力檢測傳感器

1、項目二項目二 力檢測力檢測 完成本項目的學習后，能夠：完成本項目的學習后，能夠：1、了解彈性敏感元件的、了解彈性敏感元件的特性及要求特性及要求。2、掌握電阻應變效應及半導體的、掌握電阻應變效應及半導體的壓阻效應壓阻效應。3、了解、了解電橋電路的作用電橋電路的作用。4、掌握電阻應變片等力傳感器的、掌握電阻應變片等力傳感器的測量電路測量電路。5、掌握壓電式傳感器的、掌握壓電式傳感器的工作原理工作原理，理解其特點。，理解其特點。6、了解力傳感器的、了解力傳感器的應用應用。7、了解壓電式傳感器的、了解壓電式傳感器的應用應用。 學習目標學習目標 回顧思考：回顧思考：1.熱電偶的工作原理是什么？熱電阻工作

2、原理是什么？熱電偶的工作原理是什么？熱電阻工作原理是什么？2.熱敏電阻與熱電阻有何不同？熱敏電阻如何分類？熱敏電阻與熱電阻有何不同？熱敏電阻如何分類？概述：概述：力傳感器將各種力學量轉(zhuǎn)換成電信號的器件。力傳感器將各種力學量轉(zhuǎn)換成電信號的器件。待待測測量量輸輸出出電電量量中間中間量量可用可用電量電量敏感敏感元件元件轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換元件元件測量測量電路電路輔助電源輔助電源敏感元件敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件任務任務1 1：電子地磅檢測重量：電子地磅檢測重量 任務背景任務背景 電子地磅秤，是廠礦、商家等用于大宗貨物計量的電子地磅秤，是廠礦、商家等用于大宗貨物計量的主要稱重設備。主要稱重設備。相關知識相關知識 在

3、二十世紀在二十世紀80年代之前常見的地磅秤一般是利用年代之前常見的地磅秤一般是利用杠杠桿原理純機械構造的機械式地磅秤也稱作機械地磅桿原理純機械構造的機械式地磅秤也稱作機械地磅。二。二十世紀十世紀80年代中期，隨著年代中期，隨著高精度稱重傳感器技術高精度稱重傳感器技術的日趨的日趨成熟，機械式地磅逐漸被精度高、穩(wěn)定性好、操作方便成熟，機械式地磅逐漸被精度高、穩(wěn)定性好、操作方便的電子地磅秤所取代。的電子地磅秤所取代。一、彈性敏感元件一、彈性敏感元件一、概念一、概念 變形變形： 彈性變形：彈性變形： 彈性元件：彈性元件：具有彈性變形這類特性的元件。具有彈性變形這類特性的元件。物體因外力作用而改變原來尺

4、寸或形狀。物體因外力作用而改變原來尺寸或形狀。如果外力消失后能完全恢復其原來的尺寸如果外力消失后能完全恢復其原來的尺寸和形狀的變形。和形狀的變形。 彈性敏感元件把力或壓力轉(zhuǎn)換成了應變或位移，然后再由傳感器將應變或位移轉(zhuǎn)換成電信號。 （一）彈簧壓力表的組成（一）彈簧壓力表的組成 當被測壓力作用于彈簧管時，彈簧管便產(chǎn)生相應的變形，通過機械傳動機構，使標尺指針偏移角度，從而得到壓力的數(shù)值。其中彈簧管就是彈性敏感元件，它能感受壓力并產(chǎn)生自身的彈性變形。 （二）、彈性敏感元件的特性（二）、彈性敏感元件的特性具有彈性變形特性的物體稱為彈性敏感元件。 剛度 靈敏度二、基本特性二、基本特性1.剛度（剛度（Ri

5、gidity） 是指彈性元件在外力作用下變形大小的量度，是指彈性元件在外力作用下變形大小的量度，一般用一般用k來表示。來表示。dFkdx2.靈敏度（靈敏度（Sensitivity） 是指彈性敏感元件在單位力作用下產(chǎn)生變形的大小，是指彈性敏感元件在單位力作用下產(chǎn)生變形的大小，在彈性學中也稱為彈性元件的柔度。用在彈性學中也稱為彈性元件的柔度。用K表示，表示，dxKdF3.彈性滯后（彈性滯后（Elastic Hysteresis） 實際彈性元件在加、卸載的正實際彈性元件在加、卸載的正、反行程中變形曲線是不重合的、反行程中變形曲線是不重合的12 原因：彈性敏感元件在工作過程中原因：彈性敏感元件在工作過

6、程中分子間存在分子間存在內(nèi)摩擦。內(nèi)摩擦。（三）彈性敏感元件的基本要求及分類（三）彈性敏感元件的基本要求及分類 1.彈性敏感元件的基本要求彈性敏感元件的基本要求 良好的機械特性（強度高、抗沖擊、韌性好、疲勞強度高等）和良好的機械加工及熱處理性能。 良好的彈性（彈性極限高、彈性滯后和彈性后效小等）。 良好的抗氧化性和抗腐蝕性。 應保證長期使用和溫度變化時的穩(wěn)定性。 2.彈性敏感元件的分類彈性敏感元件的分類 根據(jù)彈性敏感元件輸入量的不同，可以分為兩大類： 變換力（力矩）的彈性元件變換力（力矩）的彈性元件 這類彈性敏感元件大都采用等截面柱式、圓環(huán)式、等截面薄板、懸臂梁及軸狀等結(jié)構。 變換壓力的彈性敏感

7、元件變換壓力的彈性敏感元件 這類彈性敏感元件常見的有彈簧管、波紋管、波紋膜片、膜盒和薄臂圓筒等，它可以把流體產(chǎn)生的壓力變換成位移量輸出。 1.變換力的彈性敏感元件變換力的彈性敏感元件1.變換力的彈性敏感元件變換力的彈性敏感元件1.變換壓力的彈性敏感元件變換壓力的彈性敏感元件二、電阻應變式傳感器二、電阻應變式傳感器 電阻應變式傳感器是一種利用電阻應變效應，將電阻應變式傳感器是一種利用電阻應變效應，將力力學量轉(zhuǎn)換為電信號學量轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器。的傳感器。電阻應變式傳感器具電阻應變式傳感器具有精度高、性能穩(wěn)定、測量范圍寬、可制成各種有精度高、性能穩(wěn)定、測量范圍寬、可制成各種機械量傳感器，并且結(jié)構簡

8、單、體積小、重量輕，機械量傳感器，并且結(jié)構簡單、體積小、重量輕，可在超低溫、強振動、強磁場等惡劣環(huán)境下工作可在超低溫、強振動、強磁場等惡劣環(huán)境下工作等特點。等特點。 19361936首次制成了粘貼式的紙基絲繞式電阻應變片首次制成了粘貼式的紙基絲繞式電阻應變片，電阻應變測量迅速發(fā)展起來；，電阻應變測量迅速發(fā)展起來； 19521952年英國的制出了第一批年英國的制出了第一批箔式箔式應變片；應變片； 19571957年出現(xiàn)了第一批年出現(xiàn)了第一批半導體半導體應變片；應變片； 此后又出現(xiàn)了能在高溫環(huán)境下測量的此后又出現(xiàn)了能在高溫環(huán)境下測量的高溫應變片高溫應變片，在疲勞條件下測量用的，在疲勞條件下測量用的

9、疲勞應變片疲勞應變片，以及用于斷，以及用于斷裂韌性測試的裂韌性測試的裂紋擴展應變片裂紋擴展應變片等。等。應應 變變 式式 電電 阻阻 傳傳 感感 器器本節(jié)主要內(nèi)容：本節(jié)主要內(nèi)容：電阻應變片的工作原理電阻應變片的工作原理電阻應變片的種類和結(jié)構電阻應變片的種類和結(jié)構電阻應變片的測量電路電阻應變片的測量電路電阻應變片的溫度補償電阻應變片的溫度補償電阻應變片的應用電阻應變片的應用 18561856年英國年英國W.ThomsonW.Thomson在鋪設海底電纜時，發(fā)現(xiàn)了電纜在鋪設海底電纜時，發(fā)現(xiàn)了電纜的電阻值由于拉伸而增加，他在進一步對銅絲和鐵絲進行的電阻值由于拉伸而增加，他在進一步對銅絲和鐵絲進行了拉

10、伸試驗后，給出了三個結(jié)論：了拉伸試驗后，給出了三個結(jié)論： 銅絲和鐵絲的應變與其電阻變化有函數(shù)關系；銅絲和鐵絲的應變與其電阻變化有函數(shù)關系； 銅絲和鐵絲對各自的應變與電阻的變化關系有各不相銅絲和鐵絲對各自的應變與電阻的變化關系有各不相同的靈敏度；同的靈敏度； 由應變而產(chǎn)生的微小電阻變化可用惠斯登電橋進行測由應變而產(chǎn)生的微小電阻變化可用惠斯登電橋進行測量。量。電阻應變式傳感器的外形及性能指標電阻應變式傳感器的外形及性能指標 1.電阻應變式傳感器的外形電阻應變式傳感器的外形2.電阻應變式傳感器的主要用途及特性電阻應變式傳感器的主要用途及特性（1）金屬箔式壓力傳感器）金屬箔式壓力傳感器 金屬箔式壓力傳

11、感器采用了箔式應變片貼在合金鋼制作的彈性體上，具有精度高、溫度特性好等特點，適用于電子皮帶秤、配料秤。（2）柱式傳感器）柱式傳感器 柱式傳感器利用箔式應變片貼在合金鋼制作的圓柱彈性體終端較細的部位。這類傳感器結(jié)構簡單，加工容易，可拉、可壓或拉壓兩用，能承受較大的負載，具有長期穩(wěn)定性好、密封性好等特點。適用于地中衡、料斗秤、汽車衡、軌道衡等。（3）懸臂梁式傳感器 懸臂梁式傳感器是將箔式應變貼在合金鋼制作的彈性體的上下兩面，彈性體一端固定，一端加載，拉、壓均可。它具有精度高、密封性好、易安裝等特點，適于電子秤、料斗秤等小量程的稱重環(huán)境。（4）橋式傳感器 橋式傳感器采用了箔式應變片貼在合金鋼彈性體上

12、，具有精度高、長期穩(wěn)定性好、密封性好、抗偏載、抗扭曲、精度高等特點，適用于各種汽車衡、軌道衡、料斗秤等場合。（5）輪輻式傳感器 輪輻式傳感器采用輪輻式結(jié)構，抗偏抗側(cè)能力強，測量精度高，性能穩(wěn)定可靠，安裝方便，是大、中量程精度傳感器中的最佳形式，廣泛用于各種電子衡器和各種力值測量，如汽車衡、軌道衡、吊鉤秤、料斗秤。（6）S形拉壓式傳感器 S形拉壓式傳感器采用S形結(jié)構，由于其荷載的作用點和支撐點在同一軸線上，因此它的受力穩(wěn)定，稱重時，利用其彎曲變形，產(chǎn)生信號。這種傳感器拉壓均可使用，應用于高溫度環(huán)境，具有優(yōu)越的抗扭、抗側(cè)、抗偏載能力，輸出對稱性好，精度高，結(jié)構緊湊等特點。適用于配料秤、料斗秤、機電

13、結(jié)合秤、吊鉤秤等。應變式荷重傳感器的外形及應變片的粘貼位置應變式荷重傳感器的外形及應變片的粘貼位置FR1R2 R4應變式荷重傳感器外形及受力位置應變式荷重傳感器外形及受力位置FF應變式荷重傳感器外形及受力位置應變式荷重傳感器外形及受力位置FF荷重傳感器原理演示荷重傳感器原理演示 荷重傳荷重傳感器上的應感器上的應變片在重力變片在重力作用下產(chǎn)生作用下產(chǎn)生變形。軸向變形。軸向變短，徑向變短，徑向變長。變長。 汽車衡汽車衡汽車衡汽車衡（以下參考北京遠亞興業(yè)商貿(mào)有限公司資料（以下參考北京遠亞興業(yè)商貿(mào)有限公司資料 ）汽車衡稱重系統(tǒng)二、電阻應變片的種類和結(jié)構二、電阻應變片的種類和結(jié)構金屬應變片金屬應變片半導

14、體應變片半導體應變片金屬絲式應變片金屬絲式應變片金屬箔式應變片金屬箔式應變片薄膜式應變片薄膜式應變片（二）、電阻應變式傳感器的工作原理（二）、電阻應變式傳感器的工作原理 1.電阻應變效應電阻應變效應 金屬導體或半導體受到外力作用時，不僅產(chǎn)生相應的應變(伸長或縮短)，而且其電阻值也將隨之發(fā)生變化的現(xiàn)象成為電阻的應變效應。2.靈敏度系數(shù)靈敏度系數(shù) 靈敏度系數(shù)的物理意義是單位應變所引起的電阻相對變化。一、電阻應變片的工作原理一、電阻應變片的工作原理應變效應應變效應 導體或半導體材料在外力作用下發(fā)生機械形變，導致導體或半導體材料在外力作用下發(fā)生機械形變，導致其電阻值發(fā)生變化的物理現(xiàn)象。其電阻值發(fā)生變化

15、的物理現(xiàn)象。 設有一根圓截面的金屬電阻絲，電阻絲長度為設有一根圓截面的金屬電阻絲，電阻絲長度為 ,截截面積為面積為S,電阻率為電阻率為 ，則電阻值為：，則電阻值為：l2/()Rl slr 當沿金屬絲的長度方向作用均勻力時，參數(shù)當沿金屬絲的長度方向作用均勻力時，參數(shù) 、 、 、都將發(fā)生變化，從而導致電阻值都將發(fā)生變化，從而導致電阻值R發(fā)生變化。發(fā)生變化。 實驗證明，電阻絲及應變片的電阻相對變化量實驗證明，電阻絲及應變片的電阻相對變化量 R R R R與材與材料力學中的軸向應變料力學中的軸向應變 x x的關系在很大范圍內(nèi)是線性的，即的關系在很大范圍內(nèi)是線性的，即 rl xRKRK K電阻應變片的靈

16、敏度電阻應變片的靈敏度 對于不同的金屬材料，對于不同的金屬材料，K K 略微不同，略微不同，一般為一般為2 2左右左右。而。而對半導體材料而言，由于其感受到應變時，對半導體材料而言，由于其感受到應變時，電阻率電阻率 會產(chǎn)生會產(chǎn)生很大的變化，所以靈敏度比金屬材料大幾十倍。很大的變化，所以靈敏度比金屬材料大幾十倍。 表中，哪幾個型號是半導體應變片？表中，哪幾個型號是半導體應變片？三、應變片的粘貼三、應變片的粘貼1.試件的表面處理試件的表面處理 除去測點附近的除去測點附近的油污、銹斑、油污、銹斑、氧化膜、電鍍層和涂料、油漆氧化膜、電鍍層和涂料、油漆等。等。 采用手持砂輪工具除去構件表采用手持砂輪工具

17、除去構件表面的油污、漆、銹斑等，并用面的油污、漆、銹斑等，并用細紗細紗布交叉打磨布交叉打磨出細紋以增加粘貼力出細紋以增加粘貼力 ，用浸有酒精或丙酮的紗布片或脫，用浸有酒精或丙酮的紗布片或脫脂棉球擦洗。脂棉球擦洗。 2.確定貼片位置確定貼片位置-在應變片上標出敏感柵的縱、橫向中心線，在應變片上標出敏感柵的縱、橫向中心線，在在試件上按照測量要求劃出中心線試件上按照測量要求劃出中心線。 稍停片刻，將稍停片刻，將應變片放在粘貼部位應變片放在粘貼部位上，用鑷子對應變片定上，用鑷子對應變片定位。然后墊上玻璃紙用食指按在玻璃紙上，由引出線端向另一位。然后墊上玻璃紙用食指按在玻璃紙上，由引出線端向另一端滾壓，

18、擠出氣泡和多余的膠水后按住不動，保持約兩三分鐘端滾壓，擠出氣泡和多余的膠水后按住不動，保持約兩三分鐘后即可將手松開，小心解開玻璃紙。后即可將手松開，小心解開玻璃紙。 3.3.貼片貼片 用干棉球擦干表面用干棉球擦干表面，用畫筆在測點處和應，用畫筆在測點處和應變片底面涂一層薄而均變片底面涂一層薄而均勻的粘結(jié)劑。勻的粘結(jié)劑。 檢查應變片的粘貼是否檢查應變片的粘貼是否有缺陷。有缺陷。5.粘貼質(zhì)量檢查粘貼質(zhì)量檢查 4.固化固化貼好后，根據(jù)所使用的粘合劑的固化工藝要求進行固化貼好后，根據(jù)所使用的粘合劑的固化工藝要求進行固化處理和時效處理。處理和時效處理。6.引線焊接引線焊接 引線與導線采用焊接引線與導線采

19、用焊接，為便于焊接還可在二者之間加接，為便于焊接還可在二者之間加接線端子，焊接要求快速、準確，防止加熱過程太長將應變片線端子，焊接要求快速、準確，防止加熱過程太長將應變片損壞。損壞。7.固定、防護固定、防護 導線連接、焊導線連接、焊接后用膠布將引接后用膠布將引線和被測對象固線和被測對象固定在一起，防止定在一起，防止損壞引線和應變損壞引線和應變片。然后在應變片。然后在應變片上涂一層柔軟片上涂一層柔軟的防護層。的防護層。 例題：例題： 有一金屬箔式應變片，標稱阻值有一金屬箔式應變片，標稱阻值R R0 0為為100100 ，靈敏度靈敏度K K=2=2，粘貼在橫截面積為粘貼在橫截面積為9.8mm9.8

20、mm2 2的鋼質(zhì)圓柱體上，鋼的彈性模量的鋼質(zhì)圓柱體上，鋼的彈性模量E E=2=2 10101111N/mN/m2 2，所受拉力所受拉力F F=2000N=2000N，鋼的應變量，鋼的應變量e=0.001e=0.001，求受，求受拉后應變片電阻的變化值。拉后應變片電阻的變化值。 受拉后應變片的阻值受拉后應變片的阻值R R 的變化量僅為的變化量僅為0.20.2 3.電阻應變式傳感器結(jié)構框圖及基本原理電阻應變式傳感器結(jié)構框圖及基本原理 電阻應變式傳感器結(jié)構框圖如圖2-9所示。4.電阻應變式傳感器的測量電路電阻應變式傳感器的測量電路 電阻應變式傳感器是將被測量的變化轉(zhuǎn)換成傳感器元件電阻值的變化，再經(jīng)過

21、轉(zhuǎn)換電路變成電信號輸出。 應變片的測量電橋結(jié)構簡單，具有靈敏度高、測量范圍寬、線性度好、精度高和容易實現(xiàn)溫度補償?shù)葍?yōu)點，因此它能很好地滿足應變測量的要求，是目前采用最多最廣發(fā)的一種測量電路。 當R1=R2=R3=R4=R時，為等臂電橋； 當R1=R2=R3=R4=R時，為輸出對稱電路； 當R1 =R3=R，R2=R4=R時，為電源對稱電橋。 分析電路可知：當R1R4=R2R3時，電橋平衡，輸出電壓為0。1 32401234()()iRRRRUURRRR四、測量電路四、測量電路直流電橋電路輸出電壓：直流電橋電路輸出電壓：電橋平衡條件是電橋平衡條件是1324R RR R應變片接入電橋通常有三種情況

22、：單臂工作、半橋工作和應變片接入電橋通常有三種情況：單臂工作、半橋工作和全橋工作全橋工作1.1.單臂工作單臂工作對全等臂電橋?qū)θ缺垭姌?橋路輸出電壓橋路輸出電壓：04iUUk2.2.半橋工作半橋工作R1和和R2為應變片，為應變片，R3和和R4為為固定電阻固定電阻 當兩應變片差動工作時，當兩應變片差動工作時，對全等臂電橋和半等臂電橋?qū)θ缺垭姌蚝桶氲缺垭姌驑蚵份敵鲭妷海簶蚵份敵鲭妷海?2iUUk3.3.全橋工作全橋工作 當采用差動工作方式時當采用差動工作方式時，其輸出電壓為：，其輸出電壓為：0iUk U4.4.橋式電路靈敏度分析橋式電路靈敏度分析 橋式電路靈敏度通解公式：橋式電路靈敏度通解公式

23、： 為橋臂系數(shù)。為橋臂系數(shù)。 該式表明，橋臂系數(shù)越大，電橋電路的靈敏度越高該式表明，橋臂系數(shù)越大，電橋電路的靈敏度越高；供橋電壓；供橋電壓U U越大，電橋電路的靈敏度也越高。越大，電橋電路的靈敏度也越高。4UK注：供電電壓的提高受兩方面的限制，一是應變片的允許溫注：供電電壓的提高受兩方面的限制，一是應變片的允許溫升（允許功耗）；二是應變電阻的溫度誤差。升（允許功耗）；二是應變電阻的溫度誤差。55FFFF圖圖2-11 剪切剪切S梁結(jié)構電阻應變式傳感器梁結(jié)構電阻應變式傳感器 用在：機電結(jié)用在：機電結(jié)合秤、料斗秤合秤、料斗秤、包裝秤等各、包裝秤等各種測力、稱重種測力、稱重系統(tǒng)中系統(tǒng)中. . 各種懸臂

24、梁各種懸臂梁 各種懸臂梁各種懸臂梁 FF固定點固定點固定點固定點電纜電纜回顧思考：回顧思考：1.什么是彈性敏感元件？作用是什么？什么是彈性敏感元件？作用是什么？2.什么是電阻應變效應？什么是電阻應變效應？壓壓 阻阻 式式 傳傳 感感 器器壓阻式傳感器的工作原理主要是基于壓阻式傳感器的工作原理主要是基于壓阻效應壓阻效應三、壓阻式傳感器三、壓阻式傳感器 壓阻效應是在半導體材料半導體材料上施加作用力時，其電阻率發(fā)生顯著變化的現(xiàn)象。 （一）、半導體電阻應變片的結(jié)構（一）、半導體電阻應變片的結(jié)構 擴散硅壓力傳感器擴散硅壓力傳感器1一引出線；一引出線；2一電極；一電極；3一擴散電阻引線；一擴散電阻引線；4

25、一擴散型應變片一擴散型應變片5 單晶硅膜片；單晶硅膜片；6硅環(huán)；硅環(huán)；7一玻璃粘接劑；一玻璃粘接劑；8一玻璃基板一玻璃基板 根據(jù)結(jié)構不同，擴散硅型傳感器可用來測量壓力、力、壓根據(jù)結(jié)構不同，擴散硅型傳感器可用來測量壓力、力、壓力差、加速度等，其中應用最廣的是擴散硅壓力傳感器。力差、加速度等，其中應用最廣的是擴散硅壓力傳感器。壓阻式固態(tài)壓力傳感器的隔離、承壓膜片壓阻式固態(tài)壓力傳感器的隔離、承壓膜片 隔離、承壓膜隔離、承壓膜片可以將腐蝕性片可以將腐蝕性的氣體、液體與的氣體、液體與硅膜片硅膜片 隔離開來隔離開來。 壓阻式固態(tài)壓阻式固態(tài) 壓力傳感器壓力傳感器 內(nèi)部結(jié)構內(nèi)部結(jié)構信號處理電路信號處理電路（二

26、）、半導體電阻應變片的特性（二）、半導體電阻應變片的特性 半導體應變片最突出的優(yōu)點是靈敏度高，這為它的應用提供了有利條件。另外，由于機械滯后小、橫向效應小以及它本身體積小等特點，擴大了半導體應變片的使用范圍。 其最大的缺點是溫度穩(wěn)定性差、靈敏度離散程度大（由于晶向、雜質(zhì)等因素的影響）以及在較大應變作用下非線性誤差大等，給使用帶來一定困難。（三）、壓阻式壓力傳感器（三）、壓阻式壓力傳感器 壓阻式壓力傳感器硅膜片兩邊有兩個壓力腔，一個是與大氣相通的低壓腔，另一個是與被測壓力相連接的高壓腔。當膜片兩邊存在壓力差時，膜片產(chǎn)生變形，膜片上各點產(chǎn)生應力。其上的四個電阻在應力作用下，阻值發(fā)生變化，電橋失去平

27、衡，輸出與膜片兩邊的壓力差成正比的電壓值。四、正確使用測力傳感器四、正確使用測力傳感器 （一）傳感器的選擇要求（一）傳感器的選擇要求 技術指標要求 使用環(huán)境要求 基本安全要求 可靠性要求 維修及管理要求 對于一個具體的傳感器，需滿足上述部分要求即可。（二）選用傳感器的原則（二）選用傳感器的原則 根據(jù)測量對象與測量環(huán)境確定傳感器的類型根據(jù)測量對象與測量環(huán)境確定傳感器的類型 靈敏度的選擇靈敏度的選擇 頻率響應特性頻率響應特性 線性范圍線性范圍 穩(wěn)定性穩(wěn)定性 精度精度 （三）使用注意事項（三）使用注意事項 選擇稱重傳感器一定要考慮環(huán)境因素、適用范圍和精度要求。 選用的傳感器一般工作在滿量程的30%-

28、70%之間。 傳感器使用中最大荷載不能超過滿量程的120%。 傳感器和儀表應定期進行標定，確保使用精度。 電橋電壓要穩(wěn)定，溫漂、時漂要小，否則會引起測量誤差。 由于傳感器的精度高低、性能好壞直接影響到整個自動測試系統(tǒng)的品質(zhì)和運行狀態(tài)。一般來說，對傳感器的要求是全面的、嚴格的，它們是選用傳感器的依據(jù)。回顧思考：回顧思考：1.電子稱中所使用的應變片應選擇（電子稱中所使用的應變片應選擇（ ）應變片，為提高）應變片，為提高集成度，測量氣體壓力應選擇（集成度，測量氣體壓力應選擇（ ）。）。 A.金屬絲式金屬絲式 B.金屬箔式金屬箔式 C.電阻應變儀電阻應變儀 D.固態(tài)壓阻固態(tài)壓阻式傳感器式傳感器2.應變

29、測量中，希望靈敏度高、線性好、有溫度自補償應變測量中，希望靈敏度高、線性好、有溫度自補償功能，應選擇（功能，應選擇（ ）測量轉(zhuǎn)換電路。）測量轉(zhuǎn)換電路。3.應變測量中溫度補償原因是什么？有哪些方法？應變測量中溫度補償原因是什么？有哪些方法？ 拓展知識拓展知識 便攜式數(shù)顯電子秤的設計便攜式數(shù)顯電子秤的設計 任務任務2 2：橋墩水下部位缺陷的檢測：橋墩水下部位缺陷的檢測 任務背景任務背景 橋墩水下及地表以下部位由于各種原因會產(chǎn)生一些橋墩水下及地表以下部位由于各種原因會產(chǎn)生一些缺陷，它是很難被發(fā)現(xiàn)的，但又直接威脅到橋梁的安全。缺陷，它是很難被發(fā)現(xiàn)的，但又直接威脅到橋梁的安全。用用壓電式加速度傳感器通過

30、檢測橋墩對振動的響應，再壓電式加速度傳感器通過檢測橋墩對振動的響應，再進行頻譜分析，可判定橋墩的內(nèi)部缺陷。進行頻譜分析，可判定橋墩的內(nèi)部缺陷。 相關知識相關知識 壓電式傳感器是一種典型的壓電式傳感器是一種典型的自發(fā)電式自發(fā)電式傳感器，傳感器，它是由壓電傳感元件和測量轉(zhuǎn)換電路組成。它是由壓電傳感元件和測量轉(zhuǎn)換電路組成。 本節(jié)教學目標本節(jié)教學目標了解壓電效應及特點了解壓電效應及特點掌握壓電式傳感器測量電路的形式、特點掌握壓電式傳感器測量電路的形式、特點分析電壓前置放大器和電荷前置放大器的區(qū)別及特分析電壓前置放大器和電荷前置放大器的區(qū)別及特點點一、壓電傳感器的外形、技術指標和壓電一、壓電傳感器的外形

31、、技術指標和壓電材料的外形材料的外形 （一）壓電式傳感器的外形（一）壓電式傳感器的外形 正壓電效應正壓電效應 某些晶體在沿定方向上受到外力的作用而產(chǎn)某些晶體在沿定方向上受到外力的作用而產(chǎn)生變形時，生變形時，內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在其，同時在其表面上產(chǎn)生電荷表面上產(chǎn)生電荷，當外力去掉后，又重新回到不帶電的狀態(tài)。當作用力方向，當外力去掉后，又重新回到不帶電的狀態(tài)。當作用力方向改變時，電荷的極性也隨之改變。改變時，電荷的極性也隨之改變。逆壓電效應逆壓電效應 若在晶體的極化方向上施加外部電場，晶體若在晶體的極化方向上施加外部電場，晶體產(chǎn)生伸縮機械形變，當外電場消失則電介質(zhì)的機械形變

32、消失產(chǎn)生伸縮機械形變，當外電場消失則電介質(zhì)的機械形變消失。 電電量量壓電元件壓電元件機機械械量量正壓電效應正壓電效應逆壓電效應逆壓電效應（電致伸縮）（電致伸縮）壓電效應的可逆性壓電效應的可逆性（二）壓電加速度傳感器的技術指標（二）壓電加速度傳感器的技術指標 壓電加速度傳感器的技術指標主要有量程、靈敏度、線性度、分辨力、諧振點和頻響等。 （三）壓電材料的外形（三）壓電材料的外形 幾種壓電材料的外形如圖2-20所示。（二）石英晶體的壓電效應（二）石英晶體的壓電效應1.石英晶體的壓電效應石英晶體的壓電效應石英晶體成正六邊形棱柱體，如圖2-21所示。 晶體的壓電效應晶體的壓電效應(a)(a)具有壓電效

33、應的晶體具有壓電效應的晶體 (b)(b)不具有壓電效應的晶體不具有壓電效應的晶體 石英晶體壓電演示石英晶體壓電演示 當力的方向改變時，電荷的極性隨之改變，輸出當力的方向改變時，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動態(tài)力的頻率相同；當動態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)電壓的頻率與動態(tài)力的頻率相同；當動態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時，電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失。力時，電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失。二、壓電效應分析二、壓電效應分析天然形成的石英晶體天然形成的石英晶體1.石英晶體壓電效應石英晶體壓電效應二、壓電傳感器的工作原理二、壓電傳感器的工作原理 具有壓電效應的電介質(zhì)稱為壓電材料。典型的壓電材具有壓電效應的電介質(zhì)稱為

34、壓電材料。典型的壓電材料有石英晶體、料有石英晶體、壓電陶瓷壓電陶瓷、鈦酸鋇鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛和、鋯鈦酸鉛和高分高分子壓電材料子壓電材料等。等。 無鉛壓電陶瓷及其換能器外形無鉛壓電陶瓷及其換能器外形壓電陶瓷片壓電陶瓷片 石英晶體石英晶體-分子式是分子式是SiO2（居里點為（居里點為576） 優(yōu)點：溫度穩(wěn)定性好、機械強度高、絕緣性好優(yōu)點：溫度穩(wěn)定性好、機械強度高、絕緣性好、動態(tài)性能好；、動態(tài)性能好； 缺點：靈敏度低、壓電系數(shù)小，價格昂貴缺點：靈敏度低、壓電系數(shù)小，價格昂貴 應用：石英晶體大多只在標準傳感器、高精度應用：石英晶體大多只在標準傳感器、高精度傳感器和使用溫度較高的傳感器中用作壓電元件傳感器

35、和使用溫度較高的傳感器中用作壓電元件 外部外部結(jié)構：六角形晶柱，兩端呈六棱錐形，中結(jié)構：六角形晶柱，兩端呈六棱錐形，中間為六棱柱；間為六棱柱； 石英晶體切片石英晶體切片石英晶體薄片石英晶體薄片1) 1) 石英晶體是石英晶體是各向異性各向異性晶體：晶體：x x電軸、電軸、y y機械軸、機械軸、z z光軸。光軸。2) 2) 不是在任何方向上都存在壓電效應：不是在任何方向上都存在壓電效應： x x電軸受力電軸受力, ,在在x x軸兩面上產(chǎn)生電荷軸兩面上產(chǎn)生電荷, ,“縱向壓電效應縱向壓電效應”； y y機械軸受力機械軸受力, ,仍然在仍然在x x軸兩面上產(chǎn)生電荷軸兩面上產(chǎn)生電荷, ,“橫向壓電效橫向

36、壓電效應應”, ,即即y y軸不能產(chǎn)生電荷軸不能產(chǎn)生電荷, ,只能施加力；只能施加力； z z軸（光軸）受力沒有電荷產(chǎn)生。軸（光軸）受力沒有電荷產(chǎn)生。3) 3) 晶體正壓電效應和逆壓電效應是晶體正壓電效應和逆壓電效應是對應存在對應存在的。的。4) 4) 力力- -電之間大小成電之間大小成正比正比。結(jié)論結(jié)論（三）壓電陶瓷的壓電效應（三）壓電陶瓷的壓電效應 壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。材料內(nèi)部的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇，它有一定的極化方向，從而存在電場。在無外電場作用時，電疇在晶體內(nèi)雜亂分布，它們的極化效應被相互抵消，壓電陶瓷內(nèi)極化強度為零。因此原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質(zhì)。如圖2

37、-24（a）所示。 陶瓷材料是經(jīng)過高溫燒結(jié)后形成的，類似于陶瓷材料是經(jīng)過高溫燒結(jié)后形成的，類似于鐵鐵電體電體，具有類似于鐵磁材料磁疇結(jié)構的電疇結(jié)構。，具有類似于鐵磁材料磁疇結(jié)構的電疇結(jié)構。 無數(shù)的細微電疇是分子自發(fā)極化形成的小區(qū)域無數(shù)的細微電疇是分子自發(fā)極化形成的小區(qū)域。具有一定的極化方向，存在一定的電場。具有一定的極化方向，存在一定的電場。 由于由于各電疇極化方向任意方向排列各電疇極化方向任意方向排列，自發(fā)極化，自發(fā)極化的作用相互抵消，陶瓷內(nèi)極化強度為零。的作用相互抵消，陶瓷內(nèi)極化強度為零。 結(jié)構結(jié)構2.2.壓電陶瓷的壓電效應壓電陶瓷的壓電效應 1) 1) 在一定溫度在一定溫度(100(10

38、0 170)170)下，施加直流高壓下，施加直流高壓外電場外電場(20(20 30kV/cm)30kV/cm)，在外電場作用下，經(jīng)過一定，在外電場作用下，經(jīng)過一定時間時間( (2 2 3h)3h)后后，電疇自發(fā)極化方向趨近于與外加電，電疇自發(fā)極化方向趨近于與外加電場方向一致。場方向一致。 壓電陶瓷的極化方壓電陶瓷的極化方向，通常取向，通常取z z軸方軸方向向 極化處理極化處理 2) 2) 撤掉電場后，各電疇自發(fā)極化在一定程度撤掉電場后，各電疇自發(fā)極化在一定程度上按所加外電場方向取向，上按所加外電場方向取向，存在很強的剩余極化存在很強的剩余極化強度。強度。 三、壓電傳感器的等效電路與測量電路三、

39、壓電傳感器的等效電路與測量電路 （一）壓電傳感器的等效電路（一）壓電傳感器的等效電路 壓電傳感器可等效為如圖2-25(a)所示的電壓源，也可等效為一個電荷源，如圖2-25(b)所示。 并聯(lián)并聯(lián) 與單片相比，兩片并聯(lián)時，輸出電壓不變，電容量變?yōu)榕c單片相比，兩片并聯(lián)時，輸出電壓不變，電容量變?yōu)?倍，電荷量變?yōu)楸叮姾闪孔優(yōu)?倍；適用于測量緩慢變化的信號和以電倍；適用于測量緩慢變化的信號和以電流作為輸出量的場合。流作為輸出量的場合。串聯(lián)串聯(lián) 與單片相比，兩片串聯(lián)時，輸出電荷相等，輸出電壓為與單片相比，兩片串聯(lián)時，輸出電荷相等，輸出電壓為2倍，總電容量為倍，總電容量為1/2。適用于以電壓為輸出信號及高

40、輸入阻。適用于以電壓為輸出信號及高輸入阻抗的測量電路?？沟臏y量電路。 內(nèi)部電荷源內(nèi)部電荷源Q Q和一個電容器和一個電容器C C并聯(lián)并聯(lián)電荷等效電路電荷等效電路 電壓源電壓源U=Q/CU=Q/C和一個電容器和一個電容器C C串聯(lián)串聯(lián)電壓等效電路電壓等效電路/dCS四、等效電路四、等效電路（二）、壓電傳感器的測量電路（二）、壓電傳感器的測量電路 壓電傳感器本身的內(nèi)阻抗很高，而輸出能量較小，因此它的測量電路通常需要接入一個高輸入阻抗的前置放大器。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。壓電傳感器的輸出可以是電壓信號，也可以是電荷信號，因此前置放大器也有兩種形式：

41、電壓放大器和電荷放大器。 壓電傳感器與測量電路連接時，還應考慮連接線路的分布電容Cc，放大電路的輸入電阻Ri，輸入電容Ci及壓電傳感器的內(nèi)阻Ra?？紤]了上述因素后，其實際等效電路如圖2-26所示。電纜的分布電容CC泄漏電阻Rd放大器輸入電阻Ri放大器電容Ci 實際實際等效電路等效電路五、測量電路五、測量電路1.電壓放大器電壓放大器 圖2-27（a）為電壓放大器電路原理圖，圖2-27（b）為該電壓放大器的等效電路。sinsinmamadFUtUtCu壓電器件的輸出電壓壓電器件的輸出電壓FUaUiUOu放大器輸入電壓放大器輸入電壓sin1()miad Fj RUtj R CC2.電荷放大器電荷放大

42、器 如圖2-28所示是電荷放大器電路等效電路圖。電荷放大器是一種輸出電壓與輸入電荷量成正比的放大器。 兩功能：第一兩功能：第一變換阻抗變換阻抗；第二；第二放大放大。 電壓放大器電壓放大器要考慮要考慮電纜對電壓靈敏度電纜對電壓靈敏度的影響；的影響；電荷放大器不必考慮。電荷放大器不必考慮。 電荷放大器電荷放大器的的低頻低頻響應也要響應也要好好于電壓放大器。于電壓放大器。 可以將電壓可以將電壓( (荷荷) )放大器放大器( (阻抗變換器阻抗變換器) )、直接裝、直接裝進傳感器內(nèi)部，使其進傳感器內(nèi)部，使其一體化一體化。由于該阻抗變換器充。由于該阻抗變換器充分靠近壓電元件，引線非常短，引線電容基本等于分

43、靠近壓電元件，引線非常短，引線電容基本等于零。避免了長電纜對傳感器輸出的影響。零。避免了長電纜對傳感器輸出的影響。前置放大器比較總結(jié)前置放大器比較總結(jié)四通道電荷放大器外形四通道電荷放大器外形 靈靈 敏敏 度：度：0.11000mV/pC 頻率范圍：頻率范圍：0.3100KHz 噪聲噪聲(最大增益最大增益)：折合至輸入端小于：折合至輸入端小于5V 準準 確確 度：度：1% 最大輸出：最大輸出：10V/10mA 電電 源：源：220V/50Hz 控制方式：控制方式： 計算機或手動計算機或手動焊接式焊接式 電荷放大器電荷放大器上圖所示的四通道電荷放大器指標上圖所示的四通道電荷放大器指標（參考東方振動和噪聲技術研究所資料）（參考東方振動和噪聲技術研究所資料）其他電荷放大器外形其他電荷放大器外形面板式電荷放大器面板式電荷放大器四、正確使用壓電傳感器四、正確使用壓電傳感器 （一）合理選擇壓電傳感器的類型（一）合理選擇壓電傳感器的類型 檢測橋墩水下及地表以下部位缺陷是通過放在橋墩上的傳感器受橋墩的振動，從而來檢測橋墩內(nèi)部有無缺陷。 適用于動態(tài)測量適用于動態(tài)測量（二）正確使用壓電式加速度傳感器（二）正確使用壓電式加速度傳感