第三章_壓力檢測(cè)

1、第三章 壓力檢測(cè) 3.1 壓力的概念及單位 n壓力是重要的工業(yè)參數(shù)之一，正確測(cè)量 和控制壓力對(duì)保證生產(chǎn)工藝過(guò)程的安全 性和經(jīng)濟(jì)性有重要意義。 n測(cè)量上所稱(chēng)的“壓力”就是物理學(xué)中的 “壓強(qiáng)”。 3.1 壓力的概念及單位 n壓力是垂直而均勻地作用在單位面積上 的力。 它的大小由兩個(gè)因素所決定， 即 受力面積和垂直作用力的大小， 用數(shù)學(xué) 式表示為： S F P 單位 : 帕斯卡(Pa)， 1Pa=1N/m2 3.1 壓力的概念及單位 在壓力測(cè)量中，常將壓力分為： n絕對(duì)壓力（Absolute pressure）：相對(duì)于絕對(duì)真 空所測(cè)得的壓力。 n表壓（Gauge pressure）：相對(duì)于大氣壓力的

2、差 壓；絕對(duì)壓力和大氣壓力之間的差壓。 n負(fù)壓力（Negative pressure）：絕對(duì)壓力低于大 氣壓力時(shí)的表壓，簡(jiǎn)稱(chēng)負(fù)壓。 n真空度（Vacuum）：低于大氣壓力的絕對(duì)壓力。 3.1 壓力的概念及單位 3.1 壓力的概念及單位 常用的壓力單位有： n工程大氣壓-kgf/cm2 n毫米汞柱-mmHg n毫米水柱-mmH2O n物理大氣壓-atm n巴-bar 3.1 壓力的概念及單位 n以上單位與“帕斯卡”的換算關(guān)系為： 1 kgf/cm2 = 0.9807105Pa 1mmH2O = 0.980710Pa 1 mmHg = 1.332102Pa 1atm = 1.01325105Pa

3、1bar=105Pa 3.1 壓力的概念及單位 壓力傳感器的類(lèi)別: n應(yīng)變式 n霍爾式 n壓電式 n電容式 n電位器式 n電感式 n振弦式等 3.1 壓力的概念及單位 n測(cè)量范圍為:710-55108 Pa。 n信號(hào)輸出有電阻、電流、電壓、頻率等 形式。 n壓力測(cè)量系統(tǒng)一般由傳感器、測(cè)量線路 和測(cè)量裝置以及輔助電源所組成。 n常見(jiàn)的信號(hào)測(cè)量裝置有電流表、電壓表、 應(yīng)變儀以及計(jì)算機(jī)等。 3.1 壓力的概念及單位 n目前，利用壓阻效應(yīng)、壓電效應(yīng)或其他 固體物理特性的壓力傳感器已實(shí)現(xiàn)小型 化、數(shù)字化、集成化和智能化，直接把 壓力轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出，并可與計(jì)算 機(jī)連接，從而實(shí)現(xiàn)工業(yè)過(guò)程的現(xiàn)場(chǎng)控制。 3

4、.2 應(yīng)變式壓力計(jì) n應(yīng)變：物體在外部壓力或拉力作用下發(fā)生形變 的現(xiàn)象。 n應(yīng)變式壓力計(jì)：應(yīng)變式壓力計(jì)是利用電阻應(yīng)變 效應(yīng)做成的傳感器，是常用的傳感器之一，它 的核心元件是電阻應(yīng)變片。 n工作原理：當(dāng)被測(cè)物理量作用于彈性元件上， 彈性元件彈性元件在力、力矩或壓力等的作用下發(fā)生變 形，產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變或位移，然后傳遞給與之 相連的應(yīng)變片應(yīng)變片，引起應(yīng)變片的電阻值變化，通 過(guò)測(cè)量電路變成電量輸出。輸出的電量大小反 映被測(cè)量的大小。 3.2 應(yīng)變式壓力計(jì) n結(jié)構(gòu)：應(yīng)變式壓力計(jì)由彈性元件彈性元件上粘貼 電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片構(gòu)成。 n應(yīng)用：廣泛用于力、力矩、壓力、加速 度、重量等參數(shù)的測(cè)量。 n電阻應(yīng)變片

5、：是一種能將機(jī)械構(gòu)件上的 應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感元件。 3.2.1 電阻應(yīng)變效應(yīng) n電阻應(yīng)變片的工作原理是基于應(yīng)變效應(yīng)。 n導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下產(chǎn) 生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值相應(yīng)發(fā)生變化， 這種現(xiàn)象稱(chēng)為“應(yīng)變效應(yīng)”。 3.2.1 電阻應(yīng)變效應(yīng) F F L L+dL 2r 2(r-dr) s l R 3.2.1 電阻應(yīng)變效應(yīng) R dRddSdl RSl 求 的全微分： 2 dRddrdl Rrl 3.2.1 電阻應(yīng)變效應(yīng) dl l 電阻絲的軸向應(yīng)變： drdl rl 電阻絲的徑向應(yīng)變： R R 經(jīng)整理可得：（1+2 ） + R K R 3.2.1 電阻應(yīng)變效應(yīng) n表示當(dāng)發(fā)生應(yīng)變時(shí)

6、，其電阻變化率與其 應(yīng)變的比值。K的大小由兩個(gè)因素引起， 一項(xiàng)是由于導(dǎo)電絲的幾何尺寸的改變所 引起，用(1+2)項(xiàng)表示，另一項(xiàng)是導(dǎo)電 絲受力后，材料的電阻率發(fā)生變化而引 起。 3.2.1 電阻應(yīng)變效應(yīng) n對(duì)金屬來(lái)說(shuō)，/很小，可忽略不計(jì)，故 K=1+21.73.6。 n對(duì)半導(dǎo)體而言， /比1+2大得多， 壓 阻系數(shù)(/)-150100，故(1+2)可以 忽略不計(jì)。可見(jiàn)，半導(dǎo)體靈敏度要比金 屬大50100倍。 3.2.1 電阻應(yīng)變效應(yīng) / (12 ) R R K 電阻絲的靈敏系數(shù)： (12 )K令 R K R 則對(duì)于金屬電阻絲有 3.2.2 電阻應(yīng)變片 n應(yīng)變片有很多品種系列: n從尺寸上講, 長(zhǎng)

7、的有幾百mm，短的僅有0.2 mm； n由結(jié)構(gòu)形式上看，有單片、雙片、應(yīng)變花和各 種特殊形狀的圖案； n就使用環(huán)境上說(shuō), 有高溫、低溫、水、核輻射、 高壓、磁場(chǎng)等； n而安裝形式說(shuō)，有粘貼、非粘貼、焊接、火焰 噴涂等。 3.2.2 電阻應(yīng)變片 n主要的分類(lèi)方法是根據(jù)敏感元件材料的 不同，將應(yīng)變片分為金屬電阻應(yīng)變片和 半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片兩大類(lèi)。從敏感元件 的形態(tài)又可進(jìn)一步分類(lèi)如下: 3.2.2 電阻應(yīng)變片 應(yīng)變片 金屬式 半導(dǎo)體式 體型 薄膜型 絲式 箔式 紙基 膠基 體型 薄模型 擴(kuò)散型 外延型 Pn結(jié)及其它形式 3.2.2 電阻應(yīng)變片 一、金屬電阻應(yīng)變片 n金屬電阻應(yīng)變片常見(jiàn)的形式有絲式、 箔

8、 式、 薄膜式等。 絲式應(yīng)變片是最早應(yīng)用 的品種。 n金屬絲彎曲部分可作成圓弧、銳角或直 角， 如圖所示。 3.2.2 電阻應(yīng)變片 3.2.2 電阻應(yīng)變片 n彎曲部分作成圓弧（U）形是最早常用的 一種形式，制作簡(jiǎn)單但橫向效應(yīng)較大。 直角（H）形兩端用較粗的鍍銀銅線焊接， 橫向效應(yīng)相對(duì)較小，但制作工藝復(fù)雜， 將逐漸被橫向效應(yīng)小、 其他方面性能更 優(yōu)越的箔式應(yīng)變片所代替。 3.2.2 電阻應(yīng)變片 n絲式電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu) 敏感柵敏感柵 基底基底 引線引線 粘合劑粘合劑 覆蓋層覆蓋層 3.2.2 電阻應(yīng)變片 n敏感柵：高電阻率金屬細(xì)絲或柵狀。要求靈 敏系數(shù)大、溫度系數(shù)小。直徑一般為 0.02mm0.0

9、4mm如：康銅、鎳鉻絲等。 n基底：紙質(zhì)或膠質(zhì)。要求機(jī)械強(qiáng)度高、絕緣 性好、抗潮、耐熱。厚度0.030.06mm. n引線：低阻鍍錫銅線 n蓋層：保護(hù)層 n沾結(jié)劑：沾接力強(qiáng)、機(jī)械性能可靠。如：環(huán) 氧樹(shù)脂、聚脂樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂類(lèi)。 3.2.2 電阻應(yīng)變片 n箔式應(yīng)變片的線柵是通過(guò)光刻、腐蝕等 工藝制成很薄的金屬薄柵（厚度一般在 0.001mm0.01mm）。 3.2.2 電阻應(yīng)變片 箔式應(yīng)變片與絲式應(yīng)變片相比有如下優(yōu)點(diǎn): 1.工藝上能保證線柵的尺寸正確、線條均勻， 大批量生產(chǎn)時(shí)，阻值離散程度小。 2.可根據(jù)需要制成任意形狀的箔式應(yīng)變片和微 型小基長(zhǎng)（如基長(zhǎng)為0.1 mm）的應(yīng)變片。 3.敏感柵截面

10、積為矩形，表面積大，散熱好， 在相同截面情況下能通過(guò)較大電流。 3.2.2 電阻應(yīng)變片 4. 厚度薄，因此具有較好的可撓性，它的 扁平狀箔柵有利于形變的傳遞。 5. 蠕變小，疲勞壽命高。 6. 橫向效應(yīng)小。 7. 便于批量生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高。 3.2.2 電阻應(yīng)變片 3.2.2 電阻應(yīng)變片 3.2.2 電阻應(yīng)變片 3.2.2 電阻應(yīng)變片 制作應(yīng)變片敏感元件的金屬材料應(yīng)有如下要求: nK值大，并在盡可能大的范圍內(nèi)保持常數(shù)。 n電阻率大。這樣，在一定電阻值要求， 同樣 線徑, 所需電阻絲長(zhǎng)度短。 n電阻溫度系數(shù)小，高溫使用時(shí)，還要求耐高溫 氧化性能好。 n具有良好的加工焊接性能。 常用的敏感元件材料

11、是康銅（銅鎳合金）、鎳 鉻合金、鐵鉻鋁合金、 鐵鎳鉻合金等。 3.2.2 電阻應(yīng)變片 二、半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片 n半導(dǎo)體應(yīng)變片應(yīng)用較普遍的有體型、薄膜型、 擴(kuò)散型、外延型等。 n體型半導(dǎo)體應(yīng)變片是將晶片按一定取向切片、 研磨、再切割成細(xì)條，粘貼于基片上制作而成。 n幾種體型半導(dǎo)體應(yīng)變片示意圖如圖所示。 3.2.2 電阻應(yīng)變片 3.2.2 電阻應(yīng)變片 半導(dǎo)體應(yīng)變片有如下優(yōu)點(diǎn): n靈敏度高。比金屬應(yīng)變片的靈敏度約大50100 倍。工作時(shí)，可不必用放大器就可用電壓表或 示波器等簡(jiǎn)單儀器記錄測(cè)量結(jié)果。 n體積小，耗電省。 n由于具有正、負(fù)兩種符號(hào)的應(yīng)力效應(yīng)（即在拉 伸時(shí)P型硅應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)為正值；而N

12、型 硅應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)為負(fù)值）。 n機(jī)械滯后小，可測(cè)量靜態(tài)應(yīng)變、低頻應(yīng)變等。 缺點(diǎn)：非線性嚴(yán)重。 3.2.2 電阻應(yīng)變片 應(yīng)變片型號(hào)命名規(guī)則： 應(yīng)變片類(lèi)別: B 箔式 T 特殊用途 基底材料類(lèi)別: F 酚醛類(lèi) H環(huán)氧類(lèi) A聚酰亞胺 B玻璃纖維浸膠 3.2.2 電阻應(yīng)變片 標(biāo)稱(chēng)電阻（）： 60、120、200、350、500、1000 應(yīng)變片柵長(zhǎng)（mm） 材料線膨脹系數(shù): 銅Cu11 鋁Al23 不銹鋼16 3.2.2 電阻應(yīng)變片 敏感柵結(jié)構(gòu)形狀: AA單軸片 HA45雙聯(lián)片 GB半橋片 FG全橋片 KA圓片 可自補(bǔ)償蠕變標(biāo)號(hào): T5 T3 T1 T8 T6 T4 T2 T0 N2 N4 N6

13、 N8 N0 N1 N3 N5 N7 N9 蠕變由負(fù)到正。 3.2.2 電阻應(yīng)變片 n舉例: B F 350-3 AA 23 T0 （箔式，酚醛 類(lèi)基底材料，標(biāo)稱(chēng)電阻350 ，應(yīng)變片柵 長(zhǎng) 3 mm，單軸片，材料線膨脹系數(shù)鋁 Al23，可自補(bǔ)償蠕變標(biāo)號(hào)T0。） 3.2.3 電阻應(yīng)變片的粘貼及溫度補(bǔ)償 一、應(yīng)變片的粘貼 n應(yīng)變片的粘貼工藝對(duì)于傳感器的精度起著關(guān)鍵作用。 應(yīng)變片通常是用粘合劑貼到試件上的，在做應(yīng)變測(cè)量 時(shí)，是通過(guò)粘合劑所形成的膠層將試件上的應(yīng)變準(zhǔn)確 無(wú)誤地傳遞到應(yīng)變片的敏感柵上去的。因此，粘合劑 的選擇和粘貼質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到應(yīng)變片的工作情 況，影響測(cè)量結(jié)果的正確性。所以，應(yīng)變片

14、粘合劑不 但要求粘接力強(qiáng)，而且要求粘合層的剪切彈性模量大， 能真實(shí)地傳遞試件的應(yīng)變。另外，粘合層應(yīng)有高的絕 緣電阻、良好的防潮性防油性能以及使用簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。 3.2.3 電阻應(yīng)變片的粘貼及溫度補(bǔ)償 對(duì)粘合劑有如下要求: n(1) 有一定的粘結(jié)強(qiáng)度。 n(2) 能準(zhǔn)確傳遞應(yīng)變。 n(3) 蠕變小。 n(4) 機(jī)械滯后小。 n(5) 耐疲勞性能好。 n(6) 具有足夠的穩(wěn)定性能。 n(7) 對(duì)彈性元件和應(yīng)變片不產(chǎn)生化學(xué)腐蝕作用。 n(8) 有適當(dāng)?shù)膬?chǔ)存期。 n(9) 應(yīng)有較大的溫度使用范圍。 3.2.3 電阻應(yīng)變片的粘貼及溫度補(bǔ)償 應(yīng)變片的粘貼： n準(zhǔn)備工作：對(duì)彈性元件的表面進(jìn)行處理 n涂膠 n帖

15、片 n復(fù)查 n固化 3.2.3 電阻應(yīng)變片的粘貼及溫度補(bǔ)償 二、溫度誤差及其補(bǔ)償 1.溫度誤差產(chǎn)生的原因： 敏感柵的金屬電阻本身隨溫度發(fā)生變化： (2)試件材料與應(yīng)變絲材料的線膨脹系數(shù)不 一，使應(yīng)變絲產(chǎn)生附加變形而造成的電 阻變化。 1 t R t R 3.2.3 電阻應(yīng)變片的粘貼及溫度補(bǔ)償 0 (1) SS llt 0 (1) gg llt 0 () gsgs L lll t l0 ls lg 00 () gS gS ll L t ll 應(yīng)變 為： 3.2.3 電阻應(yīng)變片的粘貼及溫度補(bǔ)償 2 () gS R Kt R 可得： 12 () tgS RRR tKt RRR 由溫度變化引起的電阻相

16、對(duì)變化為： 3.2.3 電阻應(yīng)變片的粘貼及溫度補(bǔ)償 2.溫度補(bǔ)償 電橋補(bǔ)償法 3.2.3 電阻應(yīng)變片的粘貼及溫度補(bǔ)償 n初始狀態(tài): Uo=A(R1 R4-Rb R3)=0 n溫度變化后: Uo=A(R1+R1t)R4-(Rb+Rbt)R3=0 n承受應(yīng)變后: Uo=A(R1+R1t+R1）R4-(Rb+Rbt)R3 =AR1R4= AR1R4K 3.2.3 電阻應(yīng)變片的粘貼及溫度補(bǔ)償 工作片、補(bǔ)償片貼在同一試件上，但兩 者感受的應(yīng)變符號(hào)相反。 3.2.3 電阻應(yīng)變片的粘貼及溫度補(bǔ)償 應(yīng)變計(jì)自補(bǔ)償法 n自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)是一種特殊的應(yīng)變計(jì)，當(dāng) 溫度變化時(shí)，產(chǎn)生的附加應(yīng)變?yōu)榱慊蛳?互抵消。 n用自補(bǔ)償應(yīng)

17、變計(jì)進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ń?應(yīng)變計(jì)自補(bǔ)償法。下面介紹兩種自補(bǔ)償 應(yīng)變計(jì)。 3.2.3 電阻應(yīng)變片的粘貼及溫度補(bǔ)償 a.選擇式自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì) () /() tgS t tgS R tKt R R Ktt RK 因?yàn)?，由溫度變化引起的電阻相?duì)變化為： 3.2.3 電阻應(yīng)變片的粘貼及溫度補(bǔ)償 n當(dāng)被測(cè)試件的線膨脹系數(shù) 已知時(shí), 如果 合理選擇敏感柵材料，即其電阻溫度系 數(shù) 、靈敏系數(shù) 和線膨脹系數(shù) ，使 式 成立，則不論溫度如 何變化，均有 ，從而達(dá)到溫度自 補(bǔ)償?shù)哪康摹?g t K s /()0 tgS K /0R R 3.2.3 電阻應(yīng)變片的粘貼及溫度補(bǔ)償 n優(yōu)點(diǎn)：容易加工，成本低， n缺點(diǎn)：只適用

18、特定試件材料，溫度補(bǔ)償 范圍也較窄。 3.2.3 電阻應(yīng)變片的粘貼及溫度補(bǔ)償 b.雙金屬敏感柵自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì) n這種應(yīng)變計(jì)也稱(chēng)組合式自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)。 它是利用兩種電阻絲材料的電阻溫度系 數(shù)符號(hào)不同(一個(gè)為正，一個(gè)為負(fù))的特性， 將二者串聯(lián)繞制成敏感柵。 n若兩段敏感柵R1和R2由于溫度變化而產(chǎn) 生的電阻變化為R1t和R2t, 大小相等而 符號(hào)相反, 就可以實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。 3.2.3 電阻應(yīng)變片的粘貼及溫度補(bǔ)償 n優(yōu)點(diǎn)：補(bǔ)償精度高、靈敏度不受損失。 12 RRR總電阻： 12 1212 0 ttt RRR RRRRR 溫度變化時(shí)： 12tt RR 3.2.3 電阻應(yīng)變片的粘貼及溫度補(bǔ)償 焊點(diǎn) R1

19、R2 3.2.4 轉(zhuǎn)換電路 直流電橋 3.2.4 轉(zhuǎn)換電路 由圖中可知： 1423 0 3412 ()() ab R RR R UUU RRRR 電橋平衡時(shí)If=0,有 31 1423 24 0 RR R RR R RR 或 3.2.4 轉(zhuǎn)換電路 n電阻應(yīng)變片工作時(shí), 其電阻變化很微小。 例如，1片k=2，初始電阻120的應(yīng)變片， 受到1000應(yīng)變時(shí), 其電阻變化僅0.24。 引起的不平衡電壓極小, 不能用它來(lái)直接 推動(dòng)指示儀表, 故需加以放大。 n這時(shí)感興趣的是電橋輸出電壓。一般放 大器的輸入阻抗較電橋的內(nèi)阻要高得多， 可認(rèn)為電橋輸出端處于開(kāi)路狀態(tài)。 3.2.4 轉(zhuǎn)換電路 n設(shè)R1為電橋工

20、作臂, 受應(yīng)變 時(shí), 其電阻變 化為R1，R2、 R3 、R4均為固 定橋臂。在起 始時(shí)，電橋處 于平衡狀態(tài)， 此時(shí)Usc=0。 R1 R1 R3R4 R2 b U cd a 放大器Usc 3.2.4 轉(zhuǎn)換電路 n當(dāng)有R1時(shí)，電橋輸出電壓為 41 31 124 113 (1)(1) sc RR RR UU RRR RRR 設(shè)n= ，考慮到起始平衡條件 ，并略去分 母中的 項(xiàng)，得 1 2 R R 3 4 1 2 R R R R 1 1 R R 3.2.4 轉(zhuǎn)換電路 1 2 1 (1) sc nR UU nR 2 1 1)1 (n n U R R U K sc u 3.2.4 轉(zhuǎn)換電路 nKu稱(chēng)為

21、電橋的電壓靈敏度。Ku愈大，說(shuō) 明應(yīng)變片電阻相對(duì)變化相同的情況下， 電橋輸出電壓愈大，電橋愈靈敏。由上 式知，欲提高Ku，必須提高電源電壓， 但它受應(yīng)變片允許功耗的限制。 另外就 是選擇適當(dāng)?shù)臉虮郾萵。 3.2.4 轉(zhuǎn)換電路 當(dāng)n=1時(shí)，單臂工作電橋輸出電壓為： 1 1 4 o R UU R UKu 4 1 由以上三式可知，當(dāng)電源電壓及電阻相對(duì)變 化一定時(shí)，電橋的輸出電壓及其電壓靈敏度 將與各橋臂阻值的大小無(wú)關(guān)。 3.2.4 轉(zhuǎn)換電路 n為了消除誤差，常采用半橋或全橋電路。 0 0 0 1 2 UU R UR n使用單臂工作時(shí)，系統(tǒng)存在非線性誤差： 3.2.4 轉(zhuǎn)換電路 9 半橋差動(dòng)電路 R1

22、+R1 R2-R2 3.2.4 轉(zhuǎn)換電路 n在試件上安裝兩個(gè)工作應(yīng)變片，一個(gè)受 拉力，一個(gè)受壓力，接入電橋相鄰橋臂， 稱(chēng)為半橋差動(dòng)電路，該電橋輸出電壓為： )( 43 3 2211 11 RR R RRRR RR EU o 3.2.4 轉(zhuǎn)換電路 若R1=R2, R1=R2, R3=R4, 則得： 1 1 2 o RU U R 2 U U K U0與（R1/R1）呈線性關(guān)系，差動(dòng)電橋無(wú)非線性誤差， 而且電橋電壓靈敏度KU=E/2，比單臂工作時(shí)提高一倍， 同時(shí)還具有溫度補(bǔ)償作用。 3.2.4 轉(zhuǎn)換電路 n在試件上安裝四個(gè)工作應(yīng)變片，兩個(gè)受 拉應(yīng)變，兩個(gè)受壓應(yīng)變，將兩個(gè)應(yīng)變符 號(hào)相同的接入相對(duì)橋臂上

23、，構(gòu)成全橋差 動(dòng)電路。 3.2.4 轉(zhuǎn)換電路 9 全橋差動(dòng)電路 R1+R1 R2-R2 R4+R4 R3-R3 3.2.4 轉(zhuǎn)換電路 n若R1=R2=R3=R4，且R1=R2=R3=R4，則 1 1 o R UU R U KU 此時(shí)，全橋差動(dòng)電路不僅沒(méi)有無(wú)非線性誤差，而且電壓 靈敏度是單臂測(cè)量時(shí)的4倍，同時(shí)還具有溫度補(bǔ)償作用。 3.2.5 應(yīng)變片的主要參數(shù) 1. 應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K () / R R K 0 (KK應(yīng)變絲的靈敏系數(shù)） 原因： 基底傳遞衰減； 存在橫向效應(yīng)。 3.2.5 應(yīng)變片的主要參數(shù) 3.2.5 應(yīng)變片的主要參數(shù) n橫向效應(yīng) F F yyxx kk R R 應(yīng)變片橫向靈敏系數(shù)

24、 應(yīng)變片軸向靈敏系數(shù) : : y x k k 3.2.5 應(yīng)變片的主要參數(shù) n由于，橫向效應(yīng)總是起著抵消縱向應(yīng)變 的作用。令 ，可得： () xxy R kH R xxx kHuk R R )1 ( yx 00 (1)(1)() xx kkHkHkk因?yàn)?3.2.5 應(yīng)變片的主要參數(shù) n將這種現(xiàn)象成為橫向效應(yīng)。 n應(yīng)變片的橫柵部分將縱柵部分的電阻變 化抵消了一部分，從而降低了整個(gè)電阻 應(yīng)變片的靈敏度，帶來(lái)測(cè)量誤差，其大 小與敏感柵的構(gòu)造及尺寸有關(guān)。敏感柵 的縱柵愈窄、愈長(zhǎng)，而橫柵愈寬、愈短， 則橫向效應(yīng)的影響愈小。 3.2.5 應(yīng)變片的主要參數(shù) 2.線性度 n試件的應(yīng)變和電阻的相對(duì)變化R/R，

25、在 理論上呈線性關(guān)系。但實(shí)際上，在大應(yīng) 變時(shí)，會(huì)出現(xiàn)非線性關(guān)系。應(yīng)變片的非 線性度一般要求在0.05%或1%以?xún)?nèi)。 3.2.5 應(yīng)變片的主要參數(shù) 3.應(yīng)變極限 n在一定溫度下，應(yīng)變片的指示應(yīng)變下降 到真實(shí)應(yīng)變的90%時(shí)的真實(shí)應(yīng)變。 真實(shí) 真實(shí) 指示 指示 原因：膠層太厚、膠不完全固化。 3.2.5 應(yīng)變片的主要參數(shù) 4.機(jī)械滯后 n貼有應(yīng)變片的試件進(jìn)行加載和卸載時(shí)， 其R/R-特性曲線不重合。把加載和卸載 特性曲線的最大差值稱(chēng)為應(yīng)變片的機(jī)械 滯后值。 n原因：殘余變形。 3.2.5 應(yīng)變片的主要參數(shù) R R O 3.2.5 應(yīng)變片的主要參數(shù) 5.零漂和蠕變 n零漂：恒定溫度下，粘貼在試件上的應(yīng)

26、 變片，在不承受載荷的條件下，電阻隨 時(shí)間變化的特性稱(chēng)為應(yīng)變片的零漂。 n蠕變：在某一恒定溫度下，對(duì)試件加一 恒定應(yīng)變，這時(shí)指示應(yīng)變隨時(shí)間變化的 特性。 3.2.5 應(yīng)變片的主要參數(shù) 原因： n敏感柵通電流 后的溫度效應(yīng) n應(yīng)變片的內(nèi)應(yīng) 力 n固化不充分 500 指示 指示 t 0 3.2.5 應(yīng)變片的主要參數(shù) 6.最大工作電流 n最大工作電流是指允許通過(guò)應(yīng)變片而不 影響其工作的最大電流值。 n工作電流大，應(yīng)變計(jì)輸出信號(hào)就大，因 而靈敏度高。但過(guò)大的工作電流會(huì)使應(yīng) 變計(jì)本身過(guò)熱，使靈敏系數(shù)變化，零漂、 蠕變?cè)黾?，甚至燒壞?yīng)變計(jì)。 3.2.5 應(yīng)變片的主要參數(shù) n工作電流的選取，要根據(jù)散熱條件而

27、定，主要 取決于敏感柵的幾何形狀和尺寸、截面的形狀 和大小、基底的尺寸和材料、粘合劑的材料和 厚度以及試件的散熱性能等。 n通常允許電流值在靜態(tài)測(cè)量時(shí)約取25 mA左右， 動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)可高一些，箔式應(yīng)變計(jì)可取更大些。 n在測(cè)量塑料、玻璃、陶瓷等導(dǎo)熱性差的材料時(shí)， 工作電流要取小些。 3.2.5 應(yīng)變片的主要參數(shù) 7.幾何尺寸 n圓弧敏感柵應(yīng)變計(jì)敏感柵基長(zhǎng)L從圓弧頂 部算起，箔式應(yīng)變計(jì)則從橫向粗線的內(nèi) 沿算起。通常應(yīng)變計(jì)L 約為230mm，箔 式應(yīng)變計(jì)最小可達(dá)0.2mm，長(zhǎng)的達(dá) 100mm或更長(zhǎng)。 3.2.6 應(yīng)變式壓力傳感器 一、膜式應(yīng)變傳感器 n該類(lèi)傳感器的彈性敏感元件為一周邊 固定的圓形金屬

28、平膜片。 n當(dāng)膜片一面受壓力p作用時(shí),膜片的另 一面(應(yīng)變計(jì)粘貼面)上的徑向應(yīng)變r(jià) 和切向應(yīng)變t。 3.2.6 應(yīng)變式壓力傳感器 R1 R2 R3 R4 r0 0.58r0 (a)(b) p r t 3.2.6 應(yīng)變式壓力傳感器 222 2 222 2 3 (1)(3 ) 8 3 (1)() 8 r t p Rx Eh p Rx Eh t r 3.2.6 應(yīng)變式壓力傳感器 n在膜片中心即x=0處，r和t均達(dá)到正的最 大值,即： 2 2 maxmax 2 3 (1) 8 rt p R Eh 而在膜片邊緣,即x=R處,t=0,而r達(dá)到負(fù)的最 大值(最小值)。 2 2 min 2 3 (1) 4 r

29、 p R Eh 3.2.6 應(yīng)變式壓力傳感器 n切向應(yīng)變都是正值，膜片中間最大 n徑向應(yīng)變分布有正有負(fù)，在邊緣處達(dá)到 最大 n貼片時(shí)應(yīng)避開(kāi)徑向應(yīng)變?yōu)榱愕奈恢?n在中心沿切向貼兩片，在邊緣沿徑向貼 兩片，接成相鄰橋臂以提高靈敏度。 3.2.6 應(yīng)變式壓力傳感器 3.2.6 應(yīng)變式壓力傳感器 二、測(cè)力計(jì)式應(yīng)變傳感器 P 3.2.6 應(yīng)變式壓力傳感器 n當(dāng)應(yīng)變管內(nèi)腔與被測(cè)壓力相通時(shí)，沿圓 周方向應(yīng)變?yōu)椋?2 2 (2) (1) p D E d 式中，p為被測(cè)壓力，D為圓筒外徑，d為 圓筒內(nèi)徑。在薄壁筒上貼有應(yīng)變計(jì)作為工 作片，實(shí)心部分貼有應(yīng)變計(jì)作為溫度補(bǔ)償 片。 3.2.6 應(yīng)變式壓力傳感器 三、應(yīng)

30、變式力傳感器 1.柱式彈性元件 R5R8R7R6 R1R2R3R4 R5 R8 R7 R6 R1 R2 R3 R4 Uo U F 3.2.6 應(yīng)變式壓力傳感器 2.等強(qiáng)度懸臂梁 F l b0 2 0 6 Fl Eb h 3.2.6 應(yīng)變式壓力傳感器 3.2.6 應(yīng)變式壓力傳感器 3.扭矩傳感器 0 90 180 270 3 1 2 4 3.2.6 應(yīng)變式壓力傳感器 3.2.6 應(yīng)變式壓力傳感器 3.3 薄膜應(yīng)變片 n薄膜技術(shù) n薄膜技術(shù)是在一定的基底上，用真空蒸 鍍、濺射、化學(xué)氣相淀積（CVD）等工 藝技術(shù)加工成零點(diǎn)幾微米至幾微米的金 屬、半導(dǎo)體或氧化物薄膜的技術(shù)。這些 薄膜可以加工成各種梁、

31、橋、膜等微型 彈性元件，也可加工為轉(zhuǎn)換元件，在傳 感器的研制中得到了廣泛應(yīng)用。 3.3 薄膜應(yīng)變片 n真空蒸鍍 n在真空室內(nèi)，將待蒸發(fā)的材料置于鎢絲 制成的加熱器上加熱，當(dāng)真空度抽到 0.0133Pa以上時(shí)，加大鎢絲的加熱電流， 使材料融化，繼續(xù)加大電流使材料蒸發(fā)， 在基底上凝聚成膜。 3.3 薄膜應(yīng)變片 1 2 3 4 1真空室 2基底 3鎢絲 4接高真空泵。 3.3 薄膜應(yīng)變片 n濺射 n在低真空室中，將待濺射物制成靶置于 陰極，用高壓（通常在1000V以上）使氣 體電離形成等離子體，等離子中的正離 子以高能量轟擊靶面，使待濺射物的原 子離開(kāi)靶面，淀積到陽(yáng)極工作臺(tái)上的基 片上，形成薄膜。

32、3.3 薄膜應(yīng)變片 3 1 2 5 4 7 6 1靶 2陰極 3直流高壓 4陽(yáng)極 5基片 6惰性氣體入口 7接真空系統(tǒng)。 例題： n如圖所示，試件在軸向受到壓力P，沿軸 向貼有應(yīng)變片，如果使用單臂工作電橋 進(jìn)行測(cè)量，得到輸出電壓為1mV。已知， 電橋的電源電壓為2V，應(yīng)變片靈敏系數(shù) K=2，初始電阻為120，求試件的應(yīng)變 為多少？如果試件的彈性模量 E=2.06105MPa，求施加在試件上的壓 力為多少？ P 3.4 壓電式壓力傳感器 n壓電式傳感器是以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基 礎(chǔ)，在外力作用下，在電介質(zhì)的表面上產(chǎn)生電 荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量。 n壓電傳感元件是力敏感元件，所以它能測(cè)量最 終能

33、變換為力的那些物理量，例如力、壓力、 加速度等。 n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)。 3.4 壓電式壓力傳感器 n近年來(lái)，由于電子技術(shù)的飛速發(fā)展，隨 著與之配套的二次儀表以及低噪聲、小 電容、高絕緣電阻電纜的出現(xiàn)，使壓電 傳感器的使用更為方便。因此，在工程 力學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、石油勘探、聲波測(cè)井、 電聲學(xué)等許多技術(shù)領(lǐng)域中獲得了廣泛的 應(yīng)用。 3.4.1 壓電效應(yīng) n正壓電效應(yīng)：某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝?而使它變形時(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

34、性也隨 著改變。 n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。 電能電能機(jī)械能機(jī)械能 正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng) 逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng) 3.4.1 壓電效應(yīng) n在自然界中大多數(shù)晶體都具有壓電效應(yīng)，但 壓電效應(yīng)十分微弱。隨著對(duì)材料的深入研究， 發(fā)現(xiàn)石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料是 性能優(yōu)良的壓電材料。 n壓電傳感器中的壓電元件材料一般有三類(lèi)： 1.壓電晶體（如石英晶體）； 2.經(jīng)過(guò)極化處理的壓電陶瓷； 3.高分子壓電材料或壓電半導(dǎo)體。 3.4.1 壓電效應(yīng) 一、石英晶體的壓電效應(yīng)

35、n石英晶體是最常用的壓電晶體之一，它 理想的幾何形狀為正六面體晶柱。 n在晶體學(xué)中可用三根互相垂直的晶軸表 示，其中縱向軸Z稱(chēng)為光軸；經(jīng)過(guò)正六面 體棱線且垂直于光軸的x軸稱(chēng)為電軸；與 x軸和z軸同時(shí)垂直的y軸稱(chēng)為機(jī)械軸。 3.4.1 壓電效應(yīng) z x y o x z y o b z o x a cy (a)(b)(c) 3.4.1 壓電效應(yīng) 石英晶體的三個(gè)晶軸 n光軸（基準(zhǔn)軸，Z軸）：光沿該方向通過(guò) 沒(méi)有雙折射現(xiàn)象，該方向沒(méi)有壓電效應(yīng)， 光學(xué)方法確定。 n機(jī)械軸（Y軸）：垂直xz面，在電場(chǎng)作用 下，該軸方向的機(jī)械變形最明顯。 n電軸（X軸）：經(jīng)過(guò)晶體棱線，垂直于該 軸的表面上壓電效應(yīng)最強(qiáng)。 3

36、.4.1 壓電效應(yīng) n在X軸方向施加壓力時(shí)，左旋石英晶體的 X軸正向帶正電；如果作用力FX改為拉力， 則在垂直于X軸的平面上仍出現(xiàn)等量電荷， 但極性相反，見(jiàn)圖(a)、(b)。 FXFX + + + + + + (a)(b) XX 11XX Qd F 3.4.1 壓電效應(yīng) n如果在同一晶片上作用力是沿著機(jī)械軸 的方向，其電荷仍在與X軸垂直平面上出 現(xiàn)，其極性見(jiàn)圖（c）、（d），此時(shí)電 荷的大小為： 11YY l QdF h + + + + + + + + (c)(d) FY FY XX 3.4.1 壓電效應(yīng) 物理解釋 n在不受力的情況下 + + - - X Y P1 P2 P3 0 321 pp

37、p 3.4.1 壓電效應(yīng) 受到X方向的力縱向壓電效應(yīng) + + - - X Y P1 P2 P3 0)( 321 x ppp 0)( 321 y ppp 0)( 321 z ppp 3.4.1 壓電效應(yīng) n受到Y(jié)方向的力橫向壓電效應(yīng) + + - - X Y P 1 P 2 P 3 123 ()0 x ppp 0)( 321 y ppp 0)( 321 z ppp 3.4.1 壓電效應(yīng) 二、壓電陶瓷的壓電效應(yīng) n壓電陶瓷與石英晶體不同，前者是人工制造的 多晶體壓電材料，而后者是單晶體。 n壓電陶瓷在未進(jìn)行極化處理時(shí)，不具有壓電效 應(yīng)；經(jīng)過(guò)極化處理后，它的壓電效應(yīng)非常明顯， 具有很高的壓電系數(shù)，為石

38、英晶體的幾百倍。 n壓電陶瓷具有與鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)類(lèi)似的電疇 結(jié)構(gòu)。 3.4.1 壓電效應(yīng) 直流電場(chǎng)E 剩余極化強(qiáng)度 剩余伸長(zhǎng) 電場(chǎng)作用下的伸長(zhǎng) (a)極化處理前(b)極化處理中(c)極化處理后 3.4.1 壓電效應(yīng) n當(dāng)把電壓表接到陶瓷片的兩個(gè)電極上進(jìn)行測(cè)量 時(shí)，卻無(wú)法測(cè)出陶瓷片內(nèi)部存在的極化強(qiáng)度。 這是因?yàn)樘沾善瑑?nèi)的極化強(qiáng)度總是以電偶極矩 的形式表現(xiàn)出來(lái)，即在陶瓷的一端出現(xiàn)正束縛 電荷，另一端出現(xiàn)負(fù)束縛電荷。由于束縛電荷 的作用，在陶瓷片的電極面上吸附了一層來(lái)自 外界的自由電荷。這些自由電荷與陶瓷片內(nèi)的 束縛電荷符號(hào)相反而數(shù)量相等，它起著屏蔽和 抵消陶瓷片內(nèi)極化強(qiáng)度對(duì)外界的作用。所以電 壓

39、表不能測(cè)出陶瓷片內(nèi)的極化程度，如圖。 3.4.1 壓電效應(yīng) 自由電荷 束縛電荷 電極 電極 極化方向 陶瓷片內(nèi)束縛電荷與電極上吸附 的自由電荷示意圖 3.4.1 壓電效應(yīng) n如果在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向平行的壓力F，陶瓷 片將產(chǎn)生壓縮形變，片內(nèi)的正、負(fù)束縛電荷之間的距 離變小，極化強(qiáng)度也變小。因此，原來(lái)吸附在電極上 的自由電荷，有一部分被釋放，而出現(xiàn)放電現(xiàn)象。 n當(dāng)壓力撤消后，陶瓷片恢復(fù)原狀，片內(nèi)的正、負(fù)電荷 之間的距離變大，極化強(qiáng)度也變大，因此電極上又吸 附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。 n這種由機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，或者由機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)?電能的現(xiàn)象，就是正壓電效應(yīng)。 極化方向 F 3.4.

40、1 壓電效應(yīng) n在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向 相同的電場(chǎng)，由于電場(chǎng)的方向 與極化強(qiáng)度的方向相同，所以 電場(chǎng)的作用使極化強(qiáng)度增大。 這時(shí)，陶瓷片內(nèi)的正負(fù)束縛電 荷之間距離也增大，就是說(shuō)， 陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生伸長(zhǎng)形 變。 n同理，如果外加電場(chǎng)的方向與 極化方向相反，則陶瓷片沿極 化方向產(chǎn)生縮短形變。 n這種由于電效應(yīng)而轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械 效應(yīng)或者由電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能 的現(xiàn)象，就是逆壓電效應(yīng)。 極化 方向 電場(chǎng)方向 3.4.1 壓電效應(yīng) n由此可見(jiàn)，壓電陶瓷所以具有壓電效應(yīng)，是由 于陶瓷內(nèi)部存在自發(fā)極化。這些自發(fā)極化經(jīng)過(guò) 極化工序處理而被迫取向排列后，陶瓷內(nèi)即存 在剩余極化強(qiáng)度。如果外界的作用（如壓力或 電場(chǎng)

41、的作用）能使此極化強(qiáng)度發(fā)生變化，陶瓷 就出現(xiàn)壓電效應(yīng)。 n此外，還可以看出，陶瓷內(nèi)的極化電荷是束縛 電荷，而不是自由電荷，這些束縛電荷不能自 由移動(dòng)。所以在陶瓷中產(chǎn)生的放電或充電現(xiàn) 象，是通過(guò)陶瓷內(nèi)部極化強(qiáng)度的變化，引起電 極面上自由電荷的釋放或補(bǔ)充的結(jié)果。 3.4.2 壓電材料 種類(lèi)： n壓電晶體，如石英等； n壓電陶瓷，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等； n壓電半導(dǎo)體，如硫化鋅、碲化鎘等。 3.4.2 壓電材料 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

42、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)性強(qiáng)。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。 3.4.2 壓電材料 一、壓電晶體 石英晶體 n石英（SiO2）是一種具有良好壓電特性 的壓電晶體。其介電常數(shù)和壓電系數(shù)的 溫度穩(wěn)定性相當(dāng)好，在常溫范圍內(nèi)這兩 個(gè)參數(shù)幾乎不隨溫度變化。 3.4.2 壓電材料 n石英晶體的突出優(yōu)點(diǎn)是性能非常穩(wěn)定，機(jī)械強(qiáng) 度高，絕緣性能也相當(dāng)好。但石英材料價(jià)格昂 貴，且壓電系數(shù)比壓電陶瓷低得多。因此一般 僅用于標(biāo)準(zhǔn)儀器或要求較高的傳感器中。 n因?yàn)槭⑹且环N各向異性晶體，因此，按不同

43、 方向切割的晶片，其物理性質(zhì)（如彈性、壓電 效應(yīng)、溫度特性等）相差很大。因此在設(shè)計(jì)石 英傳感器時(shí)，根據(jù)不同使用要求正確地選擇石 英片的切型。 3.4.2 壓電材料 二、壓電陶瓷 n優(yōu)點(diǎn)：具有很高的介電常數(shù)和較大的壓 電系數(shù)。 n缺點(diǎn)：居里溫度低，溫度穩(wěn)定性和機(jī)械 強(qiáng)度不如石英晶體。 n鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷是目前壓電式傳感 器中應(yīng)用最廣泛的壓電材料。 3.4.2 壓電材料 3.4.2 壓電材料 三、壓電半導(dǎo)體材料 n具有靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。此 外用ZnO作為表面聲波振蕩器的壓電材 料，可測(cè)取力和溫度等參數(shù)。 補(bǔ)充內(nèi)容：壓電材料主要性能參數(shù) 壓電材料的主要特性參數(shù)有： 壓電常數(shù): 壓電常數(shù)是

44、衡量材料壓電效應(yīng)強(qiáng) 弱的參數(shù)，它直接關(guān)系到壓電輸出靈敏度。 (C/N) 彈性常數(shù): 壓電材料的彈性常數(shù)、剛度決定 著壓電器件的固有頻率和動(dòng)態(tài)特性。 介電常數(shù): 對(duì)于一定形狀、尺寸的壓電元件， 其固有電容與介電常數(shù)有關(guān)；而固有電容又 影響著壓電傳感器的頻率下限。 補(bǔ)充內(nèi)容：壓電材料主要性能參數(shù) 機(jī)械耦合系數(shù)：它的意義是，在壓電效應(yīng)中， 轉(zhuǎn)換輸出能量（如電能）與輸入的能量（如 機(jī)械能）之比的平方根，這是衡量壓電材料 機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)重要參數(shù)。 電阻: 壓電材料的絕緣電阻將減少電荷泄漏， 從而改善壓電傳感器的低頻特性。 居里點(diǎn)溫度: 它是指壓電材料開(kāi)始喪失壓電 特性的溫度。 3.4.3 測(cè)量電

45、路 n當(dāng)壓電傳感器中的壓電晶體承受被測(cè)機(jī) 械應(yīng)力的作用時(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?？砂褖?電傳感器看成一個(gè)靜電發(fā)生器，如圖(a)。 也可把它視為兩極板上聚集異性電荷， 中間為絕緣體的電容器，如圖(b)。 3.4.3 測(cè)量電路 其電容量為 q q 電極 壓電晶體 Ca (b) (a) 壓電傳感器的等效電路 0r a SS C dd 3.4.3 測(cè)量電路 當(dāng)兩極板聚集異性電荷時(shí)，則兩極板呈 現(xiàn)一定的電壓，其大小為 a a q U C 3.4.3 測(cè)量電路 n因此，壓電傳感器可等效為電壓源Ua和一個(gè)電 容器Ca的串聯(lián)電路，如圖(a)；也可等效為一個(gè) 電荷源q和一個(gè)電容器Ca的

46、并聯(lián)電路，如圖(b)。 Ca ua Ca q (a)(b) 3.4.3 測(cè)量電路 n壓電傳感器是一種具有高內(nèi)阻而輸出信 號(hào)又很弱的有源傳感器。在進(jìn)行非電量 測(cè)量時(shí)，為了提高靈敏度和測(cè)量精度， 一般采取多片壓電材料組成一個(gè)壓電敏 感元件，并接入高輸入阻抗的前置放大 器。 3.4.3 測(cè)量電路 2 ,2 ,CC qq UU并聯(lián)： 1 ,2 2 CC qq UU串聯(lián)： 3.4.3 測(cè)量電路 n壓電傳感器在實(shí)際使用時(shí)總要與測(cè)量?jī)x 器或測(cè)量電路相連接，因此還需考慮連 接電纜的等效電容Cc，放大器的輸入電 阻Ri , 輸入電容Ci以及壓電傳感器的泄漏 電阻Ra。這樣，壓電傳感器在測(cè)量系統(tǒng) 中的實(shí)際等效電路

47、，如圖所示。 3.4.3 測(cè)量電路 壓電傳感器的實(shí)際等效電路 （a） 電壓源; （b） 電荷源 Ua Ca RaCcRiCiqRaCcRiCiCe (a)(b) 3.4.3 測(cè)量電路 n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)高輸入阻抗前置放大器。 n其作用為： 一是把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗； 二是放大傳感器輸出的微弱信號(hào)。 n壓電傳感器的輸出可以是電壓信號(hào)，也可以是電荷信號(hào)， 因此前置放大器也有兩種形式：電壓放大器和電荷放大 器。 3.4.3 測(cè)量電路 一、電壓放大器 ai ai RR R RR ci CCC 3.4.3 測(cè)量電路 n若壓電元件受

48、正弦力F=Fm sint的作用， 則其電壓為 sinsin m am a dF UtUt C 式中： Um壓電元件輸出電壓幅值，Um=dFm/Ca； d壓電系數(shù)。 3.4.3 測(cè)量電路 n由此可得放大器輸入端電壓Ui，其復(fù)數(shù) 形式為： 1() i a j R UdF j R CC 3.4.3 測(cè)量電路 輸入電壓和作用力之間相位差: ( )arctan () 2 aci CCC R Ui的幅值Uim為： 2 22 1 m im aci dFR U RCCC 3.4.3 測(cè)量電路 n在理想情況下，傳感器的Ra電阻值與前 置放大器輸入電阻Ri都為無(wú)限大，即 (Ca+Cc+Ci)R1，那么理想情況下輸

49、入 電壓幅值Uam為： m am aci dF U CCC 3.4.3 測(cè)量電路 n令=R(Ca+Cc+Ci)，為測(cè)量回路的時(shí)間常 數(shù)，并令0=1/，則可得： 2 0 0 1 m im amm dFR U UdFR 3.4.3 測(cè)量電路 0 0 90 1.0 0.5 1234 Uim/Uam 0 2 0 / 1 (/) im am U U )( 2 arctg 3.4.3 測(cè)量電路 討論： n=0（靜態(tài)量）時(shí)Uim=0（輸入電壓為零） 原因：由于等效電阻不可能無(wú)窮大，存在電荷泄漏， 所以不能測(cè)量靜態(tài)量 n3（高頻情況），Uim/Uam1，實(shí)際接近理想。 輸入電壓與作用力頻率無(wú)關(guān) 一定，越高，高

50、頻響應(yīng)越好 n對(duì)低頻測(cè)量情況：一定，越小偏差越大。 所以要求要大，擴(kuò)大低頻響應(yīng)范圍 n輸出電壓靈敏度受電纜分布電容影響。 3.4.3 測(cè)量電路 改善低頻特性的措施： RC CR 、 2 2 1 () () im U m aci Ud K F CCC R 靈敏度： 3.4.3 測(cè)量電路 1 U aci d RK CCC U CK () ai i RR R R 、 可根據(jù)給定精度合理選擇電壓放大器 3.4.3 測(cè)量電路 n式中Cc為連接電纜電容，當(dāng)電纜長(zhǎng)度改 變時(shí)，Cc也將改變，因而Uim也隨之變化。 因此，壓電傳感器與前置放大器之間連 接電纜不能隨意更換，否則將引入測(cè)量 誤差。 3.4.3 測(cè)量

51、電路 二、電荷放大器 n電荷放大器常作為壓電傳感器的輸入電 路，由一個(gè)反饋電容Cf和高增益運(yùn)算放 大器構(gòu)成。由于運(yùn)算放大器輸入阻抗極 高， 放大器輸入端幾乎沒(méi)有分流，故可 略去Ra和Ri并聯(lián)電阻。其等效電路如圖所 示。 3.4.3 測(cè)量電路 i q U C 3.4.3 測(cè)量電路 (1) aeif CCCCA C (1) oi aeif UAU q A CCCA C 3.4.3 測(cè)量電路 (1) faei A CCCC又 (1) o f q UA A C o f q U C 3.4.3 測(cè)量電路 n輸出與電纜電容無(wú)關(guān) 電纜長(zhǎng)達(dá)1km 電纜可更換 nRf提供直流負(fù)反饋 減小零漂、提高穩(wěn)定度 n可測(cè)

52、準(zhǔn)靜態(tài)量： =RfCf相當(dāng)大，可測(cè)低頻f=0.5Hz 3.4.3 測(cè)量電路 n由上式可見(jiàn)： n電荷放大器的輸出電壓Uo只取決于輸入電荷與 反饋電容Cf，與電纜電容Cc無(wú)關(guān)，且與q成正比， 這是電荷放大器的最大特點(diǎn)。 n為了得到必要的測(cè)量精度，要求反饋電容Cf的 溫度和時(shí)間穩(wěn)定性都很好，在實(shí)際電路中，考 慮到不同的量程等因素，Cf的容量做成可選擇 的，范圍一般為100104pF。 n通常A=104108 3.4.3 測(cè)量電路 n電荷放大器能將壓電傳感器輸出的電荷轉(zhuǎn)換為電壓 （Q/U轉(zhuǎn)換器），但并無(wú)放大電荷的作用，只是一種 習(xí)慣叫法。 四通道電荷放大器外形電荷放大器外形 3.4.4 壓電傳感器及其

53、特點(diǎn) 一、壓電式三維測(cè)力傳感器 3.4.4 壓電傳感器及其特點(diǎn) 二、壓電式加速度傳感器 運(yùn) 動(dòng) 方 向 2 1 3 4 5 壓電陶瓷4和質(zhì)量塊2為 環(huán)型，通過(guò)螺母3對(duì)質(zhì) 量塊預(yù)先加載，使之壓 緊在壓電陶瓷上。測(cè)量 時(shí)將傳感器基座5與被 測(cè)對(duì)象牢牢地緊固在一 起。輸出信號(hào)由電極1 引出。 3.4.4 壓電傳感器及其特點(diǎn) 三、汽車(chē)安全氣囊系統(tǒng) 3.4.4 壓電傳感器及其特點(diǎn) 四、指套式電子血壓計(jì) 3.4.4 壓電傳感器及其特點(diǎn) 五、高分子壓電電纜 3.4.4 壓電傳感器及其特點(diǎn) 六、壓電式玻璃破碎報(bào)警器 粘貼粘貼 位置位置 例題 1.已知測(cè)量回路的等效電阻為104 ，其等 效電容為1000pF,求

54、用壓電式加速度計(jì)測(cè) 量1Hz低頻振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的幅值誤差。 2.用壓電式傳感器測(cè)量最低頻率為1Hz的振 動(dòng)，要求在1Hz時(shí)靈敏度下降不超過(guò)5%， 測(cè)量回路中的總電容為500pF，試求測(cè)量 回路的等效電阻為多大？ M 3.5 電容式傳感器 n電容式傳感器利用了將非電量的變化轉(zhuǎn) 換為電容量的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)物理量的測(cè) 量。 n廣泛用于位移、振動(dòng)、角度、加速度以 及壓力、差壓、液面（料位）、成份含 量等方面的測(cè)量。 3.5 電容式傳感器 特點(diǎn)： n結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、分辨率高； n可實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量； n動(dòng)態(tài)響應(yīng)好； n能在高溫、輻射和強(qiáng)振動(dòng)等惡劣條件下工作； n電容量小，功率小，輸出阻抗高，負(fù)載能力 差，易

55、受外界干擾產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。 3.5.1 電容式傳感器的工作原理 電容傳感器的基本理想公式： 0 rS S C dd d d S S 改變S、d、三個(gè)參量中的任意一個(gè)量，均可使平板 電容的電容量C 改變。 固定三個(gè)參量中的兩個(gè)，可以做成三種類(lèi)型的電容傳 感器：變極距型、變面積型和變介電常數(shù)型。 3.5.1 電容式傳感器的工作原理 變極距(）型: (a)、(e) 變面積型(S)型: (b)、(c)、(d)、(f)、(g) （h） 變介電常數(shù)( )型: （i）(l) 3.5.1 電容式傳感器的工作原理 一、變極距型電容傳感器 0 0 r A C d 0 00 02 1 1 1 r d C ACd C

56、CC d dd d d d 思考：為了提高靈敏度，應(yīng)當(dāng)使d小些還是大些？ 3.5.1 電容式傳感器的工作原理 靈敏度： C k d ) 1 1 1 ( 0 000 d d d A d A dd A C 0 0 0 1 d d d d C C 0 0 0 CC dd dd 當(dāng)時(shí)， 3.5.1 電容式傳感器的工作原理 11定極板定極板 22動(dòng)極板動(dòng)極板 電容量與極距關(guān)系電容量與極距關(guān)系 3.5.1 電容式傳感器的工作原理 n但d過(guò)小易導(dǎo)致電容器擊穿(空氣的擊穿 電壓為3kv/mm) 在極間加一層云母片(擊 穿電壓103kv/mm)或塑料膜來(lái)改善電容 器耐壓性能。 n一般極板間距在25200um范圍

57、內(nèi)，而最 大位移應(yīng)小于間距的十分之一，因此這 種電容式傳感器主要用于微位移測(cè)量。 3.5.1 電容式傳感器的工作原理 二、變面積型電容傳感器 n角位移：極板2的軸由被測(cè)物體帶動(dòng)而旋 轉(zhuǎn)一個(gè)角位移度時(shí)，兩極板的遮蓋面 積A電容量。 n板狀線位移：極板2可以左右移動(dòng)。極板 1固定不動(dòng)。 n筒形：外圓筒不動(dòng)，內(nèi)圓筒在外圓筒內(nèi) 作上、下直線運(yùn)動(dòng)。 3.5.1 電容式傳感器的工作原理 角位移角位移 板狀板狀 筒形筒形 3.5.1 電容式傳感器的工作原理 b a d x 0 ()b axb CCx dd 3.5.1 電容式傳感器的工作原理 n靈敏度為一常數(shù)，輸出特性是線性的。 nb、dk n適合于測(cè)量較大

58、的直線位移和角位移。 0 b CCCx d Cb k xd 3.5.1 電容式傳感器的工作原理 三、變介電常數(shù)型電容傳感器 1、柱式 01 2()2 lnln Hhh C DD dd d D h d D H ln )(2 ln 2 010 d D h C ln )(2 01 0 3.5.1 電容式傳感器的工作原理 2、平板式 12 0 120 0 0 0210 0 0 () () rr rr LLL CCCb d Lb C d 3.5.1 電容式傳感器的工作原理 適用場(chǎng)合 n柱式：電容的增量正比于被測(cè)液位高度， 可測(cè)量一種流體的液位高度。 n平板式：電容變化與電介質(zhì)的移動(dòng)量L成 線性關(guān)系 d不

59、變，改變：測(cè)濕度 不變，d改變：測(cè)厚度、測(cè)徑 3.5.2 差動(dòng)式電容傳感器 n在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高靈敏度， 減小 非線性誤差，大都采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。 變間隙式變間隙式 變面積式變面積式 3.5.2 差動(dòng)式電容傳感器 .)()(1 /1 1 3 0 2 00 0 0 01 d d d d d d C dd CC .)()(1 /1 1 3 0 2 00 0 0 02 d d d d d d C dd CC .)( 2)( 22 5 0 3 00 021 d d d d d d CCCC 3.5.2 差動(dòng)式電容傳感器 非線性誤差： %100)(%100 )/(2 )/(2 2 00 3 0 d d

60、 dd dd 靈敏度： 2 000 22 1 () CCdC K dddd 3.5.3 測(cè)量電路 一、等效電路 nL包括引線電纜電感和電容式傳感器本身的電感； nR由引線電阻、極板電阻和金屬支架電阻組成； nC0為傳感器本身的電容； nCp為引線電纜、所接測(cè)量電路及極板與外界所 形成的總寄生電容； nRg是極間等效漏電阻。 R C0 CP Rg L 3.5.3 測(cè)量電路 低頻等效電路 n傳感器電容的阻抗非常大，L和R的影響 可忽略。 n等效電容Ce=C0+Cp， n等效電阻ReRg Ce Rg 3.5.3 測(cè)量電路 高頻等效電路 n電容的阻抗變小，L和R的影響不可忽略 漏電的影響可忽略，其中C