傳感器及RFID技術(shù)應(yīng)用（第二版）力和壓力測(cè)量

力和壓力測(cè)量

傳感器及RFID應(yīng)用技術(shù)力和壓力測(cè)量電阻應(yīng)變式傳感器1壓電式傳感器23了解電阻應(yīng)變式、壓電式傳感器的基本結(jié)構(gòu)；學(xué)習(xí)直流電橋的平衡條件，熟悉電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償法。知識(shí)要點(diǎn)學(xué)會(huì)識(shí)別電阻應(yīng)變式傳感器，通過(guò)實(shí)驗(yàn)掌握電阻應(yīng)變式、壓電式傳感器的使用方法。技能要點(diǎn)項(xiàng)目目標(biāo)使用單片集成硅壓力傳感器MPX5100設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)易的壓力計(jì)。任務(wù)目標(biāo)?現(xiàn)實(shí)中有哪些地方需要測(cè)力或壓力？汽車上汽車安全氣囊地磅醫(yī)療上：眼壓儀、血壓計(jì)定義和分類力敏傳感器，顧名思義就是能對(duì)各種力或能轉(zhuǎn)化為力的物理量產(chǎn)生反應(yīng)，并能將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡妳?shù)的裝置或元件。根據(jù)由力至電參數(shù)轉(zhuǎn)變的方式不同，力敏傳感器一般有電阻應(yīng)變式傳感器、電位計(jì)式傳感器、電感式傳感器、壓電式傳感器、電容式傳感器等，它們也可用來(lái)測(cè)量壓力值。一、電阻應(yīng)變式傳感器一）什么是力敏傳感器

1）應(yīng)變效應(yīng)由物理學(xué)可知，電阻絲的電阻R與電阻絲的電阻率、導(dǎo)體長(zhǎng)度及截面積存在如下關(guān)系：（2-1）當(dāng)電阻絲受到拉力作用時(shí)，長(zhǎng)度伸長(zhǎng)，橫截面積收縮，電阻率變化，如圖2-1所示，此時(shí)電阻值變化。圖2-1電阻絲應(yīng)變效應(yīng)一、電阻應(yīng)變式傳感器二）電阻應(yīng)變式傳感器2）電阻應(yīng)變式傳感器的結(jié)構(gòu)及特性金屬絲式電阻應(yīng)變片

分類：金屬箔式應(yīng)變片一、電阻應(yīng)變式傳感器二）電阻應(yīng)變式傳感器將電阻應(yīng)變片粘貼于待測(cè)構(gòu)件上，應(yīng)變片電阻將隨構(gòu)件應(yīng)變而改變，將應(yīng)變片電阻接入相應(yīng)的電路中，使其阻值變化轉(zhuǎn)化為電流或電壓輸出，即可測(cè)出力值。通常將應(yīng)變片接入電橋來(lái)實(shí)現(xiàn)電阻至電壓或電流的轉(zhuǎn)換。根據(jù)電橋電源不同，又分直流電橋和交流電橋。這里主要介紹直流電橋。

圖2-4一、電阻應(yīng)變式傳感器二）電阻應(yīng)變式傳感器一、電阻應(yīng)變式傳感器計(jì)算可知

（2-2）若使此電橋平衡，即，只要。一般我們?nèi)?/p>

即可實(shí)現(xiàn)。

現(xiàn)將

換成電阻應(yīng)變片，即組成半橋單臂電路，隨構(gòu)件產(chǎn)生應(yīng)變?cè)斐蓚鞲衅麟娮枳兓?/p>

時(shí)，式（2-2）變成

（2-3）

可見(jiàn)，輸出電壓與電阻變化率成線性關(guān)系，也即和應(yīng)變成線性關(guān)系，由此即可測(cè)出力值，由式（2-3）可得半橋單臂電路工作輸出的電壓靈敏度為：

（2-4）為了提高輸出電壓靈敏度，可以采用半橋或全橋電路，如圖2-5所示。圖2-5直流電橋的連接方式（a）半橋電路（b）全橋電路圖中和為電阻應(yīng)變片在構(gòu)件上的對(duì)稱布置，“+”表示應(yīng)變片受拉力，“-”表示應(yīng)變片受壓力。分別使用式（2-2）計(jì)算可得：對(duì)于半橋雙臂（2-5）對(duì)于全橋（2-6）即半橋雙臂可使電壓靈敏度比半橋單臂提高一倍，而全橋電路電壓靈敏度又比半橋雙臂電壓靈敏度提高一倍?？梢?jiàn)，利用全橋，并提高供電電壓E，可提高靈敏度系數(shù)。對(duì)于半橋單臂

（2-2）例2-2采用阻值為120Ω靈敏度系數(shù)K=2.0的金屬電阻應(yīng)變片和阻值為120Ω的固定電阻組成電橋，供橋電壓為4V，并假定負(fù)載電阻無(wú)窮大。當(dāng)應(yīng)變片上的應(yīng)變分別為1和1000時(shí)，試求單臂、雙臂和全橋工作時(shí)的輸出電壓，并比較三種情況下的靈敏度。解：，所以應(yīng)變?yōu)?時(shí)V，，所以應(yīng)變?yōu)?000時(shí)V，單臂:，所以應(yīng)變?yōu)?時(shí)，所以應(yīng)變?yōu)?000時(shí)半橋:V，V，，所以應(yīng)變?yōu)?時(shí)，所以應(yīng)變?yōu)?000時(shí)全橋:V，V，從上面的計(jì)算可知：?jiǎn)伪蹠r(shí)靈敏度最低，半橋雙臂時(shí)為其

倍，全橋時(shí)最高，為單臂的

倍。兩四因?yàn)樗裕豪?-3例2-4采用阻值R=120Ω靈敏度系數(shù)K=2.0的金屬電阻應(yīng)變片與阻值R=120Ω的固定電阻組成電橋，供橋電壓為10V。當(dāng)應(yīng)變片應(yīng)變?yōu)?000時(shí)，若要使輸出電壓大于10mV，則可采用何種工作方式（設(shè)輸出阻抗為無(wú)窮大）？解：由于不知是何種工作方式，可設(shè)為n，故可得：得n要小于2，故應(yīng)采用全橋工作方式。

1）溫度誤差期望：用作測(cè)量應(yīng)變的金屬應(yīng)變片，希望其阻值僅隨應(yīng)變變化，而不受其它因素的影響。定義：由于環(huán)境溫度變化引起的電阻變化與試件應(yīng)變所造成的電阻變化幾乎有相同的數(shù)量級(jí)，從而產(chǎn)生很大的測(cè)量誤差，稱為應(yīng)變片的溫度誤差。影響因素： 應(yīng)變片的電阻絲(敏感柵)具有一定溫度系數(shù)； 電阻絲材料與測(cè)試材料的線膨脹系數(shù)不同。一、電阻應(yīng)變式傳感器二）電阻應(yīng)變式傳感器二、壓電式傳感器一）壓電式傳感器基本工作原理當(dāng)您將按鈕輕輕一旋，煤氣灶迅即燃起藍(lán)色火焰，您可曾意識(shí)到是什么帶給您的這份便利呢？將一塊看起來(lái)平淡無(wú)奇的陶瓷接上導(dǎo)線和電流表，用手在上面一摁，電流表的指針也跟著發(fā)生擺動(dòng)－－竟然產(chǎn)生了電流。二、壓電式傳感器一）壓電式傳感器基本工作原理其實(shí)，這是壓電材料中的壓電陶瓷，一種能夠?qū)C(jī)械能和電能互相轉(zhuǎn)換的功能陶瓷材料，故可用于制造壓電打火機(jī)、移動(dòng)X光機(jī)電源、炮彈引爆裝置等。

二、壓電式傳感器一）壓電式傳感器基本工作原理

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。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。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。壓電體是發(fā)射和接收超聲波的理想材料。F石英晶體壓電效應(yīng)演示力的方向改變時(shí)，電荷的符號(hào)也隨之改變，外力去掉后，電荷消失。二、壓電式傳感器一）壓電式傳感器基本工作原理

分類石英晶體：?jiǎn)尉弘娋w—天然存在。壓電陶瓷：極化的多晶壓電陶瓷，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鋇等—人工制造。有機(jī)高分子壓電材料：近年來(lái)發(fā)展的新型材料。常用壓電材料性能石英晶體天然形成的石英晶體外形石英晶體薄片石英晶體切片及封裝雙面鍍銀及封裝高分子壓電薄膜及拉制壓電材料特性指標(biāo)彈性常數(shù)壓電系數(shù)介電常數(shù)電阻機(jī)械耦合系數(shù)居里點(diǎn)二、壓電式傳感器二）壓電式傳感器基本工作原理

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，其電容量為：式中：A為壓電片的面積；d為壓電片的厚度；為壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)；為空氣的相對(duì)介電常數(shù)。二、壓電式傳感器二）壓電式傳感器基本工作原理因此，壓電傳感器可以等效為一個(gè)與電容器Ca串聯(lián)的電壓源Ua，如圖2-12（a）所示；也可以等效為一個(gè)與電容器并聯(lián)的電荷源q，如圖2-12（b）所示。電壓Ua，電荷量q和電容量Ca這三者的關(guān)系為：。圖2-12壓電傳感器等效電路二、壓電式傳感器二）壓電式傳感器基本工作原理壓電傳感器本身的內(nèi)阻抗很高，而輸出能量較小，因此它的測(cè)量電路通常需要接入一個(gè)高輸入阻抗的前置放大器。

圖2-14電荷放大器等效電路電壓放大器電荷放大器圖2-13電壓放大器電路原理及其等效電路圖二、壓電式傳感器三）壓電式傳感器及其應(yīng)用并聯(lián)串聯(lián)目的：提高靈敏度圖2-15壓電元件的兩種接法適用于測(cè)量緩慢變化的信號(hào)，并以電荷為輸出量適用于測(cè)量電路有高輸入阻抗，并以電壓為輸出量二、壓電式傳感器三）壓電式傳感器及其應(yīng)用傳感器類型轉(zhuǎn)換方式壓電材料用途力敏力→電石英、羅思鹽、ZnO、BaTiO3、PZT、PMS、電致伸縮材料微拾音器、聲納、應(yīng)變儀、氣體點(diǎn)火器、血壓計(jì)、壓電陀螺、壓力和加速度傳感器聲敏聲→電聲→壓石英、壓電陶瓷振動(dòng)器、微音器、超聲波探測(cè)器、助聽(tīng)器聲→光PbM0O4、PbYiO3、LiNbO3聲光效應(yīng)器件光敏光→電PbTiO3、LiTaO3熱電紅外線探測(cè)器熱敏熱→電BaTiO3、LiTaO3、PbTiO3、TGS、PZO溫度計(jì)表2-1壓電式傳感器的主要應(yīng)用類型二、壓電式傳感器三）壓電式傳感器及其應(yīng)用6）煤氣灶電子點(diǎn)火器7）手機(jī)和平板電腦的橫豎顯示轉(zhuǎn)換8）手機(jī)跌落關(guān)機(jī)保護(hù)1）壓電式力傳感器3）壓電式玻璃破碎報(bào)警器

4）血壓計(jì)傳感器應(yīng)用2）壓電式加速度傳感器5）樂(lè)器傳感元件1）壓電式力傳感器壓電式力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。圖2-17YDS-78型壓電式單向力傳感器2）壓電式加速度傳感器壓電式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，此慣性力是加速度的函數(shù)。圖2-18壓電式加速度傳感器3）壓電式玻璃破碎報(bào)警器BS-D2壓電式傳感器是專門用于檢測(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BS-D2壓電式玻璃破碎報(bào)警系統(tǒng)。圖2-19壓電式玻璃破碎報(bào)警器3）壓電式玻璃破碎報(bào)警器玻璃破碎報(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。當(dāng)前，新型振動(dòng)傳感器技術(shù)越來(lái)越成熟，如Z02B，工作電壓為5V（典型應(yīng)用3V，最高電壓12V），由于該傳感器輸出信號(hào)能夠滿足數(shù)字模塊的觸發(fā)電壓，在使用時(shí)可以觸發(fā)KD153發(fā)出“叮咚”聲音，如圖2-20所示。圖2-20振動(dòng)報(bào)警器4）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)血管中產(chǎn)生的“克隆脫克潑”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，從該值可知道血壓值，也可以測(cè)量脈搏數(shù)，圖2-21（a）表示它的構(gòu)造，（b）表示其檢測(cè)波形。圖2-21血壓計(jì)傳感器5）樂(lè)器傳感元件圖2-22吉他傳感器樂(lè)器傳感元件如圖2-22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，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)引起的軀體的共振，經(jīng)放大從揚(yáng)聲器中傳播出演奏。6）煤氣灶電子點(diǎn)火器如圖2-23所示，讓高壓跳火來(lái)點(diǎn)燃?xì)狻．?dāng)使用者將開(kāi)關(guān)往里壓時(shí)，把氣閥打開(kāi)；將開(kāi)關(guān)旋轉(zhuǎn)，則使彈簧往左壓，此時(shí)，彈簧有一個(gè)很大的力撞擊壓電晶體。產(chǎn)生高壓放電，導(dǎo)致燃燒盤點(diǎn)火。圖2-23煤氣灶電子點(diǎn)火裝置7）手機(jī)和平板電腦的橫豎顯示轉(zhuǎn)換ADXL320雙軸加速度傳感器可用于手機(jī)和平板電腦的屏幕橫豎顯示方向自動(dòng)轉(zhuǎn)換。實(shí)現(xiàn)為手機(jī)或平板電腦的G－Sensor重力感應(yīng)功能。芯片引腳如圖2-24所示。其中NC表示不需要連接的引腳，COM為地，Vs為電源，ST為自測(cè)試端，XOUT和YOUT為輸出引腳。圖2-24ADXL320引腳圖7）手機(jī)和平板電腦的橫豎顯示轉(zhuǎn)換電路原理如圖2-25所示。圖2-25手機(jī)和平板電腦的橫豎顯示方向自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路當(dāng)人們縱向（X方向）拿著手機(jī)或平板電腦時(shí)，XOUT端口和YOUT端口輸出電壓為XOUT＝1.500V，YOUT＝1.326V，分別接LM324正相輸入端和反相輸入端。將LM324的輸出接到處理器就能判斷方向。在圖2-25中，CX和CY為濾波電容，其大小和帶寬的選擇有關(guān)，具體選擇見(jiàn)表2-2，最小值為2000pF。7）手機(jī)和平板電腦的橫豎顯示轉(zhuǎn)換在圖2-25中，CX和CY為濾波電容，其大小和帶寬的選擇有關(guān)，具體選擇見(jiàn)表2-2，最小值為2000pF。表2-2濾波電容選擇和帶寬關(guān)系表帶寬（Hz）電容（uF