項(xiàng)目3力學(xué)傳感器及其應(yīng)用

1、1 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器 電感式傳感器電感式傳感器 電容式傳感器電容式傳感器 壓電式傳感器壓電式傳感器 壓磁式傳感器壓磁式傳感器項(xiàng)目項(xiàng)目3 力學(xué)傳感器及其應(yīng)用力學(xué)傳感器及其應(yīng)用23.1 3.1 測力傳感器測力傳感器 力是物理基本量之一，因此測量各種動態(tài)、力是物理基本量之一，因此測量各種動態(tài)、靜態(tài)力的大小是十分重要的。靜態(tài)力的大小是十分重要的。 力的測量需要通過力傳感器間接完成，力傳力的測量需要通過力傳感器間接完成，力傳感器是將各種力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電信號的器件。感器是將各種力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電信號的器件。3力傳感器示例力傳感器示例4 電氣式電氣式測力測力傳感器的分類有：傳感器的分類有： 參量型測力傳感

2、器：參量型測力傳感器： 將被測物理量轉(zhuǎn)化為電參數(shù)。如電阻、電容或電感等。將被測物理量轉(zhuǎn)化為電參數(shù)。如電阻、電容或電感等。 發(fā)電型測力傳感器：發(fā)電型測力傳感器： 將被測物理量轉(zhuǎn)換為電源性參量。如電動勢、電荷等。將被測物理量轉(zhuǎn)換為電源性參量。如電動勢、電荷等。1 1、測力傳感器的分類方式、測力傳感器的分類方式 5 電氣式電氣式測力測力傳感器傳感器 參量型測力傳感器參量型測力傳感器 發(fā)電型測力傳感器發(fā)電型測力傳感器 電阻應(yīng)變式電阻應(yīng)變式 壓電式壓電式 電容式電容式 測力傳感器測力傳感器 測力傳感器測力傳感器 電感式電感式 壓磁式壓磁式 2 2、測力傳感器的種類、測力傳感器的種類 6 由彈性元件、電阻

3、應(yīng)變片及外殼等組裝成的用來進(jìn)由彈性元件、電阻應(yīng)變片及外殼等組裝成的用來進(jìn)行測量的裝置，稱為行測量的裝置，稱為應(yīng)變式傳感器。應(yīng)變式傳感器。 3.1.1 3.1.1 電阻應(yīng)變式測力傳感器電阻應(yīng)變式測力傳感器 71 1、應(yīng)變式測力傳感器的工作原理、應(yīng)變式測力傳感器的工作原理 電阻應(yīng)變式測力傳感器的工作原理是在一定形狀的彈電阻應(yīng)變式測力傳感器的工作原理是在一定形狀的彈性元件上粘貼或用其它方法安裝電阻應(yīng)變敏感元件。當(dāng)接性元件上粘貼或用其它方法安裝電阻應(yīng)變敏感元件。當(dāng)接觸力作用在彈性元件上時，彈性元件產(chǎn)生變形，電阻應(yīng)變觸力作用在彈性元件上時，彈性元件產(chǎn)生變形，電阻應(yīng)變敏感元件的阻值隨之發(fā)生變化。敏感元件的

4、阻值隨之發(fā)生變化。 我們可用變換電路將阻值的變化我們可用變換電路將阻值的變化變成變成電壓（或電流）電壓（或電流）的變化，并將其信號輸出到測量電路，根據(jù)電壓變化量即的變化，并將其信號輸出到測量電路，根據(jù)電壓變化量即可得知接觸力的大小與作用位置?？傻弥佑|力的大小與作用位置。8柱型應(yīng)變式測力傳感器結(jié)構(gòu)柱型應(yīng)變式測力傳感器結(jié)構(gòu)9柱型彈性元件力與應(yīng)變的關(guān)系柱型彈性元件力與應(yīng)變的關(guān)系 柱型傳感器特點(diǎn)：柱型傳感器特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，緊湊，可設(shè)計成壓式或結(jié)構(gòu)簡單，緊湊，可設(shè)計成壓式或拉壓式，可承受大載荷，強(qiáng)度計算簡單。拉壓式，可承受大載荷，強(qiáng)度計算簡單。 縱向應(yīng)力：縱向應(yīng)力： F/SF/SEE 其應(yīng)變?yōu)椋浩鋺?yīng)變

5、為： = L/L = L/L =/E=F/SE/E=F/SE 式中式中 彈性元件的縱向應(yīng)力（彈性元件的縱向應(yīng)力（PaPa）；）； 縱向應(yīng)變；縱向應(yīng)變； F F 受力（受力（N N）；）； S S 彈性元件的橫斷面積（彈性元件的橫斷面積（m m2 2） E E 元件材料的彈性模量（元件材料的彈性模量（PaPa）10薄壁環(huán)型應(yīng)變式測力傳感器結(jié)構(gòu)薄壁環(huán)型應(yīng)變式測力傳感器結(jié)構(gòu)11 薄壁環(huán)式應(yīng)變彈性元件，其應(yīng)變片在薄壁式彈性元件上薄壁環(huán)式應(yīng)變彈性元件，其應(yīng)變片在薄壁式彈性元件上的位置如圖所示。其應(yīng)變公式為：的位置如圖所示。其應(yīng)變公式為：式中：式中：A A一一A A處的應(yīng)變值處的應(yīng)變值 B B一一B B處

6、的應(yīng)變值處的應(yīng)變值 h h一電橋輸出的應(yīng)變值；一電橋輸出的應(yīng)變值； R R0 0一薄壁環(huán)平均半徑一薄壁環(huán)平均半徑(m)(m)； R R一薄壁環(huán)內(nèi)圓半徑一薄壁環(huán)內(nèi)圓半徑(m)(m)； bb薄壁環(huán)的寬度薄壁環(huán)的寬度(m)(m)； h h一薄壁環(huán)的厚度一薄壁環(huán)的厚度(mm)(mm)。 FF受力（受力（N N）；）； EE元件材料的彈性模量（元件材料的彈性模量（P Pa a）薄壁環(huán)型彈性元件力與應(yīng)變的關(guān)系薄壁環(huán)型彈性元件力與應(yīng)變的關(guān)系 EbhFRA20908. 1EbhFRB20092. 1EbhFRh235. 412梁型應(yīng)變式測力傳感器結(jié)構(gòu)（梁型應(yīng)變式測力傳感器結(jié)構(gòu)（1）13梁型應(yīng)變式測力傳感器結(jié)構(gòu)

7、（梁型應(yīng)變式測力傳感器結(jié)構(gòu)（2）14 懸臂梁式應(yīng)變彈性元件，其應(yīng)變片的位置如前圖所示。懸臂梁式應(yīng)變彈性元件，其應(yīng)變片的位置如前圖所示。其上下表面的應(yīng)變值為：其上下表面的應(yīng)變值為：式中：式中：ll懸臂外端距應(yīng)變片中心的長度懸臂外端距應(yīng)變片中心的長度(m)(m)； bb懸臂寬度懸臂寬度(m)(m)； hh懸臂厚度懸臂厚度(m)(m)； FF受力（受力（N N）；）； EE元件材料的彈性模量（元件材料的彈性模量（PaPa）懸臂梁式彈性元件力與應(yīng)變的關(guān)系懸臂梁式彈性元件力與應(yīng)變的關(guān)系 EbhFl22415 等強(qiáng)度懸臂梁式應(yīng)變彈性元件，其應(yīng)變片的位置如圖所等強(qiáng)度懸臂梁式應(yīng)變彈性元件，其應(yīng)變片的位置如圖所

8、示。其上下表面的應(yīng)變值為：示。其上下表面的應(yīng)變值為：式中：式中：ll梁的長度梁的長度(m)(m)； bb梁的寬度梁的寬度(m)(m)； hh梁的厚度梁的厚度(m)(m)； FF受力（受力（N N）；）； EE元件材料的彈性模量（元件材料的彈性模量（PaPa）等強(qiáng)度懸臂梁式彈性元件力與應(yīng)變的關(guān)系等強(qiáng)度懸臂梁式彈性元件力與應(yīng)變的關(guān)系 EbhFl2616 兩端固定梁式應(yīng)變彈性元件，應(yīng)變片的位置如圖所示。兩端固定梁式應(yīng)變彈性元件，應(yīng)變片的位置如圖所示。其上下表面的應(yīng)變值為：其上下表面的應(yīng)變值為：式中：式中：ll梁的長度梁的長度(m)(m)； bb梁的寬度梁的寬度(m)(m)； hh梁的厚度梁的厚度(m

9、)(m)； FF受力（受力（N N）；）； EE元件材料的彈性模量（元件材料的彈性模量（PaPa）兩端固定梁式彈性元件力與應(yīng)變的關(guān)系兩端固定梁式彈性元件力與應(yīng)變的關(guān)系 EbhFl243172、彈性元件力與應(yīng)變關(guān)系的結(jié)論、彈性元件力與應(yīng)變關(guān)系的結(jié)論 在電阻應(yīng)變式測力傳感器中，當(dāng)彈性元件的在電阻應(yīng)變式測力傳感器中，當(dāng)彈性元件的尺寸和材料確定后，彈性元件在外力作用下所產(chǎn)尺寸和材料確定后，彈性元件在外力作用下所產(chǎn)生的應(yīng)變與外力成正比。生的應(yīng)變與外力成正比。183 3應(yīng)變片應(yīng)變片 電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片( (簡稱應(yīng)變片簡稱應(yīng)變片) )的作用是把導(dǎo)體的的作用是把導(dǎo)體的機(jī)械應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻應(yīng)變，以便進(jìn)一步電測。

10、機(jī)械應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻應(yīng)變，以便進(jìn)一步電測。 實(shí)際的應(yīng)變片根據(jù)敏感元件材料的不同，主實(shí)際的應(yīng)變片根據(jù)敏感元件材料的不同，主要分為金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩類。要分為金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩類。 金屬電阻應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片分為體型和薄膜型。分為體型和薄膜型。 半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片常見的有體型、薄膜型、擴(kuò)散常見的有體型、薄膜型、擴(kuò)散型、外延型、型、外延型、PNPN結(jié)及其他形式。結(jié)及其他形式。19 設(shè)金屬電阻絲長度為設(shè)金屬電阻絲長度為L L，截面積為，截面積為S S，電阻率為，電阻率為，則，則電阻值電阻值R R為：為： 如圖所示，當(dāng)電阻絲受到拉力如圖所示，當(dāng)電阻絲受到拉力F F時，其阻值

11、發(fā)生變化。時，其阻值發(fā)生變化。材料電阻值的變化，一是受力后材料幾何尺寸變化；二是材料電阻值的變化，一是受力后材料幾何尺寸變化；二是受力后材料的電阻率也發(fā)生了變化。受力后材料的電阻率也發(fā)生了變化。 大量實(shí)驗(yàn)表明，在電阻絲拉伸極限內(nèi)，電阻的相對變大量實(shí)驗(yàn)表明，在電阻絲拉伸極限內(nèi)，電阻的相對變化與應(yīng)變成正比，而應(yīng)變與應(yīng)力也成正比?；c應(yīng)變成正比，而應(yīng)變與應(yīng)力也成正比。金屬電阻應(yīng)變片的工作原理金屬電阻應(yīng)變片的工作原理SLR20 當(dāng)電阻絲受到拉力當(dāng)電阻絲受到拉力F作用時作用時, 將伸長將伸長L, 橫截面積相橫截面積相應(yīng)減小應(yīng)減小S, 電阻率將因晶格發(fā)生變形等因素而改變電阻率將因晶格發(fā)生變形等因素而改變,

12、 故引起電阻值相對變化量為故引起電阻值相對變化量為 式中式中L/L是長度相對變化量是長度相對變化量, 用應(yīng)變用應(yīng)變表示：表示： S/S為圓形電阻絲的截面積相對變化量為圓形電阻絲的截面積相對變化量, 即即 電阻應(yīng)變式傳感器工作原理電阻應(yīng)變式傳感器工作原理2SSLLRRLLrrSS221 由材料力學(xué)可知由材料力學(xué)可知, 在彈性范圍內(nèi)在彈性范圍內(nèi), 金屬絲受拉力時金屬絲受拉力時, 沿軸向伸長沿軸向伸長, 沿徑向縮短沿徑向縮短, 那么軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)那么軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)系可表示為系可表示為 式中式中: 電阻絲材料的泊松比電阻絲材料的泊松比, 負(fù)號表示應(yīng)變方向相負(fù)號表示應(yīng)變方向相反。反。 將

13、上將上2式帶入前式，得：式帶入前式，得：電阻應(yīng)變式傳感器工作原理電阻應(yīng)變式傳感器工作原理3LLrr)21 (RR22電阻應(yīng)變式傳感器工作原理電阻應(yīng)變式傳感器工作原理4 通常把單位應(yīng)變能引起的電阻值變化稱為金屬電阻絲的通常把單位應(yīng)變能引起的電阻值變化稱為金屬電阻絲的靈敏系數(shù)。其物理意義是單位應(yīng)變所引起的電阻相對變化靈敏系數(shù)。其物理意義是單位應(yīng)變所引起的電阻相對變化量量, , 其表達(dá)式為：其表達(dá)式為： 因此：因此： dR/R受兩個因素影響受兩個因素影響: 受力后材料幾何尺寸的變化受力后材料幾何尺寸的變化, 即即(1+2); 受力后材料壓阻效應(yīng)產(chǎn)生的變化受力后材料壓阻效應(yīng)產(chǎn)生的變化, 即即L LE

14、E。KERdRl2121K23應(yīng)變片的受力應(yīng)變片的受力24 用應(yīng)變片測量時，將其用應(yīng)變片測量時，將其貼在被測對象表面上。當(dāng)被貼在被測對象表面上。當(dāng)被測對象受力變形時，應(yīng)變片測對象受力變形時，應(yīng)變片的敏感柵也隨同變形，其電的敏感柵也隨同變形，其電阻值發(fā)生相應(yīng)變化，通過轉(zhuǎn)阻值發(fā)生相應(yīng)變化，通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的換電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，這是用來直接測量應(yīng)變化，這是用來直接測量應(yīng)變。變。 通過彈性敏感元件將位移、通過彈性敏感元件將位移、力、力矩、加速度、壓力等力、力矩、加速度、壓力等物理量轉(zhuǎn)換為應(yīng)變，則可用物理量轉(zhuǎn)換為應(yīng)變，則可用應(yīng)變片測量上述各量，而做應(yīng)變片測量上述各量，而做成各種應(yīng)變

15、式傳感器。成各種應(yīng)變式傳感器。 應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)25應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)2 2 （1 1）敏感柵）敏感柵 感受應(yīng)變，并將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻的變化。敏感柵有絲式、感受應(yīng)變，并將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻的變化。敏感柵有絲式、 箔式和薄膜式三種。箔式和薄膜式三種。 （2 2）底基）底基 絕緣及傳遞應(yīng)變。要求底基準(zhǔn)確地把試件應(yīng)變傳遞給敏感柵絕緣及傳遞應(yīng)變。要求底基準(zhǔn)確地把試件應(yīng)變傳遞給敏感柵, ,同時基片絕緣性能要好，否則應(yīng)變片微小電信號就要漏掉。由紙同時基片絕緣性能要好，否則應(yīng)變片微小電信號就要漏掉。由紙薄、膠質(zhì)膜等制成。薄、膠質(zhì)膜等制成。 （3 3）粘結(jié)劑）粘結(jié)劑 敏感柵與底基、底基

16、與試件、底基與覆蓋層之間的粘結(jié)。敏感柵與底基、底基與試件、底基與覆蓋層之間的粘結(jié)。 （4 4）覆蓋層）覆蓋層 保護(hù)作用。防濕、蝕、塵。保護(hù)作用。防濕、蝕、塵。 （5 5）引線）引線 連接電阻絲與測量電路，輸出電參量。連接電阻絲與測量電路，輸出電參量。26對敏感柵材料的要求對敏感柵材料的要求應(yīng)變靈敏系數(shù)大，并在所測應(yīng)變范圍內(nèi)保持為常數(shù)；應(yīng)變靈敏系數(shù)大，并在所測應(yīng)變范圍內(nèi)保持為常數(shù)；電阻率高而穩(wěn)定，以便于制造小柵長的應(yīng)變片；電阻率高而穩(wěn)定，以便于制造小柵長的應(yīng)變片；電阻溫度系數(shù)要小；電阻溫度系數(shù)要小；抗氧化能力高，耐腐蝕性能強(qiáng)；抗氧化能力高，耐腐蝕性能強(qiáng)；在工作溫度范圍內(nèi)能保持足夠的抗拉強(qiáng)度；在工

17、作溫度范圍內(nèi)能保持足夠的抗拉強(qiáng)度；加工性能良好加工性能良好, ,易于拉制成絲或軋壓成箔材；易于拉制成絲或軋壓成箔材；易于焊接，對引線材料的熱電勢小。易于焊接，對引線材料的熱電勢小。對應(yīng)變片要求必須根據(jù)實(shí)際使用情況，合理選擇。對應(yīng)變片要求必須根據(jù)實(shí)際使用情況，合理選擇。27金屬絲式應(yīng)變片金屬絲式應(yīng)變片 回線式：橫向效應(yīng)較大回線式：橫向效應(yīng)較大 短接式：克服橫向效應(yīng)短接式：克服橫向效應(yīng)28金屬箔式應(yīng)變片金屬箔式應(yīng)變片 箔式應(yīng)變片箔式應(yīng)變片是在絕緣基底上，將厚度為是在絕緣基底上，將厚度為0.0030.0030.01mm0.01mm電阻電阻箔材，箔材，利用照相制版或光刻技術(shù)，制成各種需要的形狀。利用照

18、相制版或光刻技術(shù)，制成各種需要的形狀。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 可制成多種復(fù)雜形狀尺寸準(zhǔn)確的敏感柵；可制成多種復(fù)雜形狀尺寸準(zhǔn)確的敏感柵；與被測件與被測件粘結(jié)面積大；粘結(jié)面積大；散熱條件好，允許電流大，提高了輸出靈敏散熱條件好，允許電流大，提高了輸出靈敏度；度；橫向效應(yīng)小；橫向效應(yīng)小；蠕變和機(jī)械滯后小，壽命長。蠕變和機(jī)械滯后小，壽命長。 缺點(diǎn)：工序復(fù)雜、不適于在高溫環(huán)境中測量，價格高。缺點(diǎn)：工序復(fù)雜、不適于在高溫環(huán)境中測量，價格高。29金屬薄膜應(yīng)變片金屬薄膜應(yīng)變片 采用真空蒸發(fā)或真空沉積等方法在薄的絕緣基片上形成采用真空蒸發(fā)或真空沉積等方法在薄的絕緣基片上形成厚度在厚度在0.10.1微米以下的金屬電阻材料

19、薄膜的敏感柵，最后再微米以下的金屬電阻材料薄膜的敏感柵，最后再加上保護(hù)層。加上保護(hù)層。 優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)變靈敏系數(shù)大，允許電流密度大。優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)變靈敏系數(shù)大，允許電流密度大。 存在問題：溫度穩(wěn)定性差存在問題：溫度穩(wěn)定性差 應(yīng)變片的粘貼：應(yīng)變片的粘貼： 應(yīng)變片是用粘合劑粘貼到被測件上的。粘合劑形成的膠應(yīng)變片是用粘合劑粘貼到被測件上的。粘合劑形成的膠層必須準(zhǔn)確迅速地將披測件應(yīng)變傳進(jìn)到敏感柵上。粘合劑層必須準(zhǔn)確迅速地將披測件應(yīng)變傳進(jìn)到敏感柵上。粘合劑的性能及粘貼工藝的質(zhì)量直接影響著應(yīng)變片的工作特性，的性能及粘貼工藝的質(zhì)量直接影響著應(yīng)變片的工作特性，如零漂、蠕變、滯后、靈敏系數(shù)，線性以及它們受溫度變?nèi)缌闫?、蠕?/p>

20、、滯后、靈敏系數(shù)，線性以及它們受溫度變化影響的程度。對粘合劑和粘貼工藝有嚴(yán)格要求?；绊懙某潭?。對粘合劑和粘貼工藝有嚴(yán)格要求。30半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片 壓阻效應(yīng)：固體受到作用力后，電阻率就要壓阻效應(yīng)：固體受到作用力后，電阻率就要發(fā)生變化，這種現(xiàn)象叫壓阻效應(yīng)。發(fā)生變化，這種現(xiàn)象叫壓阻效應(yīng)。 半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)特別強(qiáng)。半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)特別強(qiáng)。 半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片的分類：的分類： 粘貼式應(yīng)變片粘貼式應(yīng)變片 擴(kuò)散硅型壓阻傳感器擴(kuò)散硅型壓阻傳感器 31 半導(dǎo)體應(yīng)變片的制作材料用單晶硅、鍺。半導(dǎo)體應(yīng)變片的制作材料用單晶硅、鍺。P P型單晶硅結(jié)型單晶硅結(jié)構(gòu)如圖。在直角坐標(biāo)系中它有許多晶軸方向

21、，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)沿不構(gòu)如圖。在直角坐標(biāo)系中它有許多晶軸方向，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)沿不同晶軸方向壓阻系數(shù)相差很大（電阻率變化相差很大）。同晶軸方向壓阻系數(shù)相差很大（電阻率變化相差很大）。半導(dǎo)體應(yīng)變片結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體應(yīng)變片結(jié)構(gòu)32 半導(dǎo)體應(yīng)變式傳感器常用硅、鍺等材料作成半導(dǎo)體應(yīng)變式傳感器常用硅、鍺等材料作成單根狀的敏感柵，其使用方法與金屬絲應(yīng)變片相單根狀的敏感柵，其使用方法與金屬絲應(yīng)變片相同。因?yàn)椋和Ｒ驗(yàn)椋?半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)為：半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)為：半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)33半導(dǎo)體應(yīng)變片的特點(diǎn)半導(dǎo)體應(yīng)變片的特點(diǎn) 半導(dǎo)體應(yīng)變片的突出優(yōu)點(diǎn)是靈敏系數(shù)很大，半導(dǎo)體應(yīng)變片的突出優(yōu)點(diǎn)是靈敏系數(shù)很大，

22、分辨率分辨率高，高，可測微小應(yīng)變。此外，可測微小應(yīng)變。此外，頻率影響高，體積小頻率影響高，體積小、橫向、橫向效應(yīng)和機(jī)械滯后也小。效應(yīng)和機(jī)械滯后也小。主要用于測量壓力、加速度和載主要用于測量壓力、加速度和載荷等。荷等。 主要缺點(diǎn)是主要缺點(diǎn)是應(yīng)變靈敏系數(shù)的離散性大，應(yīng)變靈敏系數(shù)的離散性大，溫度穩(wěn)定性溫度穩(wěn)定性差和測量較大應(yīng)變時非線性嚴(yán)重，差和測量較大應(yīng)變時非線性嚴(yán)重，機(jī)械強(qiáng)度低，非線性機(jī)械強(qiáng)度低，非線性誤差大，溫度系數(shù)大，誤差大，溫度系數(shù)大，必須采取補(bǔ)償措施。此外，靈敏必須采取補(bǔ)償措施。此外，靈敏系數(shù)隨拉伸或壓縮而變。系數(shù)隨拉伸或壓縮而變。34 應(yīng)變式傳感器與應(yīng)變儀配套使用進(jìn)行力的測量。應(yīng)變式傳感

23、器與應(yīng)變儀配套使用進(jìn)行力的測量。 應(yīng)變儀測量電路的作用：應(yīng)變儀測量電路的作用：將電阻的變化量轉(zhuǎn)換為電壓輸將電阻的變化量轉(zhuǎn)換為電壓輸出。出。 應(yīng)變儀的測量電路多采用電橋，這種電橋稱之為應(yīng)變儀的測量電路多采用電橋，這種電橋稱之為電阻應(yīng)電阻應(yīng)變片橋路。變片橋路。 根據(jù)所用電源的不同，電橋可分為直流電橋和交流電橋，根據(jù)所用電源的不同，電橋可分為直流電橋和交流電橋，四個橋臂均為純電阻時，用直流電橋精確度高；若有橋臂四個橋臂均為純電阻時，用直流電橋精確度高；若有橋臂為阻抗時，必須用交流電橋。為阻抗時，必須用交流電橋。4 應(yīng)變片的布置和接橋方式應(yīng)變片的布置和接橋方式 35應(yīng)變儀各部分的作用應(yīng)變儀各部分的作用

24、 a a、電橋：將片電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓信號。、電橋：將片電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓信號。 b b、振蕩器：供給正弦波交流電壓作為電橋的載波電、振蕩器：供給正弦波交流電壓作為電橋的載波電壓，由信號電壓對它進(jìn)行調(diào)幅，輸出一個窄頻帶的調(diào)幅電壓，由信號電壓對它進(jìn)行調(diào)幅，輸出一個窄頻帶的調(diào)幅電壓信號，送入放大器。同時為相敏檢波器提供參考電壓。壓信號，送入放大器。同時為相敏檢波器提供參考電壓。 c c、放大器：電橋輸出的信號非常微弱，一般在幾十、放大器：電橋輸出的信號非常微弱，一般在幾十微伏到幾毫伏之間，必須經(jīng)過放大器將橋送來的調(diào)幅電壓微伏到幾毫伏之間，必須經(jīng)過放大器將橋送來的調(diào)幅電壓信號進(jìn)行失真放大，輸出足夠的

25、功率推動指示儀表或記錄信號進(jìn)行失真放大，輸出足夠的功率推動指示儀表或記錄器。器。 d d、相敏檢波器：既具有檢波的作用，又能完成辨別、相敏檢波器：既具有檢波的作用，又能完成辨別信號相位（如：應(yīng)變信號的拉伸或壓縮性質(zhì)）的任務(wù)。信號相位（如：應(yīng)變信號的拉伸或壓縮性質(zhì)）的任務(wù)。36 直流電橋電路如圖所示，直流電橋電路如圖所示，它的四個橋臂由電阻它的四個橋臂由電阻R1R2R3R4組成。組成。 AC端接直流電壓端接直流電壓U，BD端輸出電壓端輸出電壓U0。 一般情況橋路應(yīng)接成等一般情況橋路應(yīng)接成等臂電橋臂電橋,輸出為零。這樣無論輸出為零。這樣無論哪個橋臂上受到外來信號作哪個橋臂上受到外來信號作用后，橋路

26、都將失去平衡，就用后，橋路都將失去平衡，就會有信號輸出。會有信號輸出。（1） 直流電橋工作原理直流電橋工作原理37 電橋輸出端接入輸入阻抗很高的指示儀表或電橋輸出端接入輸入阻抗很高的指示儀表或放大器時，可認(rèn)為電橋負(fù)載為無窮大，電橋輸出放大器時，可認(rèn)為電橋負(fù)載為無窮大，電橋輸出端相當(dāng)于開路，只能輸出電壓信號，稱為電壓輸端相當(dāng)于開路，只能輸出電壓信號，稱為電壓輸出。此時，橋路的電流為：出。此時，橋路的電流為： AB之間和之間和CD之間的電位差分別為：之間的電位差分別為：直流電橋工作原理直流電橋工作原理2112UIRR234UIRR11ABUI R23ADUI R38直流電橋工作原理直流電橋工作原理

27、3 空載輸出：空載輸出： 當(dāng)電橋平衡時當(dāng)電橋平衡時, Uo=0, 則有則有R1R4 = R2R3 ，或，或 01123ABADUUUI RI R314231012341234()()()RR RR RRUUURRRRRRRR311234URURRRRR4321RRRR39電橋平衡條件電橋平衡條件 電橋接入的是電阻應(yīng)變片時，即為應(yīng)變橋。當(dāng)電橋接入的是電阻應(yīng)變片時，即為應(yīng)變橋。當(dāng)一個橋臂、兩個橋臂乃至四個橋臂接入應(yīng)變片時，一個橋臂、兩個橋臂乃至四個橋臂接入應(yīng)變片時，相應(yīng)的電橋?yàn)閱伪蹣?、半橋（雙臂）和全臂橋。相應(yīng)的電橋?yàn)閱伪蹣?、半橋（雙臂）和全臂橋。 電橋平衡條件：電橋平衡條件： 相鄰兩臂電阻的比值

28、應(yīng)相等相鄰兩臂電阻的比值應(yīng)相等, , 或相對兩臂電阻或相對兩臂電阻的乘積相等。的乘積相等。 R R2 2/R/R1 1= R= R4 4/R/R3 340 當(dāng)電橋后面接放大器時，放大器的輸入阻抗很高，比當(dāng)電橋后面接放大器時，放大器的輸入阻抗很高，比電橋輸出電阻大很多，可把電橋輸出端看成開路。電橋輸出電阻大很多，可把電橋輸出端看成開路。 R R1 1為電阻應(yīng)變片，為電阻應(yīng)變片，R RL L 。 設(shè)橋臂比設(shè)橋臂比n = Rn = R2 2/R/R1 1, , 分母中分母中RR1 1/R/R1 1可忽略。由電橋可忽略。由電橋平衡條件平衡條件R R2 2/R/R1 1= R= R4 4/R/R3 3。

29、 電橋電壓靈敏度定義為：電橋電壓靈敏度定義為：（2 2）不平衡直流電橋及電壓靈敏度）不平衡直流電橋及電壓靈敏度311401123411234()()()RRR RUUURRRRRRRRRR 0211(1)UUnKURnR1021(1)RnUUnR41 提高供電電源的電壓提高供電電源的電壓U U（在功耗允許的范（在功耗允許的范圍內(nèi)）圍內(nèi)） n=1 R n=1 R1 1=R=R2 2=R=R3 3=R=R4 4 由由dKU /dn = 0dKU /dn = 0求求KUKU的最大值的最大值, , 得得 n=1n=1時時, KU, KU為最大值。為最大值。 當(dāng)當(dāng)R R1 1=R=R2 2=R=R3 3

30、=R=R4 4時時, , 電橋電壓靈敏度最高。電橋電壓靈敏度最高。 0)1 (132nndndKU 提高電橋電壓靈敏度的措施提高電橋電壓靈敏度的措施42 1、高穩(wěn)定度直流電源易于獲得。、高穩(wěn)定度直流電源易于獲得。 2、電橋調(diào)節(jié)平衡電路簡單。、電橋調(diào)節(jié)平衡電路簡單。 3、傳感器及測量電路分布參數(shù)影響小等。、傳感器及測量電路分布參數(shù)影響小等。直流電橋的優(yōu)點(diǎn)直流電橋的優(yōu)點(diǎn)43 當(dāng)被測量為動態(tài)量時，應(yīng)變電橋采用交流電橋。當(dāng)被測量為動態(tài)量時，應(yīng)變電橋采用交流電橋。 由于供橋電源為交流電源由于供橋電源為交流電源, , 引線分布電容使得二橋臂應(yīng)變片引線分布電容使得二橋臂應(yīng)變片呈現(xiàn)復(fù)阻抗特性呈現(xiàn)復(fù)阻抗特性,

31、, 相當(dāng)于二只應(yīng)變片各并聯(lián)了一個電容相當(dāng)于二只應(yīng)變片各并聯(lián)了一個電容, , 則每一則每一橋臂上復(fù)阻抗分別為：橋臂上復(fù)阻抗分別為： 11111CjwRRRZ22222CjwRRRZ33RZ 44RZ （3 3）交流電橋交流電橋44交流電橋的輸出電壓交流電橋的輸出電壓 電橋的四個橋臂電橋的四個橋臂R R1 1、R R2 2、R R3 3、R R4 4所產(chǎn)生的電阻變化用所產(chǎn)生的電阻變化用RR1 1、 R R2 2、 R R3 3、 R R4 4表示。若初始狀態(tài)電橋的各表示。若初始狀態(tài)電橋的各臂阻值相等，即臂阻值相等，即R R1 1R R2 2R R3 3R R4 4=R=R， 由于由于RR R R，

32、忽，忽略略RR的高次項(xiàng)，輸出電壓公式可寫成：的高次項(xiàng)，輸出電壓公式可寫成： 當(dāng)各橋臂應(yīng)變片的靈敏系數(shù)當(dāng)各橋臂應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K K都相同時，公式可寫為：都相同時，公式可寫為：432104?KUUiRRRRRRRRUUi432104?45結(jié)結(jié) 論：論： 交流電橋除了要滿足電阻平衡條件外交流電橋除了要滿足電阻平衡條件外, 還必還必須滿足電容平衡條件。為此在橋路上除設(shè)有電須滿足電容平衡條件。為此在橋路上除設(shè)有電阻平衡調(diào)節(jié)外還設(shè)有電容平衡調(diào)節(jié)。阻平衡調(diào)節(jié)外還設(shè)有電容平衡調(diào)節(jié)。3412RRRR2112CCRR交流電橋的平衡條件交流電橋的平衡條件46 這是一種典型的（自發(fā)電式）有源傳感這是一種典型的（自發(fā)

33、電式）有源傳感器器,將力、壓力、加速度等的變形轉(zhuǎn)換成電荷，將力、壓力、加速度等的變形轉(zhuǎn)換成電荷，屬于材料形傳感器，屬于材料形傳感器，用的是壓電材料，與前面用的是壓電材料，與前面講過的幾種材料如：電阻、講過的幾種材料如：電阻、電容、磁電、電感等不同。電容、磁電、電感等不同。3.1.2 壓電式力傳感器壓電式力傳感器471. 晶體的壓電效應(yīng)晶體的壓電效應(yīng) 某些晶體在一定方向受到外力的作用而發(fā)生變形，內(nèi)部某些晶體在一定方向受到外力的作用而發(fā)生變形，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時，在其另兩個相對表面產(chǎn)生符號相反的產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時，在其另兩個相對表面產(chǎn)生符號相反的電荷，去掉外力，又回到不帶電的狀態(tài)，外力方向改變

34、，表電荷，去掉外力，又回到不帶電的狀態(tài)，外力方向改變，表面電荷極性也隨之改變，這種現(xiàn)象稱面電荷極性也隨之改變，這種現(xiàn)象稱“壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)”。 這種將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象稱這種將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象稱“順（正）壓電順（正）壓電效應(yīng)效應(yīng)”。相反，在電介質(zhì)的極性方向上施加電場，它會產(chǎn)生相反，在電介質(zhì)的極性方向上施加電場，它會產(chǎn)生機(jī)械變形，這種將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的現(xiàn)象稱為機(jī)械變形，這種將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的現(xiàn)象稱為“逆壓電效逆壓電效應(yīng)應(yīng)”, , 如壓電陶瓷，逆壓電效應(yīng)也稱如壓電陶瓷，逆壓電效應(yīng)也稱“電致伸縮效應(yīng)電致伸縮效應(yīng)”。電能電能機(jī)械能機(jī)械能正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)482. 壓

35、電晶體及材料壓電晶體及材料 具有壓電效應(yīng)的電介物質(zhì)稱為具有壓電效應(yīng)的電介物質(zhì)稱為壓電材料壓電材料（或壓電元（或壓電元件）。件）。 自然界中，大多數(shù)晶體具有壓電效應(yīng)，但多數(shù)該效應(yīng)自然界中，大多數(shù)晶體具有壓電效應(yīng)，但多數(shù)該效應(yīng)過于微弱，并無實(shí)用價值，能利用的不過幾十種，常見的過于微弱，并無實(shí)用價值，能利用的不過幾十種，常見的壓電材料（元件）有單晶體，如石英，多晶體，如鈦酸鋇、壓電材料（元件）有單晶體，如石英，多晶體，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等。鋯鈦酸鉛等。 分類：分類： 壓電單晶：石英和其他單晶壓電單晶：石英和其他單晶 壓電多晶：壓電陶瓷（壓電多晶：壓電陶瓷（PZTPZT） 有機(jī)壓電材料有機(jī)壓電材料49

36、 石英晶體（單晶）石英晶體（單晶） 石英晶體是六角形晶柱，石英晶體是六角形晶柱，透明度極好，亦稱水晶，成分透明度極好，亦稱水晶，成分為二氧化硅，有天然水晶與人為二氧化硅，有天然水晶與人工水晶之分，其橫截面為正六工水晶之分，其橫截面為正六邊形。邊形。 在直角坐標(biāo)系中見圖：在直角坐標(biāo)系中見圖： Z Z軸軸光軸；光軸； x x軸軸電軸；電軸； Y Y軸軸機(jī)械軸。機(jī)械軸。50 假設(shè)從石英晶體上切下一片平行六面體假設(shè)從石英晶體上切下一片平行六面體晶體切片，晶體切片，使它的晶面分別平行于使它的晶面分別平行于X X、Y Y、Z Z軸，如圖。并在垂直軸，如圖。并在垂直X X軸方向軸方向兩面用真空鍍膜或沉銀法得

37、到電極面。兩面用真空鍍膜或沉銀法得到電極面。 當(dāng)晶片受到沿當(dāng)晶片受到沿X X軸方向的壓縮應(yīng)力軸方向的壓縮應(yīng)力XXXX作用時，晶片將產(chǎn)作用時，晶片將產(chǎn)生厚度變形，并發(fā)生極化現(xiàn)象。生厚度變形，并發(fā)生極化現(xiàn)象。 在晶體線性彈性范圍內(nèi)，在晶體線性彈性范圍內(nèi)，極化強(qiáng)度極化強(qiáng)度P PXXXX與應(yīng)力與應(yīng)力XXXX成正比。成正比。 當(dāng)受力方向和變形不同時，當(dāng)受力方向和變形不同時，壓電系數(shù)也不同。壓電系數(shù)也不同。 ZYXbl石英晶體切片石英晶體切片t石英晶體切片石英晶體切片51 石英單晶硅壓電效應(yīng)石英單晶硅壓電效應(yīng) 石英單晶硅受力后帶電離子位置發(fā)生相對變化，在表石英單晶硅受力后帶電離子位置發(fā)生相對變化，在表面呈

38、現(xiàn)負(fù)電荷或正電荷。面呈現(xiàn)負(fù)電荷或正電荷。 a a、當(dāng)沿電軸（、當(dāng)沿電軸（x x軸）方向加作用力軸）方向加作用力F Fx x時，面時，面m m產(chǎn)生電產(chǎn)生電荷荷Q Qx x 。 電荷電荷Q Qx x的符號視的符號視F Fx x是拉、壓而定，當(dāng)面是拉、壓而定，當(dāng)面m m受壓時，受壓時，沿沿x x軸正向的面顯負(fù)電荷，軸正向的面顯負(fù)電荷，x x的負(fù)向面顯正電荷；受拉時，的負(fù)向面顯正電荷；受拉時，x x軸正向顯正電荷，負(fù)向顯負(fù)電荷。軸正向顯正電荷，負(fù)向顯負(fù)電荷。 切片上產(chǎn)生切片上產(chǎn)生Q Qx x的多少與尺寸無關(guān)。的多少與尺寸無關(guān)。52 石英單晶硅壓電效應(yīng)石英單晶硅壓電效應(yīng)2及結(jié)論及結(jié)論 b b、當(dāng)沿機(jī)械軸

39、（、當(dāng)沿機(jī)械軸（y y 軸）方向加作用力軸）方向加作用力FyFy時，電荷仍在時，電荷仍在m m面上產(chǎn)生，而極性相反。面上產(chǎn)生，而極性相反。 對于對于y y軸方向受壓時，在軸方向受壓時，在x x軸正向產(chǎn)生正電荷，軸正向產(chǎn)生正電荷，x x軸負(fù)向軸負(fù)向顯負(fù)電荷；顯負(fù)電荷； y y軸方向受拉時，軸方向受拉時，x x軸正向顯負(fù)電荷，軸正向顯負(fù)電荷，x x軸負(fù)向顯正電荷。軸負(fù)向顯正電荷。 結(jié)論：結(jié)論： （1）無論是正或逆壓電效應(yīng)，其作用力（或應(yīng)變）與電）無論是正或逆壓電效應(yīng)，其作用力（或應(yīng)變）與電荷（或電場強(qiáng)度）之間呈線性關(guān)系；荷（或電場強(qiáng)度）之間呈線性關(guān)系； （2）晶體在哪個方向上有正壓電效應(yīng)，則在此方

40、向上一）晶體在哪個方向上有正壓電效應(yīng)，則在此方向上一定存在逆壓電效應(yīng)；定存在逆壓電效應(yīng)； （3）石英晶體不是任何方向都存在壓電效應(yīng)的。）石英晶體不是任何方向都存在壓電效應(yīng)的。 53 壓電陶瓷屬于鐵電體一類的物質(zhì)，是人工制造的多晶壓電陶瓷屬于鐵電體一類的物質(zhì)，是人工制造的多晶壓電材料，它具有類似鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)的電疇結(jié)構(gòu)。電壓電材料，它具有類似鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)的電疇結(jié)構(gòu)。電疇是分子自發(fā)形成的區(qū)域，它有一定的極化方向，從而存疇是分子自發(fā)形成的區(qū)域，它有一定的極化方向，從而存在一定的電場。在一定的電場。直流電場E剩余極化強(qiáng)度剩余伸長電場作用下的伸長(a)極化處理前(b)極化處理中(c)極化處理后 壓

41、電陶瓷壓電陶瓷（多晶）（多晶）的壓電效應(yīng)的壓電效應(yīng)54壓電陶瓷（多晶）的壓電效應(yīng)壓電陶瓷（多晶）的壓電效應(yīng)2 2 外電場去掉后，內(nèi)部有很強(qiáng)的剩余極化強(qiáng)度，總極化外電場去掉后，內(nèi)部有很強(qiáng)的剩余極化強(qiáng)度，總極化強(qiáng)度不為零，兩端出現(xiàn)強(qiáng)度不為零，兩端出現(xiàn)“+”+”、“-”-”束縛電荷，并吸附外界束縛電荷，并吸附外界自由電子（與束縛電荷的符號相反，數(shù)量相等所以，片對外自由電子（與束縛電荷的符號相反，數(shù)量相等所以，片對外不表現(xiàn)出極性）符號相反，數(shù)量相等起著屏蔽和抵消陶瓷片不表現(xiàn)出極性）符號相反，數(shù)量相等起著屏蔽和抵消陶瓷片內(nèi)極化剩余強(qiáng)度對外的作用。內(nèi)極化剩余強(qiáng)度對外的作用。 極化方向加外力（壓力）使電疇界

42、面發(fā)生位移（電疇極化方向加外力（壓力）使電疇界面發(fā)生位移（電疇偏轉(zhuǎn)），導(dǎo)致剩余極化強(qiáng)度降低，部分電荷釋放，即放電。偏轉(zhuǎn)），導(dǎo)致剩余極化強(qiáng)度降低，部分電荷釋放，即放電。 外力撤消時，極化強(qiáng)度恢復(fù)升高，導(dǎo)致電荷吸附，即外力撤消時，極化強(qiáng)度恢復(fù)升高，導(dǎo)致電荷吸附，即充電。充電。 極化后兩三個月，壓電系數(shù)極化后兩三個月，壓電系數(shù)d d才穩(wěn)定，兩年后才穩(wěn)定，兩年后d d又降低，又降低，所以傳感器要經(jīng)常校驗(yàn)。所以傳感器要經(jīng)常校驗(yàn)。553 3壓電元件及其晶片連接方法壓電元件及其晶片連接方法 在壓電式力與壓力傳感器中，壓電元件既是敏感元件，在壓電式力與壓力傳感器中，壓電元件既是敏感元件，又是轉(zhuǎn)換元件。它將被測

43、力或壓力轉(zhuǎn)換成電荷或電壓輸出。又是轉(zhuǎn)換元件。它將被測力或壓力轉(zhuǎn)換成電荷或電壓輸出。壓電元件在傳感器中的布置形式有多種。如圖為幾種常見壓電元件在傳感器中的布置形式有多種。如圖為幾種常見形式。形式。 56 等效電路：等效電路： 當(dāng)壓電傳感器中的壓電晶體承受被測機(jī)械應(yīng)力的作用時，當(dāng)壓電傳感器中的壓電晶體承受被測機(jī)械應(yīng)力的作用時，在它的兩個極面上出現(xiàn)極性相反但電量相等的電荷。可把壓電在它的兩個極面上出現(xiàn)極性相反但電量相等的電荷。可把壓電傳感器看成一個傳感器看成一個靜電發(fā)生器靜電發(fā)生器，如圖，如圖( (a a) )。也可把它視為兩極板。也可把它視為兩極板上聚集異性電荷，中間為絕緣體的上聚集異性電荷，中間

44、為絕緣體的電容器電容器，如圖，如圖(b)(b)。其電容。其電容量為量為 qq電極壓電晶體Ca(b)(a) 壓電傳感器的等效電路壓電傳感器的等效電路tStSCra0 當(dāng)兩極板聚集異性電當(dāng)兩極板聚集異性電荷時，則兩極板呈現(xiàn)一定荷時，則兩極板呈現(xiàn)一定的電壓，其大小為的電壓，其大小為aaCqU 4 4壓電式傳感器的等效電路和前置放大器壓電式傳感器的等效電路和前置放大器57 壓電式傳感器可以等效為一壓電式傳感器可以等效為一個電壓源和一個串聯(lián)電容組成的個電壓源和一個串聯(lián)電容組成的等效電路。等效電路。 利用壓電式傳感器進(jìn)行測量利用壓電式傳感器進(jìn)行測量時，它要與測量電路相連接，于時，它要與測量電路相連接，于是

45、，就得考慮電纜電容是，就得考慮電纜電容C Cc c、放大、放大器輸入電阻器輸入電阻R Ri i、輸入電容、輸入電容C Ci i、以、以及壓電傳感器的泄漏電阻及壓電傳感器的泄漏電阻R Ra a。 如果把這些因素歸一考慮，如果把這些因素歸一考慮，就得到了壓電傳感器完整的等效就得到了壓電傳感器完整的等效電路。電路。 一種是電荷等效電路，另一一種是電荷等效電路，另一種是電壓等效電路。種是電壓等效電路。壓電元件的等效電路壓電元件的等效電路58 壓電式傳感器的前置放大器有兩個作用：壓電式傳感器的前置放大器有兩個作用： 把壓電式傳感器的高輸出阻變換成低阻抗輸出；把壓電式傳感器的高輸出阻變換成低阻抗輸出； 放

46、大壓電式傳感器輸出的弱信號。放大壓電式傳感器輸出的弱信號。 前置放大器形式：前置放大器形式： 電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓（傳感器的輸出電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓（傳感器的輸出電壓）成正比；電壓）成正比； 電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。 （1 1）電壓放大器）電壓放大器 KKCaCaRaRiCiCcCRUiUSCUSCUa(a)(b)Ua壓電式傳感器的前置放大器壓電式傳感器的前置放大器59 電荷放大器是一個具有深度負(fù)反饋的高增益放大器，其基電荷放大器是一個具有深度負(fù)反饋的高增益放大器，其基本電路如圖。若放大器的開環(huán)增益本電路如圖。若放

47、大器的開環(huán)增益K K足夠大，并且放大器的輸入足夠大，并且放大器的輸入阻抗很高，則放大器輸入端幾乎沒有分流，運(yùn)算電流僅流入反饋?zhàn)杩购芨撸瑒t放大器輸入端幾乎沒有分流，運(yùn)算電流僅流入反饋回路回路C CF F與與R RF F。 當(dāng)當(dāng)K K足夠大時，輸出電壓與足夠大時，輸出電壓與K K無關(guān)，只取決于輸入電荷無關(guān)，只取決于輸入電荷q q和反饋和反饋電容電容C CF F，改變，改變C CF F的大小便可得到所需的電壓輸出。的大小便可得到所需的電壓輸出。 C CF F一般取值一般取值100-10100-104 4pFpF。 壓電式傳感器配用電荷放大器壓電式傳感器配用電荷放大器 時時, ,其低頻幅值誤差和截止頻

48、率只其低頻幅值誤差和截止頻率只 決定于反饋電路的參數(shù)決定于反饋電路的參數(shù)R RF F和和C CF F, ,其其中中C CF F的大小可以由所需要的電壓輸出的大小可以由所需要的電壓輸出幅度決定。幅度決定。 kCaUUSC電荷放大器原理電路圖電荷放大器原理電路圖iRaqCFRF（2 2）電荷放大器）電荷放大器605 5、壓電式力傳感器、壓電式力傳感器(1)(1)壓電式力傳感器的類型及結(jié)構(gòu)壓電式力傳感器的類型及結(jié)構(gòu) 壓電式力傳感器利用壓電晶體的縱向和剪切向壓電壓電式力傳感器利用壓電晶體的縱向和剪切向壓電 效應(yīng)。并以壓電晶體作為敏感元件與轉(zhuǎn)換元件。效應(yīng)。并以壓電晶體作為敏感元件與轉(zhuǎn)換元件。 在工程中，

49、根據(jù)測力的具體情況，壓電傳感器可分為在工程中，根據(jù)測力的具體情況，壓電傳感器可分為單分量和多分量兩大類。單分量和多分量兩大類。 61(2)(2)壓電傳感器的性能指標(biāo)及選用原則壓電傳感器的性能指標(biāo)及選用原則 1) 1)量程和頻帶的選擇：對被測力的大小加以估計，選擇量程和頻帶的選擇：對被測力的大小加以估計，選擇量程適宜的傳感器，使所測力的大小不超過額定量程。所選量程適宜的傳感器，使所測力的大小不超過額定量程。所選傳感器的工作頻帶能覆蓋待測力的頻帶。傳感器的工作頻帶能覆蓋待測力的頻帶。 2)2)電荷放大器的選擇：測量準(zhǔn)靜態(tài)力電荷放大器的選擇：測量準(zhǔn)靜態(tài)力( (低頻低頻) )信號。要求信號。要求電荷放

50、大器輸入阻抗高于電荷放大器輸入阻抗高于10101212，低頻響應(yīng)為，低頻響應(yīng)為0.001Hz0.001Hz 3) 3)電纜選擇：選用受振動、壓力變化等影響所產(chǎn)生噪聲電纜選擇：選用受振動、壓力變化等影響所產(chǎn)生噪聲小的低噪聲電纜。小的低噪聲電纜。62(3) (3) 壓電傳感器和電纜的安裝壓電傳感器和電纜的安裝 壓電傳感器的安裝：壓電傳感器的安裝： 安裝前，傳感器的上、下接觸面應(yīng)經(jīng)過精細(xì)加工以保安裝前，傳感器的上、下接觸面應(yīng)經(jīng)過精細(xì)加工以保證其平行度和平面度；安裝時應(yīng)該保證傳感器的敏感軸向證其平行度和平面度；安裝時應(yīng)該保證傳感器的敏感軸向與受力方向一致；與受力方向一致； 安裝必須牢固，否則會降低傳感

51、器的安裝必須牢固，否則會降低傳感器的頻響，還可能造成較大的測量誤差。頻響，還可能造成較大的測量誤差。 電纜的安裝：電纜的安裝： 電纜要固定，避免晃動，否則會產(chǎn)生電纜噪聲，帶來電纜要固定，避免晃動，否則會產(chǎn)生電纜噪聲，帶來誤差；電纜插頭及插座要保持清潔，以保證絕緣處絕緣，誤差；電纜插頭及插座要保持清潔，以保證絕緣處絕緣， 導(dǎo)電處導(dǎo)電。導(dǎo)電處導(dǎo)電。 633.1.3 3.1.3 壓磁式力傳感器壓磁式力傳感器 壓磁式力傳感器是利用鐵磁物質(zhì)的壓磁效應(yīng)壓磁式力傳感器是利用鐵磁物質(zhì)的壓磁效應(yīng)( (又稱磁彈性又稱磁彈性效應(yīng)效應(yīng)) )工作的傳感器。又稱為磁彈性式傳感器。工作的傳感器。又稱為磁彈性式傳感器。 1

52、1、壓磁效應(yīng)、壓磁效應(yīng) 在機(jī)械力作用下，鐵磁材料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力或應(yīng)力變化，使磁導(dǎo)在機(jī)械力作用下，鐵磁材料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力或應(yīng)力變化，使磁導(dǎo)率發(fā)生變化，磁阻相應(yīng)也發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為率發(fā)生變化，磁阻相應(yīng)也發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為壓磁效應(yīng)壓磁效應(yīng)。 外力是拉力時，在作用力方向鐵磁材料磁導(dǎo)率提高，垂外力是拉力時，在作用力方向鐵磁材料磁導(dǎo)率提高，垂直作用力方向磁導(dǎo)率降低；作用力為壓力時，則反之。直作用力方向磁導(dǎo)率降低；作用力為壓力時，則反之。 常用的常用的鐵磁材料鐵磁材料有硅鋼片和坡莫合金。用鐵磁材料制成有硅鋼片和坡莫合金。用鐵磁材料制成的彈性體稱為鐵磁體或壓磁元件。的彈性體稱為鐵磁體或壓磁元件。64 壓磁式壓磁式

53、力力傳感器主要包括壓傳感器主要包括壓磁元件和繞制在壓磁元件上的線磁元件和繞制在壓磁元件上的線圈兩部分。圈兩部分。 互感式壓磁元件的結(jié)構(gòu)如圖互感式壓磁元件的結(jié)構(gòu)如圖所示。它把若干片形狀相同的硅所示。它把若干片形狀相同的硅鋼片疊合在一起，并用環(huán)氧樹脂鋼片疊合在一起，并用環(huán)氧樹脂將片與片之間粘合起來。在壓磁將片與片之間粘合起來。在壓磁元件上開四個對稱的孔，并分別元件上開四個對稱的孔，并分別繞有兩個繞組。繞有兩個繞組。般把般把1 1、2 2孔的孔的繞組作為一次側(cè)繞組，把繞組作為一次側(cè)繞組，把3 3、4 4孔孔的繞組作為二次側(cè)繞組。的繞組作為二次側(cè)繞組。2 2、壓磁式力傳感器整體結(jié)構(gòu)、壓磁式力傳感器整體

54、結(jié)構(gòu)65 3 3壓磁式力傳感器工作原理壓磁式力傳感器工作原理 由硅鋼片粘疊替而成的壓磁元件在不受力時，鐵心的由硅鋼片粘疊替而成的壓磁元件在不受力時，鐵心的磁阻在各個方向上是磁阻在各個方向上是致的。初級線圈的磁力線對稱地分致的。初級線圈的磁力線對稱地分布，不與次級線圈發(fā)生交鏈。因而不能在次級線圈中產(chǎn)生布，不與次級線圈發(fā)生交鏈。因而不能在次級線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。感應(yīng)電動勢。 當(dāng)傳感器受壓力當(dāng)傳感器受壓力F F時，在平行于作用力方向上磁導(dǎo)率時，在平行于作用力方向上磁導(dǎo)率減小，磁阻增大。在垂直于作用力方向上磁導(dǎo)率增大，磁減小，磁阻增大。在垂直于作用力方向上磁導(dǎo)率增大，磁阻減小。初級線圈產(chǎn)生的磁力線將

55、重新分布，此時一部分阻減小。初級線圈產(chǎn)生的磁力線將重新分布，此時一部分磁力線與次級繞組交鏈而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。磁力線與次級繞組交鏈而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。 F F的數(shù)值越大，的數(shù)值越大，交鏈的磁力線越多，感應(yīng)電動勢也越大。感應(yīng)電動勢經(jīng)過交鏈的磁力線越多，感應(yīng)電動勢也越大。感應(yīng)電動勢經(jīng)過處理后，就可用來表示被測力處理后，就可用來表示被測力F F的數(shù)值。的數(shù)值。66壓磁式力傳感器工作原理圖壓磁式力傳感器工作原理圖674 4、壓磁式力傳感器結(jié)構(gòu)簡圖、壓磁式力傳感器結(jié)構(gòu)簡圖 683.2 3.2 扭矩傳感器扭矩傳感器 一個可繞固定軸轉(zhuǎn)動的剛體，當(dāng)所受外力在垂直于轉(zhuǎn)軸的一個可繞固定軸轉(zhuǎn)動的剛體，當(dāng)所受外力在垂直于

56、轉(zhuǎn)軸的平面內(nèi)時，力的作用線和轉(zhuǎn)軸之間的垂直距離平面內(nèi)時，力的作用線和轉(zhuǎn)軸之間的垂直距離( (稱為這個力對稱為這個力對轉(zhuǎn)軸的力臂轉(zhuǎn)軸的力臂) )與力的大小的乘積稱為這個力對轉(zhuǎn)軸的力矩，力與力的大小的乘積稱為這個力對轉(zhuǎn)軸的力矩，力矩又稱為扭矩或轉(zhuǎn)矩，它是旋轉(zhuǎn)機(jī)械的重要參數(shù)。矩又稱為扭矩或轉(zhuǎn)矩，它是旋轉(zhuǎn)機(jī)械的重要參數(shù)。 扭矩傳感器與力傳感器一樣，要使用彈性元件，它利用彈扭矩傳感器與力傳感器一樣，要使用彈性元件，它利用彈性體把扭矩轉(zhuǎn)換為角位移，再由角位移轉(zhuǎn)換成電信號輸出。性體把扭矩轉(zhuǎn)換為角位移，再由角位移轉(zhuǎn)換成電信號輸出。 常見的扭矩測量方法可分為應(yīng)力或應(yīng)變式及相對轉(zhuǎn)角式。常見的扭矩測量方法可分為應(yīng)力

57、或應(yīng)變式及相對轉(zhuǎn)角式。 693.2.1 3.2.1 電阻應(yīng)變式扭矩傳感器電阻應(yīng)變式扭矩傳感器 電阻電阻應(yīng)變式扭矩傳感器的工作原理：應(yīng)變式扭矩傳感器的工作原理： 如圖所示。扭矩軸發(fā)生扭轉(zhuǎn)時，在相對于軸中心線如圖所示。扭矩軸發(fā)生扭轉(zhuǎn)時，在相對于軸中心線4545方向上會產(chǎn)生壓縮及拉伸力，從而將力加在旋轉(zhuǎn)軸上。方向上會產(chǎn)生壓縮及拉伸力，從而將力加在旋轉(zhuǎn)軸上。如果在扭轉(zhuǎn)軸的表面貼上如果在扭轉(zhuǎn)軸的表面貼上4 4個電阻應(yīng)變片組成橋式電路，個電阻應(yīng)變片組成橋式電路，便可檢測出壓縮及拉伸力，則可知扭矩的大小。便可檢測出壓縮及拉伸力，則可知扭矩的大小。 為了給旋轉(zhuǎn)的應(yīng)變片輸入電壓和從電橋中取出檢測信為了給旋轉(zhuǎn)的應(yīng)

58、變片輸入電壓和從電橋中取出檢測信號，在扭轉(zhuǎn)軸上安裝有集流環(huán)和電刷。號，在扭轉(zhuǎn)軸上安裝有集流環(huán)和電刷。701 1、電刷、電刷滑環(huán)式集流裝置滑環(huán)式集流裝置 712 2、水銀集流裝置、水銀集流裝置 723 3、感應(yīng)式集流裝置、感應(yīng)式集流裝置 734 4、無線傳輸、無線傳輸 隨著無線電發(fā)射技術(shù)和接受技術(shù)在測試中的隨著無線電發(fā)射技術(shù)和接受技術(shù)在測試中的應(yīng)用，近年來愈來愈多地利用近程遙測裝置進(jìn)行應(yīng)用，近年來愈來愈多地利用近程遙測裝置進(jìn)行扭矩測量，扭矩測量， 被測軸流彈上固定信號發(fā)射裝置，被測軸流彈上固定信號發(fā)射裝置，應(yīng)變片接到發(fā)射裝置上，應(yīng)變信號通過發(fā)射裝置應(yīng)變片接到發(fā)射裝置上，應(yīng)變信號通過發(fā)射裝置天線發(fā)

59、射出去，天線發(fā)射出去， 由接收裝置接收、放大并顯示由接收裝置接收、放大并顯示 ( (或記錄或記錄) )。743.2.2 3.2.2 壓磁式壓磁式( (磁彈式磁彈式) )扭矩儀扭矩儀 753.2.3 3.2.3 電容式扭矩測量儀電容式扭矩測量儀763.2.4 3.2.4 光電式扭矩測量儀光電式扭矩測量儀 773.2.5 3.2.5 鋼弦式扭矩傳感器鋼弦式扭矩傳感器783.3 3.3 壓力傳感器壓力傳感器 壓力的概念和術(shù)語壓力的概念和術(shù)語 一般說來，壓力是指流體介質(zhì)作用于單位面積上的力，一般說來，壓力是指流體介質(zhì)作用于單位面積上的力，物理學(xué)上稱為壓強(qiáng)。物理學(xué)上稱為壓強(qiáng)。 壓力檢測中常使用以下名詞術(shù)

60、語。壓力檢測中常使用以下名詞術(shù)語。 1 1絕對壓力絕對壓力( (簡稱絕壓簡稱絕壓)P)Pa a（教材中稱（教材中稱P P絕絕）：絕對壓力是）：絕對壓力是相對于絕對真空相對于絕對真空( (絕對零壓力絕對零壓力) )所測得的壓力。所測得的壓力。 2 2表壓力表壓力( (簡稱表壓簡稱表壓)P)P：表壓力：表壓力P P是高于大氣壓力的絕對是高于大氣壓力的絕對壓力壓力P Pa a與大氣壓力與大氣壓力P P0 0之差，即之差，即 P PP Pa a一一P P0 0 3 3負(fù)壓負(fù)壓P Pf f與真空度與真空度V V：當(dāng)絕對壓力小于大氣壓力：當(dāng)絕對壓力小于大氣壓力P P0 0時，時，大氣壓力與絕對壓力之差，稱