傳感器與檢測(cè)技術(shù)第三章力、扭矩和壓力傳感器

1、傳感器與檢測(cè)技術(shù)第三章力、扭矩和壓力傳感器 壓電式傳感器是一種典型的有源(發(fā)電型)傳感器，以電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，外力作用下在電介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量。 壓電式傳感器可以對(duì)各種動(dòng)態(tài)力、壓力、加速度、機(jī)械沖擊和振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，在聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)和航空航天方面都得到廣泛的應(yīng)用。壓電陶瓷位移器壓電陶瓷超聲換能器壓電加速度計(jì)壓電警號(hào)壓電傳感元件是力敏感元件，所以它能測(cè)量最終能變換為力的那些物理量，例如力、壓力、加速度等。壓電式傳感器具有響應(yīng)頻帶寬、靈敏度高、信噪比大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。正壓電效應(yīng)（順壓電效應(yīng)）：某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化

2、現(xiàn)象，同時(shí)在它的一定表面上產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象。當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷極性也隨著改變。正（順）壓電效應(yīng)示意圖1.壓電效應(yīng)F FFF 逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）：當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)就在一定方向上產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械壓力，當(dāng)外加電場(chǎng)撤去時(shí)，這些變形或應(yīng)力也隨之消失的現(xiàn)象。電能機(jī)械能正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)1.壓電效應(yīng) 常見(jiàn)的壓電材料可分為兩類(lèi)，即壓電單晶體和多晶體壓電陶瓷。 壓電單晶體有石英(包括天然石英和人造石英)、水溶性壓電晶體(包括酒石酸鉀鈉、酒石酸乙烯二銨、酒石酸二鉀、硫酸錘等)；多晶體壓電陶瓷有鈦酸鋇壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷、鈮酸鹽系壓

3、電陶瓷和鈮鎂酸鉛壓電陶瓷等。2.壓電晶體及材料對(duì)壓電材料特性要求轉(zhuǎn)換性能。要求具有較大壓電常數(shù)。機(jī)械性能。壓電元件作為受力元件，希望它的機(jī)械強(qiáng)度高、剛度大，以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動(dòng)頻率。電性能。希望具有高電阻率和大介電常數(shù)，以減弱外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性。環(huán)境適應(yīng)性。溫度和濕度穩(wěn)定性要好，要求具有較高的居里點(diǎn)，獲得較寬的工作溫度范圍。時(shí)間穩(wěn)定性。要求壓電性能不隨時(shí)間變化。 如圖所示為天然石英晶體，其結(jié)構(gòu)形狀為一個(gè)六角形晶柱，兩端為一對(duì)稱(chēng)棱錐。2.壓電晶體及材料石英晶體天然形成的石英晶體外形2.壓電晶體及材料天然形成的石英晶體外形在晶體學(xué)中，可以把將其用三根互相垂直的軸表

4、示，其中，縱軸Z稱(chēng)為光軸，光線沿Z軸方向通過(guò)晶體不發(fā)生雙折射，此軸可用光學(xué)方法確定。沿光軸的作用力不產(chǎn)生壓電效應(yīng)，故又稱(chēng)作中性軸。X軸稱(chēng)為電軸，它通過(guò)兩個(gè)相對(duì)的棱線，是相鄰柱面內(nèi)夾角的等分線并且要與Z軸垂直。垂直與此軸的晶面上有最強(qiáng)的壓電效應(yīng)。垂直于XOZ平面的y軸為機(jī)械軸，在電場(chǎng)作用下，y軸方向有最明顯的機(jī)械變形。ZXY(a)(b)石英晶體(a)理想石英晶體的外形 (b)坐標(biāo)系ZYX通常把沿電軸XX方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱(chēng)為“縱向壓電效應(yīng)”，而把沿機(jī)械軸YY方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱(chēng)為“橫向壓電效應(yīng)”，沿光軸ZZ方向受力則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。2.壓電晶體及材料硅氧離子的排列示意

5、圖(a) 硅氧離子在Z平面上的投影（b）等效為正六邊形排列的投影(b)(a)+-YXXY+2.壓電晶體及材料Y+-X(a) FX=0P1P2P3FXXY+FX(b) FX0Y+-X-+FXFXP2P3P1+電偶極矩分析2.壓電晶體及材料電偶極矩分析電偶極矩電偶極矩分析電偶極矩電偶極矩 石英晶體的上述特征與內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)有關(guān)： 當(dāng)晶體不受力時(shí)F=0，正負(fù)離子分布在六邊形頂角，電偶 極矩， 晶體呈中性； 當(dāng)晶體受沿X軸方向的應(yīng)力時(shí)，X方向壓縮形變，電偶極矩 在X軸的正方向出現(xiàn)正電荷； 當(dāng)晶體受沿Y軸方向的應(yīng)力時(shí)，Y方向壓縮形變，電偶極矩 在X軸的正方向出現(xiàn)負(fù)電荷； 歸納：作用力與電荷的關(guān)系（a）yx

6、zOxazybc（b） 若從晶體上沿y方向切下一塊如圖5-6（a）所示的晶片，當(dāng)沿電軸x方向施加應(yīng)力x時(shí)，晶片將產(chǎn)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)，極化強(qiáng)度P11與應(yīng)力x 成正比。 壓電元件受力后,表面電荷與外力成正比關(guān)系: d為壓電系數(shù)在X軸方向施力時(shí),產(chǎn)生電荷大小為: 1為X方向應(yīng)力在Y軸方向施力時(shí),產(chǎn)生電荷大小為: 2為Y方向應(yīng)力壓電系數(shù) d11=-d12 為常數(shù) a 、b是晶體切片幾何尺寸(厚、長(zhǎng)) 關(guān)系式：壓電石英晶體的特點(diǎn)：壓電常數(shù)小，其時(shí)間和溫度穩(wěn)定性好，常溫下幾乎不變。機(jī)械強(qiáng)度和品質(zhì)因數(shù)高，許用應(yīng)力高達(dá)（）107MPa，且剛度大，固有頻率高，動(dòng)態(tài)特性好。居里點(diǎn)為

7、573，重復(fù)性好、絕緣性好。 對(duì)于天然石英，上述性能尤佳，它們常用于精度和穩(wěn)定性要求高的場(chǎng)合和制作標(biāo)準(zhǔn)傳感器。壓電陶瓷壓電陶瓷諧波器 超聲波醫(yī)學(xué)壓電陶瓷晶片 壓電陶瓷蜂鳴器 打火用壓電陶瓷壓電陶瓷陶瓷壓電效應(yīng)陶瓷壓電逆效應(yīng)3.壓電元件及其晶片連接方法+_U_+ + + + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ + + + + + + + + + + +_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _電路串聯(lián)+_+_U電路并聯(lián)+ + + + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _+ +

8、 + + + + + + + + + C串=C/2，U串=2U，Q串=QC并=2C，U并=U，Q并=2Q3.壓電元件及其晶片連接方法采用串聯(lián)方式傳感器本身電容小，輸出電壓大，適用于以電壓作為輸出信號(hào)的場(chǎng)合。采用并聯(lián)方式傳感器本身的電容大，輸出電荷量大，時(shí)間常數(shù)大，適用于測(cè)量緩慢信號(hào)和以電荷作為輸出的場(chǎng)合。4.壓電式傳感器的等效電路和前置放大器（1）等效電路當(dāng)壓電晶體承受應(yīng)力作用時(shí)，在它的兩個(gè)極面上出現(xiàn)極性相反但電量相等的電荷。故可把壓電傳感器看成一個(gè)電荷源。當(dāng)壓電元件表面聚集電荷時(shí)，它又相當(dāng)于一個(gè)以壓電材料為電解質(zhì)的電容器。QCa4.壓電式傳感器的等效電路和前置放大器（1）等效電路因此，可以把

9、壓電式傳感器等效為一個(gè)電荷源與電容相并聯(lián)的電荷等效電路。如下圖所示。開(kāi)路狀態(tài)輸出電荷為4.壓電式傳感器的等效電路和前置放大器當(dāng)兩極板聚集異性電荷時(shí)，板間就呈現(xiàn)出一定的電壓，其大小為： 因此，壓電傳感器還可以等效為電壓源Ua和一個(gè)電容器Ca的串聯(lián)電路，如圖 。實(shí)際使用時(shí)，壓電傳感器通過(guò)導(dǎo)線與測(cè)量?jī)x器相連接，連接導(dǎo)線的等效電容CC、前置放大器的輸入電阻Ri、輸入電容Ci對(duì)電路的影響就必須一起考慮進(jìn)去。壓電元件并非理想原件，內(nèi)部存在泄露電阻Ra，壓電傳感器完整的等效電路可表示為：4.壓電式傳感器的等效電路和前置放大器CaRaCcRiCiq壓電傳感器的完整等效電路Ca傳感器的固有電容Ci 前置放大器輸

10、入電容 Cc 連線電容Ra傳感器的漏電阻Ri前置放大器輸入電阻可見(jiàn)，壓電傳感器的泄露電阻Ra與前置放大器的輸入電阻Ri相并聯(lián)。為保證傳感器和測(cè)試系統(tǒng)有一定的低頻或準(zhǔn)靜態(tài)響應(yīng)，要求壓電傳感器泄露電阻應(yīng)保待在1013以上，才能使內(nèi)部電荷泄漏減少到滿足一般測(cè)試精度的要求。與上相適應(yīng)，測(cè)試系統(tǒng)則應(yīng)有較大的時(shí)間常數(shù)，亦即前置放大器要有相當(dāng)高的輸入阻抗，否則傳感器的信號(hào)電荷將通過(guò)輸入電路泄漏，即產(chǎn)生測(cè)量誤差。 CaRaCcRiCiqCa傳感器的固有電容Ci 前置放大器輸入電容 Cc 連線電容Ra傳感器的漏電阻Ri前置放大器輸入電阻由于壓電式傳感器的輸出電信號(hào)很微弱，通常先把傳感器信號(hào)先輸入到高輸入阻抗的前

11、置放大器中，經(jīng)過(guò)阻抗交換以后，方可用一般的放大檢波電路再將信號(hào)輸入到指示儀表或記錄器中。(其中，測(cè)量電路的關(guān)鍵在于高阻抗輸入的前置放大器。）4.壓電式傳感器的等效電路和前置放大器前置放大器的作用：一是將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；二是放大傳感器輸出的微弱電信號(hào)。 前置放大器電路有兩種形式：一是用電阻反饋的電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓(即傳感器的輸出)成正比；另一種是用帶電容板反饋的電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。由于電荷放大器電路的電纜長(zhǎng)度變化的影響不大，幾乎可以忽略不計(jì)，故而電荷放大器應(yīng)用日益廣泛。4.壓電式傳感器的等效電路和前置放大器1、電壓放大器其輸入電壓導(dǎo)致電壓放大

12、器輸入電壓與屏蔽電纜線的分布電容Cc以及放大器的輸入電容Ci有關(guān)，他們均是變數(shù)，會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。1、電壓放大器可見(jiàn)：連接電纜不宜太長(zhǎng)，而且也不能隨意更換電纜，否則會(huì)使傳感器實(shí)際靈敏度與出廠標(biāo)定靈敏度不一致，從而導(dǎo)致測(cè)量誤差。Cc以及放大器的輸入電容Ci有關(guān)，他們均是變數(shù)，會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。2、電荷放大器A0CaUUSC電荷放大器原理電路圖iRaqCFRF電荷放大器是一個(gè)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(kāi)環(huán)增益A0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(méi)有分流，運(yùn)算電流僅流入反饋回路CF與RF?？梢?jiàn)： 電荷放大器中，輸出電壓與電纜電容Cc無(wú)關(guān)，與Q成正比，與C

13、f成反比，這是電荷放大器的突出優(yōu)點(diǎn)。 缺點(diǎn)是電路復(fù)雜，價(jià)格昂貴，使用電荷放大器，電纜長(zhǎng)度變化影響可忽略，并且允許使用長(zhǎng)電纜工作。四通道電荷放大器外形 .超小型電荷放大器模塊 主要指標(biāo):靈 敏 度：1、10、100mV/pC(任選一檔)頻率范圍：100KHz(上、下限可選)噪聲(最大靈敏度)：輸出端小于1mV歸 一 化：外接電阻調(diào)整線性誤差：1%最大輸出：5V或10V電源：6V15V 特點(diǎn)：可組成經(jīng)濟(jì)的多點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)其他電荷放大器外形面板式電荷放大器其他電荷放大器外形（續(xù)）壓電傳感器的應(yīng)用 一、高分子壓電材料的應(yīng)用 1. 玻璃打碎報(bào)警裝置粘貼位置質(zhì)量塊 將厚約左右的PVDF薄膜裁制成1020mm大

14、小。在它的正反兩面各噴涂透明的二氧化錫導(dǎo)電電極，再用超聲波焊接上兩根柔軟的電極引線。并用保護(hù)膜覆蓋。 使用時(shí)，用瞬干膠將其粘貼在玻璃上。當(dāng)玻璃遭暴力打碎的瞬間，壓電薄膜感受到劇烈振動(dòng)，表面產(chǎn)生電荷Q ，在兩個(gè)輸出引腳之間產(chǎn)生窄脈沖報(bào)警信號(hào)。2壓電式周界報(bào)警系統(tǒng)（用于重要位置出入口、周界安全防護(hù)等） 將長(zhǎng)的壓電電纜埋在泥土的淺表層，可起分布式地下麥克風(fēng)或聽(tīng)音器的作用，可在幾十米范圍內(nèi)探測(cè)人的步行, 對(duì)輪式或履帶式車(chē)輛也可以通過(guò)信號(hào)處理系統(tǒng)分辨出來(lái)。右圖為測(cè)量系統(tǒng)的輸出波形。 將高分子壓電電纜埋在公路上，可以獲取車(chē)型分類(lèi)信息（包括軸數(shù)、軸距、輪距、單雙輪胎）、車(chē)速監(jiān)測(cè)、收費(fèi)站地磅、闖紅燈拍照、停車(chē)

15、區(qū)域監(jiān)控、交通數(shù)據(jù)信息采集（道路監(jiān)控）及機(jī)場(chǎng)滑行道等。3.交通監(jiān)測(cè) 將兩根高分子壓電電纜相距若干米，平行埋設(shè)于柏油公路的路面下約5cm，可以用來(lái)測(cè)量車(chē)速及汽車(chē)的載重量，并根據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的檔案數(shù)據(jù)，判定汽車(chē)的車(chē)型。 高分子壓電電纜的應(yīng)用演示壓電(陶瓷)式動(dòng)態(tài)力傳感器以及在 車(chē)床中用于動(dòng)態(tài)切削力的測(cè)量 壓電式動(dòng)態(tài)力傳感器在體育動(dòng)態(tài)測(cè)量中的應(yīng)用壓電式步態(tài)分析跑臺(tái)壓電式縱跳訓(xùn)練分析裝置壓電傳感器測(cè)量雙腿跳的動(dòng)態(tài)力三、壓磁式傳感器1.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)率發(fā)生變化，磁阻相應(yīng)也發(fā)生變化的現(xiàn)象稱(chēng)為壓磁效應(yīng)外力是拉力時(shí)，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(shí)，則反之。三、壓磁式傳感器1.壓磁效應(yīng)壓磁元件結(jié)構(gòu)如右圖。它把若干片形狀相同的硅鋼片疊合在一起，并用環(huán)氧樹(shù)脂將片與片之間粘合起來(lái)，在壓磁元件上開(kāi)四個(gè)對(duì)稱(chēng)的孔，并分別繞有兩個(gè)繞組。一般把1、2孔的繞組作為一次側(cè)繞組，把3、4孔的繞組作為二次側(cè)繞組。三、壓磁式傳感器2.壓磁式力傳感器工作原理根據(jù)壓磁效應(yīng)原理，當(dāng)在一次側(cè)繞組通過(guò)交變勵(lì)磁電流時(shí)，鐵心中產(chǎn)生磁場(chǎng)，由于壓磁元件在未受力時(shí)各向同性，磁力線呈軸對(duì)