《傳感器技術及應用》 項目三 力和壓力的測量

1、項目三 力和壓力的測量 任務一 使用電阻應變式傳感器測量力任務導入取一段細電阻絲，兩端接上一臺三位半數字歐姆表（分辨率為1/2000以上），測量其初始值并記錄下來，然后將電阻絲均勻拉長，再測量其阻值，會發(fā)現其阻值略有增加。驗證應變效應 任務一 使用電阻應變式傳感器測量力一、電阻應變片的分類與結構1. 電阻應變片的分類按電阻應變片敏感柵材料的不同，可分為金屬應變片和半導體應變片兩大類。 電阻絲應變片結構形式 任務一 使用電阻應變式傳感器測量力一、電阻應變片的分類與結構2. 電阻應變片的結構電阻應變片的結構簡圖 任務一 使用電阻應變式傳感器測量力一、電阻應變片的分類與結構3. 電阻應變片的測量電路

2、按照電路的電源性質不同，橋式電路可分為直流電橋和交流電橋，一般多采用直流電橋。直流電橋及其三種工作電路如圖所示。 直流電橋及其三種工作電路任務一 使用電阻應變式傳感器測量力一、電阻應變片的分類與結構（1）單臂半橋電路)(4332110RRRRRREU當電橋平衡時，U0=0，則有4321RRRR任務一 使用電阻應變式傳感器測量力一、電阻應變片的分類與結構（2）雙臂半橋電路1102RREU初始時4321,RRRR，則輸出電壓為U0 任務一 使用電阻應變式傳感器測量力一、電阻應變片的分類與結構（3）四臂全橋電路110RREU任務一 使用電阻應變式傳感器測量力二、電阻應變式傳感器組件電阻應變式傳感器由

3、彈性敏感元件、電阻應變片（計）、補償電阻和外殼組成，常用的電阻應變式傳感器有應變式測力傳感器、應變式壓力傳感器、應變式扭矩傳感器、應變式位移傳感器、應變式加速度傳感器和測溫應變計等 任務一 使用電阻應變式傳感器測量力二、電阻應變式傳感器組件1. 筒式壓力傳感器 沒有壓力作用時，這四片應變片構成的全橋處于平衡；當外部壓力作用于應變管內腔時，圓管發(fā)生形變，使全橋失去平衡。這種壓力傳感器測量范圍在106Pa107Pa或更高的范圍。其結構簡單，制作方便，使用面寬，在測量火炮、炮彈、火箭的動態(tài)壓力方面得到了廣泛應用。任務一 使用電阻應變式傳感器測量力二、電阻應變式傳感器組件2. 膜片壓力式傳感器 當氣體

4、或液體壓力作用在彈性元件膜片的承壓面上時，膜片變形，使粘貼在膜片另一面的電阻應變片隨之形變，并改變阻值。這時測量電路中的電橋失去平衡，產生輸出電壓。任務一 使用電阻應變式傳感器測量力二、電阻應變式傳感器組件3. 組合式壓力傳感器 當元件感受壓力后，推動推桿使梁變形，從而使電阻應變片隨之變形，并改變阻值。懸臂梁的剛性較大，用于組合式壓力傳感器，可以提高測量的穩(wěn)定性，減小機械滯后。任務一 使用電阻應變式傳感器測量力二、電阻應變式傳感器組件4. 力和轉矩傳感器 拉伸應力作用下的細長桿和壓縮應力作用下的短粗圓柱體如圖（a）、（b）所示。測量時都可以在軸向布置一個或幾個應變片，在圓周方向上布置同樣數目的

5、應變片。后者測量符號相反的橫向應變，從而構成差動式。另一種彎曲梁和扭轉軸上的應變片也均可構成差動式，如圖（c）、（d）所示。此外，用環(huán)狀彈性敏感元件測拉（壓）力也是較普遍的，如圖（e）所示。任務一 使用電阻應變式傳感器測量力二、電阻應變式傳感器組件5. 應變式加速度傳感器 應變式加速度傳感器是一種慣性式傳感器。測量時，根據所測振動體的方向，將傳感器粘貼在被測部位。當被測點的加速度沿圖中所示箭頭方向時，懸臂梁自由端受慣性力F=ma的作用，質量塊m向加速度a相反的方向相對于基座運動，使梁發(fā)生彎曲變形，應變片電阻發(fā)生變化，產生輸出信號，輸出信號大小與加速度成正比。任務一 使用電阻應變式傳感器測量力實

6、踐操作簡易電子秤的制作左邊相鄰臂R1、R3分別為刮胡刀片上、下面粘貼的金屬應變片，當刮胡刀片在向下拉力作用下發(fā)生彎曲時，凸面粘貼的應變片被拉長，電阻值增加，凹面應變片則被壓縮，電阻值減小，這種應變片使用方法不僅使電橋輸出電壓增加一倍，還具有溫度補償作用。電橋測量電路右邊的兩個相鄰臂分別為電阻器R2和電橋平衡零點調節(jié)電路，后者由電阻器R4、R5、R6和零點調節(jié)電位器RP2混聯而成。調節(jié)RP2時，其等效電阻值變化范圍減小到125160，可以實現電橋平衡精密調節(jié)。電橋檢測部分由數字微安表PA和靈敏度調節(jié)電位器RP1串聯而成。電橋電路采用直流電源E供電，電壓為3V，電橋輸出小于9mV時，傳感器稱重線性

7、良好。任務一 使用電阻應變式傳感器測量力實踐操作簡易電子秤的制作名稱型號數量名稱型號數量鐵架臺、燒瓶夾 1副檢測面板微安表PA量程199.9A1刮胡刀片 若干直流電源3V/6V各一個透明塑料杯 若干電阻1501502膠水 1電阻1002金屬箔式應變片1202電阻471細塑料套管若干電位器1.5k1棉紗線若干電位器1001砝碼520g若干導線 若干主要實驗器材任務一 使用電阻應變式傳感器測量力實踐操作簡易電子秤的制作制作步驟1）應變片選用如上圖3-2所示的金屬箔狀應變片，其兩條金屬引出線分別套上細塑料套管，用502膠水把兩片應變片分別貼在刮胡刀片（1/2片）正、反面的中心位置上，要求膠水要涂得均

8、勻且薄，多用反而不好。注意防止將電阻片的引線也粘在刀片上。敏感柵的縱軸應與刀片縱向一致。稱重傳感器的裝配側視圖如圖所示。任務一 使用電阻應變式傳感器測量力實踐操作簡易電子秤的制作制作步驟2）安裝好鐵架臺，并用燒瓶夾固定住刮胡刀片傳感頭根部及上面的引線，另一端懸空，吊掛好用棉紗線及塑料水杯制成的“吊斗”。3）按圖連接好電路。4）接通電源E并穩(wěn)定一段時間后，將靈敏度調節(jié)電位器RP1的電阻值逐漸調至最小，此時電橋檢測靈敏度最高。5）再仔細調節(jié)零點電位器RP2，使數字微安表PA的讀數恰好為零，此時電橋平衡。6）在“吊斗”中輕輕放入20g砝碼，調節(jié)靈敏度電位器RP1，使檢測面板微安表讀數為一個整數值，如

9、2.0A，靈敏度標定為0.1A/g。任務一 使用電阻應變式傳感器測量力實踐操作簡易電子秤的制作制作步驟7）檢測電子秤的稱量線性，在“吊斗”內繼續(xù)放入多個20g砝碼，檢測面板表分別顯示4.0A、6.0A、8.0A，說明傳感器測力線性好。將稱重砝碼總質量與電流的關系填入下表。砝碼重/g 電流/A 8）若電子秤實驗電路靈敏度達不到0.1A/g，則將電橋的供電電壓提升到4.56V，可大大增加其靈敏度。任務二 使用壓電式傳感器測量壓力任務導入認識身邊的壓電式傳感器任務二 使用壓電式傳感器測量壓力 一、壓電式傳感器的分類任務二 使用壓電式傳感器測量壓力二、壓電效應及壓電材料 某些晶體受一定方向外力作用而發(fā)

10、生機械變形時，相應地在一定的晶體表面產生符號相反的電荷，外力去掉后，電荷消失。力的方向改變時，電荷的符號也隨之改變，這種現象稱為壓電效應（正壓電效應）。 具有壓電效應的晶體稱為壓電晶體，又稱壓電材料或壓電元件。 壓電材料還具有與此效應相反的效應，即當晶體帶電或處于電場中時，晶體的體積將產生伸長或縮短變化，這種現象稱為電致伸縮效應或逆壓電效應。因此，壓電效應屬于可逆效應。 用于傳感器的壓電材料或元件一般有壓電晶體（如石英晶體）、壓電陶瓷（如鈦酸鋇）和高分子壓電材料三類。任務二 使用壓電式傳感器測量壓力二、壓電效應及壓電材料1. 石英晶體的壓電效應 天然結構的石英晶體呈六角形晶柱，如圖所示，在它上

11、面有三個坐標軸，石英晶體中間棱柱斷面的下半部分，其斷面為正六面形。z軸是晶體的對稱軸，稱它為光軸。在該軸方向沒有壓電效應，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。任務二 使用壓電式傳感器測量壓力二、壓電效應及壓電材料1. 石英晶體的壓電效應 如果從石英晶體上切割出一個平行六面體，如圖（b）右圖所示，稱為壓電晶片，在垂直于光軸的力（FY或FX）作用下，晶體會發(fā)生極化現象，并且其極化矢量是沿著電軸。即電荷出現在垂直于電軸的平面上。任務二 使用壓電式傳感器測量壓力二、壓電效應及壓電材料1. 石英晶體的壓電效應 若沿晶片的X軸施加壓力

12、FX，則在加壓的兩表面上分別出現正負電荷，如圖（a）所示。若沿晶片的Y軸施加壓力FY時，則在加壓的表面上不出現電荷，電荷仍出現在垂直X軸的表面上，只是電荷的極性相反。如圖（c）所示，若將X 、Y軸方向施加的壓力改為拉力，則產生電荷的位置不變，只是電荷的極性相反。如圖（b）、（d）所示。值得注意的是縱向壓電效應與元件尺寸無關，而橫向壓電效應與元件尺寸有關。任務二 使用壓電式傳感器測量壓力二、壓電效應及壓電材料2. 壓電陶瓷 原始的壓電陶瓷內極化強度為零，呈電中性，不具有壓電特性。如圖（a）所示，一旦在陶瓷上施加外電場，電疇的極化方向發(fā)生轉動，趨向于按外電場方向的排列，從而使材料得到極化。外電場越

13、強，就有更多的電疇更完全地轉向外電場方向。當外電場強大到致使材料的極化達到飽和的程度，即所有電疇極化方向都整齊地與外電場方向一致時，去掉外電場，電疇的極化方向基本不變化，即剩余極化強度很大，這時的材料才具有壓電特性，如圖（b）所示。任務二 使用壓電式傳感器測量壓力二、壓電效應及壓電材料2. 壓電陶瓷 極化處理后陶瓷材料內部存在有很強的剩余極化，當陶瓷材料受到外力作用時。電疇的界限發(fā)生移動，電疇發(fā)生偏轉，從而引起剩余極化強度的變化，因而在垂直于極化方向的平面上將出現極化電荷的變化。如圖所示，即極化面上將出現極化電荷的變化。這種因受力而產生的由機械效應轉變?yōu)殡娦?，將機械能轉變?yōu)殡娔艿默F象，就是壓

14、電陶瓷的正壓電效應。電荷量的大小與外力成正比關系。任務二 使用壓電式傳感器測量壓力二、壓電效應及壓電材料3. 高分子壓電材料的壓電效應 典型的高分子壓電材料有聚偏二氟乙烯（PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氟乙烯（PVC）等。高分子壓電材料有很強的壓電特性，同時還具有類似鐵電晶體的遲滯特性和熱釋電特性，因此廣泛應用于壓力、加速度、溫度和無損檢測等測量場合。如圖將高分子壓電電纜埋在公路上，即可獲取車型的分類信息（包括軸數、軸距、輪距）、車速監(jiān)測、收費站地磅、交通數據信息采集等。任務二 使用壓電式傳感器測量壓力三、壓電式傳感器的結構壓電元件有串聯和并聯兩種接法任務二 使用壓電式傳感器測量壓力三

15、、壓電式傳感器的結構如圖所示給出了壓電元件的結構與組合形式。按壓電元件形狀分，有圓形、長方形、片狀形、柱形和球殼形；按元件數分，有單晶片、雙晶片和多晶片；按極性連接方式分，有串聯如圖（a）所示，和并聯如圖3-25（f）（i）所示。任務二 使用壓電式傳感器測量壓力四、壓電式傳感器的應用傳感器類型轉換方式壓電材料用途力敏力電石英晶體、羅思鹽、ZnO、BaTiO3、PZT、PMS、電致伸縮材料微拾音器、聲納、應變儀、氣體點火器、血壓計、壓電陀螺、壓力和加速度傳感器聲敏聲電石英晶體、壓電陶瓷振動器、微音器、超聲波探測器、助聽器聲壓聲光PbMoO4、PbYiO3、LiNbO3聲光效應器件光敏光電LiTa

16、O3、PbTiO3熱電紅外線探測器熱敏熱電BaTiO3、LiTaO3、PbTiO3、TGS、PZO溫度計壓電式傳感器的主要應用類型任務二 使用壓電式傳感器測量壓力四、壓電式傳感器的應用1. 壓電式測力傳感器 壓電式測力傳感器是以壓電元件為轉換元件，輸出電荷與作用力成正比的力電轉換裝置。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組成。如圖所示的是一種壓電式單向力傳感器的結構，它主要用于頻率變化不太高的動態(tài)力的測量。任務二 使用壓電式傳感器測量壓力四、壓電式傳感器的應用2. 壓電式加速度傳感器 當加速度傳感器和被測物一起受到沖擊振動時，壓電元件受質量塊慣性力的作用，根據牛

17、頓第二定律，此慣性力是加速度的函數，即F=ma，此慣性力F作用于壓電元件上，因而產生電荷q，當傳感器選定后，m為常數，則傳感器輸出電荷為q=F=ma，電荷q與加速度a成正比。因此，測得加速度傳感器輸出的電荷便可知加速度的大小。任務二 使用壓電式傳感器測量壓力四、壓電式傳感器的應用3. 壓電式金屬加工切削力的測量 右圖所示是利用壓電陶瓷傳感器測量刀具切削力的示意圖。由于壓電陶瓷元件的自振動頻率高，特別適合測量變化劇烈的載荷。圖中壓電傳感器位于車刀前部的下方，當進行切削加工時，切削力通過刀具傳給壓電傳感器，壓電傳感器將切削力轉換為電信號輸出，記錄下電信號的變化可測得切削力的變化。任務二 使用壓電式

18、傳感器測量壓力四、壓電式傳感器的應用4. 壓電式玻璃破碎報警器 BS-D2壓電式傳感器是專門用于檢測玻璃破碎的一種傳感器，它利用壓電元件對振動敏感的特性來感知玻璃受撞擊和破碎時產生的振動波。傳感器把震動波轉換成電壓輸出，輸出電壓經過放大、濾波、比較等處理后提供給報警系統(tǒng)。BS-D2壓電式玻璃破碎傳感器的外形及內部電路如圖所示。傳感器的最小輸出電壓為100mV，最大輸出電壓為100V，內阻抗為1520k。任務二 使用壓電式傳感器測量壓力四、壓電式傳感器的應用5. 壓電式雨滴傳感器 壓電式雨滴傳感器由振動板、壓電元件、放大電器、殼體及阻尼橡膠構成，如圖所示。任務二 使用壓電式傳感器測量壓力四、壓電式傳感器的應用5. 壓電式雨滴傳感器 當雨滴落到振動板上時，壓電元件產生電壓大小與加到振動板上的雨滴能量成正比，一般為5mV至300mV。放大電路將壓電元件上產生的電壓信號放大后再輸入到刮水器的放大器中，驅動刮水器工作。任務二 使用壓電式傳感器測量壓力四、壓電式傳感器的應用6. 集成壓電傳感器 產品采用壓電薄膜作為換能材料，動態(tài)壓力信號通過薄膜變成