傳感器力和壓力的檢測

1、傳感器力和壓力的檢測第1頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日項目三、力與壓力的檢測項目描述 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)過程中，壓力檢測與調(diào)節(jié)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;在航空發(fā)動機試驗研究中，為了研究發(fā)動機性能，必須測量過渡態(tài)的壓力變化；電力系統(tǒng)中油路壓力的測量和控制等。對壓力監(jiān)控是保證工藝要求、生產(chǎn)設(shè)備和人身安全，實現(xiàn)經(jīng)濟運行所必須的。 檢測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，本項目主要介紹電阻

2、應(yīng)變式和壓電式測力傳感器。第2頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日技能要點 學(xué)會識別一般的電阻應(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本結(jié)構(gòu)和材料，通過實驗掌握電阻應(yīng)變式傳感器的使用方法，掌握電阻應(yīng)變式傳感器測量電路的調(diào)試方法。第3頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日 知識要點 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度，熟悉電阻應(yīng)變片的溫度補償方法。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。第4頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日單元一 電阻應(yīng)變片測力單

3、元目標(biāo)：通過本訓(xùn)練熟悉電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)和種類，掌握應(yīng)變片測量力的工作原理，掌握直流電橋的工作原理和有關(guān)特性，熟悉電阻 應(yīng)變式傳感器測量電路 的工作調(diào)零和調(diào)節(jié) 靈敏度的方法。第5頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日任務(wù)一：認(rèn)識應(yīng)變片及彈性敏感元件 電阻應(yīng)變片（也稱應(yīng)變計或應(yīng)變片）是電阻應(yīng)變式傳感器的核心元件，它是一種電阻傳感器，主要由彈性敏感元件或試件、電阻應(yīng)變片和測量轉(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)變式傳感器可以直接測量力，也可以間接測量位移、形變、加速度等參數(shù)。常用的電阻應(yīng)變片有電阻絲應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片

4、兩種。第6頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日 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)，即導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下產(chǎn)生機械形變時，其電阻值相應(yīng)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為“應(yīng)變效應(yīng)”。 由電工學(xué)可知，金屬絲電阻R可用下式表示：式中 電阻率，m； l電阻絲長度，m； A電阻絲截面積，m2。（31）第7頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日 當(dāng)沿金屬絲的長度方向施加均勻力時，上式中、r、l 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：金屬絲受外力作用而伸長時，長度增加，而截面積減少，電阻值會增大；當(dāng)金屬絲受外力作用而壓縮時，長度減小，而截

5、面增加，電阻值會減小。阻值變化通常較小。第8頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日活動1: 理解應(yīng)變效應(yīng) 取一根細電阻絲，兩端接上一臺3 1/2位數(shù)字式歐姆表（分辨率為1/2000），記下其初始阻值（ ）。當(dāng)我們用力將該電阻絲拉長時，會發(fā)現(xiàn)其阻值略有增加為（ ）。測量應(yīng)力、應(yīng)變、力的傳感器就是利用類似的原理制作的。第9頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日 實驗證明，電阻應(yīng)變片的電阻應(yīng)變R=R/R與電阻應(yīng)變片的縱向應(yīng)變x的關(guān)系在很大范圍內(nèi)是線性的，即（32）式中 R/ R 電阻應(yīng)變片的電阻應(yīng)變；K 電阻絲的靈敏度。第10頁，共83頁，2022年，5月20

6、日，21點24分，星期日 式（3-2）中的R代表了被測件在應(yīng)變片的應(yīng)變。嚴(yán)格來講，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，就是靈敏度低,一般為 2.03.6。第11頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日圖3-1 電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)簡圖 電阻應(yīng)變片的典型結(jié)構(gòu)如圖3-1所示，由敏感柵、基底、覆蓋層和引線等部分組成。二、電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)、材料 電阻應(yīng)變片的典型結(jié)構(gòu)如圖3-1所示，由敏感柵、基底、覆蓋層和引線等部分組成。第12頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日 無論哪種形式的

7、金屬應(yīng)變片，對敏感柵的金屬材料都有以下基本要求：1.靈敏系數(shù)要大，且在所測應(yīng)變范圍內(nèi)保持不變；2. 要大而穩(wěn)定，以便于縮短敏感柵長度；3.抗氧化、耐腐蝕性好，具有良好的焊接性能；4.電阻溫度系數(shù)要??；5. 機械強度高，具有優(yōu)良的機械加工性能。第13頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日三、電阻應(yīng)變片的分類 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。如圖3-2為 幾種不同類型的電阻應(yīng)變片。 圖3-2 電阻絲應(yīng)變片結(jié)構(gòu)形式.（a)絲式應(yīng)變片；(b)箔式應(yīng)變片；(c)半導(dǎo)體應(yīng)變片1基底；2應(yīng)變絲或半導(dǎo)體；3引出線；4焊接電極；5外引線第14頁，共83頁，2

8、022年，5月20日，21點24分，星期日四、電阻應(yīng)變片的測量電路（一） 直流電橋平衡條件當(dāng)RL時，電橋輸出電壓為第15頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日（二） 電壓靈敏度 R1為電阻應(yīng)變片，R2、R3、R4為電橋固定電阻，這就構(gòu)成了單臂電橋。 (3-5)第16頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日n=1時，為最大值 當(dāng)電源電壓E和電阻相對變化量一定時，電橋的輸出電壓也是定值，與各橋臂電阻阻值大小無關(guān)。(3-6)(3-7)第17頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日（三） 非線性誤差及其補償方法 圖3-4 差動電橋(a)半橋; (

9、b) 全橋第18頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日2、如圖3-4(b)所示 ，全橋差動電路1、如圖34（a)半橋電橋輸出電壓為 (3-10) (3-9)（3-8） 第19頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日（四） 電阻應(yīng)變片的溫度補償方法1 .補償塊補償法圖3-5 補償塊補償法圖3-5(a) 電橋輸出電壓Uo與橋臂參數(shù)的關(guān)系為(3-11)第20頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日(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，兩個應(yīng)變片因溫度相同而引起的電阻變化量相等，電橋仍

10、處于平衡狀態(tài)，即 若此時被測試件有應(yīng)變的作用，則工作應(yīng)變片電阻R1有新的增量R1，而補償片不承受應(yīng)變，故不產(chǎn)生新的增量，此時電橋輸出電壓為 由上式可知，電橋的輸出電壓Uo僅與被測試件的應(yīng)變電阻有關(guān)，而與環(huán)境溫度無關(guān)。(3-13)(3-14)第21頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日 若要實現(xiàn)完全補償，上述分析過程必須滿足以下4個條件：（1）在應(yīng)變片工作過程中，保證R3=R4。（2）R1和RB兩個應(yīng)變片應(yīng)具有相同的電阻溫度系數(shù)、線膨脹系數(shù)、應(yīng)變靈敏系數(shù)K和初始電阻值Ro。（3）粘貼補償片的補償塊材料和粘貼工作片的被測試件材料必須一樣，兩者線膨脹系數(shù)相同；粘貼工作應(yīng)變片和補償

11、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。第22頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日 2橋路自補償法 當(dāng)測量橋路處于雙臂半橋和全橋工作方式時，電橋相鄰兩臂受溫度影響，同時產(chǎn)生大小相等，符號相同的電阻增量而互相抵消，從而達到橋路溫度自補償?shù)哪康?。?3頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日五、彈性敏感元件的基本特性 物體因外力作用而改變原來的尺寸或形狀稱為變形，如果在外力去掉后能完全恢復(fù)其原來的尺寸和形狀，那么這種變形稱為彈性變形，具有這種特性的物體稱為彈性元件。在傳感器中用于測量的彈性元件稱為彈性敏感元件。第24頁，共83頁，2022年，

12、5月20日，21點24分，星期日 彈性敏感元件的輸入量與輸出量之間的關(guān)系稱為彈性敏感元件的基本特性。彈性敏感元件的基本特性包括剛度、靈敏度、彈性滯后和彈性后效等。1.剛度 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。(或壓力)其表達式為第25頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日 2.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)時所產(chǎn)生的變形大小，一般用K表示，即(3-16)第26頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日 3常見的彈性敏感元件的類型（1）彈簧管常見的壓力彈簧管有單圈彈簧管（又稱包端管、波登管或C型管）

13、、多圈（螺旋）彈簧管和S型彈簧管。 彈簧管的結(jié)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，其開口端與接口焊接在一起，其自由端封閉。當(dāng)被測壓力的介質(zhì)進入彈簧管內(nèi)腔時，其自由端產(chǎn)生位移，此位移通過傳動放大機構(gòu)帶動指針，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量。第27頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日 （2）膜片及膜盒膜片是一種沿外緣固定的片形測壓彈性敏感元件，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，多用于測量變動壓力，在遠傳壓力表和差壓變

14、送器上常見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，其波紋的數(shù)目、形狀、尺寸及分布視膜片用途與測量范圍而定。膜盒是將兩個金屬膜片對合，并將其外緣焊接而成的測壓彈性敏感元件。膜盒按內(nèi)腔與大氣是否連通分為開口、閉口兩類，并可根據(jù)不同需要，以不同方式將多個膜盒串聯(lián)在一起，組成膜盒組。 第28頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日（3）波紋管波紋管是一種具有軸對稱、圓筒形、等間距環(huán)狀波紋、能沿軸向伸縮的測壓彈性敏感元件。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。第29頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，

15、星期日活動2： 認(rèn)識幾個彈性敏感元件圖3-7 金屬波紋管 第30頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日第31頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日活動3： 認(rèn)識減壓閥圖3-10 減壓閥結(jié)構(gòu)圖第32頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日六、電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用 圖3-11 電阻應(yīng)變式紗線張力測試裝置 1、電阻應(yīng)變式紗線張力測量 在紗線加工過程中，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。此電壓信號再經(jīng)動態(tài)電阻應(yīng)變儀放大、檢波、濾波

16、后，輸出一個放大的并與應(yīng)變成比例的電壓信號，最終由函數(shù)記錄儀在感光紙上描繪成脈沖圖形。第33頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日圖3-12 筒式壓力傳感器 2、筒式壓力傳感器 當(dāng)被測壓力與應(yīng)變管的內(nèi)腔相通時，應(yīng)變管部分產(chǎn)生應(yīng)變， 在薄壁筒上貼2片應(yīng)變計做工作片，實心部分貼2片應(yīng)變計做溫度補償應(yīng)變片。沒有壓力作用時，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，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或更高的壓力。其結(jié)構(gòu)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(yīng)用。第34頁，共83頁，2022

17、年，5月20日，21點24分，星期日3、膜片壓力式傳感器 測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。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，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。這時測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)變片為溫度補償應(yīng)變片。第35頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日圖3-14組合式壓力式傳感器 4、組合式壓力傳感 組合式壓力傳感器用于測量小壓力，結(jié)構(gòu)圖如圖3-1

18、4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)變計粘貼在梁的跟部感受應(yīng)變。當(dāng)元件感受壓力后，推動推桿使梁變形，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，可以提高測量的穩(wěn)定性，減小機械滯后。第36頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日5、力和扭矩傳感器 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)力作用下的細長桿和壓縮應(yīng)力作用下的短粗圓柱體如圖所示。測量時都可以在軸向布置一個或幾個應(yīng)變片，在圓周方向上布置同樣數(shù)目的應(yīng)變片。后者拾取符號相反的橫向應(yīng)變，從而構(gòu)成差動式。 彎曲梁和扭轉(zhuǎn)軸上的應(yīng)變片也均可購成差分式，如圖c、d

19、 所示。 另外用環(huán)狀彈性敏感元件測拉(壓)力也是較普遍的， 如右圖所示。第37頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日圖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)變式加速度傳感器如圖3-16所示。它由端部固定并帶有慣性質(zhì)量塊m的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。測量時，根據(jù)所測振動體的方向，將傳感器粘貼在被測部位。當(dāng)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(zhì)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(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。第3

20、8頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日活動4： 認(rèn)識幾種應(yīng)變式傳感器第39頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日第40頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日任務(wù)二：了解應(yīng)變片的應(yīng)用活動1：模擬電子稱實驗電路 電子稱是將轉(zhuǎn)換成電信號的稱重傳感器。電子臺秤不僅能快速、準(zhǔn)確地稱出商品的重量，用數(shù)碼顯示出來，而且具有計算器的功能，使用起來更加方便。下面的實驗為模擬電子稱實驗。一、實驗?zāi)康?、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。3、掌握電阻應(yīng)變式傳感器測量電路的調(diào)試方法。第41頁，共83頁，2022年，5月20

21、日，21點24分，星期日 金屬應(yīng)變片傳感器實驗電路二、實驗器材1、鐵架臺2、燒瓶夾3、刮胡刀片4、透明塑料杯 5、502膠水 6、如圖3-17所示金屬箔式應(yīng)變片，標(biāo)稱電阻值為120 2只7、細塑料套管 8、棉紗線9、檢測面板表PA(量程199.9A)10、砝碼 11、3V和6V直流電源12、150電阻 1只 100電阻 2只47電阻 1只13、電位器 1.5K 1只 電位器 10014、導(dǎo)線若干金屬應(yīng)變片傳感器的結(jié)構(gòu)圖第42頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日 三、實驗原理及電路 1、金屬應(yīng)變片傳感器如圖3-17所示 2、測量電路如圖3-18所示 四、實驗步驟 1、金屬箔

22、式應(yīng)變片的兩條金屬引出線分別套上細塑料套管后，用502膠水把兩片應(yīng)變片分別粘貼在刮胡刀片(1/2片)正反中心位置上，敏感柵的縱軸與刀片縱向一致。 2、用鐵架臺上的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，吊掛好棉紗線的“吊斗”。 3、按圖3-18連接好電路。 4、接通電源E穩(wěn)定一段時間后，先將靈敏度調(diào)節(jié)電位器RP1的電阻值調(diào)至最小，此時電橋檢測靈敏度最高。 5、再仔細調(diào)節(jié)零點電位器RP2，使檢測面板表PA的讀數(shù)恰好為零，電橋平衡。第43頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日 6、在“吊斗”中輕輕放入20g砝碼，調(diào)節(jié)靈敏度電位器RP1，使面板表讀數(shù)為一個整數(shù)值，

23、例如2.0A，靈敏度標(biāo)定為0.1A/g。 7、最后，檢測電子秤稱量的線性，在“吊斗”內(nèi)繼續(xù)放入多個20g砝碼，檢測面板表分別顯示4.0、6.0、8.0A，說明傳感器測力線性好。 8、如果電子秤實驗電路靈敏度達不到0.1A/g，可將電橋供電電壓提升到6V，靈敏度倍增。第44頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日知識鞏固一、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)生變化，這種現(xiàn)象稱為（ ）效應(yīng)。 2. 電阻應(yīng)變片在實際應(yīng)用中，常用的兩種補償方法是（ ）和（ ）。 3.如圖3-3所示，電橋平衡條件為（ ）。二、選擇 1. 通常用應(yīng)變式傳感器測量（ ）。 A.溫度 B.密

24、度 C.加速度 D.電阻 2. 電橋測量電路的作用是把傳感器的參數(shù)變化轉(zhuǎn)化為（ ）的輸出。 A.電阻 B.電容 C.電壓 3. 根據(jù)工作橋臂不同，電橋可分為（ ）。 A.半橋單臂 B. 半橋雙臂 C.全橋輸入 D.全選第45頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日三、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。 （ ） 2. 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。（ ）四、簡答題1.什么是應(yīng)變效應(yīng)？2.何謂電阻應(yīng)變傳感器？3.應(yīng)變片為什么要進行溫度補償？第46頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日五、計算題 如圖3-19為

25、一直流應(yīng)變電橋。圖中E=4V，R1=R2=R3=R4=120，試求：（1）R1為金屬應(yīng)變片，其余為外接電阻，當(dāng)R1的增量為R1=1.2時，電橋輸出電壓Uo=？（2）R1、R2都是應(yīng)變片，且批號相同，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Uo=？（3）題（2）中，如果R2與R1感受應(yīng)變的極性相反，且R1=R2=1.2，電橋輸出電壓Uo=？圖3-19直流應(yīng)變電橋第47頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日單元二：壓電傳感器測力單元目標(biāo)：通過本單元的訓(xùn)練，了解壓電元件的材料，熟悉壓電元件的基本工作原理，掌握壓電元件的連接方法，掌握壓電元件的應(yīng)用。第48頁，共83頁

26、，2022年，5月20日，21點24分，星期日任務(wù)一：壓電傳感器測力應(yīng)用訓(xùn)練 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)，是典型的無源傳感器。當(dāng)介質(zhì)材料受力作用而變形時，其表面會產(chǎn)生電荷，由此而實現(xiàn)非電量測量。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，它可測量各種動態(tài)力，也可測量最終能變換為力的那些非電物理量，如壓力、加速度、機械沖擊與振動等。本章除介紹晶體的壓電效應(yīng)與壓電材料，壓電傳感器測量電路外，重點介紹壓電傳感器的應(yīng)用。第49頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日 一、基本工作原理 （一）、壓電效應(yīng) 壓電現(xiàn)象是100多年前居里兄弟研究石英時發(fā)現(xiàn)

27、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，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個表面上會產(chǎn)生異號電荷，當(dāng)外力消失后，又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力的方向改變時，電荷極性也隨之改變。當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場，這些電介質(zhì)也會發(fā)生變形，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)（或電致伸縮效應(yīng)）。壓電式力傳感器都是利用壓電材料的正壓電效應(yīng)。 第50頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日 （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)性能優(yōu)良的壓電材料。壓電材料基

28、本上可分為三大類：壓電晶體、壓電陶瓷和有機壓電材料。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、鈦酸鋇、鈮酸鍶等；有機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)體有氧化鋅（ZnO）、硫化鋅（ZnS）、碲化鎘（CdTe）、硫化鎘（CdS）、碲化鋅（ZnTe）和砷化鎵（GaAs）等。 第51頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日圖3-20 天然石英晶體 1. 石英晶體 天然石英(SiO2)晶體如圖所示，它是一個正六面體，在它上面有三個坐標(biāo)軸。石英晶體中間棱柱斷面的下半部分，其斷面為正六面

29、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(yīng)，x軸稱為電軸，垂直于x軸晶面上的壓電效應(yīng)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。如果從石英晶體上切割出一個平行六面體，如圖所示，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(xiàn)象，并且其極化矢量是沿著電軸。即電荷出現(xiàn)在垂直于電軸的平面上。第52頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日圖3-21晶片電荷極性與受力方向的關(guān)系 在沿著電軸x方向力的作用下，產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象稱為縱向壓電效應(yīng)；而把沿機械軸 y方向力的作用下，產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象稱為橫向壓電效應(yīng)。當(dāng)沿光軸z 方向受力時，晶

30、體不會產(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。圖3-20給出了電荷極性與受力方向的關(guān)系。若沿晶片的x軸施加壓力Fx，則在加壓的兩表面上分別出現(xiàn)正負電荷，如圖3-21（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(xiàn)電荷，電荷仍出現(xiàn)在垂直x軸的表面上，只是電荷的極性相反。如圖3-21（c）所示，若將x 、y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。如圖3-21（b）、（d）所示。值得注意的是縱向壓電效應(yīng)與元件尺寸無關(guān)，而橫向壓電效應(yīng)與元件尺寸有關(guān)。第53頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日 2. 壓電陶瓷 與石英

31、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。在無外電場作用時，原始的壓電陶瓷內(nèi)極化強度為零，呈電中性，不具有壓電特性。 在陶瓷上施加外電場時，材料得到極化。外電場越強，就有更多的電疇更完全地轉(zhuǎn)向外電場方向。當(dāng)外電場去掉時，剩余極化強度很大，這時的材料才具有壓電特性，第54頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日圖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)部存在有很強的剩余極化，當(dāng)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(zhuǎn)，從而引起剩余極化強度

32、的變化，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3-23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)生的由機械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，就是壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)。電荷量的大小與外力成正比關(guān)系。第55頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日 （三）、壓電材料的主要特性指標(biāo) 1. 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。它是衡量材料壓電效應(yīng)強弱的參數(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)生電荷的多少來表示，單位為C/N(庫侖/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態(tài)的重要參數(shù)。 3.介

33、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。 4.機械耦合系數(shù)：衡量壓電材料機電能量轉(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（如機械能）之比的平方根。 5.電阻R：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：壓電材料的溫度達到某一值時，便開始失去壓電特性，這一溫度稱為居里點或居里溫度。第56頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日（317） 二壓電式傳感器的測量電路 1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一個電荷發(fā)生器。同時，它也是一個電容器，晶體上聚集正負的電荷的兩表面

34、相當(dāng)于電容的兩個極板，極板間物質(zhì)等效于一種介質(zhì)，則其電容量為第57頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日（318） 因此，壓電傳感器可以等效為一個與電容器Ca串聯(lián)的電壓源Ua，如圖3-24（a）所示；也可以等效為一個與電容器并聯(lián)的電荷源q，如圖3-24（b）所示。電壓Ua，電荷量q和電容量Ca這三者的關(guān)系為第58頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日壓電傳感器的開路U與其產(chǎn)生的電荷q和其本身的電容量C有關(guān)，即 在理想情況下，傳感器的絕緣電阻Ra與前置放大起的輸入Ri為無窮大，即 時，放大器輸入電壓幅值為式中，Uim為輸入電壓的最大值；Fm為作用力的最大值

35、。(3-20)(3-19) 2壓電式傳感器的測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型。 （1） 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工作頻率降低，將Ra與Ri，Ca與Ci并聯(lián)，得出第59頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日(3-21) 由式（3-21）可見，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，這是電荷放大器的特點。圖3-26 電荷放大器等效電路 （2） 電荷放大器如圖3-26電荷放大器等效電路所示，電荷放大器實際上是一個具有反饋Cf的高增益運算放大器電路。當(dāng)放大器的電壓放大倍數(shù)A遠遠大

36、于1時，經(jīng)推導(dǎo)可得第60頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日三、壓電式傳感器及其應(yīng)用壓電元件結(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。因為電荷的極性關(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)，適用于測量緩慢變化的信號，并以電荷為輸出量；圖(b)為串聯(lián)，適用于測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第61頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日如圖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、長方形、片狀形、柱形和球殼形；按元件數(shù)分

37、，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。第62頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日壓電式傳感器主要應(yīng)用類型 表中列給出了壓電傳感器的主要應(yīng)用類型。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型。第63頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日 3. 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，在介質(zhì)表面出現(xiàn)異種電荷的現(xiàn)象。實驗表明，這種束縛電荷的電量與作用力成正比，而電量越多，相對應(yīng)的兩表面電勢差（電

38、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、煤氣灶打火開關(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)用于擴音器、電唱頭等電聲器件；用于壓電地震儀，可以對人類不能感知的細微振動進行監(jiān)測，并精確測出震源方位和強度，從而預(yù)測地震，減少損失。利用壓電效應(yīng)制作的壓電驅(qū)動器具有精確控制的功能，是精密機械、微電子和生物工程等領(lǐng)域的重要器件。第64頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日 (1) 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，輸出電荷與作用力成正比的力 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

39、及引出插座等組成。如示的是YDS-78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態(tài)力的測量。 被測力通過傳力上蓋使壓電元件受壓力作用而產(chǎn)生電荷。由于傳力上蓋的彈性形變部分的厚度很薄，只有0.10.5mm，因此靈敏度很高。 第65頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日 (2) 壓電式加速度傳感器 圖3-30是一種壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)圖，他主要由壓電元件、質(zhì)量塊、預(yù)壓彈簧、基座及外殼組成。整個部件裝在外殼內(nèi)，并由螺栓加以固定。當(dāng)加速度傳感器和被測物一起受到?jīng)_擊振動時，壓電元件受質(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)，即圖3-30 壓電式加

40、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第66頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日 (3) 壓電式金屬加工切削力測量傳感器 圖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(dāng)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(zhuǎn)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。第67頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日 (4

41、) 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(chǎn)生的振動波。傳感器把震動波轉(zhuǎn)換成電壓輸出，輸出電壓經(jīng)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(nèi)部電路如圖3-32所示。傳感器的最小輸出電壓為100mV，最大輸出電壓為100V，內(nèi)阻抗為1520k。 玻璃破碎報警可廣泛用于文物保管、貴重商品保管及其它商品柜臺保管等場合。第68頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日 (5)雨滴傳感器 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(gòu)成，如圖3-

42、33所示。 振動板的功用是接收雨滴沖擊的能量，壓電元件把從振動板傳遞來的變形傳換成電壓。當(dāng)壓電元件上出現(xiàn)機械變形時，在兩側(cè)的電極上就會產(chǎn)生電壓，如圖3-35所示。所以，當(dāng)雨滴落到振動板上時，壓電元件產(chǎn)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。 第69頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日圖3-36血壓計傳感器 (6) 血壓計傳感器 電子血壓計通過在捆扎布內(nèi)部安裝的傳感元件，把血液流過血管中產(chǎn)生的“克隆脫克潑”音變換成電信號。血液的流動與捆扎布的氣壓有關(guān)。輸出電壓隨著血液流動的變化而變化，從該值可知道血壓值，也可以測量脈搏數(shù)，圖3-36（a）表示它的

43、構(gòu)造，（b）表示其檢測波形。第70頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日 (7) 樂器傳感元件 樂器傳感元件如圖所示。把壓電元件特殊的阻尼材料夾住，存放在一個外殼中。由于壓電元件的衰減時間快，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。傳感器安裝在吉他的軀體部位是，由于能夠檢測到弦振動引起的軀體的共振，經(jīng)放大從揚聲器中傳播出演奏。第71頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日活動1： 認(rèn)識幾種壓電式傳感器（a） 柱狀壓電陶瓷 （b）管狀壓電陶瓷 （c） 矩形壓電陶瓷片 （d）壓電陶瓷驅(qū)動器 （e）壓電陶瓷超聲傳感器 （f）壓電陶瓷

44、超聲霧化片 第72頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日（i)電荷型加速度計 (j)壓電式測力傳感器 （k）電壓輸出型加速度計（g）壓電陶瓷蜂鳴片 （h）壓電陶瓷大功率超聲換能器 圖3-39(2) 壓電式傳感器 第73頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日活動2： 壓電式壓力傳感器實驗電路 在圖示的傳感開關(guān)實驗電路中，接通電源時，電容器C極板兩端電壓為零，與之相連的場效應(yīng)管控制柵板極G的偏壓為零，這時VT（ ），其漏源電流把紅色發(fā)光二極管（ ）。當(dāng)用小的物體， 例如火柴桿從10cm高度自由下落砸到壓電陶瓷片上時，SP產(chǎn)生負向脈沖電壓，通過二極管VD1向電

45、容器C充電，VT的控制柵極加上負偏壓，并超過3DJ6H所需要的夾斷電壓-9V，這時VT（ ），紅色發(fā)光二極管（ ）。二極管VD2旁路SP在碰撞結(jié)束后，隨著電容器C上的電壓由于元器件漏電而逐漸降低，小于夾斷電壓(絕對值)，VT處于（ ）狀態(tài)，產(chǎn)生漏源電流，紅色發(fā)光二極管逐漸（ ），最終電路恢復(fù)到初始狀態(tài)。第74頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日知識鏈接 1880年著名物理學(xué)家比埃爾居里發(fā)現(xiàn)了晶體的壓電效應(yīng)，但壓電效應(yīng)的定量數(shù)據(jù)的獲得，是嚴(yán)濟慈深入研究并精確測量給出的。嚴(yán)濟慈的導(dǎo)師是物理學(xué)家夏爾法布里，他是居里夫婦的好朋友。瑪麗居里夫人對嚴(yán)先生的研究非常支持，并把四十年前居

46、里用過的石英晶體樣品借給了嚴(yán)濟慈。著名的物理學(xué)家朗之萬對嚴(yán)濟慈也非常賞識，給予了許多指導(dǎo)和幫助。嚴(yán)先生在大量實驗基礎(chǔ)上，總結(jié)出了石英晶體的壓電效應(yīng)及其反效應(yīng)具有各向異性、飽和現(xiàn)象以及瞬時性等特性，擴充發(fā)展了居里的理論。1927年法布里當(dāng)選為法國科學(xué)院院士，在就職儀式上他宣讀了他的得意弟子-嚴(yán)濟慈的博士論文。1931年嚴(yán)先生回國。1935年與著名物理學(xué)家F約里奧居里及卡皮察同時當(dāng)選為法國物理學(xué)會理事。第75頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日活動3：用打火機演示壓電效應(yīng)一、實驗?zāi)康?、通過用打火機演示壓電效應(yīng)深入理解壓電效應(yīng)；2、培養(yǎng)學(xué)生動腦動手能力。二、實驗器材1、采用壓電陶瓷器件來打火的一次性塑料打火機；2、指針式萬用表；3、數(shù)字顯示萬用表；4、學(xué)生用示波器；5、若干導(dǎo)線；6、鱷魚夾。圖3-41一次性塑料打火機 第76頁，共83頁，2022年，5月20日，21點24分，星期日三、實驗步驟 1、按動點火元件的黑色塑料壓桿，用普通指針式萬用表直流高壓擋測量壓電元件兩個