智能傳感器檢測(cè)與應(yīng)用技術(shù) 課件 項(xiàng)目三 力和壓力的檢測(cè)

智能傳感器檢測(cè)與應(yīng)用技術(shù)主編楊杰忠葉光顯鄒火軍主編楊杰忠葉光顯鄒火軍副主編黃浩兵林雙媚韋玉秋

參編農(nóng)晴晴莫小軍李仁芝秦文芳王棟平

韋文杰楊天明韋克寧黃旭張國(guó)峰唐國(guó)永陳軍主編黃浩兵林雙媚韋玉秋

參編農(nóng)晴晴莫小軍李仁芝秦文芳王棟平

韋文杰楊天明韋克寧黃旭張國(guó)峰唐國(guó)永陳軍“十四五”職業(yè)教育智能制造技術(shù)應(yīng)用專(zhuān)業(yè)系列教材項(xiàng)目3力和壓力的檢測(cè)1．掌握電阻應(yīng)變式傳感器和壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)、特性及工作原理。2．理解電阻應(yīng)變式傳感器和壓電式傳感器的典型應(yīng)用電路3．掌握電阻應(yīng)變片的粘貼方法。4．熟悉電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償原理，掌握補(bǔ)償方法。5．熟悉電阻應(yīng)變式傳感器和壓電式傳感器的應(yīng)用。知識(shí)目標(biāo)：1．能正確粘貼電阻應(yīng)變片。2．會(huì)應(yīng)變片單臂電橋及壓電效應(yīng)性能測(cè)試的方法和步驟。能力目標(biāo)：

本項(xiàng)目主要包括：應(yīng)變電橋的性能測(cè)試、電子打火機(jī)壓電效應(yīng)的測(cè)試2個(gè)任務(wù)，要求學(xué)生通過(guò)這2個(gè)任務(wù)的學(xué)習(xí)，進(jìn)一步掌握電阻應(yīng)變式傳感器、壓電式傳感器等常用的力傳感器的工作原理及使用方法，以及在工業(yè)生產(chǎn)中力和壓力的檢測(cè)方法及應(yīng)用。項(xiàng)目描述目標(biāo)與描述知識(shí)目標(biāo)1．理解應(yīng)變效應(yīng)。2．掌握電阻應(yīng)變式傳感器的結(jié)構(gòu)、特性及工作原理。3．掌握電橋測(cè)量電路的工作原理及溫度補(bǔ)償方法。4．理解電阻應(yīng)變式傳感器典型應(yīng)用電路的工作原理。5．掌握應(yīng)變片單臂電橋性能測(cè)試的方法及步驟。能力目標(biāo)能完成應(yīng)變片單臂電橋的性能測(cè)試。工作任務(wù)

本任務(wù)的主要內(nèi)容是：通過(guò)學(xué)習(xí)，掌握電阻應(yīng)變式傳感器的結(jié)構(gòu)、特性及工作原理，并能完成應(yīng)變片單臂電橋的性能測(cè)試。項(xiàng)目3力和壓力的檢測(cè)任務(wù)1應(yīng)變電橋的性能測(cè)試任務(wù)1測(cè)量工具的使用一、應(yīng)變效應(yīng)和電阻應(yīng)變片

1．應(yīng)變效應(yīng)及其原理金屬或半導(dǎo)體電阻在外力的作用下發(fā)生機(jī)械變形（拉伸或壓縮）時(shí)，其阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象稱(chēng)為電阻的應(yīng)變效應(yīng)。由電工學(xué)可知，當(dāng)金屬絲的長(zhǎng)度為l，橫截面積為S，半徑為r，電阻率為ρ，且金屬絲未受外力作用時(shí)，它的阻值為項(xiàng)目3力和壓力的檢測(cè)任務(wù)1測(cè)量工具的使用一、應(yīng)變效應(yīng)和電阻應(yīng)變片

1．應(yīng)變效應(yīng)及其原理在沿金屬絲的長(zhǎng)度方向施加均勻力時(shí)，式（3-1-1）中的ρ、l、r都將發(fā)生變化，導(dǎo)致阻值發(fā)生變化，即當(dāng)金屬絲受外力作用而伸長(zhǎng)時(shí)，長(zhǎng)度增加，而橫截面積減少，阻值增大；當(dāng)金屬絲受外力作用而壓縮時(shí)，長(zhǎng)度減小，而橫截面積增加，阻值減小。這樣，只要測(cè)量出金屬絲阻值的大小，就可以反映外界作用力的大小，其關(guān)系可以表示為項(xiàng)目3力和壓力的檢測(cè)任務(wù)1測(cè)量工具的使用一、應(yīng)變效應(yīng)和電阻應(yīng)變片

2．電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片就是利用電阻的應(yīng)變效應(yīng)制成的敏感元件，它可以把其機(jī)械變形轉(zhuǎn)換成阻值的變化。電阻應(yīng)變片由敏感柵（電阻絲）、引線、基底、覆蓋層、黏合劑等組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖3-1-1所示。圖3-1-1中，l為敏感柵沿軸向測(cè)量變形的有效長(zhǎng)度（電阻應(yīng)變片的標(biāo)距），b為敏感柵的寬度（電阻應(yīng)變片的基寬）。敏感柵是電阻應(yīng)變片的主要組成部分，應(yīng)變-電阻的變換就是由它完成的。項(xiàng)目3力和壓力的檢測(cè)圖3-1-1電阻應(yīng)變片基本結(jié)構(gòu)任務(wù)1測(cè)量工具的使用一、應(yīng)變效應(yīng)和電阻應(yīng)變片

2．電阻應(yīng)變片對(duì)敏感柵的金屬材料有如下要求。（1）靈敏度系數(shù)要大，并在所測(cè)應(yīng)變范圍內(nèi)保持不變；（2）電阻率要高而穩(wěn)定，以便縮短敏感柵長(zhǎng)度；（3）抗氧化、耐腐蝕性好，電阻溫度系數(shù)要?。唬?）機(jī)械強(qiáng)度高，具有良好的機(jī)械加工和焊接性能。項(xiàng)目3力和壓力的檢測(cè)任務(wù)1測(cè)量工具的使用一、應(yīng)變效應(yīng)和電阻應(yīng)變片

2．電阻應(yīng)變片基底用于保持敏感柵、引線的幾何形狀和相對(duì)位置，覆蓋層既保持敏感柵和引線的形狀和相對(duì)位置，還可保護(hù)敏感柵?；撞牧贤ǔＳ屑埢湍z基兩種。膠基由環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂和聚酰亞胺等制成膠膜，厚度為0.03～0.05mm。黏合劑用于將敏感柵固定于基底上，并將覆蓋層與基底粘貼在一起。引線是從電阻應(yīng)變片的敏感柵中引出的細(xì)金屬線。要求引線材料的電阻率低，電阻溫度系數(shù)小、抗氧化性能好，易于焊接。通常敏感柵材料都可以制作引線。項(xiàng)目3力和壓力的檢測(cè)任務(wù)1測(cè)量工具的使用一、應(yīng)變效應(yīng)和電阻應(yīng)變片

3．電阻應(yīng)變片的分類(lèi)電阻應(yīng)變片的品種繁多，形式多樣，常用的電阻應(yīng)變片有金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩大類(lèi)。1）金屬電阻應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片又分為金屬絲式、金屬箔式和金屬薄膜式三種結(jié)構(gòu)。圖3-1-2所示為幾種不同類(lèi)型的電阻應(yīng)變片。金屬絲式應(yīng)變片是將直徑極細(xì)的電阻絲彎曲成若干個(gè)回紋形狀后黏固在絕緣基板上制成的應(yīng)變片。金屬絲式應(yīng)變片是最早使用的，有紙基型、膠基型兩種類(lèi)型。金屬絲式應(yīng)變片的蠕變較大，金屬絲易脫落，但其價(jià)格便宜，廣泛用于一次性、低精度的應(yīng)變、應(yīng)力實(shí)驗(yàn)?，F(xiàn)在這類(lèi)金屬絲式應(yīng)變片逐漸被性能更好的金屬箔式應(yīng)變片代替。項(xiàng)目3力和壓力的檢測(cè)任務(wù)1測(cè)量工具的使用一、應(yīng)變效應(yīng)和電阻應(yīng)變片

3．電阻應(yīng)變片的分類(lèi)電阻應(yīng)變片的品種繁多，形式多樣，常用的電阻應(yīng)變片有金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩大類(lèi)。1）金屬電阻應(yīng)變片

項(xiàng)目3力和壓力的檢測(cè)（a）金屬絲式應(yīng)變片（b）金屬箔式應(yīng)變片 （c）金屬薄膜式應(yīng)變片圖3-1-2幾種不同類(lèi)型的電阻應(yīng)變片任務(wù)1測(cè)量工具的使用一、應(yīng)變效應(yīng)和電阻應(yīng)變片

3．電阻應(yīng)變片的分類(lèi)電阻應(yīng)變片的品種繁多，形式多樣，常用的電阻應(yīng)變片有金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩大類(lèi)。1）金屬電阻應(yīng)變片金屬箔式應(yīng)變片是將數(shù)微米厚的金屬膜黏固在環(huán)氧樹(shù)脂基片上，再通過(guò)光刻、腐蝕等工藝制成的應(yīng)變片。金屬箔式應(yīng)變片的金屬膜厚度通常為0.003～0.01mm，其面積比金屬絲式應(yīng)變片的面積大得多，所以散熱效果好、允許通過(guò)的電流大、橫向效應(yīng)小、靈敏度系數(shù)較大、柔性好、壽命長(zhǎng)、工藝成熟且適于大批量生產(chǎn)而得到廣泛使用。金屬薄膜式應(yīng)變片是采用真空蒸鍍或真空沉淀等方法，在薄膜的絕緣基片上形成0.1μm以下的金屬電阻薄膜敏感柵，最后加上保護(hù)層制成的應(yīng)變片。它的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度系數(shù)較大，允許電流密度大，工作溫度范圍較廣，可在核輻射等惡劣環(huán)境下工作。

項(xiàng)目3力和壓力的檢測(cè)任務(wù)1測(cè)量工具的使用一、應(yīng)變效應(yīng)和電阻應(yīng)變片

3．電阻應(yīng)變片的分類(lèi)電阻應(yīng)變片的品種繁多，形式多樣，常用的電阻應(yīng)變片有金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩大類(lèi)。2）半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片是利用半導(dǎo)體單晶硅的壓阻效應(yīng)制成的一種敏感元件（壓阻效應(yīng)是半導(dǎo)體晶體材料在某一方向受力產(chǎn)生變形時(shí)其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象），如圖3-1-3所示。半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏度高（一般比金屬絲式應(yīng)變片、金屬箔式應(yīng)變片高幾十倍），橫向效應(yīng)小，故它的應(yīng)用日趨廣泛。項(xiàng)目3力和壓力的檢測(cè)圖3-1-3半導(dǎo)體應(yīng)變片任務(wù)1測(cè)量工具的使用一、應(yīng)變效應(yīng)和電阻應(yīng)變片

4．電阻應(yīng)變片的粘貼技術(shù)電阻應(yīng)變片在使用時(shí)通常是用黏合劑貼在彈性元件或試件上，正確的粘貼工藝對(duì)保證粘貼質(zhì)量、提高測(cè)試精度起著重要的作用。因此電阻應(yīng)變片在粘貼時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按粘貼工藝要求進(jìn)行。1）電阻應(yīng)變片的檢查對(duì)所選用的電阻應(yīng)變片進(jìn)行外觀和電阻的檢查。觀察敏感柵的排列是否整齊、均勻，片內(nèi)是否夾有氣泡，是否有銹蝕及短路、斷路和折彎現(xiàn)象。測(cè)量電阻應(yīng)變片的電阻值，檢查電阻值、精度是否符合要求，對(duì)于橋臂配對(duì)用的電阻應(yīng)變片，其電阻值要盡量一致。項(xiàng)目3力和壓力的檢測(cè)任務(wù)1測(cè)量工具的使用一、應(yīng)變效應(yīng)和電阻應(yīng)變片

4．電阻應(yīng)變片的粘貼技術(shù)2）試件的表面處理為了保證一定的黏合強(qiáng)度，必須將試件待貼表面進(jìn)行打磨，除去銹斑、氧化皮、油污等覆蓋層，再用直尺、鋼針畫(huà)出應(yīng)變片定位線，最后用脫脂棉球酒精或丙酮清洗待貼表面以除去油脂、灰塵等，保持待貼表面平整、光滑。項(xiàng)目3力和壓力的檢測(cè)任務(wù)1測(cè)量工具的使用一、應(yīng)變效應(yīng)和電阻應(yīng)變片

4．電阻應(yīng)變片的粘貼技術(shù)3）確定貼片位置在電阻應(yīng)變片上標(biāo)出敏感柵的縱、橫向中心線，粘貼時(shí)應(yīng)使電阻應(yīng)變片的中心線與試件的定位線對(duì)準(zhǔn)。4）粘貼電阻應(yīng)變片將清洗干凈的電阻應(yīng)變片表面涂上黏合劑，輕輕地粘貼到試件的表面，然后在電阻應(yīng)變片上蓋上一片玻璃紙或透明的塑料薄膜，并用手輕輕滾動(dòng)擠壓，將多余的黏合劑和氣泡排出。項(xiàng)目3力和壓力的檢測(cè)任務(wù)1測(cè)量工具的使用一、應(yīng)變效應(yīng)和電阻應(yīng)變片

4．電阻應(yīng)變片的粘貼技術(shù)5）固化處理貼片后可根據(jù)使用的黏合劑的固化工藝進(jìn)行固化處理。6）粘貼質(zhì)量檢查檢查粘貼位置是否正確，電阻應(yīng)變片的電阻值有無(wú)較大變化。電阻應(yīng)變片與試件之間的絕緣電阻值應(yīng)大于200MΩ。7）引線的固定將粘貼好的電阻應(yīng)變片的兩根導(dǎo)線的引線焊接在接線端子上，再將導(dǎo)線由接線端子引出。項(xiàng)目3力和壓力的檢測(cè)任務(wù)1測(cè)量工具的使用一、應(yīng)變效應(yīng)和電阻應(yīng)變片

4．電阻應(yīng)變片的粘貼技術(shù)8）引線的保護(hù)為防止電阻應(yīng)變片的電阻絲和引線被拉斷，需用膠布將導(dǎo)線固定在試件表面，且要處理好導(dǎo)線與試件之間的絕緣問(wèn)題。9）防潮防濕處理為防止因潮濕引起絕緣電阻黏合強(qiáng)度下降，因腐蝕而損壞電阻應(yīng)變片，應(yīng)在電阻應(yīng)變片上涂一層硅橡膠、石蠟、蜂蠟、環(huán)氧樹(shù)脂等防潮、防腐材料，固化后用萬(wàn)用表測(cè)量，電阻應(yīng)變片的電阻值應(yīng)無(wú)明顯變化。項(xiàng)目3力和壓力的檢測(cè)任務(wù)1測(cè)量工具的使用一、應(yīng)變效應(yīng)和電阻應(yīng)變片

5．電阻應(yīng)變片的參數(shù)1）標(biāo)準(zhǔn)電阻值標(biāo)準(zhǔn)電阻值是指在室溫條件下，未安裝的電阻應(yīng)變片不受外力作用時(shí)測(cè)定的電阻值，也稱(chēng)為初始電阻值。主要規(guī)格有60Ω、90Ω、120Ω、150Ω、350Ω、600Ω、1000Ω等，其中，120Ω最為常用。2）絕緣電阻值絕緣電阻值是指敏感柵和基底之間的電阻值，一般應(yīng)大于10MΩ。項(xiàng)目3力和壓力的檢測(cè)任務(wù)1測(cè)量工具的使用一、應(yīng)變效應(yīng)和電阻應(yīng)變片

5．電阻應(yīng)變片的參數(shù)3）靈敏度系數(shù)K靈敏度系數(shù)是指電阻應(yīng)變片安裝到被測(cè)物體表面后，在其軸線方向上的單向應(yīng)力作用下，電阻應(yīng)變片的電阻值的相對(duì)變化與被測(cè)物體表面上安裝電阻應(yīng)變片區(qū)域的軸向應(yīng)變之比。靈敏度系數(shù)是衡量電阻應(yīng)變片質(zhì)量?jī)?yōu)劣的主要指標(biāo)，它的準(zhǔn)確性直接影響測(cè)量精度，因而要求靈敏度系數(shù)的值盡量大而且穩(wěn)定。項(xiàng)目3力和壓力的檢測(cè)任務(wù)1測(cè)量工具的使用一、應(yīng)變效應(yīng)和電阻應(yīng)變片

5．電阻應(yīng)變片的參數(shù)4）應(yīng)變極限應(yīng)變極限是指電阻應(yīng)變片所能承受的最大應(yīng)變值。在一定溫度下，對(duì)電阻應(yīng)變片緩慢施加拉伸負(fù)荷，傳感器的指標(biāo)應(yīng)變值對(duì)真實(shí)應(yīng)變值的相對(duì)誤差大于10%時(shí)的真實(shí)應(yīng)變值為電阻應(yīng)變片的應(yīng)變極限。5）允許電流允許電流是指電阻應(yīng)變片允許通過(guò)的最大電流。項(xiàng)目3力和壓力的檢測(cè)任務(wù)1測(cè)量工具的使用一、應(yīng)變效應(yīng)和電阻應(yīng)變片

5．電阻應(yīng)變片的參數(shù)6）機(jī)械滯后機(jī)械滯后是指所粘貼的電阻應(yīng)變片在溫度一定時(shí)，其加載特性與卸載特性不重合。產(chǎn)生機(jī)械滯后的原因主要是敏感柵、基底和黏合劑在承受機(jī)械應(yīng)變后所留下的殘余變形造成的。為了減小機(jī)械滯后，除選用合適的黏合劑外，最好在安裝電阻應(yīng)變片后，做三次以上的加卸載循環(huán)后再正式測(cè)量。項(xiàng)目3力和壓力的檢測(cè)任務(wù)1測(cè)量工具的使用一、應(yīng)變效應(yīng)和電阻應(yīng)變片

5．電阻應(yīng)變片的參數(shù)7）零點(diǎn)漂移和蠕變（1）零點(diǎn)漂移：對(duì)于粘貼好的電阻應(yīng)變片，當(dāng)溫度恒定且不承受應(yīng)變時(shí)，其電阻值隨時(shí)間增加而變化的特性稱(chēng)為電阻應(yīng)變片的零點(diǎn)漂移。產(chǎn)生原因：①敏感柵通電后的溫度效應(yīng)；②電阻應(yīng)變片的內(nèi)應(yīng)力逐漸變化；③黏合劑固化不充分等。（2）蠕變：如果在一定溫度下，使電阻應(yīng)變片承受恒定的機(jī)械應(yīng)變，其電阻值隨時(shí)間增加而變化的特性稱(chēng)為蠕變。一般蠕變的方向與原應(yīng)變的方向相反。產(chǎn)生原因：電阻應(yīng)變片在制造過(guò)程中所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力、絲材、黏合劑、基底等的變化是造成電阻應(yīng)變片蠕變的原因。這兩項(xiàng)指標(biāo)都是用來(lái)衡量電阻應(yīng)變片特性對(duì)時(shí)間的穩(wěn)定性的。項(xiàng)目3力和壓力的檢測(cè)任務(wù)1測(cè)量工具的使用二、電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路

1．應(yīng)變電橋電阻應(yīng)變片的機(jī)械應(yīng)變一般都很小，引起的電阻值變化也很微小，一般為5×10-4～1×10-1Ω，因此，要精確地測(cè)量出微小電阻值的變化量，就需要有專(zhuān)用的測(cè)量電路，將電阻應(yīng)變片電阻值的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，再由儀表顯示輸出。這種測(cè)量電路常被稱(chēng)為應(yīng)變電橋。應(yīng)變電橋一般可分為直流電橋和交流電橋兩種，由于直流電橋的輸出信號(hào)在進(jìn)一步放大時(shí)易產(chǎn)生零漂，故交流電橋的應(yīng)用更為廣泛。直流電橋只用于較大應(yīng)變的測(cè)量，交流電橋可用于各種應(yīng)變的測(cè)量。但直流電橋結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與交流電橋的工作原理相似，所以這里以直流電橋?yàn)槔M(jìn)行分析。項(xiàng)目3力和壓力的檢測(cè)任務(wù)1測(cè)量工具的使用二、電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路

1．應(yīng)變電橋1）電橋結(jié)構(gòu)與熱電阻電橋測(cè)量線路相同，把電阻應(yīng)變片接入電路橋臂即構(gòu)成應(yīng)變電橋，如圖3-1-4所示。電橋平衡條件：，，即電路輸出為零。當(dāng)其中某一應(yīng)變電阻發(fā)生變化時(shí)，電橋平衡被打破，有電壓輸出，輸出電壓與被測(cè)量的變化成比例，因而達(dá)到測(cè)量被測(cè)量的目的。項(xiàng)目3力和壓力的檢測(cè)圖3-1-4電橋電路任務(wù)1測(cè)量工具的使用二、電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路

1．應(yīng)變電橋1）電橋結(jié)構(gòu)在實(shí)際使用時(shí)，即使在平衡狀態(tài)，電橋輸出也不一定為零，因此，一般電橋測(cè)量電路都設(shè)有調(diào)零裝置，如圖3-1-5所示。項(xiàng)目3力和壓力的檢測(cè)圖3-1-5設(shè)有調(diào)零裝置的電橋電路任務(wù)1測(cè)量工具的使用二、電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路

1．應(yīng)變電橋2）電橋形式根據(jù)電阻應(yīng)變片接入電橋工作橋臂的形式不同，應(yīng)變電橋可分為以下3種形式。（1）單臂電橋：電橋4個(gè)橋臂中只有一個(gè)電阻應(yīng)變片。其輸出電壓為項(xiàng)目3力和壓力的檢測(cè)（2）雙臂電橋（又稱(chēng)為差動(dòng)半橋）：電橋中相鄰兩個(gè)橋臂為電阻應(yīng)變片。其輸出電壓為任務(wù)1測(cè)量工具的使用二、電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路

1．應(yīng)變電橋2）電橋形式根據(jù)電阻應(yīng)變片接入電橋工作橋臂的形式不同，應(yīng)變電橋可分為以下3種形式。（3）差動(dòng)全橋：電橋4個(gè)橋臂均為電阻應(yīng)變片。其輸出電壓為項(xiàng)目3力和壓力的檢測(cè)注意：①上述各式中的為電阻應(yīng)變片的電阻值變化量，電橋4個(gè)橋臂的電阻值R均相同。②接入同一電橋各橋臂的電阻應(yīng)變片的電阻值、靈敏度系數(shù)和電阻溫度系數(shù)均應(yīng)相同。任務(wù)1測(cè)量工具的使用二、電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路

2．應(yīng)變電橋的溫度補(bǔ)償在實(shí)際測(cè)量中，電阻應(yīng)變片的電阻值不僅隨機(jī)械應(yīng)變而變化，其敏感柵的金屬絲的電阻值也會(huì)隨環(huán)境溫度的變化而變化，這種由于環(huán)境溫度的改變而給測(cè)量帶來(lái)的附加誤差，稱(chēng)為電阻應(yīng)變片的溫度誤差。產(chǎn)生誤差的原因：一是電阻應(yīng)變片的電阻溫度系數(shù)不一致；二是應(yīng)變材料與被測(cè)試件材料的線膨脹系數(shù)不同，而使應(yīng)變片產(chǎn)生附加應(yīng)變。因此，為了提高測(cè)量精度，必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。常用的溫度補(bǔ)償方法有電橋補(bǔ)償法和應(yīng)變片自補(bǔ)償法兩種。項(xiàng)目3力和壓力的檢測(cè)任務(wù)1測(cè)量工具的使用二、電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路

2．應(yīng)變電橋的溫度補(bǔ)償1）電橋補(bǔ)償法電橋補(bǔ)償法，又稱(chēng)為補(bǔ)償片法，是最常用且效果較好的線路補(bǔ)償方法，一般應(yīng)用于單臂電橋。接法一：如圖3-1-6所示，在被測(cè)試件上安裝一個(gè)工作應(yīng)變片（工作片），在另一個(gè)與被測(cè)試件的材料相同但不受力的補(bǔ)償件上安裝一個(gè)補(bǔ)償應(yīng)變片（補(bǔ)償片）。測(cè)量時(shí)，把兩者接入電橋的相鄰兩橋臂上。項(xiàng)目3力和壓力的檢測(cè)圖3-1-6電橋補(bǔ)償法接法一任務(wù)1測(cè)量工具的使用二、電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路

2．應(yīng)變電橋的溫度補(bǔ)償1）電橋補(bǔ)償法由于補(bǔ)償片與工作片完全相同，都貼在同樣材料的試件上，且處于相同的環(huán)境溫度中，因此因溫度變化而使工作片所產(chǎn)生的電阻值變化和補(bǔ)償片的電阻值變化相等，電橋仍處于平衡狀態(tài)，輸出不受溫度影響，從而補(bǔ)償了應(yīng)變電橋的溫度誤差。項(xiàng)目3力和壓力的檢測(cè)圖3-1-6電橋補(bǔ)償法接法一任務(wù)1測(cè)量工具的使用二、電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路

2．應(yīng)變電橋的溫度補(bǔ)償1）電橋補(bǔ)償法接法二：如圖3-1-7所示，將工作片和補(bǔ)償片分別貼在試件的上下兩側(cè)，當(dāng)試件受力彎曲時(shí)，上面的電阻應(yīng)變片受到拉應(yīng)變，下面的電阻應(yīng)變片受到壓應(yīng)變，兩者大小相等，方向相反。如果把工作片和補(bǔ)償片接入應(yīng)變電橋的相鄰橋臂中，那么就會(huì)使電橋的輸出電壓增加一倍。此時(shí)補(bǔ)償片既能起到溫度補(bǔ)償作用，又能提高測(cè)量靈敏度。項(xiàng)目3力和壓力的檢測(cè)圖3-1-7電橋補(bǔ)償法接法二任務(wù)1測(cè)量工具的使用二、電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路

2．應(yīng)變電橋的溫度補(bǔ)償2）應(yīng)變片自補(bǔ)償法所謂溫度自補(bǔ)償，就是當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，利用電阻應(yīng)變片的自身特性，在使用溫度范圍內(nèi)，使電阻應(yīng)變片的虛假輸出為零或在某一規(guī)定的允許范圍內(nèi)。自補(bǔ)償?shù)碾娮钁?yīng)變片制造簡(jiǎn)單，成本較低，但必須在特定的構(gòu)件材料上才能使用，不同材料的試件必須采用不同的電阻應(yīng)變片。項(xiàng)目3力和壓力的檢測(cè)任務(wù)1測(cè)量工具的使用三、電阻應(yīng)變式傳感器

電阻應(yīng)變式傳感器是利用應(yīng)變效應(yīng)制成的一種測(cè)量微小機(jī)械變化量的傳感器。它可將拉力、壓力、扭矩、加速度、振動(dòng)等非電量轉(zhuǎn)換成電量，是目前應(yīng)用最廣泛的力傳感器之一。1．結(jié)構(gòu)組成及外形如圖3-1-8所示，電阻應(yīng)變式傳感器主要由彈性元件、電阻應(yīng)變片和外殼組成，核心元件是電阻應(yīng)變片，但電阻應(yīng)變片不能直接承受力，力只能作用在彈性元件上。所謂彈性元件，就是一種在力的作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)外力撤掉后又能完全恢復(fù)其原來(lái)狀態(tài)的元件。實(shí)踐中要求其具有良好的彈性、足夠的精度，以及良好的穩(wěn)定性和抗腐蝕性等。項(xiàng)目3力和壓力的檢測(cè)圖3-1-8電阻應(yīng)變式傳感器的組成框圖任務(wù)1測(cè)量工具的使用三、電阻應(yīng)變式傳感器

電阻應(yīng)變式傳感器是利用應(yīng)變效應(yīng)制成的一種測(cè)量微小機(jī)械變化量的傳感器。它可將拉力、壓力、扭矩、加速度、振動(dòng)等非電量轉(zhuǎn)換成電量，是目前應(yīng)用最廣泛的力傳感器之一。1．結(jié)構(gòu)組成及外形常用的材料有特種鋼、合金等。圖3-1-9所示為幾種電阻應(yīng)變式傳感器的外形圖。項(xiàng)目3力和壓力的檢測(cè)圖3-1-9幾種電阻應(yīng)變式傳感器的外形圖任務(wù)1測(cè)量工具的使用三、電阻應(yīng)變式傳感器

2．工作原理應(yīng)用電阻應(yīng)變式傳感器時(shí)，可將應(yīng)變片粘貼于彈性元件表面或者直接將應(yīng)變片粘貼于被測(cè)試件上。彈性元件或試件的變形通過(guò)基底和黏合劑傳遞給敏感柵，使得其電阻值也發(fā)生相應(yīng)的變化，然后經(jīng)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，再通過(guò)顯示記錄儀表將數(shù)值顯示出來(lái)，就可以知道彈性元件受力的大小，實(shí)現(xiàn)力的測(cè)量。項(xiàng)目3力和壓力的檢測(cè)任務(wù)1測(cè)量工具的使用三、電阻應(yīng)變式傳感器

3．電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用1）制作偏差檢測(cè)器圖3-1-10所示為物體尺寸偏差檢測(cè)器的原理圖，它主要用于檢測(cè)被測(cè)物體尺寸與標(biāo)準(zhǔn)體尺寸的偏差。項(xiàng)目3力和壓力的檢測(cè)圖3-1-10物體尺寸偏差檢測(cè)器的原理圖任務(wù)1測(cè)量工具的使用三、電阻應(yīng)變式傳感器

3．電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用1）制作偏差檢測(cè)器在回火鋼板的內(nèi)、外兩側(cè)分別粘貼電阻應(yīng)變片和，并將其接入電橋電路的相鄰兩個(gè)橋臂中。當(dāng)被測(cè)物體尺寸大于標(biāo)準(zhǔn)體尺寸時(shí)，回火鋼板的彎曲程度增加，使電阻應(yīng)變片受到壓力，其電阻值減?。皇闺娮钁?yīng)變片受到拉力，其電阻值增大，橋路平衡被打破，測(cè)量電路產(chǎn)生輸出電壓。當(dāng)被測(cè)物體尺寸小于標(biāo)準(zhǔn)體尺寸時(shí)，則情況剛好相反。由此，根據(jù)輸出電壓的變化量，即可求得被測(cè)物體與標(biāo)準(zhǔn)體的尺寸偏差情況。項(xiàng)目3力和壓力的檢測(cè)任務(wù)1測(cè)量工具的使用三、電阻應(yīng)變式傳感器

3．電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用2）電阻應(yīng)變式稱(chēng)重傳感器的應(yīng)用圖3-1-11所示為電阻應(yīng)變式稱(chēng)重傳感器的原理圖。它是在金屬板簧上粘貼兩個(gè)電阻應(yīng)變片，并將電阻應(yīng)變片接入如圖3-1-11所示的電橋電路的兩個(gè)相鄰的橋臂中。如果沒(méi)有重量，則電橋平衡，輸出電壓。當(dāng)測(cè)定物體的重量時(shí)，彈簧產(chǎn)生撓度，電阻應(yīng)變片的電阻值發(fā)生變化，使電橋失去平衡，產(chǎn)生輸出電壓，從而測(cè)出物體的重量。項(xiàng)目3力和壓力的檢測(cè)圖3-1-11電阻應(yīng)變式稱(chēng)重傳感器的原理圖任務(wù)1測(cè)量工具的使用三、電阻應(yīng)變式傳感器

3．電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用3）電阻應(yīng)變式加速度傳感器電阻應(yīng)變式加速度傳感器由質(zhì)量塊、貼有電阻應(yīng)變片的彈性元件（懸臂梁）和外殼組成，其結(jié)構(gòu)如圖3-1-12所示。實(shí)際使用時(shí)，傳感器與被測(cè)物體固定在一起，當(dāng)被測(cè)物體以加速度a運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊受到一個(gè)與加速度方向相反的慣性作用，使懸臂梁變形，電阻應(yīng)變片感受到應(yīng)變并使其電阻值發(fā)生變化。電阻值的變化引起由電阻應(yīng)變片組成的測(cè)量電橋的不平衡，橋路的輸出電壓即反映出加速度a的大小。項(xiàng)目3力和壓力的檢測(cè)圖3-1-12電阻應(yīng)變式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)知識(shí)目標(biāo)1．了解石英晶體及壓電陶瓷的壓電效應(yīng)及特點(diǎn)。2．理解壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)、特性及工作原理。3．掌握壓電式傳感器典型應(yīng)用電路的原理。4．掌握壓電材料壓電效應(yīng)的簡(jiǎn)易測(cè)試方法。能力目標(biāo)能完成電子打火機(jī)壓電效應(yīng)的測(cè)試。工作任務(wù)

本任務(wù)的主要內(nèi)容是：通過(guò)學(xué)習(xí)，理解壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)、特性及工作原理，掌握壓電材料壓電效應(yīng)的簡(jiǎn)易測(cè)試方法，并能完成電子打火機(jī)壓電效應(yīng)的測(cè)試。項(xiàng)目3力和壓力的檢測(cè)任務(wù)2

電子打火機(jī)壓電效應(yīng)的測(cè)試任務(wù)2電子打火機(jī)壓電效應(yīng)的測(cè)試一、壓電式傳感器壓電式傳感器是一種典型的有源傳感器，它是利用某些電介質(zhì)受力后產(chǎn)生的壓電效應(yīng)而制成的傳感器。壓電式傳感器是力敏感元件，可以對(duì)各種動(dòng)態(tài)力、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)、導(dǎo)航等方面都得到了廣泛的應(yīng)用。壓電式傳感器的外形如圖3-2-1所示。項(xiàng)目3力和壓力的檢測(cè)任務(wù)2電子打火機(jī)壓電效應(yīng)的測(cè)試一、壓電式傳感器

項(xiàng)目3力和壓力的檢測(cè)圖3-2-1壓電式傳感器的外形任務(wù)2電子打火機(jī)壓電效應(yīng)的測(cè)試二、壓電材料及性能參數(shù)具有明顯壓電效應(yīng)的敏感功能材料稱(chēng)為壓電材料。1．壓電效應(yīng)某些電介質(zhì)在沿一定方向受到外力的作用而變形時(shí)，由于內(nèi)部電荷的極化現(xiàn)象，相應(yīng)地會(huì)在其表面產(chǎn)生極性相反的電荷，當(dāng)外力作用消失時(shí)，又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，當(dāng)外力方向改變時(shí)，電荷極性也隨之改變，這種現(xiàn)象稱(chēng)為壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)是把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程。相反，在電介質(zhì)極化方向施加電場(chǎng)時(shí)，這些電介質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生機(jī)械形變，當(dāng)去掉外加電場(chǎng)時(shí)，電介質(zhì)變形也隨之消失，這種現(xiàn)象稱(chēng)為逆壓電效應(yīng)或電致伸縮效應(yīng)。與壓電效應(yīng)相反，逆壓電效應(yīng)的過(guò)程是把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過(guò)程，所以壓電效應(yīng)也稱(chēng)為正壓電效應(yīng)。壓電式傳感器是利用壓電材料的壓電效應(yīng)工作的。項(xiàng)目3力和壓力的檢測(cè)任務(wù)2電子打火機(jī)壓電效應(yīng)的測(cè)試二、壓電材料及性能參數(shù)具有明顯壓電效應(yīng)的敏感功能材料稱(chēng)為壓電材料。2．壓電材料可用于壓電式傳感器中的壓電材料一般有三類(lèi)：壓電晶體、經(jīng)過(guò)極化處理的壓電陶瓷和新型壓電材料。壓電材料實(shí)物圖如圖3-2-2所示。項(xiàng)目3力和壓力的檢測(cè)圖3-2-2壓電材料實(shí)物圖任務(wù)2電子打火機(jī)壓電效應(yīng)的測(cè)試二、壓電材料及性能參數(shù)2．壓電材料1）壓電晶體壓電式傳感器中用得最多的是壓電多晶體中的壓電陶瓷和壓電單晶體中的石英晶體、酒石酸鉀鈉等。其他壓電單晶體還有適用于高溫輻射環(huán)境的鈮酸鋰，以及鉭酸鋰、鎵酸鋰、鍺酸鉍等。（1）天然石英晶體（SiO2）［見(jiàn)圖3-2-2（a）］是一種良好的壓電晶體，壓電效應(yīng)就是在這種晶體中被發(fā)現(xiàn)的。石英晶體的居里溫度為537℃，且性能非常穩(wěn)定，介電常數(shù)與壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性特別好，具有機(jī)械強(qiáng)度高、性能穩(wěn)定、絕緣性能好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、線性范圍寬、遲滯小等優(yōu)點(diǎn)。但石英晶體的壓電系數(shù)小、靈敏度低，且價(jià)格較貴，所以它只能在標(biāo)準(zhǔn)傳感器、高精度傳感器或高溫環(huán)境下工作的傳感器中作為壓電元件使用。項(xiàng)目3力和壓力的檢測(cè)任務(wù)2電子打火機(jī)壓電效應(yīng)的測(cè)試二、壓電材料及性能參數(shù)2．壓電材料1）壓電晶體壓電式傳感器中用得最多的是壓電多晶體中的壓電陶瓷和壓電單晶體中的石英晶體、酒石酸鉀鈉等。其他壓電單晶體還有適用于高溫輻射環(huán)境的鈮酸鋰，以及鉭酸鋰、鎵酸鋰、鍺酸鉍等。（2）酒石酸鉀鈉是水溶性壓電晶體，具有很高的靈敏度和很大的介電常數(shù)，但容易受潮，機(jī)械強(qiáng)度也較低，只適用于室溫和濕度比較低的環(huán)境。（3）鈮酸鋰是一種透明的單晶體，其居里溫度為1200℃，具有良好的壓電性能和時(shí)間穩(wěn)定性，主要應(yīng)用于高溫環(huán)境。項(xiàng)目3力和壓力的檢測(cè)任務(wù)2電子打火機(jī)壓電效應(yīng)的測(cè)試二、壓電材料及性能參數(shù)2．壓電材料2）壓電陶瓷壓電陶瓷如圖3-2-2（b）所示。壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料，與石英晶體相比，壓電陶瓷的壓電系數(shù)很高，是石英晶體的50倍。它具有燒制方便、耐濕、耐高溫、易于成形等特點(diǎn)，制造成本很低。因此，在實(shí)際應(yīng)用中的壓電式傳感器大多采用壓電陶瓷。其優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，但性能沒(méi)有石英晶體穩(wěn)定，工作溫度也較低，最高只有70℃。項(xiàng)目3力和壓力的檢測(cè)任務(wù)2電子打火機(jī)壓電效應(yīng)的測(cè)試二、壓電材料及性能參數(shù)2．壓電材料2）壓電陶瓷常用的壓電陶瓷有以下幾種。（1）鈦酸鋇（BaTiO3）由BaCO3和TiO2在高溫下燒結(jié)而成，有較大的壓電系數(shù)和介電常數(shù)，但機(jī)械強(qiáng)度不高，較少使用。（2）鋯鈦酸鉛（PZT）是目前使用較多的壓電材料，性能穩(wěn)定，靈敏度高，有較大的壓電系數(shù)和介電常數(shù)，居里溫度在300℃以上。（3）鈮鎂酸鉛（PMN）有較大的壓電系數(shù)和較高的工作溫度，而且能承受較大的壓力，適合作為高溫下的力傳感器。項(xiàng)目3力和壓力的檢測(cè)任務(wù)2電子打火機(jī)壓電效應(yīng)的測(cè)試二、壓電材料及性能參數(shù)2．壓電材料3）新型壓電材料（1）壓電半導(dǎo)體如圖3-2-2（c）所示。有些晶體既具有半導(dǎo)體特性又同時(shí)具有壓電特性，如氧化鋅（ZnO）、硫化鋅（ZnS）、碲化鎘（CdTe）、硫化鎘（CdS）、碲化鋅（ZnTe）和砷化鎵（CaAs）等。因此既可利用它們的壓電特性研制傳感器，又可利用它們的半導(dǎo)體特性制作電子器件。兩者結(jié)合起來(lái)，就出現(xiàn)了集轉(zhuǎn)換元件和電子線路于一體的新型傳感器，應(yīng)用前景廣闊。項(xiàng)目3力和壓力的檢測(cè)任務(wù)2電子打火機(jī)壓電效應(yīng)的測(cè)試二、壓電材料及性能參數(shù)2．壓電材料3）新型壓電材料（2）有機(jī)高分子壓電材料如圖3-2-2（d）所示。有機(jī)高分子壓電薄膜是一種新型壓電材料，它是將某些高分子聚合物薄膜拉伸并極化后制成的。這種壓電材料具有質(zhì)輕柔軟、耐沖擊、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，因此常用于防盜、振動(dòng)等小壓力的測(cè)量方面。其主要產(chǎn)品有聚偏二氟乙烯（PVF2）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、聚氯乙烯（PVC）等。目前，人們?yōu)榱私鉀Q石英晶體和壓電陶瓷易碎、不易加工等問(wèn)題，將壓電陶瓷粉末加入高分子化合物中，制成高分子壓電陶瓷薄膜。這樣，高分子壓電陶瓷薄膜既具有壓電陶瓷的優(yōu)點(diǎn)，又具有高分子壓電薄膜的柔軟性，已廣泛應(yīng)用于報(bào)警系統(tǒng)和各類(lèi)數(shù)據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)。

項(xiàng)目3力和壓力的檢測(cè)任務(wù)2電子打火機(jī)壓電效應(yīng)的測(cè)試二、壓電材料及性能參數(shù)2．壓電材料（2）圖3-2-3所示為由高分子壓電材料制作的報(bào)警器。項(xiàng)目3力和壓力的檢測(cè)圖3-2-3由高分子壓電材料制作的報(bào)警器任務(wù)2電子打火機(jī)壓電效應(yīng)的測(cè)試二、壓電材料及性能參數(shù)3．壓電材料的特性參數(shù)衡量壓電材料性能的特性參數(shù)主要有壓電系數(shù)、介電常數(shù)、居里溫度等。（1）壓電系數(shù)：是衡量材料壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù)。（2）介電常數(shù)：是表示物質(zhì)絕緣能力特性的一個(gè)系數(shù)，會(huì)影響壓電式傳感器的頻率下限。（3）居里溫度：是壓電材料開(kāi)始喪失壓電特性的溫度。（4）機(jī)械耦合系數(shù)：是在壓電效應(yīng)中，轉(zhuǎn)換輸出能量（電能）與輸入能量（機(jī)械能）之比的平方根，是衡量壓電材料機(jī)-電轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)重要參數(shù)。（5）彈性常數(shù)：決定壓電材料的固有頻率和動(dòng)態(tài)特性。（6）電阻：壓電材料的絕緣電阻將減少電荷泄漏，從而改善壓電式傳感器的低頻特性。項(xiàng)目3力和壓力的檢測(cè)任務(wù)2電子打火機(jī)壓電效應(yīng)的測(cè)試二、壓電材料及性能參數(shù)4．壓電材料的選擇選擇壓電材料一般考慮以下因素。（1）機(jī)-電轉(zhuǎn)換性能：要具有大的壓電系數(shù)。（2）機(jī)械性能：機(jī)械強(qiáng)度高、剛度大，以獲得較寬的線性范圍和較高的固有振動(dòng)頻率。（3）電性能：要具有高的電阻率和大的介電常數(shù)，以期減少電荷的泄漏及外部分布電容的影響。（4）溫度和濕度穩(wěn)定性良好，要具有較高的居里溫度，以期得到較寬的工作溫度范圍。（5）時(shí)間穩(wěn)定性：壓電特性不隨時(shí)間改變。項(xiàng)目3力和壓力的檢測(cè)任務(wù)2電子打火機(jī)壓電效應(yīng)的測(cè)試三、壓電式傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路壓電式傳感器中的壓電元件在外力的作用下發(fā)生變形，表面產(chǎn)生電荷，只要測(cè)得其產(chǎn)生的電荷量，就可以得到作用力的大小。但是壓電式傳感器自身的內(nèi)阻抗很高，輸出的電信號(hào)又比較微弱，一般不能直接接測(cè)量?jī)x表，需要把它輸出的電信號(hào)接到前置放大器，進(jìn)行放大處理后再進(jìn)行測(cè)量和顯示。所以，為了與壓電式傳感器高的內(nèi)阻抗相匹配，要求前置放大器的輸入阻抗要高。這樣高輸入阻抗的前置放大器就有兩個(gè)作用：一是把壓電式傳感器的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗；二是把傳感器輸出的微弱電信號(hào)進(jìn)行放大。項(xiàng)目3力和壓力的檢測(cè)任務(wù)2電子打火機(jī)壓電效應(yīng)的測(cè)試三、壓電式傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路1．壓電元件的等效電路壓電式傳感器中的壓電元件就是將能產(chǎn)生電荷的兩個(gè)壓電晶片表面封上金屬電極后構(gòu)成的。當(dāng)壓電元件受力時(shí)，就會(huì)在兩個(gè)電極上產(chǎn)生電荷，因此壓電元件相當(dāng)于一個(gè)電荷源；兩個(gè)電極之間是絕緣的壓電介質(zhì)，因此壓電元件又相當(dāng)于一個(gè)以壓電材料為介質(zhì)的電容，其電容值為項(xiàng)目3力和壓力的檢測(cè)任務(wù)2電子打火機(jī)壓電效應(yīng)的測(cè)試三、壓電式傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路1．壓電元件的等效電路因此，可以把壓電元件等效為一個(gè)電荷源與一個(gè)電容相并聯(lián)的等效電路，也可以等效為一個(gè)電荷源與一個(gè)電容相串聯(lián)的等效電路，如圖3-2-4所示。項(xiàng)目3力和壓力的檢測(cè)圖3-2-4壓電元件的等效電路任務(wù)2電子打火機(jī)壓電效應(yīng)的測(cè)試三、壓電式傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路1．壓電元件的等效電路由于外力作用在壓電元件上所產(chǎn)生的電荷只有在無(wú)泄漏的情況下才能保存，即需要測(cè)量回路具有無(wú)限大的內(nèi)阻抗，這實(shí)際上是達(dá)不到的，所以壓電式傳感器不能用于靜態(tài)參數(shù)測(cè)量。壓電元件只有在交變力的作用下，電荷才能源源不斷地產(chǎn)生，可以供給測(cè)量回路一定的電流，故壓電式傳感器只適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。項(xiàng)目3力和壓力的檢測(cè)任務(wù)2電子打火機(jī)壓電效應(yīng)的測(cè)試三、壓電式傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路2．壓電式傳感器測(cè)量電路壓電式傳感器的輸出可以是電荷信號(hào)，也可以是電壓信號(hào)，因此，對(duì)應(yīng)的前置放大器（測(cè)量電路）就有兩種形式：電荷放大器和電壓放大器。由于電壓放大器的輸出電壓與電纜電容有關(guān)，更換電纜會(huì)引入測(cè)量誤差，所以目前多采用電荷放大器。電荷放大器的等效電路如圖3-2-5所示。圖3-2-5中，為傳感器的泄漏電阻，為放大器的輸入電阻，為反饋電阻，為電纜電容，為放大器的輸入電容。當(dāng)放大器開(kāi)環(huán)增益A、輸入電阻和反饋電阻足夠大時(shí)，放大器的輸出電壓可近似為項(xiàng)目3力和壓力的檢測(cè)任務(wù)2電子打火機(jī)壓電效應(yīng)的測(cè)試三、壓電式傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路2．壓電式傳感器測(cè)量電路電荷放大器的輸出電壓與電纜電容無(wú)關(guān)，取決于輸入電荷和反饋電容，且與輸入電荷成正比，這正是電荷放大器的突出優(yōu)點(diǎn)。項(xiàng)目3力和壓力的檢測(cè)圖3-2-5電荷放大器的等效電路任務(wù)2電子打火機(jī)壓電效應(yīng)的測(cè)試三、壓電式傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路2．壓電式傳感器測(cè)量電路電荷放大器實(shí)際上是一個(gè)具有負(fù)反饋電容的高增益運(yùn)算放大電路，反饋電容越小，靈敏度越高。反饋電阻并聯(lián)在反饋電容的兩端，形成直流負(fù)反饋，用于穩(wěn)定直流工作點(diǎn)，防止放大器直流飽和，減小零漂。項(xiàng)目3力和壓力的檢測(cè)任務(wù)2電子打火機(jī)壓電效應(yīng)的測(cè)試四、壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用1．壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中為提高靈敏度，使壓電元件表面有足夠的電荷，常把兩片或四片壓電元件組合在一起使用。由于壓電材料有極性，因此存在并聯(lián)、串聯(lián)兩種結(jié)構(gòu)形式，如圖3-2-6所示。項(xiàng)目3力和壓力的檢測(cè)（a）串聯(lián)（b）并聯(lián)圖3-2-6壓電元件的兩種連接方法任務(wù)2電子打火機(jī)壓電效應(yīng)的測(cè)試四、壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用1．壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)單片壓電元件的電容為C，電荷量為Q，電壓為U。在串聯(lián)方式下，正電荷集中在上極板，負(fù)電荷集中在下極板，中間極板的上片產(chǎn)生的負(fù)電荷與下片產(chǎn)生的正電荷相互抵消，其輸出為項(xiàng)目3力和壓力的檢測(cè)在并聯(lián)方式下，片上的負(fù)電荷集中在中間極板上，相當(dāng)于兩只電容并聯(lián)，其輸出為任務(wù)2電子打火機(jī)壓電效應(yīng)的測(cè)試四、壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用1．壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)并聯(lián)方式輸出電荷大，適用于測(cè)量緩慢變化的信號(hào)，并且適用于測(cè)量以電荷為輸出量的場(chǎng)合。而串聯(lián)方式輸出電壓大，本身電容小，適用于測(cè)量以電壓為輸出并且測(cè)量電路輸入阻抗較高的場(chǎng)合。項(xiàng)目3力和壓力的檢測(cè)任務(wù)2電子打火機(jī)壓電效應(yīng)的測(cè)試四、壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用2．壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器是一種自發(fā)電式傳感器，具有體積小、質(zhì)量小、靈敏度高、工作頻帶寬及測(cè)量精度高等特點(diǎn)，因其內(nèi)部沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，所以它的結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、可靠性和穩(wěn)定性高，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、軍事科技、醫(yī)學(xué)及日常生活。例如：利用壓電陶瓷的壓電效應(yīng)可生產(chǎn)出不用火石的壓電打火機(jī)、煤氣灶自動(dòng)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)及炮彈觸發(fā)引信等；用壓電陶瓷制作的醫(yī)學(xué)探頭可幫助醫(yī)生了解人體的內(nèi)部情況，進(jìn)行有效的診斷和治療；還可用壓電陶瓷制作壓電地震儀，對(duì)細(xì)微振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以獲得精確的震源方位和強(qiáng)度，從而預(yù)測(cè)地震，減少損失。項(xiàng)目3力和壓力的檢測(cè)任務(wù)2電子打火機(jī)壓電效應(yīng)的測(cè)試四、壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用2．壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器主要應(yīng)用于加速度、壓力和力等的測(cè)量。1）壓電式加速度傳感器利用公式F

=

ma（a為加速度，m為質(zhì)量塊質(zhì)量），可將加速度