傳感器力和壓力的檢測(cè)

1、項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟 項(xiàng)目三、力與壓力的檢測(cè)項(xiàng)目三、力與壓力的檢測(cè)單元一單元一 電阻應(yīng)變片測(cè)力電阻應(yīng)變片測(cè)力 任務(wù)一：認(rèn)識(shí)電阻應(yīng)變片及彈性敏感元件任務(wù)一：認(rèn)識(shí)電阻應(yīng)變片及彈性敏感元件 任務(wù)二：通過(guò)電子秤實(shí)驗(yàn)操作，了解應(yīng)變片的應(yīng)用任務(wù)二：通過(guò)電子秤實(shí)驗(yàn)操作，了解應(yīng)變片的應(yīng)用 知識(shí)鞏固知識(shí)鞏固單元二單元二 壓電傳感器測(cè)力壓電傳感器測(cè)力 任務(wù)一：壓電傳感器測(cè)力應(yīng)用訓(xùn)練任務(wù)一：壓電傳感器測(cè)力應(yīng)用訓(xùn)練 知識(shí)鞏固知識(shí)鞏固項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟項(xiàng)目三、力與壓力的檢測(cè)項(xiàng)目三、力與壓力的檢測(cè)項(xiàng)目描述 力普遍存在于日常生活中。在科學(xué)研究和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，力更是起著重要的作用。 在生產(chǎn)過(guò)程中，壓力檢測(cè)與調(diào)節(jié)

2、控制系統(tǒng)的應(yīng)用非常廣泛，例如鍋爐蒸汽和水的壓力監(jiān)控；煉油廠減壓蒸餾需要的低于大氣的真空壓力檢測(cè);在航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)研究中，為了研究發(fā)動(dòng)機(jī)性能，必須測(cè)量過(guò)渡態(tài)的壓力變化；電力系統(tǒng)中油路壓力的測(cè)量和控制等。對(duì)壓力監(jiān)控是保證工藝要求、生產(chǎn)設(shè)備和人身安全，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行所必須的。 檢測(cè)力的傳感器主要有電阻應(yīng)變式傳感器、壓電式傳感器、電容式傳感器、壓阻式傳感器、電感式傳感器等，本項(xiàng)目主要介紹電阻應(yīng)變式和壓電式測(cè)力傳感器。項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟技能要點(diǎn)技能要點(diǎn) 學(xué)會(huì)識(shí)別一般的電阻應(yīng)變式傳感器、壓電式傳學(xué)會(huì)識(shí)別一般的電阻應(yīng)變式傳感器、壓電式傳感器，了解電阻應(yīng)變式傳感器和壓電式傳感器的基感器，了解電阻應(yīng)變式傳

3、感器和壓電式傳感器的基本結(jié)構(gòu)和材料，通過(guò)實(shí)驗(yàn)掌握電阻應(yīng)變式傳感器的本結(jié)構(gòu)和材料，通過(guò)實(shí)驗(yàn)掌握電阻應(yīng)變式傳感器的使用方法，掌握電阻應(yīng)變式傳感器測(cè)量電路的調(diào)試使用方法，掌握電阻應(yīng)變式傳感器測(cè)量電路的調(diào)試方法。方法。項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟 知識(shí)要點(diǎn)知識(shí)要點(diǎn) 了解電阻應(yīng)變式傳感器、壓電式傳感器的基本了解電阻應(yīng)變式傳感器、壓電式傳感器的基本結(jié)構(gòu)、材料，掌握直流電橋的平衡條件及電壓靈敏結(jié)構(gòu)、材料，掌握直流電橋的平衡條件及電壓靈敏度，熟悉電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法。學(xué)習(xí)電阻應(yīng)度，熟悉電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法。學(xué)習(xí)電阻應(yīng)變式、壓電式傳感器在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用。變式、壓電式傳感器在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用。項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作

4、者：王 娟單元一單元一 電阻應(yīng)變片測(cè)力電阻應(yīng)變片測(cè)力單元目標(biāo)：通過(guò)本訓(xùn)練熟悉電阻應(yīng)變片的結(jié)單元目標(biāo)：通過(guò)本訓(xùn)練熟悉電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)和種類(lèi)，掌握應(yīng)變片測(cè)量力的工作原理，掌構(gòu)和種類(lèi)，掌握應(yīng)變片測(cè)量力的工作原理，掌握直流電橋的工作原理和有關(guān)特性，熟悉電阻握直流電橋的工作原理和有關(guān)特性，熟悉電阻 應(yīng)變式傳感器測(cè)量電路應(yīng)變式傳感器測(cè)量電路 的工作調(diào)零和調(diào)節(jié)的工作調(diào)零和調(diào)節(jié) 靈敏度的方法。靈敏度的方法。項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟任務(wù)一任務(wù)一：認(rèn)識(shí)應(yīng)變片及彈性敏感元件認(rèn)識(shí)應(yīng)變片及彈性敏感元件 電阻應(yīng)變片（也稱(chēng)應(yīng)變計(jì)或應(yīng)變片）是電阻應(yīng)變電阻應(yīng)變片（也稱(chēng)應(yīng)變計(jì)或應(yīng)變片）是電阻應(yīng)變式傳感器的核心元件，它是一種電阻

5、傳感器，主要由式傳感器的核心元件，它是一種電阻傳感器，主要由彈性敏感元件或試件、電阻應(yīng)變片和測(cè)量轉(zhuǎn)換電路組彈性敏感元件或試件、電阻應(yīng)變片和測(cè)量轉(zhuǎn)換電路組成。它是把應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化，再用相應(yīng)的測(cè)量電成。它是把應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化，再用相應(yīng)的測(cè)量電路將電阻轉(zhuǎn)換成電壓輸出的傳感器。利用電阻應(yīng)變式路將電阻轉(zhuǎn)換成電壓輸出的傳感器。利用電阻應(yīng)變式傳感器可以直接測(cè)量力，也可以間接測(cè)量位移、形變、傳感器可以直接測(cè)量力，也可以間接測(cè)量位移、形變、加速度等參數(shù)。常用的電阻應(yīng)變片有電阻絲應(yīng)變片和加速度等參數(shù)。常用的電阻應(yīng)變片有電阻絲應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩種。半導(dǎo)體應(yīng)變片兩種。項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟 一、應(yīng)變效應(yīng)

6、一、應(yīng)變效應(yīng) 電阻應(yīng)變片的工作原理是基于應(yīng)變效應(yīng)，即電阻應(yīng)變片的工作原理是基于應(yīng)變效應(yīng)，即導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下產(chǎn)生機(jī)械形導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下產(chǎn)生機(jī)械形變時(shí)，其電阻值相應(yīng)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱(chēng)為變時(shí)，其電阻值相應(yīng)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱(chēng)為“應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng)”。 由電工學(xué)可知，金屬絲電阻由電工學(xué)可知，金屬絲電阻r可用下式表示：可用下式表示：式中式中 電阻率，電阻率，m； l電阻絲長(zhǎng)度，電阻絲長(zhǎng)度，m； a電阻絲截面積，電阻絲截面積，m2。（31）項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟 當(dāng)沿金屬絲的長(zhǎng)度方向施加均勻力時(shí)，當(dāng)沿金屬絲的長(zhǎng)度方向施加均勻力時(shí)，上式中上式中、r、l 都將發(fā)生變化，導(dǎo)致

7、電阻值都將發(fā)生變化，導(dǎo)致電阻值發(fā)生變化。即得到以下結(jié)論：金屬絲受外力發(fā)生變化。即得到以下結(jié)論：金屬絲受外力作用而伸長(zhǎng)時(shí)，長(zhǎng)度增加，而截面積減少，作用而伸長(zhǎng)時(shí)，長(zhǎng)度增加，而截面積減少，電阻值會(huì)增大；當(dāng)金屬絲受外力作用而壓縮電阻值會(huì)增大；當(dāng)金屬絲受外力作用而壓縮時(shí)，長(zhǎng)度減小，而截面增加，電阻值會(huì)減小。時(shí)，長(zhǎng)度減小，而截面增加，電阻值會(huì)減小。阻值變化通常較小。阻值變化通常較小。項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟活動(dòng)活動(dòng)1: 1: 理解應(yīng)變效應(yīng)理解應(yīng)變效應(yīng) 取一根細(xì)電阻絲，兩端接上一臺(tái)取一根細(xì)電阻絲，兩端接上一臺(tái)3 1/2位數(shù)位數(shù)字式歐姆表（分辨率為字式歐姆表（分辨率為1/2000），記下其初），記下其初始阻

8、值（始阻值（ ）。當(dāng)我們用力將該電阻絲）。當(dāng)我們用力將該電阻絲拉長(zhǎng)時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)其阻值略有增加為拉長(zhǎng)時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)其阻值略有增加為（ ）。測(cè)量應(yīng)力、應(yīng)變、力的傳感器）。測(cè)量應(yīng)力、應(yīng)變、力的傳感器就是利用類(lèi)似的原理制作的。就是利用類(lèi)似的原理制作的。項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟 實(shí)驗(yàn)證明，電阻應(yīng)變片的電阻應(yīng)變實(shí)驗(yàn)證明，電阻應(yīng)變片的電阻應(yīng)變r(jià)=r/r與電阻應(yīng)變片的縱向應(yīng)變與電阻應(yīng)變片的縱向應(yīng)變x的關(guān)系的關(guān)系在很大范圍內(nèi)是線性的，即在很大范圍內(nèi)是線性的，即（32）式中式中 r/ r 電阻應(yīng)變片的電阻應(yīng)變；電阻應(yīng)變片的電阻應(yīng)變；k 電阻絲的靈敏度。電阻絲的靈敏度。項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟 式（式（3-2）中的）

9、中的r代表了被測(cè)件在應(yīng)變片代表了被測(cè)件在應(yīng)變片的應(yīng)變。嚴(yán)格來(lái)講，由于試件與應(yīng)變片之間的應(yīng)變。嚴(yán)格來(lái)講，由于試件與應(yīng)變片之間存在蠕變等影響，所以應(yīng)變片與試件這兩者存在蠕變等影響，所以應(yīng)變片與試件這兩者的應(yīng)變是有差異的，但差異并不很大，工程的應(yīng)變是有差異的，但差異并不很大，工程上允許忽略，但卻存在一大弱點(diǎn)，就是靈敏上允許忽略，但卻存在一大弱點(diǎn)，就是靈敏度低度低,一般為一般為 2.03.6。項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟圖3-1 電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 電阻應(yīng)變片的典電阻應(yīng)變片的典型結(jié)構(gòu)如圖型結(jié)構(gòu)如圖3-1所示，所示，由敏感柵、基底、覆由敏感柵、基底、覆蓋層和引線等部分組蓋層和引線等部分組成。成。二、電阻

10、應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)、材料二、電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)、材料 電阻應(yīng)變片的典電阻應(yīng)變片的典型結(jié)構(gòu)如圖型結(jié)構(gòu)如圖3-1所示，所示，由敏感柵、基底、覆由敏感柵、基底、覆蓋層和引線等部分組蓋層和引線等部分組成。成。項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟 無(wú)論哪種形式的金屬應(yīng)變片，對(duì)敏感柵的無(wú)論哪種形式的金屬應(yīng)變片，對(duì)敏感柵的金屬材料都有以下基本要求：金屬材料都有以下基本要求：1.靈敏系數(shù)要大，且在所測(cè)應(yīng)變范圍內(nèi)保持靈敏系數(shù)要大，且在所測(cè)應(yīng)變范圍內(nèi)保持不變；不變；2. 要大而穩(wěn)定，以便于縮短敏感柵長(zhǎng)度；要大而穩(wěn)定，以便于縮短敏感柵長(zhǎng)度；3.抗氧化、耐腐蝕性好，具有良好的焊接性抗氧化、耐腐蝕性好，具有良好的焊接性能；能；4.電阻溫

11、度系數(shù)要??；電阻溫度系數(shù)要??；5. 機(jī)械強(qiáng)度高，具有優(yōu)良的機(jī)械加工性能。機(jī)械強(qiáng)度高，具有優(yōu)良的機(jī)械加工性能。項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟三、電阻應(yīng)變片的分類(lèi) 按電阻應(yīng)變片敏感柵材料不同，可分為金屬應(yīng)變片按電阻應(yīng)變片敏感柵材料不同，可分為金屬應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩大類(lèi)。如圖和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩大類(lèi)。如圖3-2為為 幾種不同類(lèi)型的電阻幾種不同類(lèi)型的電阻應(yīng)變片。應(yīng)變片。 圖圖3-2 電阻絲應(yīng)變片結(jié)構(gòu)形式電阻絲應(yīng)變片結(jié)構(gòu)形式.（a)絲式應(yīng)變片；絲式應(yīng)變片；(b)箔式應(yīng)變片；箔式應(yīng)變片；(c)半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片1基底；基底；2應(yīng)變絲或半導(dǎo)體；應(yīng)變絲或半導(dǎo)體；3引出線；引出線；4焊接電極；焊接電極；5外引

12、線外引線項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟四、電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路（一）（一） 直流電橋平衡條件直流電橋平衡條件當(dāng)rl時(shí)，電橋輸出電壓為項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟（二）（二） 電壓靈敏度電壓靈敏度 r1為電阻應(yīng)變片，為電阻應(yīng)變片，r2、r3、r4為電橋固定為電橋固定電阻，這就構(gòu)成了單臂電橋。電阻，這就構(gòu)成了單臂電橋。 (3-5)項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟n=1時(shí)，為最大值時(shí)，為最大值 當(dāng)電源電壓當(dāng)電源電壓e和電阻相對(duì)變化量一定時(shí)，電橋的輸出電壓也是和電阻相對(duì)變化量一定時(shí)，電橋的輸出電壓也是定值，與各橋臂電阻阻值大小無(wú)關(guān)。定值，與各橋臂電阻阻值大小無(wú)關(guān)。(3-6)(3-7)項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟v（

13、三）（三） 非線性誤差及其補(bǔ)償方法非線性誤差及其補(bǔ)償方法 圖3-4 差動(dòng)電橋(a)半橋; (b) 全橋項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟2、如圖3-4(b)所示 ，全橋差動(dòng)電路1、如圖34（a)半橋電橋輸出電壓為 (3-10) (3-9)（3-8） 項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟（四）（四） 電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法1 .補(bǔ)償塊補(bǔ)償法圖3-5 補(bǔ)償塊補(bǔ)償法圖3-5(a) 電橋輸出電壓uo與橋臂參數(shù)的關(guān)系為(3-11)項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟(3-12) 工程上，一般按r1=rb=r3=r4選取橋臂電阻。 當(dāng)溫度升高或降低t =t-to時(shí)，兩個(gè)應(yīng)變片因溫度相同而引起的電阻變化量相等

14、，電橋仍處于平衡狀態(tài)，即 若此時(shí)被測(cè)試件有應(yīng)變的作用，則工作應(yīng)變片電阻r1有新的增量r1，而補(bǔ)償片不承受應(yīng)變，故不產(chǎn)生新的增量，此時(shí)電橋輸出電壓為 由上式可知，電橋的輸出電壓uo僅與被測(cè)試件的應(yīng)變電阻有關(guān)，而與環(huán)境溫度無(wú)關(guān)。(3-13)(3-14)項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟 若要實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償，上述分析過(guò)程必須滿(mǎn)足以下若要實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償，上述分析過(guò)程必須滿(mǎn)足以下4個(gè)條件：個(gè)條件：（1）在應(yīng)變片工作過(guò)程中，保證）在應(yīng)變片工作過(guò)程中，保證r3=r4。（2）r1和和rb兩個(gè)應(yīng)變片應(yīng)具有相同的電阻溫度系數(shù)兩個(gè)應(yīng)變片應(yīng)具有相同的電阻溫度系數(shù)、線膨脹系數(shù)、線膨脹系數(shù)、應(yīng)變靈敏系數(shù)、應(yīng)變靈敏系數(shù)k和初始電阻值和

15、初始電阻值ro。（3）粘貼補(bǔ)償片的補(bǔ)償塊材料和粘貼工作片的被測(cè)）粘貼補(bǔ)償片的補(bǔ)償塊材料和粘貼工作片的被測(cè)試件材料必須一樣，兩者線膨脹系數(shù)相同；粘貼工試件材料必須一樣，兩者線膨脹系數(shù)相同；粘貼工作應(yīng)變片和補(bǔ)償應(yīng)變片的粘結(jié)劑必須相同。作應(yīng)變片和補(bǔ)償應(yīng)變片的粘結(jié)劑必須相同。（4）兩應(yīng)變片應(yīng)處于同一溫度場(chǎng)。）兩應(yīng)變片應(yīng)處于同一溫度場(chǎng)。項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟 2橋路自補(bǔ)償法橋路自補(bǔ)償法 當(dāng)測(cè)量橋路處于雙臂半橋和全橋工作方式時(shí)，電橋相鄰兩臂受溫度影響，同時(shí)產(chǎn)生大小相等，符號(hào)相同的電阻增量而互相抵消，從而達(dá)到橋路溫度自補(bǔ)償?shù)哪康?。?xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟五、彈性敏感元件的五、彈性敏感元件的基本特性基本

16、特性 物體因外力作用而改變?cè)瓉?lái)的尺寸或形狀物體因外力作用而改變?cè)瓉?lái)的尺寸或形狀稱(chēng)為變形，如果在外力去掉后能完全恢復(fù)其原稱(chēng)為變形，如果在外力去掉后能完全恢復(fù)其原來(lái)的尺寸和形狀，那么這種變形稱(chēng)為彈性變形，來(lái)的尺寸和形狀，那么這種變形稱(chēng)為彈性變形，具有這種特性的物體稱(chēng)為彈性元件。在傳感器具有這種特性的物體稱(chēng)為彈性元件。在傳感器中用于測(cè)量的彈性元件稱(chēng)為彈性敏感元件。中用于測(cè)量的彈性元件稱(chēng)為彈性敏感元件。項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟 彈性敏感元件的輸入量與輸出量之間的關(guān)系稱(chēng)彈性敏感元件的輸入量與輸出量之間的關(guān)系稱(chēng)為彈性敏感元件的基本特性。彈性敏感元件的基本為彈性敏感元件的基本特性。彈性敏感元件的基本特性包

17、括剛度、靈敏度、彈性滯后和彈性后效等。特性包括剛度、靈敏度、彈性滯后和彈性后效等。1.剛度剛度 剛度是使彈性敏感元件產(chǎn)生單位變形所需要的剛度是使彈性敏感元件產(chǎn)生單位變形所需要的外部作用力。外部作用力。(或壓力或壓力)其表達(dá)式為其表達(dá)式為項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟 2.靈敏度靈敏度 靈敏度是剛度的倒數(shù)，它表示彈性敏感元件在承受單位輸入量(力、壓力等)時(shí)所產(chǎn)生的變形大小，一般用k表示，即(3-16)項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟 3常見(jiàn)的彈性敏感元件的類(lèi)型常見(jiàn)的彈性敏感元件的類(lèi)型（1）彈簧管）彈簧管常見(jiàn)的壓力彈簧管有單圈彈簧管（又稱(chēng)包端管、波登管或c型管）、多圈（螺旋）彈簧管和s型彈簧管。 彈簧管的結(jié)

18、構(gòu)通常是一種彎成圓弧形的空心扁管，其橫截面為橢圓形或扁圓形，其開(kāi)口端與接口焊接在一起，其自由端封閉。當(dāng)被測(cè)壓力的介質(zhì)進(jìn)入彈簧管內(nèi)腔時(shí)，其自由端產(chǎn)生位移，此位移通過(guò)傳動(dòng)放大機(jī)構(gòu)帶動(dòng)指針，從而指示出壓力。 螺旋彈簧管能產(chǎn)生特別大的位移，故多用于壓力記錄式儀表，而s形彈簧管其端部能產(chǎn)生直線位移，所以多用于較高壓力的測(cè)量。項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟 （2）膜片及膜盒）膜片及膜盒膜片是一種沿外緣固定的片形測(cè)壓彈性敏感元件，按剖面形狀分為平膜片和波紋膜片。 平膜片是具有一定厚度的扁平面圓形薄片，多用于測(cè)量變動(dòng)壓力，在遠(yuǎn)傳壓力表和差壓變送器上常見(jiàn)到這種位移很小的膜片。波紋膜片是一種壓有環(huán)狀同心波紋的圓形薄膜

19、，其波紋的數(shù)目、形狀、尺寸及分布視膜片用途與測(cè)量范圍而定。膜盒是將兩個(gè)金屬膜片對(duì)合，并將其外緣焊接而成的測(cè)壓彈性敏感元件。膜盒按內(nèi)腔與大氣是否連通分為開(kāi)口、閉口兩類(lèi)，并可根據(jù)不同需要，以不同方式將多個(gè)膜盒串聯(lián)在一起，組成膜盒組。 項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟（3）波紋管）波紋管波紋管是一種具有軸對(duì)稱(chēng)、圓筒形、等間距環(huán)狀波紋、能沿軸向伸縮的測(cè)壓彈性敏感元件。它在軸向力、橫向力和彎矩作用下都能產(chǎn)生相應(yīng)的位移，因此在許多技術(shù)領(lǐng)域中都能得到應(yīng)用。項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟活動(dòng)活動(dòng)2 2： 認(rèn)識(shí)幾個(gè)彈性敏感元件認(rèn)識(shí)幾個(gè)彈性敏感元件圖3-7 金屬波紋管 項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟活

20、動(dòng)活動(dòng)3 3： 認(rèn)識(shí)減壓閥認(rèn)識(shí)減壓閥圖3-10 減壓閥結(jié)構(gòu)圖項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟六、電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用六、電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用 圖3-11 電阻應(yīng)變式紗線張力測(cè)試裝置 1、電阻應(yīng)變式紗線張力測(cè)量、電阻應(yīng)變式紗線張力測(cè)量 在紗線加工過(guò)程中，隨著紗線張力變化，懸臂梁相應(yīng)地產(chǎn)生與張力成比例的應(yīng)變，而使電阻應(yīng)變片產(chǎn)生相應(yīng)的變形，并輸出相應(yīng)的r/r，因而破壞了電橋平衡，由此輸出放大的電壓信號(hào)。此電壓信號(hào)再經(jīng)動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀放大、檢波、濾波后，輸出一個(gè)放大的并與應(yīng)變成比例的電壓信號(hào)，最終由函數(shù)記錄儀在感光紙上描繪成脈沖圖形。項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟圖3-12 筒式壓力傳感器 2、筒式壓力傳感器

21、、筒式壓力傳感器 當(dāng)被測(cè)壓力與應(yīng)變管的內(nèi)腔相通時(shí)，應(yīng)變管部分產(chǎn)生應(yīng)變， 在薄壁筒上貼2片應(yīng)變計(jì)做工作片，實(shí)心部分貼2片應(yīng)變計(jì)做溫度補(bǔ)償應(yīng)變片。沒(méi)有壓力作用時(shí)，這4片應(yīng)變片構(gòu)成的全橋處于平衡；當(dāng)外部壓力作用于應(yīng)變管內(nèi)腔時(shí)，圓管發(fā)生形變，使全橋失去平衡。這種壓力傳感器測(cè)量范圍在106pa107pa或更高的壓力。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作方便，使用面寬，在測(cè)量火炮、炮彈、火箭的動(dòng)態(tài)壓力方面得到了廣泛應(yīng)用。項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟3、膜片壓力式傳感器、膜片壓力式傳感器 測(cè)量氣體或液體壓力的膜片式壓力傳感器如圖3-12所示。 圓形膜片的固定方式，可采用如圖3-12 所示嵌固形式，也可以采用與外殼做成一體的形式。

22、膜片壓力傳感器的工作原理是，當(dāng)氣體或液體壓力作用在彈性元件膜片的承壓面上時(shí)，膜片變形，使粘貼在膜片另一面的電阻應(yīng)變片隨之形變，并改變阻值。這時(shí)測(cè)量電路中的電橋失去平衡，產(chǎn)生輸出電壓。圖3-11中所示貼在圓筒內(nèi)壁上的應(yīng)變片為溫度補(bǔ)償應(yīng)變片。項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟圖3-14組合式壓力式傳感器 4、組合式壓力傳感、組合式壓力傳感 組合式壓力傳感器用于測(cè)量小壓力，結(jié)構(gòu)圖如圖3-14所示，由波紋膜片、膜盒、波紋管等彈性敏感元件構(gòu)成。電阻應(yīng)變計(jì)粘貼在梁的跟部感受應(yīng)變。當(dāng)元件感受壓力后，推動(dòng)推桿使梁變形，從而使電阻應(yīng)變片隨之變形，并改變阻值。懸臂梁的剛性較大，用于組合式壓力傳感器，可以提高測(cè)量的穩(wěn)定性，

23、減小機(jī)械滯后。項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟5、力和扭矩傳感器、力和扭矩傳感器 下下圖所示列出了幾種力和扭矩傳感器的彈性敏感元件。拉伸應(yīng)力作用下的細(xì)長(zhǎng)桿和壓縮應(yīng)力作用下的短粗圓柱體如圖所示。測(cè)量時(shí)都可以在軸向布置一個(gè)或幾個(gè)應(yīng)變片，在圓周方向上布置同樣數(shù)目的應(yīng)變片。后者拾取符號(hào)相反的橫向應(yīng)變，從而構(gòu)成差動(dòng)式。 彎曲梁和扭轉(zhuǎn)軸上的應(yīng)變片也均可購(gòu)成差分式，如圖c、d 所示。 另外用環(huán)狀彈性敏感元件測(cè)拉(壓)力也是較普遍的， 如右圖所示。項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟圖3-16 應(yīng)變式加速度傳感器 6、應(yīng)變式加速度傳感器、應(yīng)變式加速度傳感器 應(yīng)變式加速度傳感器如圖3-16所示。它由端部固定并帶有慣性質(zhì)量塊m的

24、懸臂梁及貼在梁跟部的應(yīng)變片、基座及外殼等組成。應(yīng)變式加速度傳感器是一種慣性式傳感器。測(cè)量時(shí)，根據(jù)所測(cè)振動(dòng)體的方向，將傳感器粘貼在被測(cè)部位。當(dāng)被測(cè)點(diǎn)的加速度沿圖中所示箭頭方向時(shí)，懸臂梁自由端受慣性力f=ma的作用，質(zhì)量塊m向加速度a相反的方向相對(duì)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(hào)，輸出信號(hào)大小與加速度成正比。項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟活動(dòng)活動(dòng)4 4： 認(rèn)識(shí)幾種應(yīng)變式傳感器認(rèn)識(shí)幾種應(yīng)變式傳感器項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟任務(wù)二：任務(wù)二：了解應(yīng)變片的應(yīng)用了解應(yīng)變片的應(yīng)用活動(dòng)活動(dòng)1 1：模擬電子稱(chēng)實(shí)驗(yàn)電路模擬電子稱(chēng)實(shí)驗(yàn)電路 電子稱(chēng)是將轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的稱(chēng)

25、重傳感器。電子臺(tái)秤不僅電子稱(chēng)是將轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的稱(chēng)重傳感器。電子臺(tái)秤不僅能快速、準(zhǔn)確地稱(chēng)出商品的重量，用數(shù)碼顯示出來(lái)，而且具能快速、準(zhǔn)確地稱(chēng)出商品的重量，用數(shù)碼顯示出來(lái)，而且具有計(jì)算器的功能，使用起來(lái)更加方便。下面的實(shí)驗(yàn)為模擬電有計(jì)算器的功能，使用起來(lái)更加方便。下面的實(shí)驗(yàn)為模擬電子稱(chēng)實(shí)驗(yàn)。子稱(chēng)實(shí)驗(yàn)。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊弧?shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解電阻應(yīng)變式傳感器的基本結(jié)構(gòu)。、了解電阻應(yīng)變式傳感器的基本結(jié)構(gòu)。2、掌握電阻應(yīng)變式傳感器的使用方法。、掌握電阻應(yīng)變式傳感器的使用方法。3、掌握電阻應(yīng)變式傳感器測(cè)量電路的調(diào)試方法。、掌握電阻應(yīng)變式傳感器測(cè)量電路的調(diào)試方法。項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟 金屬應(yīng)變片傳感器實(shí)驗(yàn)電路

26、金屬應(yīng)變片傳感器實(shí)驗(yàn)電路二、實(shí)驗(yàn)器材二、實(shí)驗(yàn)器材1、鐵架臺(tái)、鐵架臺(tái)2、燒瓶夾、燒瓶夾3、刮胡刀片、刮胡刀片4、透明塑料杯、透明塑料杯 5、502膠水膠水 6、如圖、如圖3-17所示金屬箔式應(yīng)變片，所示金屬箔式應(yīng)變片，標(biāo)稱(chēng)電阻值為標(biāo)稱(chēng)電阻值為120 2只只7、細(xì)塑料套管、細(xì)塑料套管 8、棉紗線、棉紗線9、檢測(cè)面板表、檢測(cè)面板表pa(量程量程199.9a)10、砝碼、砝碼 11、3v和和6v直流電源直流電源12、150電阻電阻 1只只 100電阻電阻 2只只47電阻電阻 1只只13、電位器、電位器 1.5k 1只只 電位器電位器 10014、導(dǎo)線若干、導(dǎo)線若干金屬應(yīng)變片傳感器的結(jié)構(gòu)圖金屬應(yīng)變片傳感

27、器的結(jié)構(gòu)圖項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟 三、實(shí)驗(yàn)原理及電路三、實(shí)驗(yàn)原理及電路 1、金屬應(yīng)變片傳感器如圖、金屬應(yīng)變片傳感器如圖3-17所示所示 2、測(cè)量電路如圖、測(cè)量電路如圖3-18所示所示 四、實(shí)驗(yàn)步驟四、實(shí)驗(yàn)步驟 1、金屬箔式應(yīng)變片的兩條金屬引出線分別套上細(xì)塑料、金屬箔式應(yīng)變片的兩條金屬引出線分別套上細(xì)塑料套管后，用套管后，用502膠水把兩片應(yīng)變片分別粘貼在刮胡刀片膠水把兩片應(yīng)變片分別粘貼在刮胡刀片(1/2片片)正反中心位置上，敏感柵的縱軸與刀片縱向一致。正反中心位置上，敏感柵的縱軸與刀片縱向一致。 2、用鐵架臺(tái)上的燒瓶夾固定住刮胡刀片傳感頭根部、用鐵架臺(tái)上的燒瓶夾固定住刮胡刀片傳感頭根部及上

28、面的引線，另一端懸空，吊掛好棉紗線的及上面的引線，另一端懸空，吊掛好棉紗線的“吊斗吊斗”。 3、按圖、按圖3-18連接好電路。連接好電路。 4、接通電源、接通電源e穩(wěn)定一段時(shí)間后，先將靈敏度調(diào)節(jié)電位穩(wěn)定一段時(shí)間后，先將靈敏度調(diào)節(jié)電位器器rp1的電阻值調(diào)至最小，此時(shí)電橋檢測(cè)靈敏度最高。的電阻值調(diào)至最小，此時(shí)電橋檢測(cè)靈敏度最高。 5、再仔細(xì)調(diào)節(jié)零點(diǎn)電位器、再仔細(xì)調(diào)節(jié)零點(diǎn)電位器rp2，使檢測(cè)面板表，使檢測(cè)面板表pa的的讀數(shù)恰好為零，電橋平衡。讀數(shù)恰好為零，電橋平衡。項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟 6、在、在“吊斗吊斗”中輕輕放入中輕輕放入20g砝碼，調(diào)節(jié)靈敏度電位器砝碼，調(diào)節(jié)靈敏度電位器rp1，使面板表

29、讀數(shù)為一個(gè)整數(shù)值，例如，使面板表讀數(shù)為一個(gè)整數(shù)值，例如2.0a，靈敏度標(biāo)，靈敏度標(biāo)定為定為0.1a/g。 7、最后，檢測(cè)電子秤稱(chēng)量的線性，在、最后，檢測(cè)電子秤稱(chēng)量的線性，在“吊斗吊斗”內(nèi)繼續(xù)內(nèi)繼續(xù)放入多個(gè)放入多個(gè)20g砝碼，檢測(cè)面板表分別顯示砝碼，檢測(cè)面板表分別顯示4.0、6.0、8.0a，說(shuō)明傳感器測(cè)力線性好。說(shuō)明傳感器測(cè)力線性好。 8、如果電子秤實(shí)驗(yàn)電路靈敏度達(dá)不到、如果電子秤實(shí)驗(yàn)電路靈敏度達(dá)不到0.1a/g，可將，可將電橋供電電壓提升到電橋供電電壓提升到6v，靈敏度倍增。，靈敏度倍增。項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟知識(shí)鞏固知識(shí)鞏固一、填空一、填空 1. 導(dǎo)體、半導(dǎo)體應(yīng)變片在應(yīng)力作用下電阻值發(fā)

30、生變化，這種現(xiàn)導(dǎo)體、半導(dǎo)體應(yīng)變片在應(yīng)力作用下電阻值發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱(chēng)為（象稱(chēng)為（ ）效應(yīng)。）效應(yīng)。 2. 電阻應(yīng)變片在實(shí)際應(yīng)用中，常用的兩種補(bǔ)償方法是（電阻應(yīng)變片在實(shí)際應(yīng)用中，常用的兩種補(bǔ)償方法是（ ）和（和（ ）。）。 3.如圖如圖3-3所示，電橋平衡條件為（所示，電橋平衡條件為（ ）。）。二、選擇二、選擇 1. 通常用應(yīng)變式傳感器測(cè)量（通常用應(yīng)變式傳感器測(cè)量（ ）。）。 a.溫度溫度 b.密度密度 c.加速度加速度 d.電阻電阻 2. 電橋測(cè)量電路的作用是把傳感器的參數(shù)變化轉(zhuǎn)化為（電橋測(cè)量電路的作用是把傳感器的參數(shù)變化轉(zhuǎn)化為（ ）的輸出。的輸出。 a.電阻電阻 b.電容電容 c.電壓電壓

31、 3. 根據(jù)工作橋臂不同，電橋可分為（根據(jù)工作橋臂不同，電橋可分為（ ）。）。 a.半橋單臂半橋單臂 b. 半橋雙臂半橋雙臂 c.全橋輸入全橋輸入 d.全選全選項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟三、判斷三、判斷 1. 電阻應(yīng)變片主要有金屬應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩類(lèi)。電阻應(yīng)變片主要有金屬應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩類(lèi)。 （ ） 2. 按供橋電源性質(zhì)不同，橋式電路可分為交流電橋和按供橋電源性質(zhì)不同，橋式電路可分為交流電橋和直流電橋電路。（直流電橋電路。（ ）四四、簡(jiǎn)答題、簡(jiǎn)答題1.什么是應(yīng)變效應(yīng)？什么是應(yīng)變效應(yīng)？2.何謂電阻應(yīng)變傳感器？何謂電阻應(yīng)變傳感器？3.應(yīng)變片為什么要進(jìn)行溫度補(bǔ)償？應(yīng)變片為什么要進(jìn)行溫度補(bǔ)償

32、？項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟五、計(jì)算題五、計(jì)算題 如圖如圖3-19為一直流應(yīng)變電橋。圖中為一直流應(yīng)變電橋。圖中e=4v，r1=r2=r3=r4=120，試求：，試求：（1）r1為金屬應(yīng)變片，其余為外接電阻，當(dāng)為金屬應(yīng)變片，其余為外接電阻，當(dāng)r1的增量為的增量為r1=1.2時(shí)，電橋輸出電壓時(shí)，電橋輸出電壓uo=？（2）r1、r2都是應(yīng)變片，且批號(hào)相同，感應(yīng)應(yīng)變的極性和大都是應(yīng)變片，且批號(hào)相同，感應(yīng)應(yīng)變的極性和大小相同，其余為外接電阻，電橋輸出電壓小相同，其余為外接電阻，電橋輸出電壓uo=？（3）題（）題（2）中，如果）中，如果r2與與r1感受應(yīng)變的極性相反，且感受應(yīng)變的極性相反，且r1=r2=1

33、.2，電橋輸出電壓，電橋輸出電壓uo=？圖3-19直流應(yīng)變電橋項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟v單元二：?jiǎn)卧簤弘妭鞲衅鳒y(cè)力壓電傳感器測(cè)力v單元目標(biāo)：通過(guò)本單元的訓(xùn)練，了解壓電元單元目標(biāo)：通過(guò)本單元的訓(xùn)練，了解壓電元件的材料，熟悉壓電元件的基本工作原理，件的材料，熟悉壓電元件的基本工作原理，掌握壓電元件的連接方法，掌握壓電元件掌握壓電元件的連接方法，掌握壓電元件的應(yīng)用。的應(yīng)用。項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟v任務(wù)一：任務(wù)一：壓電傳感器測(cè)力應(yīng)用訓(xùn)練壓電傳感器測(cè)力應(yīng)用訓(xùn)練v 壓電傳感器的工作原理是基于某些電介質(zhì)材料的壓電壓電傳感器的工作原理是基于某些電介質(zhì)材料的壓電效應(yīng)，是典型的無(wú)源傳感器。當(dāng)介質(zhì)材料受力

34、作用而變形時(shí)，效應(yīng)，是典型的無(wú)源傳感器。當(dāng)介質(zhì)材料受力作用而變形時(shí)，其表面會(huì)產(chǎn)生電荷，由此而實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量。壓電傳感器體其表面會(huì)產(chǎn)生電荷，由此而實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量。壓電傳感器體積小，重量輕，工作頻帶寬，是一種力敏傳感器件，它可測(cè)積小，重量輕，工作頻帶寬，是一種力敏傳感器件，它可測(cè)量各種動(dòng)態(tài)力，也可測(cè)量最終能變換為力的那些非電物理量，量各種動(dòng)態(tài)力，也可測(cè)量最終能變換為力的那些非電物理量，如壓力、加速度、機(jī)械沖擊與振動(dòng)等。本章除介紹晶體的壓如壓力、加速度、機(jī)械沖擊與振動(dòng)等。本章除介紹晶體的壓電效應(yīng)與壓電材料，壓電傳感器測(cè)量電路外，重點(diǎn)介紹壓電電效應(yīng)與壓電材料，壓電傳感器測(cè)量電路外，重點(diǎn)介紹壓電傳感器的

35、應(yīng)用。傳感器的應(yīng)用。項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟 一、基本工作原理一、基本工作原理 （一）、壓電效應(yīng)（一）、壓電效應(yīng) 壓電現(xiàn)象是壓電現(xiàn)象是100多年前居里兄弟研究石英時(shí)發(fā)現(xiàn)的。多年前居里兄弟研究石英時(shí)發(fā)現(xiàn)的。某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┘恿Χ蛊渥冃螘r(shí)，某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┘恿Χ蛊渥冃螘r(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面上會(huì)產(chǎn)生異號(hào)內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面上會(huì)產(chǎn)生異號(hào)電荷，當(dāng)外力消失后，又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)電荷，當(dāng)外力消失后，又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為象稱(chēng)為壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力的方向改變時(shí)，電荷極性也隨。當(dāng)作用力的方向改變時(shí)，電荷極

36、性也隨之改變。當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)也會(huì)之改變。當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)也會(huì)發(fā)生變形，這種現(xiàn)象稱(chēng)為發(fā)生變形，這種現(xiàn)象稱(chēng)為逆壓電效應(yīng)（逆壓電效應(yīng)（或電致伸縮效應(yīng)）?；螂娭律炜s效應(yīng)）。壓電式力傳感器都是利用壓電材料的正壓電效應(yīng)。壓電式力傳感器都是利用壓電材料的正壓電效應(yīng)。 項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟 （二）、壓電材料（二）、壓電材料 自然界中的大多數(shù)晶體具有壓電效應(yīng)，但壓電效應(yīng)十分明自然界中的大多數(shù)晶體具有壓電效應(yīng)，但壓電效應(yīng)十分明顯的并不多。天然形成的石英晶體、人工制造的壓電陶瓷、鋯顯的并不多。天然形成的石英晶體、人工制造的壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛、鈦酸鋇等材料是壓電效應(yīng)

37、性能優(yōu)良的壓電材料。鈦酸鉛、鈦酸鋇等材料是壓電效應(yīng)性能優(yōu)良的壓電材料。壓電材料基本上可分為三大類(lèi)：壓電晶體、壓電陶瓷和有機(jī)壓壓電材料基本上可分為三大類(lèi)：壓電晶體、壓電陶瓷和有機(jī)壓電材料。壓電晶體是一種單晶體，例如，石英晶體、酒石酸鉀電材料。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：鋯鈦酸鉛、鈉等；壓電陶瓷是一種人工制造的多晶體，例如：鋯鈦酸鉛、鈦酸鋇、鈮酸鍶等；有機(jī)壓電材料屬于新一代的壓電材料，其鈦酸鋇、鈮酸鍶等；有機(jī)壓電材料屬于新一代的壓電材料，其中較為重要的有半導(dǎo)體和高分子壓電材料。壓電半導(dǎo)體有氧化中較為重要的有半導(dǎo)體和高分子壓電材料。壓電半

38、導(dǎo)體有氧化鋅（鋅（zno）、硫化鋅（）、硫化鋅（zns）、碲化鎘（）、碲化鎘（cdte）、硫化鎘）、硫化鎘（cds）、碲化鋅（）、碲化鋅（znte）和砷化鎵（）和砷化鎵（gaas）等。）等。 項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟圖3-20 天然石英晶體 1. 石英晶體石英晶體 天然石英天然石英(sio2)晶體如圖所示，它是一個(gè)正六面體，在晶體如圖所示，它是一個(gè)正六面體，在它上面有三個(gè)坐標(biāo)軸。石英晶體中間棱柱斷面的下半部分，它上面有三個(gè)坐標(biāo)軸。石英晶體中間棱柱斷面的下半部分，其斷面為正六面形。其斷面為正六面形。z軸是晶體的對(duì)稱(chēng)軸，稱(chēng)它為光軸。在軸是晶體的對(duì)稱(chēng)軸，稱(chēng)它為光軸。在該軸方向沒(méi)有壓電效應(yīng)，該軸方向

39、沒(méi)有壓電效應(yīng)，x軸稱(chēng)為電軸，垂直于軸稱(chēng)為電軸，垂直于x軸晶面上的軸晶面上的壓電效應(yīng)最顯著；壓電效應(yīng)最顯著；y軸稱(chēng)為機(jī)械軸，在電場(chǎng)的作用下，沿此軸稱(chēng)為機(jī)械軸，在電場(chǎng)的作用下，沿此軸方向的機(jī)械變形最顯著。如果從石英晶體上切割出一個(gè)平軸方向的機(jī)械變形最顯著。如果從石英晶體上切割出一個(gè)平行六面體，如圖所示，稱(chēng)為壓電晶片，在垂直于光軸的力行六面體，如圖所示，稱(chēng)為壓電晶片，在垂直于光軸的力（fy或或fx）作用下，晶體）作用下，晶體會(huì)發(fā)生極化現(xiàn)象，并且其會(huì)發(fā)生極化現(xiàn)象，并且其極化矢量是沿著電軸。即極化矢量是沿著電軸。即電荷出現(xiàn)在垂直于電軸的電荷出現(xiàn)在垂直于電軸的平面上。平面上。項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟圖3

40、-21晶片電荷極性與受力方向的關(guān)系 在沿著電軸在沿著電軸x方向力的作用下，產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象稱(chēng)為縱向方向力的作用下，產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象稱(chēng)為縱向壓電效應(yīng)；而把沿機(jī)械軸壓電效應(yīng)；而把沿機(jī)械軸 y方向力的作用下，產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象方向力的作用下，產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象稱(chēng)為橫向壓電效應(yīng)。當(dāng)沿光軸稱(chēng)為橫向壓電效應(yīng)。當(dāng)沿光軸z 方向受力時(shí)，晶體不會(huì)產(chǎn)生壓方向受力時(shí)，晶體不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。在壓電晶片上，產(chǎn)生電荷的極性與受力的方向有關(guān)系。電效應(yīng)。在壓電晶片上，產(chǎn)生電荷的極性與受力的方向有關(guān)系。圖圖3-20給出了電荷極性與受力方向的關(guān)系。若沿晶片的給出了電荷極性與受力方向的關(guān)系。若沿晶片的x軸施軸施加壓力加壓力fx，則在加壓的兩表

41、面上分別出現(xiàn)正負(fù)電荷，如圖，則在加壓的兩表面上分別出現(xiàn)正負(fù)電荷，如圖3-21（a）所示。若沿晶片的）所示。若沿晶片的y軸施加壓力軸施加壓力fy時(shí)，則在加壓的表時(shí)，則在加壓的表面上不出現(xiàn)電荷，電荷仍出現(xiàn)在垂直面上不出現(xiàn)電荷，電荷仍出現(xiàn)在垂直x軸的表面上，只是電荷軸的表面上，只是電荷的極性相反。如圖的極性相反。如圖3-21（c）所示，若將）所示，若將x 、y軸方向施加的壓軸方向施加的壓力改為拉力，則產(chǎn)生電荷的位置不變，只是電荷的極性相反。力改為拉力，則產(chǎn)生電荷的位置不變，只是電荷的極性相反。如圖如圖3-21（b）、（）、（d）所示。值得注意的是縱向壓電效應(yīng)與）所示。值得注意的是縱向壓電效應(yīng)與元件尺

42、寸無(wú)關(guān)，而橫向壓電效應(yīng)與元件尺寸有關(guān)。元件尺寸無(wú)關(guān)，而橫向壓電效應(yīng)與元件尺寸有關(guān)。項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟 2. 壓電陶瓷壓電陶瓷 與石英晶體不同，壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材與石英晶體不同，壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料，屬于鐵電體一類(lèi)的物質(zhì)。壓電陶瓷內(nèi)部的晶體有有一定料，屬于鐵電體一類(lèi)的物質(zhì)。壓電陶瓷內(nèi)部的晶體有有一定的極化方向，從而存在一定電場(chǎng)。在無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí)，原始的極化方向，從而存在一定電場(chǎng)。在無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí)，原始的壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零，呈電中性，不具有壓電特性。的壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零，呈電中性，不具有壓電特性。 在陶瓷上施加外電場(chǎng)時(shí)，材料得到極化。外電場(chǎng)越強(qiáng)，在陶瓷上

43、施加外電場(chǎng)時(shí)，材料得到極化。外電場(chǎng)越強(qiáng)，就有更多的電疇更完全地轉(zhuǎn)向外電場(chǎng)方向。當(dāng)外電場(chǎng)去掉時(shí)，就有更多的電疇更完全地轉(zhuǎn)向外電場(chǎng)方向。當(dāng)外電場(chǎng)去掉時(shí)，剩余極化強(qiáng)度很大，這時(shí)的材料才具有壓電特性，剩余極化強(qiáng)度很大，這時(shí)的材料才具有壓電特性，項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟圖3-22鈦酸鋇壓電陶瓷的電疇結(jié)構(gòu) 圖3-23 壓電陶瓷壓電原理 極化處理后陶瓷材料內(nèi)部存在有很強(qiáng)的剩余極化，極化處理后陶瓷材料內(nèi)部存在有很強(qiáng)的剩余極化，當(dāng)陶瓷材料受到外力作用時(shí)。電疇的界限發(fā)生移動(dòng)，電當(dāng)陶瓷材料受到外力作用時(shí)。電疇的界限發(fā)生移動(dòng)，電疇發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而引起剩余極化強(qiáng)度的變化，因而在垂疇發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而引起剩余極化強(qiáng)度的變化，

44、因而在垂直于極化方向的平面上將出現(xiàn)極化電荷的變化。如圖直于極化方向的平面上將出現(xiàn)極化電荷的變化。如圖3-23所示，即極化面上將出現(xiàn)極化電荷的變化。這種因所示，即極化面上將出現(xiàn)極化電荷的變化。這種因受力而產(chǎn)生的由機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)變受力而產(chǎn)生的由機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，就是壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)。電荷量的為電能的現(xiàn)象，就是壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)。電荷量的大小與外力成正比關(guān)系。大小與外力成正比關(guān)系。項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟 （三）、壓電材料的主要特性指標(biāo)（三）、壓電材料的主要特性指標(biāo) 1. 壓電系數(shù)壓電系數(shù)d：它表示壓電材料產(chǎn)生電荷與作用力的關(guān)系。它是衡：它表示

45、壓電材料產(chǎn)生電荷與作用力的關(guān)系。它是衡量材料壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù)，它直接關(guān)系到壓電元件的輸出靈敏度。一量材料壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù)，它直接關(guān)系到壓電元件的輸出靈敏度。一般用單位作用力產(chǎn)生電荷的多少來(lái)表示，單位為般用單位作用力產(chǎn)生電荷的多少來(lái)表示，單位為c/n(庫(kù)侖庫(kù)侖/牛頓牛頓) 2. 彈性常數(shù)：壓電材料的彈性常數(shù)、剛度是決定其固有頻率和動(dòng)彈性常數(shù)：壓電材料的彈性常數(shù)、剛度是決定其固有頻率和動(dòng)態(tài)的重要參數(shù)。態(tài)的重要參數(shù)。 3.介電常數(shù)：這是決定壓電晶體固有電容的主要參數(shù)，而固有電容介電常數(shù)：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。影響傳感器工作頻率的下限值。 4.機(jī)

46、械耦合系數(shù)：衡量壓電材料機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率的重要參數(shù)，其機(jī)械耦合系數(shù)：衡量壓電材料機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率的重要參數(shù)，其值等于轉(zhuǎn)換輸出能量（如電能）與輸入能量（如機(jī)械能）之比的平方根。值等于轉(zhuǎn)換輸出能量（如電能）與輸入能量（如機(jī)械能）之比的平方根。 5.電阻電阻r：它是壓電晶體的內(nèi)阻，它的大小決定其泄露電流。：它是壓電晶體的內(nèi)阻，它的大小決定其泄露電流。 6.居里點(diǎn)：壓電材料的溫度達(dá)到某一值時(shí)，便開(kāi)始失去壓電特性，居里點(diǎn)：壓電材料的溫度達(dá)到某一值時(shí)，便開(kāi)始失去壓電特性，這一溫度稱(chēng)為居里點(diǎn)或居里溫度。這一溫度稱(chēng)為居里點(diǎn)或居里溫度。項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟（317） 二壓電式傳感器的測(cè)量電路二壓電式傳感器

47、的測(cè)量電路 1壓電式傳感器的等效電路壓電式傳感器的等效電路 由壓電元件的工作原理可知，壓電式傳感器可以看作由壓電元件的工作原理可知，壓電式傳感器可以看作一個(gè)電荷發(fā)生器。同時(shí)，它也是一個(gè)電容器，晶體上聚集正一個(gè)電荷發(fā)生器。同時(shí)，它也是一個(gè)電容器，晶體上聚集正負(fù)的電荷的兩表面相當(dāng)于電容的兩個(gè)極板，極板間物質(zhì)等效負(fù)的電荷的兩表面相當(dāng)于電容的兩個(gè)極板，極板間物質(zhì)等效于一種介質(zhì)，則其電容量為于一種介質(zhì)，則其電容量為項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟（318） 因此，壓電傳感器可以等效為一個(gè)與電容器因此，壓電傳感器可以等效為一個(gè)與電容器ca串聯(lián)的串聯(lián)的電壓源電壓源ua，如圖，如圖3-24（a）所示；也可以等效為一

48、個(gè)與電容）所示；也可以等效為一個(gè)與電容器并聯(lián)的電荷源器并聯(lián)的電荷源q，如圖，如圖3-24（b）所示。電壓）所示。電壓ua，電荷量，電荷量q和電容量和電容量ca這三者的關(guān)系為這三者的關(guān)系為項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟壓電傳感器的開(kāi)路壓電傳感器的開(kāi)路u與其產(chǎn)生的電荷與其產(chǎn)生的電荷q和其本身的電容量和其本身的電容量c有關(guān)，即有關(guān)，即 在理想情況下，傳感器的絕緣電阻在理想情況下，傳感器的絕緣電阻ra與前置放大起的輸入與前置放大起的輸入ri為無(wú)窮大，為無(wú)窮大，即即 時(shí)，放大器輸入電壓幅值為時(shí)，放大器輸入電壓幅值為式中，式中，uim為輸入電壓的最大值；為輸入電壓的最大值；fm為作用力的最大值。為作用力的最大

49、值。(3-20)(3-19) 2壓電式傳感器的測(cè)量電路壓電式傳感器的測(cè)量電路常用的前置放大器主要有電壓放大器和電荷放大器兩種類(lèi)型。常用的前置放大器主要有電壓放大器和電荷放大器兩種類(lèi)型。 （1） 電壓放大器電壓放大器 一般情況下，電壓源要求前置放大器的電壓靈敏度不隨一般情況下，電壓源要求前置放大器的電壓靈敏度不隨工作頻率降低，將工作頻率降低，將ra與與ri，ca與與ci并聯(lián)，得出并聯(lián)，得出項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟(3-21) 由式（3-21）可見(jiàn)，電荷放大器的輸出電壓僅與輸入電荷量和反饋電容有關(guān)，電纜電容等其他因素可忽略不計(jì)，這是電荷放大器的特點(diǎn)。圖3-26 電荷放大器等效電路 （2） 電荷放

50、大器電荷放大器如圖如圖3-26電荷放大器等效電路所示，電荷放大器實(shí)際上是電荷放大器等效電路所示，電荷放大器實(shí)際上是一個(gè)具有反饋一個(gè)具有反饋cf的高增益運(yùn)算放大器電路。當(dāng)放大器的電的高增益運(yùn)算放大器電路。當(dāng)放大器的電壓放大倍數(shù)壓放大倍數(shù)a遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1時(shí)，經(jīng)推導(dǎo)可得時(shí)，經(jīng)推導(dǎo)可得項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟三、壓電式傳感器及其應(yīng)用三、壓電式傳感器及其應(yīng)用v壓電元件結(jié)構(gòu)及組合形式 壓電傳感器中，為了提高靈敏度，壓電材料通常采用兩片或兩片以上黏合在一起。因?yàn)殡姾傻臉O性關(guān)系，電元件有串聯(lián)和并聯(lián)兩種接法，如圖3-27所示，圖(a)為并聯(lián)，適用于測(cè)量緩慢變化的信號(hào)，并以電荷為輸出量；圖(b)為串聯(lián)，適用

51、于測(cè)量電路有高輸入阻抗，并以電壓為輸出量。 圖3-27 壓電元件的兩種接法項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟v如圖3-28所示給出了壓電元件的結(jié)構(gòu)與組合形式。按壓電元件形狀分，有圓形、長(zhǎng)方形、片狀形、柱形和球殼形；按元件數(shù)分，有單晶片、雙晶片和多晶片；按極性連接方式分，有串聯(lián)如圖3-28(a) 所示，和并聯(lián)如圖3-28(f) (i)所示。圖3-28壓電元件的結(jié)構(gòu)與組合形式。項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟v壓電式傳感器主要應(yīng)用類(lèi)型壓電式傳感器主要應(yīng)用類(lèi)型 表中列給出了壓電傳感器的主要應(yīng)用類(lèi)型。目前它們已經(jīng)在工業(yè)、民用和軍事方面得到廣泛應(yīng)用,但其中用得最多的還是力敏類(lèi)型。項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟 3. 壓電

52、式傳感器應(yīng)用壓電式傳感器應(yīng)用 壓電效應(yīng)是某些介質(zhì)在力的作用下產(chǎn)生形變時(shí)，在介質(zhì)表面出現(xiàn)異種電荷的現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)表明，這種束縛電荷的電量與作用力成正比，而電量越多，相對(duì)應(yīng)的兩表面電勢(shì)差（電壓）也越大。例如用壓電陶瓷將外力轉(zhuǎn)換成電能的特性，可以生產(chǎn)出不用火石的壓電打火機(jī)、煤氣灶打火開(kāi)關(guān)、炮彈觸發(fā)引信等。此外，壓電陶瓷還可以作為敏感材料，應(yīng)用于擴(kuò)音器、電唱頭等電聲器件；用于壓電地震儀，可以對(duì)人類(lèi)不能感知的細(xì)微振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并精確測(cè)出震源方位和強(qiáng)度，從而預(yù)測(cè)地震，減少損失。利用壓電效應(yīng)制作的壓電驅(qū)動(dòng)器具有精確控制的功能，是精密機(jī)械、微電子和生物工程等領(lǐng)域的重要器件。項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟 (1) 壓電

53、式力傳感器壓電式力傳感器 壓電式傳感器是以壓電元件為轉(zhuǎn)換元件，輸出電荷與壓電式傳感器是以壓電元件為轉(zhuǎn)換元件，輸出電荷與作用力成正比的力作用力成正比的力 電轉(zhuǎn)換裝置。常用的形式為荷重墊電轉(zhuǎn)換裝置。常用的形式為荷重墊圈式，它由基座、蓋板、石英晶片、電極以及引出插座等圈式，它由基座、蓋板、石英晶片、電極以及引出插座等組成。如示的是組成。如示的是yds-78型壓電式單向力傳感器的結(jié)構(gòu)，型壓電式單向力傳感器的結(jié)構(gòu)，它主要用于頻率變化不太高的動(dòng)態(tài)力的測(cè)量。它主要用于頻率變化不太高的動(dòng)態(tài)力的測(cè)量。 被測(cè)力通過(guò)傳力上蓋被測(cè)力通過(guò)傳力上蓋使壓電元件受壓力作用而使壓電元件受壓力作用而產(chǎn)生電荷。由于傳力上蓋產(chǎn)生電荷

54、。由于傳力上蓋的彈性形變部分的厚度很的彈性形變部分的厚度很薄，只有薄，只有0.10.5mm，因此靈敏度很高。因此靈敏度很高。 項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟 (2) 壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器 圖圖3-30是一種壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)圖，他主要由是一種壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)圖，他主要由壓電元件、質(zhì)量塊、預(yù)壓彈簧、基座及外殼組成。整個(gè)部壓電元件、質(zhì)量塊、預(yù)壓彈簧、基座及外殼組成。整個(gè)部件裝在外殼內(nèi)，并由螺栓加以固定。件裝在外殼內(nèi)，并由螺栓加以固定。當(dāng)加速度傳感器和被測(cè)物一起受到?jīng)_擊振動(dòng)時(shí)，壓電元件受當(dāng)加速度傳感器和被測(cè)物一起受到?jīng)_擊振動(dòng)時(shí)，壓電元件受質(zhì)量塊慣性力的作用，根據(jù)牛頓第二定律

55、，此慣性力是加質(zhì)量塊慣性力的作用，根據(jù)牛頓第二定律，此慣性力是加速度的函數(shù)，即速度的函數(shù)，即圖3-30 壓電式加速度傳感器式中： f質(zhì)量塊產(chǎn)生的慣性力； m質(zhì)量塊的質(zhì)量； a加速度。 此慣性力f作用于壓電元件上，因而產(chǎn)生電荷q，當(dāng)傳感器選定后，m為常數(shù)，則傳感器輸出電荷為項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟 (3) 壓電式金屬加工切削力測(cè)量傳感器壓電式金屬加工切削力測(cè)量傳感器 圖示是利用壓電陶瓷傳感器測(cè)量刀具切削力的示意圖。圖示是利用壓電陶瓷傳感器測(cè)量刀具切削力的示意圖。由于壓電陶瓷元件的自振動(dòng)頻率高，特別適合測(cè)量變化由于壓電陶瓷元件的自振動(dòng)頻率高，特別適合測(cè)量變化劇烈的載荷。圖中壓電傳感器位于車(chē)刀前部

56、的下方，當(dāng)劇烈的載荷。圖中壓電傳感器位于車(chē)刀前部的下方，當(dāng)進(jìn)行切削加工時(shí)，切削力通過(guò)刀具傳給壓電傳感器，壓進(jìn)行切削加工時(shí)，切削力通過(guò)刀具傳給壓電傳感器，壓電傳感器將切削力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，記錄下電信號(hào)的電傳感器將切削力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，記錄下電信號(hào)的變化可測(cè)得切削力的變化。變化可測(cè)得切削力的變化。項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟 (4) 壓電式玻璃破碎報(bào)警器壓電式玻璃破碎報(bào)警器 bs-d2壓電式傳感器是專(zhuān)門(mén)用于檢測(cè)玻璃破碎的一種傳壓電式傳感器是專(zhuān)門(mén)用于檢測(cè)玻璃破碎的一種傳感器，它利用壓電元件對(duì)振動(dòng)敏感的特性來(lái)感知玻璃受感器，它利用壓電元件對(duì)振動(dòng)敏感的特性來(lái)感知玻璃受撞擊和破碎時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)波。傳感器把

57、震動(dòng)波轉(zhuǎn)換成電撞擊和破碎時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)波。傳感器把震動(dòng)波轉(zhuǎn)換成電壓輸出，輸出電壓經(jīng)過(guò)放大、濾波、比較等處理后提供壓輸出，輸出電壓經(jīng)過(guò)放大、濾波、比較等處理后提供給報(bào)警系統(tǒng)。給報(bào)警系統(tǒng)。bs-d2壓電式玻璃破碎傳感器的外形及內(nèi)壓電式玻璃破碎傳感器的外形及內(nèi)部電路如圖部電路如圖3-32所示。傳感器的最小輸出電壓為所示。傳感器的最小輸出電壓為100mv，最大輸出電壓為最大輸出電壓為100v，內(nèi)阻抗為，內(nèi)阻抗為1520k。 玻璃破碎報(bào)警可廣泛用于文物保管、貴重商品保管及其它商品柜臺(tái)保管等場(chǎng)合。項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟 (5)雨滴傳感器雨滴傳感器 雨滴傳感器由振動(dòng)板、壓電元件、放大電器、殼體及阻尼橡膠構(gòu)

58、雨滴傳感器由振動(dòng)板、壓電元件、放大電器、殼體及阻尼橡膠構(gòu)成，如圖成，如圖3-33所示。所示。 振動(dòng)板的功用是接收雨滴沖擊的能量，壓電元件把從振動(dòng)板傳遞振動(dòng)板的功用是接收雨滴沖擊的能量，壓電元件把從振動(dòng)板傳遞來(lái)的變形傳換成電壓。當(dāng)壓電元件上出現(xiàn)機(jī)械變形時(shí)，在兩側(cè)的電極來(lái)的變形傳換成電壓。當(dāng)壓電元件上出現(xiàn)機(jī)械變形時(shí)，在兩側(cè)的電極上就會(huì)產(chǎn)生電壓，如圖上就會(huì)產(chǎn)生電壓，如圖3-35所示。所以，當(dāng)雨滴落到振動(dòng)板上時(shí)，壓所示。所以，當(dāng)雨滴落到振動(dòng)板上時(shí)，壓電元件產(chǎn)生電壓大小與加到振動(dòng)板上的雨滴能量成正比，一般為電元件產(chǎn)生電壓大小與加到振動(dòng)板上的雨滴能量成正比，一般為5mv至至300mv。 項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者

59、：王 娟圖3-36血壓計(jì)傳感器 (6) 血壓計(jì)傳感器血壓計(jì)傳感器 電子血壓計(jì)通過(guò)在捆扎布內(nèi)部安裝的傳感元件，把血液流過(guò)電子血壓計(jì)通過(guò)在捆扎布內(nèi)部安裝的傳感元件，把血液流過(guò)血管中產(chǎn)生的血管中產(chǎn)生的“克隆脫克潑克隆脫克潑”音變換成電信號(hào)。血液的流動(dòng)與捆音變換成電信號(hào)。血液的流動(dòng)與捆扎布的氣壓有關(guān)。輸出電壓隨著血液流動(dòng)的變化而變化，從該值扎布的氣壓有關(guān)。輸出電壓隨著血液流動(dòng)的變化而變化，從該值可知道血壓值，也可以測(cè)量脈搏數(shù)，圖可知道血壓值，也可以測(cè)量脈搏數(shù)，圖3-36（a）表示它的構(gòu)造，）表示它的構(gòu)造，（b）表示其檢測(cè)波形。）表示其檢測(cè)波形。項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟 (7) 樂(lè)器傳感元件樂(lè)器傳感元

60、件 樂(lè)器傳感元件如圖所示。把壓電元件特殊的阻尼材料夾住，存樂(lè)器傳感元件如圖所示。把壓電元件特殊的阻尼材料夾住，存放在一個(gè)外殼中。由于壓電元件的衰減時(shí)間快，固有共振頻率低，放在一個(gè)外殼中。由于壓電元件的衰減時(shí)間快，固有共振頻率低，因此能夠得到清楚而柔和的回授音，右圖是元件的頻率特性。傳因此能夠得到清楚而柔和的回授音，右圖是元件的頻率特性。傳感器安裝在吉他的軀體部位是，由于能夠檢測(cè)到弦振動(dòng)引起的軀感器安裝在吉他的軀體部位是，由于能夠檢測(cè)到弦振動(dòng)引起的軀體的共振，經(jīng)放大從揚(yáng)聲器中傳播出演奏。體的共振，經(jīng)放大從揚(yáng)聲器中傳播出演奏。項(xiàng)目一項(xiàng)目一 作者：王 娟活動(dòng)活動(dòng)1 1： 認(rèn)識(shí)幾種壓電式傳感器認(rèn)識(shí)幾種