智能傳感器檢測與應用技術 課件 項目三 力和壓力的檢測

智能傳感器檢測與應用技術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峰唐國永陳軍主編黃浩兵林雙媚韋玉秋

參編農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峰唐國永陳軍“十四五”職業(yè)教育智能制造技術應用專業(yè)系列教材項目3力和壓力的檢測1．掌握電阻應變式傳感器和壓電式傳感器的結構、特性及工作原理。2．理解電阻應變式傳感器和壓電式傳感器的典型應用電路3．掌握電阻應變片的粘貼方法。4．熟悉電阻應變片的溫度補償原理，掌握補償方法。5．熟悉電阻應變式傳感器和壓電式傳感器的應用。知識目標：1．能正確粘貼電阻應變片。2．會應變片單臂電橋及壓電效應性能測試的方法和步驟。能力目標：

本項目主要包括：應變電橋的性能測試、電子打火機壓電效應的測試2個任務，要求學生通過這2個任務的學習，進一步掌握電阻應變式傳感器、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)生產中力和壓力的檢測方法及應用。項目描述目標與描述知識目標1．理解應變效應。2．掌握電阻應變式傳感器的結構、特性及工作原理。3．掌握電橋測量電路的工作原理及溫度補償方法。4．理解電阻應變式傳感器典型應用電路的工作原理。5．掌握應變片單臂電橋性能測試的方法及步驟。能力目標能完成應變片單臂電橋的性能測試。工作任務

本任務的主要內容是：通過學習，掌握電阻應變式傳感器的結構、特性及工作原理，并能完成應變片單臂電橋的性能測試。項目3力和壓力的檢測任務1應變電橋的性能測試任務1測量工具的使用一、應變效應和電阻應變片

1．應變效應及其原理金屬或半導體電阻在外力的作用下發(fā)生機械變形（拉伸或壓縮）時，其阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為電阻的應變效應。由電工學可知，當金屬絲的長度為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，它的阻值為項目3力和壓力的檢測任務1測量工具的使用一、應變效應和電阻應變片

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

2．電阻應變片電阻應變片就是利用電阻的應變效應制成的敏感元件，它可以把其機械變形轉換成阻值的變化。電阻應變片由敏感柵（電阻絲）、引線、基底、覆蓋層、黏合劑等組成，其基本結構如圖3-1-1所示。圖3-1-1中，l為敏感柵沿軸向測量變形的有效長度（電阻應變片的標距），b為敏感柵的寬度（電阻應變片的基寬）。敏感柵是電阻應變片的主要組成部分，應變-電阻的變換就是由它完成的。項目3力和壓力的檢測圖3-1-1電阻應變片基本結構任務1測量工具的使用一、應變效應和電阻應變片

2．電阻應變片對敏感柵的金屬材料有如下要求。（1）靈敏度系數(shù)要大，并在所測應變范圍內保持不變；（2）電阻率要高而穩(wěn)定，以便縮短敏感柵長度；（3）抗氧化、耐腐蝕性好，電阻溫度系數(shù)要?。唬?）機械強度高，具有良好的機械加工和焊接性能。項目3力和壓力的檢測任務1測量工具的使用一、應變效應和電阻應變片

2．電阻應變片基底用于保持敏感柵、引線的幾何形狀和相對位置，覆蓋層既保持敏感柵和引線的形狀和相對位置，還可保護敏感柵?；撞牧贤ǔＳ屑埢湍z基兩種。膠基由環(huán)氧樹脂、酚醛樹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。引線是從電阻應變片的敏感柵中引出的細金屬線。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。項目3力和壓力的檢測任務1測量工具的使用一、應變效應和電阻應變片

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

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

項目3力和壓力的檢測（a）金屬絲式應變片（b）金屬箔式應變片 （c）金屬薄膜式應變片圖3-1-2幾種不同類型的電阻應變片任務1測量工具的使用一、應變效應和電阻應變片

3．電阻應變片的分類電阻應變片的品種繁多，形式多樣，常用的電阻應變片有金屬電阻應變片和半導體應變片兩大類。1）金屬電阻應變片金屬箔式應變片是將數(shù)微米厚的金屬膜黏固在環(huán)氧樹脂基片上，再通過光刻、腐蝕等工藝制成的應變片。金屬箔式應變片的金屬膜厚度通常為0.003～0.01mm，其面積比金屬絲式應變片的面積大得多，所以散熱效果好、允許通過的電流大、橫向效應小、靈敏度系數(shù)較大、柔性好、壽命長、工藝成熟且適于大批量生產而得到廣泛使用。金屬薄膜式應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，最后加上保護層制成的應變片。它的優(yōu)點是靈敏度系數(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。

項目3力和壓力的檢測任務1測量工具的使用一、應變效應和電阻應變片

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

4．電阻應變片的粘貼技術電阻應變片在使用時通常是用黏合劑貼在彈性元件或試件上，正確的粘貼工藝對保證粘貼質量、提高測試精度起著重要的作用。因此電阻應變片在粘貼時，應嚴格按粘貼工藝要求進行。1）電阻應變片的檢查對所選用的電阻應變片進行外觀和電阻的檢查。觀察敏感柵的排列是否整齊、均勻，片內是否夾有氣泡，是否有銹蝕及短路、斷路和折彎現(xiàn)象。測量電阻應變片的電阻值，檢查電阻值、精度是否符合要求，對于橋臂配對用的電阻應變片，其電阻值要盡量一致。項目3力和壓力的檢測任務1測量工具的使用一、應變效應和電阻應變片

4．電阻應變片的粘貼技術2）試件的表面處理為了保證一定的黏合強度，必須將試件待貼表面進行打磨，除去銹斑、氧化皮、油污等覆蓋層，再用直尺、鋼針畫出應變片定位線，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。項目3力和壓力的檢測任務1測量工具的使用一、應變效應和電阻應變片

4．電阻應變片的粘貼技術3）確定貼片位置在電阻應變片上標出敏感柵的縱、橫向中心線，粘貼時應使電阻應變片的中心線與試件的定位線對準。4）粘貼電阻應變片將清洗干凈的電阻應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，并用手輕輕滾動擠壓，將多余的黏合劑和氣泡排出。項目3力和壓力的檢測任務1測量工具的使用一、應變效應和電阻應變片

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

4．電阻應變片的粘貼技術8）引線的保護為防止電阻應變片的電阻絲和引線被拉斷，需用膠布將導線固定在試件表面，且要處理好導線與試件之間的絕緣問題。9）防潮防濕處理為防止因潮濕引起絕緣電阻黏合強度下降，因腐蝕而損壞電阻應變片，應在電阻應變片上涂一層硅橡膠、石蠟、蜂蠟、環(huán)氧樹脂等防潮、防腐材料，固化后用萬用表測量，電阻應變片的電阻值應無明顯變化。項目3力和壓力的檢測任務1測量工具的使用一、應變效應和電阻應變片

5．電阻應變片的參數(shù)1）標準電阻值標準電阻值是指在室溫條件下，未安裝的電阻應變片不受外力作用時測定的電阻值，也稱為初始電阻值。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，一般應大于10MΩ。項目3力和壓力的檢測任務1測量工具的使用一、應變效應和電阻應變片

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

5．電阻應變片的參數(shù)4）應變極限應變極限是指電阻應變片所能承受的最大應變值。在一定溫度下，對電阻應變片緩慢施加拉伸負荷，傳感器的指標應變值對真實應變值的相對誤差大于10%時的真實應變值為電阻應變片的應變極限。5）允許電流允許電流是指電阻應變片允許通過的最大電流。項目3力和壓力的檢測任務1測量工具的使用一、應變效應和電阻應變片

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

5．電阻應變片的參數(shù)7）零點漂移和蠕變（1）零點漂移：對于粘貼好的電阻應變片，當溫度恒定且不承受應變時，其電阻值隨時間增加而變化的特性稱為電阻應變片的零點漂移。產生原因：①敏感柵通電后的溫度效應；②電阻應變片的內應力逐漸變化；③黏合劑固化不充分等。（2）蠕變：如果在一定溫度下，使電阻應變片承受恒定的機械應變，其電阻值隨時間增加而變化的特性稱為蠕變。一般蠕變的方向與原應變的方向相反。產生原因：電阻應變片在制造過程中所產生的內應力、絲材、黏合劑、基底等的變化是造成電阻應變片蠕變的原因。這兩項指標都是用來衡量電阻應變片特性對時間的穩(wěn)定性的。項目3力和壓力的檢測任務1測量工具的使用二、電阻應變片的測量電路

1．應變電橋電阻應變片的機械應變一般都很小，引起的電阻值變化也很微小，一般為5×10-4～1×10-1Ω，因此，要精確地測量出微小電阻值的變化量，就需要有專用的測量電路，將電阻應變片電阻值的變化轉換為電壓或電流的變化，再由儀表顯示輸出。這種測量電路常被稱為應變電橋。應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在進一步放大時易產生零漂，故交流電橋的應用更為廣泛。直流電橋只用于較大應變的測量，交流電橋可用于各種應變的測量。但直流電橋結構簡單，與交流電橋的工作原理相似，所以這里以直流電橋為例進行分析。項目3力和壓力的檢測任務1測量工具的使用二、電阻應變片的測量電路

1．應變電橋1）電橋結構與熱電阻電橋測量線路相同，把電阻應變片接入電路橋臂即構成應變電橋，如圖3-1-4所示。電橋平衡條件：，，即電路輸出為零。當其中某一應變電阻發(fā)生變化時，電橋平衡被打破，有電壓輸出，輸出電壓與被測量的變化成比例，因而達到測量被測量的目的。項目3力和壓力的檢測圖3-1-4電橋電路任務1測量工具的使用二、電阻應變片的測量電路

1．應變電橋1）電橋結構在實際使用時，即使在平衡狀態(tài)，電橋輸出也不一定為零，因此，一般電橋測量電路都設有調零裝置，如圖3-1-5所示。項目3力和壓力的檢測圖3-1-5設有調零裝置的電橋電路任務1測量工具的使用二、電阻應變片的測量電路

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

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

2．應變電橋的溫度補償在實際測量中，電阻應變片的電阻值不僅隨機械應變而變化，其敏感柵的金屬絲的電阻值也會隨環(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量帶來的附加誤差，稱為電阻應變片的溫度誤差。產生誤差的原因：一是電阻應變片的電阻溫度系數(shù)不一致；二是應變材料與被測試件材料的線膨脹系數(shù)不同，而使應變片產生附加應變。因此，為了提高測量精度，必須進行溫度補償。常用的溫度補償方法有電橋補償法和應變片自補償法兩種。項目3力和壓力的檢測任務1測量工具的使用二、電阻應變片的測量電路

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

2．應變電橋的溫度補償1）電橋補償法由于補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生的電阻值變化和補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，從而補償了應變電橋的溫度誤差。項目3力和壓力的檢測圖3-1-6電橋補償法接法一任務1測量工具的使用二、電阻應變片的測量電路

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

2．應變電橋的溫度補償2）應變片自補償法所謂溫度自補償，就是當溫度發(fā)生變化時，利用電阻應變片的自身特性，在使用溫度范圍內，使電阻應變片的虛假輸出為零或在某一規(guī)定的允許范圍內。自補償?shù)碾娮钁兤圃旌唵危杀据^低，但必須在特定的構件材料上才能使用，不同材料的試件必須采用不同的電阻應變片。項目3力和壓力的檢測任務1測量工具的使用三、電阻應變式傳感器

電阻應變式傳感器是利用應變效應制成的一種測量微小機械變化量的傳感器。它可將拉力、壓力、扭矩、加速度、振動等非電量轉換成電量，是目前應用最廣泛的力傳感器之一。1．結構組成及外形如圖3-1-8所示，電阻應變式傳感器主要由彈性元件、電阻應變片和外殼組成，核心元件是電阻應變片，但電阻應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生變形，當外力撤掉后又能完全恢復其原來狀態(tài)的元件。實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。項目3力和壓力的檢測圖3-1-8電阻應變式傳感器的組成框圖任務1測量工具的使用三、電阻應變式傳感器

電阻應變式傳感器是利用應變效應制成的一種測量微小機械變化量的傳感器。它可將拉力、壓力、扭矩、加速度、振動等非電量轉換成電量，是目前應用最廣泛的力傳感器之一。1．結構組成及外形常用的材料有特種鋼、合金等。圖3-1-9所示為幾種電阻應變式傳感器的外形圖。項目3力和壓力的檢測圖3-1-9幾種電阻應變式傳感器的外形圖任務1測量工具的使用三、電阻應變式傳感器

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

3．電阻應變式傳感器的應用1）制作偏差檢測器圖3-1-10所示為物體尺寸偏差檢測器的原理圖，它主要用于檢測被測物體尺寸與標準體尺寸的偏差。項目3力和壓力的檢測圖3-1-10物體尺寸偏差檢測器的原理圖任務1測量工具的使用三、電阻應變式傳感器

3．電阻應變式傳感器的應用1）制作偏差檢測器在回火鋼板的內、外兩側分別粘貼電阻應變片和，并將其接入電橋電路的相鄰兩個橋臂中。當被測物體尺寸大于標準體尺寸時，回火鋼板的彎曲程度增加，使電阻應變片受到壓力，其電阻值減??；使電阻應變片受到拉力，其電阻值增大，橋路平衡被打破，測量電路產生輸出電壓。當被測物體尺寸小于標準體尺寸時，則情況剛好相反。由此，根據輸出電壓的變化量，即可求得被測物體與標準體的尺寸偏差情況。項目3力和壓力的檢測任務1測量工具的使用三、電阻應變式傳感器

3．電阻應變式傳感器的應用2）電阻應變式稱重傳感器的應用圖3-1-11所示為電阻應變式稱重傳感器的原理圖。它是在金屬板簧上粘貼兩個電阻應變片，并將電阻應變片接入如圖3-1-11所示的電橋電路的兩個相鄰的橋臂中。如果沒有重量，則電橋平衡，輸出電壓。當測定物體的重量時，彈簧產生撓度，電阻應變片的電阻值發(fā)生變化，使電橋失去平衡，產生輸出電壓，從而測出物體的重量。項目3力和壓力的檢測圖3-1-11電阻應變式稱重傳感器的原理圖任務1測量工具的使用三、電阻應變式傳感器

3．電阻應變式傳感器的應用3）電阻應變式加速度傳感器電阻應變式加速度傳感器由質量塊、貼有電阻應變片的彈性元件（懸臂梁）和外殼組成，其結構如圖3-1-12所示。實際使用時，傳感器與被測物體固定在一起，當被測物體以加速度a運動時，質量塊受到一個與加速度方向相反的慣性作用，使懸臂梁變形，電阻應變片感受到應變并使其電阻值發(fā)生變化。電阻值的變化引起由電阻應變片組成的測量電橋的不平衡，橋路的輸出電壓即反映出加速度a的大小。項目3力和壓力的檢測圖3-1-12電阻應變式加速度傳感器的結構知識目標1．了解石英晶體及壓電陶瓷的壓電效應及特點。2．理解壓電式傳感器的結構、特性及工作原理。3．掌握壓電式傳感器典型應用電路的原理。4．掌握壓電材料壓電效應的簡易測試方法。能力目標能完成電子打火機壓電效應的測試。工作任務

本任務的主要內容是：通過學習，理解壓電式傳感器的結構、特性及工作原理，掌握壓電材料壓電效應的簡易測試方法，并能完成電子打火機壓電效應的測試。項目3力和壓力的檢測任務2

電子打火機壓電效應的測試任務2電子打火機壓電效應的測試一、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受力后產生的壓電效應而制成的傳感器。壓電式傳感器是力敏感元件，可以對各種動態(tài)力、機械沖擊和振動進行測量，在聲學、醫(yī)學、力學、導航等方面都得到了廣泛的應用。壓電式傳感器的外形如圖3-2-1所示。項目3力和壓力的檢測任務2電子打火機壓電效應的測試一、壓電式傳感器

項目3力和壓力的檢測圖3-2-1壓電式傳感器的外形任務2電子打火機壓電效應的測試二、壓電材料及性能參數(shù)具有明顯壓電效應的敏感功能材料稱為壓電材料。1．壓電效應某些電介質在沿一定方向受到外力的作用而變形時，由于內部電荷的極化現(xiàn)象，相應地會在其表面產生極性相反的電荷，當外力作用消失時，又恢復到不帶電狀態(tài)，當外力方向改變時，電荷極性也隨之改變，這種現(xiàn)象稱為壓電效應。壓電效應是把機械能轉化為電能的過程。相反，在電介質極化方向施加電場時，這些電介質也會產生機械形變，當去掉外加電場時，電介質變形也隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應或電致伸縮效應。與壓電效應相反，逆壓電效應的過程是把電能轉化為機械能的過程，所以壓電效應也稱為正壓電效應。壓電式傳感器是利用壓電材料的壓電效應工作的。項目3力和壓力的檢測任務2電子打火機壓電效應的測試二、壓電材料及性能參數(shù)具有明顯壓電效應的敏感功能材料稱為壓電材料。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：壓電晶體、經過極化處理的壓電陶瓷和新型壓電材料。壓電材料實物圖如圖3-2-2所示。項目3力和壓力的檢測圖3-2-2壓電材料實物圖任務2電子打火機壓電效應的測試二、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）［見圖3-2-2（a）］是一種良好的壓電晶體，壓電效應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，具有機械強度高、性能穩(wěn)定、絕緣性能好、動態(tài)響應快、線性范圍寬、遲滯小等優(yōu)點。但石英晶體的壓電系數(shù)小、靈敏度低，且價格較貴，所以它只能在標準傳感器、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。項目3力和壓力的檢測任務2電子打火機壓電效應的測試二、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，機械強度也較低，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間穩(wěn)定性，主要應用于高溫環(huán)境。項目3力和壓力的檢測任務2電子打火機壓電效應的測試二、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，制造成本很低。因此，在實際應用中的壓電式傳感器大多采用壓電陶瓷。其優(yōu)點是靈敏度高，但性能沒有石英晶體穩(wěn)定，工作溫度也較低，最高只有70℃。項目3力和壓力的檢測任務2電子打火機壓電效應的測試二、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在高溫下燒結而成，有較大的壓電系數(shù)和介電常數(shù)，但機械強度不高，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。項目3力和壓力的檢測任務2電子打火機壓電效應的測試二、壓電材料及性能參數(shù)2．壓電材料3）新型壓電材料（1）壓電半導體如圖3-2-2（c）所示。有些晶體既具有半導體特性又同時具有壓電特性，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體特性制作電子器件。兩者結合起來，就出現(xiàn)了集轉換元件和電子線路于一體的新型傳感器，應用前景廣闊。項目3力和壓力的檢測任務2電子打火機壓電效應的測試二、壓電材料及性能參數(shù)2．壓電材料3）新型壓電材料（2）有機高分子壓電材料如圖3-2-2（d）所示。有機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輕柔軟、耐沖擊、靈敏度高等優(yōu)點，因此常用于防盜、振動等小壓力的測量方面。其主要產品有聚偏二氟乙烯（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，又具有高分子壓電薄膜的柔軟性，已廣泛應用于報警系統(tǒng)和各類數(shù)據檢測系統(tǒng)。

項目3力和壓力的檢測任務2電子打火機壓電效應的測試二、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警器。項目3力和壓力的檢測圖3-2-3由高分子壓電材料制作的報警器任務2電子打火機壓電效應的測試二、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強弱的參數(shù)。（2）介電常數(shù)：是表示物質絕緣能力特性的一個系數(shù)，會影響壓電式傳感器的頻率下限。（3）居里溫度：是壓電材料開始喪失壓電特性的溫度。（4）機械耦合系數(shù)：是在壓電效應中，轉換輸出能量（電能）與輸入能量（機械能）之比的平方根，是衡量壓電材料機-電轉換效率的一個重要參數(shù)。（5）彈性常數(shù)：決定壓電材料的固有頻率和動態(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。項目3力和壓力的檢測任務2電子打火機壓電效應的測試二、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-電轉換性能：要具有大的壓電系數(shù)。（2）機械性能：機械強度高、剛度大，以獲得較寬的線性范圍和較高的固有振動頻率。（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）時間穩(wěn)定性：壓電特性不隨時間改變。項目3力和壓力的檢測任務2電子打火機壓電效應的測試三、壓電式傳感器的測量轉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，表面產生電荷，只要測得其產生的電荷量，就可以得到作用力的大小。但是壓電式傳感器自身的內阻抗很高，輸出的電信號又比較微弱，一般不能直接接測量儀表，需要把它輸出的電信號接到前置放大器，進行放大處理后再進行測量和顯示。所以，為了與壓電式傳感器高的內阻抗相匹配，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進行放大。項目3力和壓力的檢測任務2電子打火機壓電效應的測試三、壓電式傳感器的測量轉換電路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生電荷的兩個壓電晶片表面封上金屬電極后構成的。當壓電元件受力時，就會在兩個電極上產生電荷，因此壓電元件相當于一個電荷源；兩個電極之間是絕緣的壓電介質，因此壓電元件又相當于一個以壓電材料為介質的電容，其電容值為項目3力和壓力的檢測任務2電子打火機壓電效應的測試三、壓電式傳感器的測量轉換電路1．壓電元件的等效電路因此，可以把壓電元件等效為一個電荷源與一個電容相并聯(lián)的等效電路，也可以等效為一個電荷源與一個電容相串聯(lián)的等效電路，如圖3-2-4所示。項目3力和壓力的檢測圖3-2-4壓電元件的等效電路任務2電子打火機壓電效應的測試三、壓電式傳感器的測量轉換電路1．壓電元件的等效電路由于外力作用在壓電元件上所產生的電荷只有在無泄漏的情況下才能保存，即需要測量回路具有無限大的內阻抗，這實際上是達不到的，所以壓電式傳感器不能用于靜態(tài)參數(shù)測量。壓電元件只有在交變力的作用下，電荷才能源源不斷地產生，可以供給測量回路一定的電流，故壓電式傳感器只適用于動態(tài)測量。項目3力和壓力的檢測任務2電子打火機壓電效應的測試三、壓電式傳感器的測量轉換電路2．壓電式傳感器測量電路壓電式傳感器的輸出可以是電荷信號，也可以是電壓信號，因此，對應的前置放大器（測量電路）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，更換電纜會引入測量誤差，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。當放大器開環(huán)增益A、輸入電阻和反饋電阻足夠大時，放大器的輸出電壓可近似為項目3力和壓力的檢測任務2電子打火機壓電效應的測試三、壓電式傳感器的測量轉換電路2．壓電式傳感器測量電路電荷放大器的輸出電壓與電纜電容無關，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。項目3力和壓力的檢測圖3-2-5電荷放大器的等效電路任務2電子打火機壓電效應的測試三、壓電式傳感器的測量轉換電路2．壓電式傳感器測量電路電荷放大器實際上是一個具有負反饋電容的高增益運算放大電路，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，形成直流負反饋，用于穩(wěn)定直流工作點，防止放大器直流飽和，減小零漂。項目3力和壓力的檢測任務2電子打火機壓電效應的測試四、壓電式傳感器的結構及應用1．壓電式傳感器的結構在實際應用中為提高靈敏度，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)兩種結構形式，如圖3-2-6所示。項目3力和壓力的檢測（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2電子打火機壓電效應的測試四、壓電式傳感器的結構及應用1．壓電式傳感器的結構設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，負電荷集中在下極板，中間極板的上片產生的負電荷與下片產生的正電荷相互抵消，其輸出為項目3力和壓力的檢測在并聯(lián)方式下，片上的負電荷集中在中間極板上，相當于兩只電容并聯(lián)，其輸出為任務2電子打火機壓電效應的測試四、壓電式傳感器的結構及應用1．壓電式傳感器的結構并聯(lián)方式輸出電荷大，適用于測量緩慢變化的信號，并且適用于測量以電荷為輸出量的場合。而串聯(lián)方式輸出電壓大，本身電容小，適用于測量以電壓為輸出并且測量電路輸入阻抗較高的場合。項目3力和壓力的檢測任務2電子打火機壓電效應的測試四、壓電式傳感器的結構及應用2．壓電式傳感器的應用壓電式傳感器是一種自發(fā)電式傳感器，具有體積小、質量小、靈敏度高、工作頻帶寬及測量精度高等特點，因其內部沒有運動部件，所以它的結構堅固、可靠性和穩(wěn)定性高，被廣泛應用于工業(yè)生產、軍事科技、醫(yī)學及日常生活。例如：利用壓電陶瓷的壓電效應可生產出不用火石的壓電打火機、煤氣灶自動點火開關及炮彈觸發(fā)引信等；用壓電陶瓷制作的醫(yī)學探頭可幫助醫(yī)生了解人體的內部情況，進行有效的診斷和治療；還可用壓電陶瓷制作壓電地震儀，對細微振動進行監(jiān)測，以獲得精確的震源方位和強度，從而預測地震，減少損失。項目3力和壓力的檢測任務2電子打火機壓電效應的測試四、壓電式傳感器的結構及應用2．壓電式傳感器的應用壓電式傳感器主要應用于加速度、壓力和力等的測量。1）壓電式加速度傳感器利用公式F

=

ma（a為加速度，m為質量塊質量），可將加速度