要內(nèi)容,應(yīng)變式電阻傳感器 金屬電阻應(yīng)變片 工作原理 溫度誤差及補(bǔ)償 電阻應(yīng)變片的測量電路 電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用 壓電式傳感器 壓電效應(yīng) 壓電式傳感器的等效電路和測量電路 壓電式傳感器的應(yīng)用,第4章 力敏傳感器,力/壓力敏傳感器可用于測量位移、加速度、力、力矩、壓力等各種參數(shù)，由于它們都與機(jī)械應(yīng)力有關(guān)，這類傳感器常被稱為力學(xué)量傳感器 常見的力學(xué)量傳感器類型 電阻應(yīng)變式傳感器 壓電式傳感器 電容式傳感器 電感式傳感器,4.1 應(yīng)變式電阻傳感器,電阻應(yīng)變式傳感器通常是一種由電阻應(yīng)變片和彈性敏感元件組合起來的傳感器 常用于力、力矩、壓力、位移、加速度等參數(shù)的測

2、量 彈性敏感元件是應(yīng)變式電阻傳感器中的敏感元件，能夠直接感受被測量，然后將被測量的變化轉(zhuǎn)換為應(yīng)力或者應(yīng)變 電阻應(yīng)變片是應(yīng)變式電阻傳感器中的轉(zhuǎn)換元件，它可以將應(yīng)力或者應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻的變化,4.1.1 電阻應(yīng)變片的種類,按敏感柵材料劃分 金屬應(yīng)變片、半導(dǎo)體應(yīng)變片 按基底材料劃分 紙基、膠基、浸膠基、金屬基應(yīng)變片等 按工作溫度劃分 常溫、中溫、高溫和低溫應(yīng)變片 按用途劃分 一般用途和特殊用途應(yīng)變片,4.1.2.3 金屬應(yīng)變片的工作原理,金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng),L,L,d,d,F,F,F,金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)分析,當(dāng)金屬絲受到軸向力F而被拉伸（或壓縮）時(shí)，其L、A、均會(huì)發(fā)生變化，金屬絲的電阻值隨之發(fā)生變化，

3、電阻相對變化分別為： 因?yàn)?金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)分析,金屬絲的軸向應(yīng)變 金屬絲的徑向應(yīng)變 金屬絲受拉時(shí)，沿軸向伸長，而沿徑向縮短，二者之間的關(guān)系為,金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)分析,則 通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，金屬材料的電阻率相對變化與其體積變化之間有如下關(guān)系,金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)分析,于是,金屬絲幾何尺寸變化引起,金屬絲幾何尺寸變化引起電阻率的變化,金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)小結(jié),在受到軸向應(yīng)力單獨(dú)作用時(shí)金屬絲的電阻相對變化與軸向應(yīng)變之間成線性關(guān)系 金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)是金屬應(yīng)變片工作的基本原理 金屬絲材料的電阻應(yīng)變效應(yīng)以結(jié)構(gòu)尺寸變化的影響為主，很多時(shí)候電阻率變化帶來的影響可以忽略 金屬應(yīng)變片感受到的應(yīng)變是整個(gè)敏感柵長度內(nèi)各

4、處感受到應(yīng)變的平均值 應(yīng)變片的靈敏系數(shù)恒小于金屬絲的靈敏系數(shù),4.1.2 金屬電阻應(yīng)變片,4.1.2.1金屬電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu),圖 41金屬電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu),4.1.2.1 金屬電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu),4.1.2.2 金屬應(yīng)變片的分類,絲式應(yīng)變片 用金屬絲構(gòu)成敏感柵粘結(jié)在各種絕緣基底上構(gòu)成 回線式應(yīng)變片 電阻絲繞制 存在橫向效應(yīng) 短接式應(yīng)變片 電阻絲焊接 克服橫向效應(yīng) 焊點(diǎn)多，容易出現(xiàn)疲勞破壞 制造工藝要求高,4.1.2.2 金屬應(yīng)變片的分類,箔式應(yīng)變片 利用光刻、腐蝕方法將電阻箔材在其絕緣基底下制成各種圖形 優(yōu)點(diǎn) 可制成任意形狀以適應(yīng)不同的測量要求 粘合面積大 粘結(jié)情況好，傳遞試件應(yīng)變性能好 散熱性能

5、好，允許通過較大的工作電流 橫向效應(yīng)可以忽略 蠕變、機(jī)械滯后小，疲勞壽命高,4.1.2.2 金屬應(yīng)變片的分類,薄膜應(yīng)變片 采用真空蒸發(fā)或真空沉積等方法將電阻材料在基底上制成一層各種形式敏感柵而形成應(yīng)變片 應(yīng)變片靈敏系數(shù)高 易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn) 溫度誤差較難控制,4.1.2.4 金屬電阻應(yīng)變片的參數(shù),應(yīng)變片電阻值（R0） 指未安裝的應(yīng)變片，在不受外力的情況下，于室溫條件測定的電阻值，也稱原始阻值。 應(yīng)變片電阻值趨于標(biāo)準(zhǔn)化 絕緣電阻 敏感柵與基底間的電阻值，一般應(yīng)大于10G。,4.1.2.4 金屬電阻應(yīng)變片的參數(shù),靈敏系數(shù)（K） 指應(yīng)變片安裝于試件表面，在其軸線方向的單向應(yīng)力作用下，應(yīng)變片的阻值相對變

6、化與試件表面上安裝應(yīng)變片區(qū)域的軸向應(yīng)變之比。 靈敏系數(shù)的準(zhǔn)確性直接影響測量精度，其誤差大小是衡量應(yīng)變片質(zhì)量優(yōu)劣的主要標(biāo)志 靈敏系數(shù)要求盡量大而穩(wěn)定,4.1.2.4 金屬電阻應(yīng)變片的參數(shù),允許電流 指不因電流產(chǎn)生熱量影響測量精度，應(yīng)變片允許通過的最大電流。 應(yīng)變極限 在溫度一定時(shí)，指示應(yīng)變值和真實(shí)應(yīng)變值的相對差值不超過一定數(shù)值時(shí)的最大真實(shí)應(yīng)變數(shù)值，差值一般規(guī)定為10，當(dāng)指示應(yīng)變值大于真實(shí)應(yīng)變的10時(shí)，真實(shí)應(yīng)變值稱為應(yīng)變片的極限應(yīng)變,4.1.2.4 金屬電阻應(yīng)變片的參數(shù),機(jī)械滯后 對粘貼的應(yīng)變片，在溫度一定時(shí)，增加和減少機(jī)械應(yīng)變過程中同一機(jī)械應(yīng)變量下指示應(yīng)變的最大差值 零漂 指已粘貼好的應(yīng)變片，在

7、溫度一定和無機(jī)械應(yīng)變時(shí)，指示應(yīng)變隨時(shí)間的變化 蠕變 已粘貼好的應(yīng)變片在溫度一定并承受一定的機(jī)械應(yīng)變時(shí)，指示應(yīng)變值隨時(shí)間的變化,4.1.2.5 金屬電阻應(yīng)變片的溫度誤差及其補(bǔ)償,溫度誤差產(chǎn)生原因 溫度變化引起應(yīng)變片敏感柵電阻變化而產(chǎn)生附加應(yīng)變 與敏感柵材料的溫度系數(shù)相關(guān) 直接影響電阻的變化，而不是通過應(yīng)變作用,4.1.2.5 金屬電阻應(yīng)變片的溫度誤差及其補(bǔ)償,試件材料與敏感柵材料的線膨脹系數(shù)不同，使應(yīng)變片產(chǎn)生附加應(yīng)變 與材料的線膨脹系數(shù)相關(guān) 由于線膨脹系數(shù)不同，通過附加應(yīng)變影響電阻變化 應(yīng)變絲的伸長和膨脹量為： 試件的伸長和膨脹量為：,4.1.2.5 金屬電阻應(yīng)變片的溫度誤差及其補(bǔ)償,應(yīng)變絲的附

8、加變形為： 折合為應(yīng)變： 引起的電阻變化為：,4.1.2.5 金屬電阻應(yīng)變片的溫度誤差及其補(bǔ)償,由上面的兩種情況而引起總電阻變化為 總附加虛假應(yīng)變量為,由溫度變化引起的電阻變化折合為應(yīng)變,由溫度變化和線膨脹系數(shù)不同而引起的附加應(yīng)變,關(guān)于溫度誤差的理解,溫度誤差是由于溫度變化引起的 這里討論的溫度誤差的形成并不是因?yàn)闇囟茸兓饌鞲衅鞅粶y量的變化，而是在認(rèn)為傳感器感知的被測量并沒有真正變化時(shí)，由于傳感器輸出端的變化被折合為被測量的變化,關(guān)于溫度誤差的理解,由于溫度與電阻的關(guān)系而引起的電阻變化可以認(rèn)為是并沒有真正產(chǎn)生附加應(yīng)變，而是電阻變化作為輸出，折合到輸入端體現(xiàn)為虛假的應(yīng)變 由于線膨脹系數(shù)不同，

9、溫度變化時(shí)，應(yīng)變片本身的確可能產(chǎn)生了附加應(yīng)變，而此附加應(yīng)變將會(huì)導(dǎo)致輸出電阻的變化，但此附加應(yīng)變并不是由于傳感器感受的被測量的變化帶來的，也就是說再從輸出折算輸入的時(shí)候，此附加應(yīng)變被認(rèn)為是被測量的變化了，因此也是虛假的附加應(yīng)變,關(guān)于溫度誤差的理解,應(yīng)變片的正常工作流程 被測量變化感知應(yīng)變電阻變化 電阻變化應(yīng)變被測量變化 溫度電阻關(guān)系引起溫度誤差形成示意 被測量未變應(yīng)變未變電阻不應(yīng)變化 溫度變化直接導(dǎo)致電阻變化 電阻變化認(rèn)為是應(yīng)變產(chǎn)生認(rèn)為被測量變化 溫度引起的電阻變化被體現(xiàn)為了被測量的變化，形成誤差,關(guān)于溫度誤差的理解,線膨脹系數(shù)不同導(dǎo)致溫度誤差的示意 被測量不變應(yīng)變不變電阻不變 線膨脹系數(shù)不同，

10、溫度變化產(chǎn)生附加應(yīng)變 被測量不變附加應(yīng)變產(chǎn)生電阻變化 電阻變化應(yīng)變變化被測量變化 附加應(yīng)變被體現(xiàn)為了被測量的變化，形成誤差,金屬應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法,橋路補(bǔ)償法 簡單、方便 但是在溫度變化梯度較大的條件下，很難做到工作片與補(bǔ)償片處于溫度完全一致的情況，因而影響到補(bǔ)償效果,金屬應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法,應(yīng)變片自補(bǔ)償法 利用溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片來實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ǚQ為應(yīng)變片自補(bǔ)償法 選擇式自補(bǔ)償應(yīng)變片 利用溫度系數(shù)與線膨脹系數(shù)的關(guān)系來達(dá)到溫度自補(bǔ)償?shù)哪康?局限性大，一種值的應(yīng)變片只能在一種材料上應(yīng)用,金屬應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法,雙金屬敏感柵自補(bǔ)償應(yīng)變片 利用兩種材料的電阻溫度系數(shù)不同（一個(gè)正，一個(gè)負(fù)）的特性

11、，通過串聯(lián)的形式來達(dá)到溫度補(bǔ)償?shù)哪康?這種方式主要是補(bǔ)償溫度系數(shù)帶來的影響,4.1.3 半導(dǎo)體應(yīng)變片,4.1.3.1 半導(dǎo)體應(yīng)變片的分類和結(jié)構(gòu) 按照材料類型分為P型硅應(yīng)變片、N型硅應(yīng)變片、P-N互補(bǔ)型應(yīng)變片；按照特性分為靈敏系數(shù)補(bǔ)償型應(yīng)變片和非線性補(bǔ)償應(yīng)變片； 以材料的化學(xué)成分分為硅、鍺、銻化銦、磷化嫁、磷化銦等應(yīng)變片； 按結(jié)構(gòu)分類包括體型應(yīng)變片、擴(kuò)散型應(yīng)變片和薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)。,4.1.3.2 半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理,半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng) 當(dāng)半導(dǎo)體材料受到應(yīng)力作用時(shí)，其晶格間距就會(huì)發(fā)生變化，使得其電阻率發(fā)生變化，這一現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng) 半導(dǎo)體材料的電阻在外力作用下的相對變化與金屬相同，表達(dá)如

12、下：,4.1.3.2 半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理,半導(dǎo)體材料的電阻率的相對變化與應(yīng)力T成正比 應(yīng)力T與應(yīng)變之間的關(guān)系遵從虎克定律,4.1.4 電阻應(yīng)變片的測量電路,應(yīng)變片把應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻的變化并沒有達(dá)到測量的最終目的，還需把這個(gè)電阻的變化再轉(zhuǎn)化為電壓或電流的變化，以便顯示與記錄應(yīng)變的大小。 能完成上述作用的電路稱為電阻應(yīng)變式傳感器的信號調(diào)節(jié)電路 通常采用測量電橋來作為應(yīng)變計(jì)的信號調(diào)節(jié)電路,電橋的工作原理,電橋電路中，檢流計(jì)流過的電流可表達(dá)如下: 若檢流計(jì)中沒有電流流過，稱電橋處于平衡狀態(tài)，此時(shí)，有 根據(jù)電橋是否處于平衡狀態(tài)，使用電橋的方法可分為平衡電橋和非平衡電橋,平衡電橋的工作原理,平衡電橋多用

13、直流供電 常用零示法獲取電阻的改變量 圖示R3和R4稱為比例臂，R2稱為調(diào)節(jié)臂 測量前和測量時(shí)需作兩次平衡 平衡電橋多用于靜態(tài)測量 零示法的要點(diǎn)：圖中1和2點(diǎn)具有相等的電位,直流單臂電橋電路,電橋電路中，R2為應(yīng)變片 電橋輸出電壓為 初始時(shí)，電橋應(yīng)處于平衡狀態(tài),直流電壓源單臂電橋,當(dāng)應(yīng)變片R2受到應(yīng)變時(shí)，電阻的變化為R2，則電橋的輸出電壓為,直流電源單臂電橋,電橋的電壓靈敏度為 電橋的靈敏度正比于電橋的供橋電壓，但是受功耗的限制，供橋電壓不能無限制的提高 電橋的靈敏度是橋臂比n的函數(shù)，當(dāng)供橋電壓一定的時(shí)候，橋臂比n為1時(shí)，電橋靈敏度最大,直流電源單臂電橋,當(dāng)n1時(shí)，有： 輸出電壓變化和輸入電阻

14、相對變化之間具有近似的線性關(guān)系,單臂電橋非線性誤差,非線性誤差分析 在電阻相對變化比較小的情況下，非線性誤差比較小，但在電阻相對變化較大的時(shí)候，非線性誤差也就相應(yīng)的增大,半橋差動(dòng)電橋,半橋差動(dòng)電橋的輸出電壓為 電壓輸出與電阻相對變化之間為線性關(guān)系 靈敏度是單臂電橋的兩倍,全橋差動(dòng)電橋,全橋差動(dòng)電橋的輸出電壓為 電壓輸出與電阻相對變化之間為線性關(guān)系 靈敏度是單臂電橋的4倍,恒流源單臂電橋,4.1.4. 電阻應(yīng)變片的測量電路,交流電橋電路 交流電橋的工作原理,交流電橋?yàn)椴黄胶怆姌?，是利用電橋輸出電流或電壓與電橋各參數(shù)間的關(guān)系進(jìn)行工作的。,（a）交流電橋 （b）等效電路,圖 4-10交流電橋,4.1

15、.4. 電阻應(yīng)變片的測量電路,交流電橋的輸出電壓為,則交流電橋的平衡條件為,將橋臂上的復(fù)阻抗代入式上式可得,由此可知，由應(yīng)變片構(gòu)成的交流電橋，除了滿足電阻平衡條件外，還必須滿足電容平衡條件。為此，交流電橋上設(shè)置有電阻平衡調(diào)節(jié)和電容平衡調(diào)節(jié)。,4.1.4. 電阻應(yīng)變片的測量電路,交流電橋平衡調(diào)節(jié)電路,(a，b)可變電阻調(diào)節(jié) (c，d)電容調(diào)節(jié),圖 411交流電橋平衡調(diào)節(jié)電路,電阻應(yīng)變式傳感器圖片,應(yīng)變式稱重測力傳感器,應(yīng)變式稱重測力傳感器,懸臂梁橋式傳感器,高精度力傳感器,輪輻拉壓式傳感器,懸臂梁剪切式荷重傳感器,應(yīng)變片圖片,應(yīng)變片圖片,扭矩傳感器應(yīng)用實(shí)例,扭矩傳感器的的測量原理：采用應(yīng)變片電測

16、技術(shù) ,在彈性軸上組成應(yīng)變橋,向應(yīng)變橋提供電源即可測得該彈性軸受扭的電信號。將該應(yīng)變信號放大后，經(jīng)過壓/頻轉(zhuǎn)換，變成與扭應(yīng)變成正比的頻率信號。,扭矩傳感器應(yīng)用實(shí)例,扭矩傳感器應(yīng)用實(shí)例,扭矩傳感器技術(shù)指標(biāo),高速定量分裝系統(tǒng),自動(dòng)稱重和裝料裝置。每個(gè)裝料的箱子或袋子沿傳送帶運(yùn)動(dòng)，直到裝有料的電子稱下面，傳送帶停止運(yùn)動(dòng)，電磁線圈2通電，電子稱料斗翻轉(zhuǎn)，使料全部倒入箱子或袋子中，當(dāng)料倒完，傳送帶馬達(dá)再次通電，將裝滿料的箱子或袋子移出，并保護(hù)傳送帶繼續(xù)運(yùn)行，直到下一次空袋或空箱切斷光電傳感器的光源，與此同時(shí)，電子稱料箱復(fù)位，電磁線圈1通電，漏斗給電子秤自動(dòng)加料，重量由微機(jī)控制，當(dāng)電子秤中的料與給定值相等

17、時(shí)，電磁線圈1斷電，彈簧力使漏斗門關(guān)上。裝料系統(tǒng)開始下一個(gè)裝料的循環(huán)。,高速定量分裝系統(tǒng),本系統(tǒng)由微機(jī)控制稱重傳感器的稱重和比較，并輸出控制信號，執(zhí)行定值稱量，控制外部給料系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)行自動(dòng)稱量和快速分裝的任務(wù)。 微機(jī)一方面把物重的瞬時(shí)數(shù)字量送入顯示電路，顯示出瞬時(shí)物重，另一方面則進(jìn)行稱重比較，開啟和關(guān)閉加料口、放料于箱中等一系列的稱重定值控制。,橋式稱重傳感器,產(chǎn)品型號 CL110（橋式稱重傳感器） 產(chǎn)品用途: 電子汽車衡（地磅）、軌道衡等 技術(shù)參數(shù): 額定載荷: 1030（t） 輸入阻抗 80010 靈 敏 度: 2.00.2%（mV/V） 輸出阻抗 7002 非 線 性: 0.02%

18、F.S 絕緣電阻 5000 滯 后: 0.02% F.S 激勵(lì)電壓 912 VDC 重 復(fù) 度: 0.02% F.S 溫度補(bǔ)嘗范圍 -10 +40 蠕 變: 0.02% F.S/30min 允許使用范圍 -20 +55 零點(diǎn)溫度影響: 0.02% F.S/10 安全過載范圍 150% F.S 靈敏度溫度影響: 0.02% F.S/10 極限過載范圍 200% F.S 零點(diǎn)輸出: 1% F.S,懸臂梁稱重傳感器,產(chǎn)品型號 CL803（懸臂梁稱重傳感器） 產(chǎn)品用途: 叉車秤，平臺秤等 技術(shù)參數(shù): 額定載荷: 100Kg5t 輸入阻抗 40010 靈 敏 度: 3.00.1%（mV/V） 輸出阻抗

19、3502 非 線 性: 0.02% F.S 絕緣電阻 5000 滯 后: 0.02% F.S 激勵(lì)電壓 912 VDC 重 復(fù) 度: 0.02% F.S 溫度補(bǔ)嘗范圍 -10 +40 蠕 變: 0.03% F.S/30min 允許使用范圍 -20 +55 零點(diǎn)溫度影響: 0.02% F.S/10 安全過載范圍 150% F.S 靈敏度溫度影響: 0.02% F.S/10 極限過載范圍 200% F.S 零點(diǎn)輸出: 1% F.S,輪輻式稱重傳感器,產(chǎn)品型號 CL201（輪輻式稱重傳感器） 產(chǎn)品用途: 電子汽車衡（地磅）、料斗秤等 技術(shù)參數(shù): 額定載荷: 130（t） 輸入阻抗 80010 靈 敏

20、 度: 2.00.2%（mV/V） 輸出阻抗 7002 非 線 性: 0.03% F.S 絕緣電阻 5000 滯 后: 0.03% F.S 激勵(lì)電壓 912 VDC 重 復(fù) 度: 0.02% F.S 溫度補(bǔ)嘗范圍 -10 +40 蠕 變: 0.02% F.S/30min 允許使用范圍 -20 +55 零點(diǎn)溫度影響: 0.03% F.S/10 安全過載范圍 150% F.S 靈敏度溫度影響: 0.02% F.S/10 極限過載范圍 200% F.S 零點(diǎn)輸出: 1% F.S,商用電子秤,商用電子秤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖,汽車電子衡,電子汽車衡主要由承重傳力機(jī)構(gòu)（秤體）、高精度稱重傳感器、稱重顯示儀表三大

21、主件組成，由此即可完成最基本的稱重功能，也可根據(jù)不同用戶的要求，可選配打印機(jī)、大屏幕顯示器、電腦管理系統(tǒng)，以完成更高層次的數(shù)據(jù)管理及處理的要求。,汽車電子衡圖片,數(shù)控車床切削力測量,在數(shù)控車床的加工中，切削力的測量甚為重要。通過對切削力的測量可以分析與研究數(shù)控車床各零部件、機(jī)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的受力情況和工作狀態(tài)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)和計(jì)算結(jié)果的正確性，確定整機(jī)工作過程中的負(fù)載譜和某些物理現(xiàn)象的機(jī)理。,數(shù)控車床切削力測量,設(shè)計(jì)目的 理論分析，模型建立 硬件電路設(shè)計(jì) 軟件程序設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)分析處理,4.1.5 電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)用,柱（筒）式力傳感器,圖 412柱（筒）式力傳感器,4.1.5 電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)用,環(huán)式力

22、傳感器,（a）環(huán)式彈性原件 （b）應(yīng)力分布曲線,圖 413環(huán)式力傳感器,4.1.5 電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)用,（a）等截面梁 （b）等強(qiáng)度梁,圖 414懸臂梁,4.1.5 電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)用,應(yīng)變式加速度傳感器,圖 416應(yīng)變式加速度傳感器,當(dāng)被測點(diǎn)的加速度沿圖中箭頭a,所示方向時(shí)，懸臂梁自由端 受慣性力,的作用，質(zhì)量塊向箭頭,相反的方向相對于基座運(yùn)動(dòng)，使梁發(fā)生彎曲變形，應(yīng)變片電阻發(fā)生變化，產(chǎn)生輸出信號，輸出信號大小與加速度成正比。,4.2 壓電式力傳感器,壓電式力傳感器是以壓電材料的壓電效應(yīng)為工作原理，將力的變化轉(zhuǎn)換為電信號輸出從而實(shí)現(xiàn)非電量信號檢測的一種傳感器 它可以用于力、加速度、速度、振

23、動(dòng)以及流量等參數(shù)的測量。 壓電式傳感器利用介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，在電介質(zhì)的表面產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量測量的目的 壓電式傳感器是能量轉(zhuǎn)換型傳感器,4.2.1.1 壓電效應(yīng),壓電效應(yīng) 某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向受到拉力或壓力作用而發(fā)生變形時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，其表面上會(huì)產(chǎn)生電荷；若將外力去掉時(shí)，它們又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng) 也稱為正壓電效應(yīng)，可將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能,4.2.1.1 壓電效應(yīng),逆壓電效應(yīng) 與正壓電效應(yīng)相反，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場，這些電介質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生變形，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。 逆壓電效應(yīng)可將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能,4.2.1.1 壓電效應(yīng),具有壓

24、電效應(yīng)的物體稱為壓電材料或壓電元件。常見的壓電材料有石英、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等 利用逆壓電效應(yīng)可以制成電激勵(lì)的制動(dòng)器（執(zhí)行器） 基于正壓電效應(yīng)可制成機(jī)械能的敏感器（檢測器），即壓電式傳感器。,石英晶體的壓電效應(yīng),石英晶體是各向異性材料，不同晶向具有各異的物理特性。,4.2.1. 壓電效應(yīng)和壓電材料,圖 419石英晶體壓電效應(yīng)機(jī)理示意圖,石英晶體的壓電效應(yīng),沿x軸方向施加作用力 x軸：平行于正六面體的棱線，稱為電軸 沿該方向受力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)”。 當(dāng)沿電軸方向施加作用力Fx時(shí)，則在與電軸垂直的YOZ平面上產(chǎn)生電荷Qx，它的大小為 電荷Qx的符號視Fx是受拉或受壓而決定。 切片上產(chǎn)

25、生的電荷的多少與切片的幾何尺寸無關(guān),石英晶體的壓電效應(yīng),沿y軸方向施加作用力 y軸：垂直于正六面體棱面，稱為機(jī)械軸 沿機(jī)械軸方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)”。 電荷仍出現(xiàn)在YOZ平面上，但極性方向相反，電荷的大小為,石英晶體的壓電效應(yīng),沿機(jī)械軸方向的力作用在晶體上時(shí)產(chǎn)生的電荷與晶體切片的尺寸有關(guān) 沿y軸的壓力所引起的電荷極性與沿x軸的壓力所引起的電荷極性相反 沿z軸方向施加作用力 z軸：通過錐頂端的軸線，是縱向軸，稱為光軸 沿光軸方向受力不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。,壓電常數(shù)和表面電荷的計(jì)算,壓電元件在受到力的作用時(shí)，就在相應(yīng)的表面上產(chǎn)生表面電荷。 任意受力表面電荷密度方程組,壓電常

26、數(shù)和表面電荷的計(jì)算,壓電材料的壓電特性可以用壓電常數(shù)矩陣表示 石英晶體,4.2.2 壓電傳感器的等效電路與測量線路,壓電元件等效電路,電容量為,輸出端電荷為,輸出端電壓為,圖 421壓電原件等效電路,(a)電荷等效電路 (b)電壓等效電路,4.2.2 壓電傳感器的等效電路與測量線路,(a)電壓等效電路 (b) 電荷等效電路,壓電傳感器測試系統(tǒng)等效電路,壓電傳感器的測量電路,壓電式傳感器要求負(fù)載電阻RL必須很大，因此通常的壓電式傳感器后信號調(diào)節(jié)電路的接法是： 壓電式傳感器輸出高輸入阻抗的前置放大器放大電路或其他電路 壓電式傳感器的測量電路的關(guān)鍵在于高阻抗的前置放大器 把壓電式傳感器的微弱信號放大

27、 高阻抗到低阻抗輸出變換 壓電式傳感器的前置放大器有電壓型和電荷型兩種形式,壓電傳感器電壓放大器電路分析,等效電阻 等效電容,電壓放大器電路分析,若作用在壓電元件上的力F為 壓電系數(shù)為d，則在F的作用下，產(chǎn)生的電荷 電流i為 輸入電壓為,電壓放大器電路分析,前置放大器的輸入電壓幅值為 輸入電壓與作用力之間的相位差為 理想情況下，前置放大器的輸入電壓幅值為,電壓放大器電路分析,電壓放大器分析,當(dāng)作用在壓電元件上的力是靜態(tài)力時(shí)，則前置放大器的輸入電壓等于零。這也就從原理上決定了壓電式傳感器不能測量靜態(tài)物理量。 當(dāng)作用力的變化頻率與測量回路的時(shí)間常數(shù)的乘積遠(yuǎn)大于1時(shí)，前置放大器的輸入電壓隨頻率的變化不大。壓電式傳感器的高頻響應(yīng)好。 擴(kuò)大壓電式傳感器低頻響應(yīng)范圍的切實(shí)可行的辦法是提高測量回路的電阻。測量回路的電阻主要取決于前置放大器的輸入電阻。,電荷放大器電路分析,電荷放大器電路,4.2.3 壓電式傳感器的應(yīng)用舉例,壓電式測力傳感器,圖 426壓電式測力傳感器的基本結(jié)構(gòu),4.2.3 壓電式傳感器的應(yīng)用舉例,壓電式金屬加工切削力測量,