傳感器與智能檢測(cè)技術(shù) 課件 項(xiàng)目3 光、磁與電學(xué)量傳感器

返回1.變換力參量的彈性敏感元件2.變換壓力參量的彈性敏感元件EXTENSION彈性敏感元件簡(jiǎn)介1變換力參量的彈性敏感元件

電阻應(yīng)變式測(cè)力裝置力的測(cè)量可以在被測(cè)對(duì)象上直接布片組橋，也可以在彈性元件上布片組橋，組成各種測(cè)力儀。

常用的彈性元件有柱式、梁式、環(huán)式、輪輻式等多種形式。電阻應(yīng)變式測(cè)力儀具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、精度高等優(yōu)點(diǎn)。

柱式彈性元件FF實(shí)心圓柱FF空心圓柱F—作用在彈性元件上的外力；E—

材料的彈性模量；A

—

圓柱的橫截面積；力的測(cè)量(12/23)

實(shí)心圓柱彈性元件靈敏度與橫截面積A

成反比，但A的減小受到允許應(yīng)力和線性要求的限制，同時(shí)，A的減小會(huì)對(duì)橫向力干擾敏感。

空心圓柱彈性元件空心圓柱（圓筒）式彈性元件多用于小集中力的測(cè)量。

一般將應(yīng)變片對(duì)稱地貼在應(yīng)力均勻的圓柱中部表面并通過(guò)電橋連接以盡可能消除偏心和彎矩的影響。R1R'1R'4R'3R'2R2R3R4PP(a)R2R'2R1R'1R'3R3R4R'4abcd(b)力的測(cè)量(13/23)

梁式彈性元件Fhbll0R1R3

等截面梁當(dāng)力作用在自由端時(shí)，剛性端截面中產(chǎn)生的應(yīng)力最大，而自由端產(chǎn)生的撓度最大。在距離受力點(diǎn)為l0的上、下表面，沿l向貼電阻應(yīng)變片R1和R3，R2和R4貼在反面對(duì)稱位置。該處的應(yīng)變?yōu)榱Φ臏y(cè)量(14/23)

等截面雙端固定梁這種梁的結(jié)構(gòu)在相同力F的作用下產(chǎn)生的撓度比懸臂梁的要小。FhblxR1R2b0

等強(qiáng)度梁梁的截面成等腰三角形，集中力F作用在三角形頂點(diǎn)，梁內(nèi)各橫截面產(chǎn)生的應(yīng)力是相等的，表面上任意位置的應(yīng)變也相等，因此稱為等強(qiáng)度梁。等強(qiáng)度梁的各點(diǎn)由于應(yīng)變相等，故粘貼應(yīng)變片的位置要求不嚴(yán)格。在粘貼應(yīng)變片處的應(yīng)變?yōu)榱Φ臏y(cè)量(15/23)

環(huán)式彈性元件BBFy

B=039.6°R3R4R2R1R1R2R3R4uyuo測(cè)Fy

圓環(huán)式在圓環(huán)上施加徑向力Fy時(shí)，圓環(huán)各處的應(yīng)變不同，在與作用力成39.6°處（圖中B點(diǎn)）應(yīng)變等于零，稱為應(yīng)變節(jié)點(diǎn)，而在水平中心線上應(yīng)變最大。將應(yīng)變片R1、R2、R3和R4貼在水平中心線上，R1、R3受拉應(yīng)力，R2、R4受壓應(yīng)力。力的測(cè)量(16/23)AFx

A=039.6°R7R8R6R5AR5R6R7R8uxuo測(cè)Fx如果圓環(huán)一側(cè)固定，另一側(cè)受切向力Fx時(shí)，與受力點(diǎn)成90°處（圖中A點(diǎn)）應(yīng)變等于零。將應(yīng)變片R5、R6、R7和R8

貼在與垂直中心線成39.6°處，R5、R7受拉應(yīng)力、R6、R8受壓應(yīng)力。當(dāng)圓環(huán)上同時(shí)作用力Fx和Fy時(shí)，將應(yīng)變片R1～R4、R5～R8分別組成電橋，就可以互不干擾地測(cè)力Fx和Fy。力的測(cè)量(17/23)

八角環(huán)式R1R2R3R4R5R6R8R7FyFxR1R2R3R4R5R6R8R7FyFxR10R9R11R12MzR9R10R11R12uxuo測(cè)Fz八角環(huán)厚度為h，平均半徑為r。當(dāng)h/r較小時(shí)，零應(yīng)變點(diǎn)在39.6o附近。隨h/r值的增大，當(dāng)h/r=0.4時(shí)，應(yīng)變節(jié)點(diǎn)在45o處，故一般測(cè)力Fx時(shí)，應(yīng)變片貼在45o處。當(dāng)測(cè)力Fz時(shí)

(或測(cè)力Fz形成的彎矩Mz)，在八角環(huán)水平中心線產(chǎn)生最大應(yīng)變，應(yīng)變片R9～R12貼在該處并成斜向

45o布片組成電橋。力的測(cè)量(18/23)

輪輻式彈性元件h輪轂輪輻輪緣blR1R2R'1R'2R3R4R'4R'3R3R'3R2R'2R'1R1R4R'4輻條的最大切應(yīng)力及彎曲應(yīng)力分別為令h/l=a，則為了使彈性元件具有足夠的輸出靈敏度而又不發(fā)生彎曲破壞，h/l比值一般在1.2～1.6之間選擇。力的測(cè)量(19/23)2壓力參量變換彈性元件

彈簧管又稱波登管，通常是一根彎曲成C形的空心扁管，其截面呈橢圓等非圓形。具有壓力p

的流體由彈簧管一端的接頭通入彈簧管內(nèi)腔，彈簧管的另一端（自由端）密封并與傳感器的其他部分相連。在壓力p

作用下，彈簧管的截面有變成圓形截面的趨勢(shì)，導(dǎo)致彈簧趨向伸直，產(chǎn)生位移，直至與壓力作用相平衡。在一定壓力范圍內(nèi)，彈簧管產(chǎn)生的位移量與壓力成正比。彈簧管具有較高測(cè)量精度，但尺寸和質(zhì)量較大，固有頻率較低，且有明顯滯后，故不宜做動(dòng)態(tài)壓力的測(cè)量。壓力的測(cè)量(2/10)

波紋管波紋管是一種帶同心環(huán)狀波形皺紋的薄壁圓管，一端開口，另一端封閉，將開口端固定，封閉端處于自由狀態(tài)。通入一定壓力的流體后，波紋管將伸長(zhǎng)，其伸長(zhǎng)量（自由端位移）與壓力成正比。

膜片膜片是用金屬或非金屬制成的圓形薄片。它包括平膜片、波紋膜片。兩個(gè)膜片邊緣對(duì)焊起來(lái)，構(gòu)成膜盒。幾個(gè)膜盒連接起來(lái)構(gòu)成膜盒組。平膜片比波紋膜片具有較高的抗振、抗沖擊能力，在壓力測(cè)量中使用最多。膜片膜盒的中心位移均與壓力p

近似成正比。壓力的測(cè)量(3/10)

薄壁圓筒

薄壁圓筒的壁厚一般小于圓筒直徑的1/20，圓筒的一端開口，一端不通。內(nèi)腔與被測(cè)壓力相通時(shí)，內(nèi)壁均勻受壓，均勻地向外擴(kuò)張。筒壁在軸向和圓周方向上的應(yīng)變均與壓力p成正比。壓力的測(cè)量(4/10)壓力測(cè)量彈性元件的結(jié)構(gòu)及其特性表

1~10010-2~10~1020~10-5撓性膜10~10010-2~10-10~1030~10-3波紋膜10~10410-5~10-20~1050~10平薄膜薄膜式自振頻率/Hz時(shí)間常數(shù)/s最大最小動(dòng)態(tài)性質(zhì)輸出特性壓力測(cè)量范圍示意圖名稱類別F(力)x(位移)pxFxpxF，xpx壓力的測(cè)量(5/10)彈簧管式10~100—0~1050~10-2多圈彈簧管10~1000—0~1060~10-1單圈彈簧管10~10010-2~10-10~1030~10-3波紋管波紋管式自振頻率/Hz時(shí)間常數(shù)/s最大最小動(dòng)態(tài)性質(zhì)輸出特性壓力測(cè)量范圍示意圖名稱類別xpxxpxxpx（續(xù)）壓力的測(cè)量(6/10)3力敏傳感器力敏傳感器指對(duì)力學(xué)量敏感的一類器件或裝置。按工作原理分：①應(yīng)變式力敏傳感器②壓阻式力敏傳感器③電感式力敏傳感器④電容式力敏傳感器⑤壓電式力敏傳感器⑥諧振式力敏傳感器3.2應(yīng)變式力敏傳感器3.3

壓阻式力敏傳感器原理：基于金屬或半導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)，將受力試件上的力/壓力變化轉(zhuǎn)變成阻值變化。（電阻式力敏傳感器）⑴金屬應(yīng)變式傳感器

⑵半導(dǎo)體壓阻式傳感器

金屬絲受拉時(shí)，l變長(zhǎng)、r變小，導(dǎo)致R變大。1、應(yīng)變效應(yīng)

當(dāng)金屬絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值將發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。設(shè)有一根長(zhǎng)度為l、截面積為A、電阻率為ρ的金屬絲，其電阻為R3.2.1電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理圖1導(dǎo)體受拉伸后的參數(shù)變化A=πr2dA/A=2πrdr/(πr2)=2dr/rdr/r為金屬絲半徑的相對(duì)變化，即徑向應(yīng)變?yōu)棣舝，εr=–με將微分dR、dρ改寫成增量ΔR、Δρ，則泊松比軸向應(yīng)變?chǔ)?2με物理意義：?jiǎn)挝粦?yīng)變引起的電阻相對(duì)變化。KS由兩部分組成：(1)前一部分是（1+2μ），由材料的幾何尺寸變化引起（即“應(yīng)變效應(yīng)”），一般金屬μ≈0.3，因此（1+2μ）≈1.6；(2)后一部分為，電阻率隨應(yīng)變而引起的（稱“壓阻效應(yīng)”）。應(yīng)變效應(yīng)：對(duì)金屬材料，以前者為主，則KS≈1+2μ；實(shí)驗(yàn)表明，在金屬絲拉伸比例極限內(nèi)，電阻相對(duì)變化與軸向應(yīng)變?chǔ)懦烧?。通常KS在1.6～4.8范圍內(nèi)。壓阻效應(yīng)：對(duì)半導(dǎo)體，KS值主要由電阻率相對(duì)變化所決定。3.2.2應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與分類應(yīng)變片可分為金屬應(yīng)變片及半導(dǎo)體應(yīng)變片兩大類。前者可分成金屬絲式、箔式、薄膜式三種。目前箔式應(yīng)變片應(yīng)用較多。1.金屬絲式應(yīng)變片使用最早，有紙基、膠基之分。由于金屬絲式應(yīng)變片蠕變較大，金屬絲易脫膠，有逐漸被箔式所取代的趨勢(shì)。但其價(jià)格便宜，多用于應(yīng)變、應(yīng)力的大批量、一次性試驗(yàn)。

2341電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)示意圖bl

應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與材料由敏感柵1、基底2、蓋片3、引線4和粘結(jié)劑等組成。這些部分所選用的材料將直接影響應(yīng)變片的性能。因此，應(yīng)根據(jù)使用條件和要求合理地加以選擇。

（1）敏感柵由金屬細(xì)絲繞成柵形。電阻應(yīng)變片的電阻值為60Ω、120Ω、200Ω等多種規(guī)格，以120Ω最為常用。應(yīng)變片柵長(zhǎng)大小關(guān)系到所測(cè)應(yīng)變的準(zhǔn)確度，應(yīng)變片測(cè)得的應(yīng)變大小是應(yīng)變片柵長(zhǎng)和柵寬所在面積內(nèi)的平均軸向應(yīng)變量。柵長(zhǎng)柵寬對(duì)敏感柵的材料的要求：①應(yīng)變靈敏系數(shù)大，并在所測(cè)應(yīng)變范圍內(nèi)保持為常數(shù)；②電阻率高而穩(wěn)定，以便于制造小柵長(zhǎng)的應(yīng)變片；③電阻溫度系數(shù)要小；④抗氧化能力高，耐腐蝕性能強(qiáng)；⑤在工作溫度范圍內(nèi)能保持足夠的抗拉強(qiáng)度；⑥加工性能良好,易于拉制成絲或軋壓成箔材；⑦易于焊接，對(duì)引線材料的熱電勢(shì)小。對(duì)應(yīng)變片要求必須根據(jù)實(shí)際使用情況，合理選擇。（2）基底和蓋片

基底用于保持敏感柵、引線的幾何形狀和相對(duì)位置，蓋片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?；椎娜L(zhǎng)稱為基底長(zhǎng)，其寬度稱為基底寬。（3）引線是從應(yīng)變片的敏感柵中引出的細(xì)金屬線。對(duì)引線材料的性能要求：電阻率低、電阻溫度系數(shù)小、抗氧化性能好、易于焊接。大多數(shù)敏感柵材料都可制作引線。（4）粘結(jié)劑用于將敏感柵固定于基底上，并將蓋片與基底粘貼在一起。使用金屬應(yīng)變片時(shí)，也需用粘結(jié)劑將應(yīng)變片基底粘貼在構(gòu)件表面某個(gè)方向和位置上。以便將構(gòu)件受力后的表面應(yīng)變傳遞給應(yīng)變計(jì)的基底和敏感柵。常用的粘結(jié)劑分為有機(jī)和無(wú)機(jī)兩大類。有機(jī)粘結(jié)劑用于低溫、常溫和中溫。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛樹脂、有機(jī)硅樹脂，聚酰亞胺等。無(wú)機(jī)粘結(jié)劑用于高溫，常用的有磷酸鹽、硅酸、硼酸鹽等。2.金屬箔式應(yīng)變片金屬箔式應(yīng)變片箔式應(yīng)變片的工作原理基本和電阻絲式應(yīng)變片相同。它的電阻敏感元件不是金屬絲柵，而是通過(guò)光刻、腐蝕等工序制成的薄金屬箔柵，故稱箔式電阻應(yīng)變片，如圖。金屬箔的厚度—般為(0.003～0.010)mm，它的基片和蓋片多為膠質(zhì)膜，基片厚度一般為(0.03～0.05)mm。特點(diǎn):①金屬箔柵很薄，因而它所感受的應(yīng)力狀態(tài)與試件表面的應(yīng)力狀態(tài)更為接近。其次，當(dāng)箔材和絲材具有同樣的截面積時(shí)，箔材與粘接層的接觸面積比絲材大，使它能更好地和試件共同工作。第三，箔柵的端部較寬，橫向效應(yīng)較小，因而提高了應(yīng)變測(cè)量的精度。②箔材表面積大，散熱條件好，故允許通過(guò)較大電流，因而可以輸出較大信號(hào)，提高了測(cè)量靈敏度。③箔柵的尺寸準(zhǔn)確、均勻，且能制成任意形狀，特別是為制造應(yīng)變花和小標(biāo)距應(yīng)變片提供了條件，從而擴(kuò)大了應(yīng)變片的使用范圍。④便于成批生產(chǎn)。⑤缺點(diǎn)：電阻值分散性大，有的相差幾十Ω，故需要作阻值調(diào)整；生產(chǎn)工序較為復(fù)雜，因引出線的焊點(diǎn)采用錫焊，因此不適于高溫環(huán)境下測(cè)量；此外價(jià)格較貴。金屬薄膜式應(yīng)變片3.金屬薄膜式應(yīng)變片特點(diǎn)：電阻值比箔式應(yīng)變片高，形狀和尺寸也比箔式應(yīng)變的更小更精確；它沒(méi)有箔式應(yīng)變片腐蝕所引入的瑕疵；制成的結(jié)構(gòu)散熱好，對(duì)有較寬的溫度范圍也可達(dá)到較完善的補(bǔ)償；特別是近年由于激光調(diào)組技術(shù)的發(fā)展，提高了電阻值的精度，可達(dá)到0.01%。尤其突出的是：陶瓷絕緣代替了膠接，既避免了復(fù)雜的分選和粘貼技術(shù)，而且對(duì)膠接法所引入的漂移、蠕變、疲勞等弱點(diǎn)都有很大的克服。工藝：采用真空蒸或真空沉積法等在薄的絕緣基片上形成0.1μm以下的金屬電阻材料薄膜敏感柵，最后加上保護(hù)層應(yīng)變片主要性能指標(biāo)舉例上表中，哪幾個(gè)型號(hào)是半導(dǎo)體應(yīng)變片？依據(jù)是什么？

1.橋式測(cè)量轉(zhuǎn)換電路

金屬應(yīng)變片的電阻變化范圍很小，如果直接用歐姆表測(cè)量其電阻值的變化將十分困難，且誤差很大。例如，有一金屬箔式應(yīng)變片，標(biāo)稱阻值R0為100

，靈敏度K=2，粘貼在橫截面積為9.8mm2的鋼質(zhì)圓柱體上，鋼的彈性模量E=2

1011N/m2，所受拉力F=0.2t，受拉后應(yīng)變片的阻值R的變化量?jī)H為0.2

，所以必須使用不平衡電橋來(lái)測(cè)量這一微小的變化量。下面分析該橋式測(cè)量轉(zhuǎn)換電路是如何將R/R轉(zhuǎn)換為輸出電壓Uo的。

3.2.3應(yīng)變片的組橋和布片

應(yīng)變片布片和組橋方法在應(yīng)變儀中，電橋?qū)⒈粶y(cè)應(yīng)變轉(zhuǎn)化為電壓輸出，再經(jīng)過(guò)放大、相敏檢波、A/D轉(zhuǎn)換等處理，最后顯示被測(cè)應(yīng)變數(shù)值。uiR2R3R1R4uo橋臂電阻R1、R2、R3、R4在力作用下所產(chǎn)生的阻值變化分別為

R1、

R2、

R3、

R4，若R1=R2=R3=R4

，且只考慮微應(yīng)變，則：如果各橋臂應(yīng)變片的靈敏度Sg相同，則有：力的測(cè)量(3/23)abdc表中符號(hào)說(shuō)明：Sg—應(yīng)變片的靈敏度；ui—供橋電壓；

—被測(cè)件的泊松比；

r—應(yīng)交儀讀數(shù)，即指示應(yīng)變；

—所要測(cè)量的機(jī)械應(yīng)變值。

拉伸（壓縮）應(yīng)變測(cè)量序號(hào)受力狀態(tài)簡(jiǎn)圖應(yīng)變片數(shù)量電橋組合形式溫度補(bǔ)償情況電橋輸出電壓測(cè)量項(xiàng)目及應(yīng)變值特點(diǎn)電橋形式電橋接法12半橋式R1與R2同溫拉(壓)應(yīng)變

＝

r

不能消除彎矩的影響22互為補(bǔ)償拉(壓)應(yīng)變

輸出電壓提高到(1+

)倍，不能消除彎矩的影響FFR1R2FFR1R2abcR1R2力的測(cè)量(4/23)表中符號(hào)說(shuō)明：Sg—應(yīng)變片的靈敏度；ui—供橋電壓；

—被測(cè)件的泊松比；

r—應(yīng)交儀讀數(shù)，即指示應(yīng)變；

—所要測(cè)量的機(jī)械應(yīng)變值。序號(hào)受力狀態(tài)簡(jiǎn)圖應(yīng)變片數(shù)量電橋組合形式溫度補(bǔ)償情況電橋輸出電壓測(cè)量項(xiàng)目及應(yīng)變值特點(diǎn)電橋形式電橋接法34全橋式R1R2

R'1

R'2四片同溫拉(壓)應(yīng)變

＝

r/2輸出電壓提高一倍，且可消除彎矩的影響FFR1R2R'1R'2abcR1R2R'1R'2abcdR1R2R'1R'2（續(xù)）力的測(cè)量(5/23)表中符號(hào)說(shuō)明：Sg—應(yīng)變片的靈敏度；ui—供橋電壓；

—被測(cè)件的泊松比；

r—應(yīng)交儀讀數(shù)，即指示應(yīng)變；

—所要測(cè)量的機(jī)械應(yīng)變值。序號(hào)受力狀態(tài)簡(jiǎn)圖應(yīng)變片數(shù)量電橋組合形式溫度補(bǔ)償情況電橋輸出電壓測(cè)量項(xiàng)目及應(yīng)變值特點(diǎn)電橋形式電橋接法44全橋式互為補(bǔ)償拉(壓)應(yīng)變

輸出電壓提高到2(1+

)倍，且可消除彎矩的影響abcR1R3R2R4abcdR1R3R2R4（續(xù)）FFR1R3R2(R4)R2R4FFR1(R3)力的測(cè)量(6/23)

彎曲應(yīng)變測(cè)量表中符號(hào)說(shuō)明：Sg—應(yīng)變片的靈敏度；ui—供橋電壓；

—被測(cè)件的泊松比；

r—應(yīng)交儀讀數(shù)，即指示應(yīng)變；

—所要測(cè)量的機(jī)械應(yīng)變值。序號(hào)受力狀態(tài)簡(jiǎn)圖應(yīng)變片數(shù)量電橋組合形式溫度補(bǔ)償情況電橋輸出電壓測(cè)量項(xiàng)目及應(yīng)變值特點(diǎn)電橋形式電橋接法12半橋式R1與R2同溫彎曲最大應(yīng)變

＝

r

不能消除拉伸的影響22互為補(bǔ)償彎曲最大應(yīng)變

輸出電壓提高到(1+

)倍，不能消除拉伸的影響abcR1R2MMR1R2R1R2MMR2R1力的測(cè)量(7/23)表中符號(hào)說(shuō)明：Sg—應(yīng)變片的靈敏度；ui—供橋電壓；

—被測(cè)件的泊松比；

r—應(yīng)交儀讀數(shù)，即指示應(yīng)變；

—所要測(cè)量的機(jī)械應(yīng)變值。序號(hào)受力狀態(tài)簡(jiǎn)圖應(yīng)變片數(shù)量電橋組合形式溫度補(bǔ)償情況電橋輸出電壓測(cè)量項(xiàng)目及應(yīng)變值特點(diǎn)電橋形式電橋接法32半橋式互為補(bǔ)償彎曲最大應(yīng)變

輸出電壓提高一倍，且可消除拉伸的影響44全橋式彎曲最大應(yīng)變

輸出電壓提高到2(1+

)倍，且可消除拉伸的影響abcR1R2abcdR1R4R3R2（續(xù)）MMR1R1R2(R2)R1R3R2(R4)R2R4R1(R3)MM力的測(cè)量(8/23)

扭轉(zhuǎn)應(yīng)變測(cè)量MMR1R245°45°(a)45°45°

1

3(b)abR1R2RRcd(c)力的測(cè)量(9/23)變形形式需測(cè)應(yīng)變應(yīng)變片粘貼位置電橋連接方法測(cè)量應(yīng)變

與儀器讀數(shù)應(yīng)變

r間的關(guān)系備注拉︵壓︶扭組合扭轉(zhuǎn)主應(yīng)變R1和R2均為工作片拉︵壓︶R1、R2、R3、R4均為工作片

其他復(fù)雜受力狀況下應(yīng)變測(cè)量TTFFR1R2TTFFR1R2R3R4abcR1R2abcR2R1R3R4abcR1R3R4R2d力的測(cè)量(10/23)變形形式需測(cè)應(yīng)變應(yīng)變片粘貼位置電橋連接方法測(cè)量應(yīng)變

與儀器讀數(shù)應(yīng)變

r間的關(guān)系備注扭彎組合扭轉(zhuǎn)主應(yīng)變R1、R2、R3、R4均為工作片彎曲R1、R2均為工作片abcR1R2abcR1R2R3R4d（續(xù)）TTMMR1R2R3R4TTMMR2R1力的測(cè)量(11/23)（1）靈敏度系數(shù)實(shí)驗(yàn)表明，金屬應(yīng)變片的電阻相對(duì)變化與應(yīng)變?chǔ)旁诤軐挼姆秶鷥?nèi)均為線性關(guān)系。即

K為金屬應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。測(cè)量結(jié)果表明，應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K恒小于線材的靈敏系數(shù)KS。原因：膠層傳遞變形失真，橫向效應(yīng)也是一個(gè)不可忽視的因素。3.2.4電阻應(yīng)變片的主要特性參數(shù)敏感柵的柵長(zhǎng)一般為0.2～100毫米；電阻為60～1000歐（最常用的為120歐和350歐）；測(cè)量范圍為幾微應(yīng)變至數(shù)萬(wàn)微應(yīng)變（）。絲繞式應(yīng)變片敏感柵半圓弧形部分bOlεrrdldθθε0ε（2）橫向效應(yīng)金屬應(yīng)變片由于敏感柵的兩端為半圓弧形的橫柵，測(cè)量應(yīng)變時(shí)，構(gòu)件的軸向應(yīng)變?chǔ)攀姑舾袞烹娮璋l(fā)生變化，其橫向應(yīng)變?chǔ)舝也將使敏感柵半圓弧部分的電阻發(fā)生變化(除了ε起作用外)，應(yīng)變片的這種既受軸向應(yīng)變影響，又受橫向應(yīng)變影響而引起電阻變化的現(xiàn)象稱為橫向效應(yīng)。圖為應(yīng)變片敏感柵半圓弧部分的形狀。沿軸向應(yīng)變?yōu)棣?，沿橫向應(yīng)變?yōu)棣舝

。敏感柵柵絲的總長(zhǎng)為L(zhǎng)，敏感柵的靈敏系數(shù)為KS，則電阻相對(duì)變化為令

則

可見，敏感柵電阻的相對(duì)變化分別是ε和εr作用的結(jié)果。橫向靈敏系數(shù)與軸向靈敏系數(shù)之比值，稱為橫向效應(yīng)系數(shù)H。由上式可見，r愈小，l(L)愈大，則H愈小。即敏感柵越窄、基長(zhǎng)越長(zhǎng)的應(yīng)變片，其橫向效應(yīng)引起的誤差越小。（3）機(jī)械滯后

應(yīng)變片粘貼在被測(cè)試件上，當(dāng)溫度恒定時(shí)，其加載特性與卸載特性不重合，即為機(jī)械滯后。產(chǎn)生原因：應(yīng)變片在承受機(jī)械應(yīng)變后，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生殘余變形，使敏感柵電阻發(fā)生少量不可逆變化；在制造或粘貼應(yīng)變片時(shí)，如果敏感柵受到不適當(dāng)?shù)淖冃位蛘哒辰Y(jié)劑固化不充分。ΔεΔε1機(jī)械應(yīng)變?chǔ)判遁d加載指示應(yīng)變?chǔ)舏應(yīng)變片的機(jī)械滯后機(jī)械滯后值還與應(yīng)變片所承受的應(yīng)變量有關(guān)，加載時(shí)的機(jī)械應(yīng)變愈大，卸載時(shí)的滯后也愈大。所以，通常在實(shí)驗(yàn)之前應(yīng)將試件預(yù)先加、卸載若干次，以減少因機(jī)械滯后所產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)誤差。

（4）零點(diǎn)漂移和蠕變

零點(diǎn)漂移：對(duì)于粘貼好的應(yīng)變片，當(dāng)溫度恒定時(shí)，不承受應(yīng)變時(shí)，其電阻值隨時(shí)間增加而變化的特性，稱為應(yīng)變片的零點(diǎn)漂移。產(chǎn)生原因：敏感柵通電后的溫度效應(yīng)；應(yīng)變片的內(nèi)應(yīng)力逐漸變化；粘結(jié)劑固化不充分等。

蠕變：如果在一定溫度下，使應(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為蠕變。一般蠕變的方向與原應(yīng)變量的方向相反。產(chǎn)生原因：由于膠層之間發(fā)生“滑動(dòng)”，使力傳到敏感柵的應(yīng)變量逐漸減少。這是兩項(xiàng)衡量應(yīng)變片特性對(duì)時(shí)間穩(wěn)定性的指標(biāo)，在長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量中其意義更為突出。實(shí)際上，蠕變中包含零漂，它是一個(gè)特例。（5）應(yīng)變極限在一定溫度下，應(yīng)變片的指示應(yīng)變對(duì)測(cè)試值的真實(shí)應(yīng)變的相對(duì)誤差不超過(guò)規(guī)定范圍（一般為10%）時(shí)的最大真實(shí)應(yīng)變值。在圖中，真實(shí)應(yīng)變是由于工作溫度變化或承受機(jī)械載荷，在被測(cè)試件內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力(包括機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力)時(shí)所引起的表面應(yīng)變。εlim真實(shí)應(yīng)變?chǔ)舲指示應(yīng)變?chǔ)舏應(yīng)變片的應(yīng)變極限±10%主要因素：粘結(jié)劑和基底材料傳遞變形的性能及應(yīng)變片的安裝質(zhì)量。制造與安裝應(yīng)變片時(shí)，應(yīng)選用抗剪強(qiáng)度較高的粘結(jié)劑和基底材料?；缀驼辰Y(jié)劑的厚度不宜過(guò)大，并應(yīng)經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)墓袒幚?，才能獲得較高的應(yīng)變極限。（1）溫度漂移用作測(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。實(shí)際上應(yīng)變片的阻值受環(huán)境溫度(包括被測(cè)試件的溫度)影響很大。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，又稱熱輸出。因環(huán)境溫度改變而引起電阻變化的兩個(gè)主要因素：3.2.5

溫度漂移及其補(bǔ)償應(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。設(shè)環(huán)境引起的構(gòu)件溫度變化為Δt（℃）時(shí)，粘貼在試件表面的應(yīng)變片敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)為αt

，則應(yīng)變片產(chǎn)生的電阻相對(duì)變化為

由于敏感柵材料和被測(cè)構(gòu)件材料兩者線膨脹系數(shù)不同，當(dāng)Δt存在時(shí)，引起應(yīng)變片的附加應(yīng)變，其值為

βe—試件材料線膨脹系數(shù)；βg—敏感柵材料線膨脹系數(shù)相應(yīng)的電阻相對(duì)變化為K——應(yīng)變片靈敏系數(shù)。溫度變化形成的總電阻相對(duì)變化：

相應(yīng)的虛假應(yīng)變?yōu)樯鲜綖閼?yīng)變片粘貼在試件表面上，當(dāng)試件不受外力作用，在溫度變化Δt時(shí)，應(yīng)變片的溫度效應(yīng)。用應(yīng)變形式表現(xiàn)出來(lái)，稱之為熱輸出?？梢?，應(yīng)變片熱輸出的大小不僅與應(yīng)變計(jì)敏感柵材料的性能(αt和βg)有關(guān)，而且與被測(cè)試件材料的線膨脹系數(shù)(βe)有關(guān)。（2）溫度補(bǔ)償（自補(bǔ)償法和線路補(bǔ)償法）①

單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片由前式知，若使應(yīng)變片在溫度變化Δt時(shí)的熱輸出值為零，必須使即每一種材料的被測(cè)試件，其線膨脹系數(shù)都為確定值，可以在有關(guān)的材料手冊(cè)中查到。在選擇應(yīng)變片時(shí)，若應(yīng)變片的敏感柵是用單一的合金絲制成，并使其電阻溫度系數(shù)和線膨脹系數(shù)滿足上式的條件，即可實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償。具有這種敏感柵的應(yīng)變片稱為單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片。

單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造和使用都比較方便，但它必須在具有一定線膨脹系數(shù)材料的試件上使用，否則不能達(dá)到溫度自補(bǔ)償?shù)哪康?。②雙絲組合式自補(bǔ)償應(yīng)變片是由兩種不同電阻溫度系數(shù)（一種為正值，一種為負(fù)值）的材料串聯(lián)組成敏感柵，以達(dá)到一定的溫度范圍內(nèi)在一定材料的試件上實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)?，如圖。這種應(yīng)變片的自補(bǔ)償條件要求粘貼在某種試件上的兩段敏感柵，隨溫度變化而產(chǎn)生的電阻增量大小相等，符號(hào)相反，即焊點(diǎn)RaRb補(bǔ)償效果可達(dá)±0.45με／℃。③

電路補(bǔ)償法如圖，電橋輸出電壓與橋臂參數(shù)的關(guān)系為

式中A——由橋臂電阻和電源電壓決定的常數(shù)。USCR2R4R1R3E橋路補(bǔ)償法由上式可知，當(dāng)R3、R4為常數(shù)時(shí)，Rl和R2對(duì)輸出電壓的作用方向相反。利用這個(gè)基本特性可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的補(bǔ)償，并且補(bǔ)償效果較好，這是最常用的補(bǔ)償方法之一。測(cè)量應(yīng)變時(shí)，使用兩個(gè)應(yīng)變片，一片貼在被測(cè)試件的表面，圖中R1稱為工作應(yīng)變片。另一片貼在與被測(cè)試件材料相同的補(bǔ)償塊上，圖中R2，稱為補(bǔ)償應(yīng)變片。在工作過(guò)程中補(bǔ)償塊不承受應(yīng)變，僅隨溫度發(fā)生變形。由于R1與R2接入電橋相鄰臂上，造成ΔR1t與ΔR2t相同，根據(jù)電橋理論可知，其輸出電壓USC與溫度無(wú)關(guān)。當(dāng)工作應(yīng)變片感受應(yīng)變時(shí)，電橋?qū)a(chǎn)生相應(yīng)輸出電壓。補(bǔ)償應(yīng)變片粘貼示意圖R1R2若此時(shí)有應(yīng)變作用，只會(huì)引起電阻R1發(fā)生變化，R2不承受應(yīng)變。故由前式可得輸出電壓為由上式可知，電橋輸出電壓只與應(yīng)變?chǔ)庞嘘P(guān)，與溫度無(wú)關(guān)。為達(dá)到完全補(bǔ)償，需滿足下列三個(gè)條件：①R1和R2須屬于同一批號(hào)的，即它們的電阻溫度系數(shù)α、線膨脹系數(shù)β、應(yīng)變靈敏系數(shù)K都相同，兩片的初始電阻值也要求相同；②用于粘貼補(bǔ)償片的構(gòu)件和粘貼工作片的試件二者材料必須相同，即要求兩者線膨脹系數(shù)相等；③兩應(yīng)變片處于同一溫度環(huán)境中。

此方法簡(jiǎn)單易行，能在較大溫度范圍內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)償。缺點(diǎn)是三個(gè)條件不易滿足，尤其是條件③。在某些測(cè)試條件下，溫度場(chǎng)梯度較大，R1和R2很難處于相同溫度點(diǎn)。根據(jù)被測(cè)試件承受應(yīng)變的情況，可以不另加專門的補(bǔ)償塊，而是將補(bǔ)償片貼在被測(cè)試件上，這樣既能起到溫度補(bǔ)償作用，又能提高輸出的靈敏度，如圖所示的貼法。R1R2FFR1R2（b）（a）F圖(a)為一個(gè)梁受彎曲應(yīng)變時(shí)，應(yīng)變片R1和R2的變形方向相反，上面受拉，下面受壓，應(yīng)變絕對(duì)值相等，符號(hào)相反，將它們接入電橋的相鄰臂后，可使輸出電壓增加一倍。當(dāng)溫度變化時(shí)，應(yīng)變片R1和R2的阻值變化的符號(hào)相同，大小相等，電橋不產(chǎn)生輸出，達(dá)到了補(bǔ)償?shù)哪康摹?b)圖是受單向應(yīng)力的構(gòu)件，將工作應(yīng)變片R2的軸線順著應(yīng)變方向，補(bǔ)償應(yīng)變片R1的軸線和應(yīng)變方向垂直，R1和R2接入電橋相鄰臂，其輸出為構(gòu)件受彎曲應(yīng)力構(gòu)件受單向應(yīng)力另外也可以采用熱敏電阻進(jìn)行補(bǔ)償。如圖所示，熱敏電阻Rt與應(yīng)變片處在相同的溫度下，當(dāng)應(yīng)變片的靈敏度隨溫度升高而下降時(shí)，熱敏電阻Rt的阻值下降，使電橋的輸入電壓隨溫度升高而增加，從而提高電橋輸出電壓。選擇分流電阻R5的值，可以使應(yīng)變片靈敏度下降對(duì)電橋輸出的影響得到很好的補(bǔ)償。USCR2R4R1R3ERtR54.線路補(bǔ)償3.2.6應(yīng)變片的選擇與粘貼

仔細(xì)觀察電阻應(yīng)變片的樣品，區(qū)別紙基、膠基等應(yīng)變片及其結(jié)構(gòu)，特別注意應(yīng)變片在粘貼時(shí)的正反面區(qū)別。（一）應(yīng)變片的選擇與準(zhǔn)備(1)根據(jù)試件大小、工作溫度和受力情況，選取合適的應(yīng)變片；(2)用5～10倍的放大鏡和萬(wàn)用表等選擇沒(méi)有短路、斷路、汽泡等缺陷，并且要求表面平整、絲柵排列均勻的應(yīng)變片；(3)量出所選取應(yīng)變片的阻值，使阻值相近的應(yīng)變片放在一起，應(yīng)保證同組各應(yīng)變片的阻值差不超過(guò)0.5Ω（0.1Ω），這樣在測(cè)量時(shí)容易調(diào)整平衡（1）預(yù)清洗:根據(jù)試件的表面狀況進(jìn)行預(yù)清洗，一般采用有機(jī)溶劑脫脂除漬；（2）除銹、粗化:采用手持砂輪工具除去構(gòu)件表面的油污、漆、銹斑等，并用細(xì)紗布交叉打磨出細(xì)紋以增加粘貼力，用浸有酒精或丙酮的紗布片或脫脂棉球擦洗。一般多采用砂布打磨法，除掉試件表面的銹漬使其露出新鮮的金屬表層，以便使膠液充分浸潤(rùn)以提高粘貼強(qiáng)度，打磨面要大于應(yīng)變片的面積（圖2—1）；（二）試件的表面處理與劃線圖2-1試件的打磨與定位圖2-2粘貼應(yīng)變片后的試件（3）劃定位基準(zhǔn)線根據(jù)應(yīng)變片尺寸，利用鋼板尺、高度尺、劃線針或硬質(zhì)鉛筆劃出確定應(yīng)變片粘貼位置的定位基準(zhǔn)線。劃線時(shí)，不要?jiǎng)澋綉?yīng)變片覆蓋范圍內(nèi)；（4）清洗一般采用純度較高的無(wú)水乙醇、丙酮等，用尖鑷子夾持脫脂棉球蘸少量的丙酮粗略地洗去打磨粉粒，然后用無(wú)污染的脫脂棉球蘸丙酮仔細(xì)地從里向外擦拭粘貼表面，擦一次轉(zhuǎn)換一個(gè)側(cè)面再擦，棉球四面都用過(guò)，更換新棉球用同樣的方法擦洗，直到?jīng)]有污物和油漬為止。應(yīng)變片背面也要輕輕擦拭干凈，干燥后待用。（三）粘貼在無(wú)灰塵的條件下，用清洗過(guò)的小螺絲刀蘸取少量KH—501（或502）膠液，在清洗好的試件粘貼表面和應(yīng)變片背面單方向涂上薄而均勻的一層膠液(單方向涂抹，以防產(chǎn)生汽泡)，放置少許時(shí)間，將應(yīng)變片涂膠一面與試件表面貼合，并注意應(yīng)變片的定位標(biāo)應(yīng)與試件上的定位基準(zhǔn)線對(duì)齊。在貼好的應(yīng)變片上覆蓋一層聚四氟乙烯薄膜用手指單方向輕輕按壓，將余膠和氣泡擠出壓平。手指按壓時(shí)不要相對(duì)試件錯(cuò)動(dòng)，按壓3～5分鐘后，放在室溫下固化待用。（四）接橋１.將干燥固化后的應(yīng)變片用數(shù)字萬(wàn)用表檢查有無(wú)短路、斷路現(xiàn)象，并測(cè)出應(yīng)變片與試件之間的絕緣電阻；２.檢查無(wú)誤后，按圖2—3焊接成半橋或全橋；３．用萬(wàn)用表檢查絕緣及通路；４．用惠斯頓電橋或數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量?jī)杀郏ò霕颍篈B、BC）或兩對(duì)角（全橋：AC、BD），檢查其阻值是否大致相等，最好不超過(guò)0.5Ω，否則應(yīng)變儀不易調(diào)平衡。圖2—3（a）串聯(lián)半橋(b)半橋(C)全橋(五)密封、防潮密封、防潮措施是為了保護(hù)粘貼后的應(yīng)變片避免受到機(jī)械損壞，在使用過(guò)程中不受環(huán)境溫度變化的影響，保持良好的絕緣性能。3.2.7電阻式力敏傳感器應(yīng)用

第一類是將應(yīng)變片粘貼于某些彈性體上，并將其接到測(cè)量轉(zhuǎn)換電路，這樣就構(gòu)成測(cè)量各種物理量的專用應(yīng)變式傳感器。應(yīng)變式傳感器中，敏感元件一般為各種彈性體（參見3.1x-2），傳感元件就是應(yīng)變片，測(cè)量轉(zhuǎn)換電路一般為橋路；

第二類是將應(yīng)變片貼于被測(cè)試件上，然后將其接到應(yīng)變儀上就可直接從應(yīng)變儀上讀取被測(cè)試件的應(yīng)變量。

應(yīng)變/壓阻效應(yīng)的應(yīng)用十分廣泛。它可以測(cè)量應(yīng)變、應(yīng)力、彎矩、扭矩、加速度、位移等物理量。電阻應(yīng)變/壓阻片的應(yīng)用可分為兩大類：(一)應(yīng)變式傳感器

應(yīng)變式力傳感器

FFFF各種彈性元件

各種懸臂梁

FF固定點(diǎn)固定點(diǎn)電纜應(yīng)變式荷重傳感器的外形及應(yīng)變片的粘貼位置FR1R2

R4應(yīng)變式荷重傳感器外形及受力位置（續(xù)）FF應(yīng)變式荷重傳感器外形及受力位置（續(xù)）FF荷重傳感器原理演示荷重傳感器上的應(yīng)變片在重力作用下產(chǎn)生變形。軸向變短，徑向變長(zhǎng)。

汽車衡汽車衡稱重系統(tǒng)荷重傳感器應(yīng)用估算

在上面介紹過(guò)的汽車衡示意圖中，共使用了4個(gè)荷重傳感器，量程Fm=20t，靈敏度KF=2.5mV/V，使用4個(gè)獨(dú)立的橋路電源，每一個(gè)電源電壓均相等，Ui=12V，四個(gè)荷重傳感器的輸出串聯(lián)，總的輸出電壓Uo=24mV，請(qǐng)估算汽車的質(zhì)量。

汽車在鋼板上有少許的前、后、左、右偏位，是否會(huì)影響測(cè)量結(jié)果？為什么？電子秤

磅秤超市打印秤遠(yuǎn)距離顯示電子天平電子天平的精度可達(dá)十萬(wàn)分之一人體秤

吊鉤秤

便攜式應(yīng)變式數(shù)顯扭矩扳手應(yīng)變式扭矩傳感器1.集流環(huán)2.應(yīng)變片3.旋轉(zhuǎn)軸4.電刷應(yīng)變式加速度傳感器

3.2.16應(yīng)變式加速度傳感器1.殼體2.質(zhì)量塊3.懸臂梁4.應(yīng)變片5.阻尼油應(yīng)變式壓力傳感器電阻應(yīng)變儀技術(shù)指標(biāo)測(cè)量范圍：±19999με；分辨力：1με；電橋電壓：直流2.5V；

應(yīng)變片：120Ω或其他阻值；測(cè)量點(diǎn)數(shù)：8/16點(diǎn)；電阻應(yīng)變儀（續(xù)）

技術(shù)指標(biāo)量程：1±10000με頻率范圍：0-150kHz平衡方式：手動(dòng)準(zhǔn)確度（精度）：0.3%零點(diǎn)飄移：

-/℃：±0.1με

-/24小時(shí)：±0.5με靈敏度變化：

-/℃：±0.05%

-/24小時(shí)：±0.3%信噪比：52dB（參考東方振動(dòng)和噪聲技術(shù)研究所資料）電阻應(yīng)變儀（續(xù)）接線端子與計(jì)算機(jī)接口的多路電阻應(yīng)變測(cè)量模塊

材料應(yīng)變的測(cè)量斜拉橋上的斜拉繩應(yīng)變測(cè)試重慶東水門大橋骨骼應(yīng)變測(cè)量鏡片應(yīng)變測(cè)量壓阻式固態(tài)壓力傳感器

利用擴(kuò)散工藝制作的四個(gè)半導(dǎo)體應(yīng)變電阻處于同一硅片上，工藝一致性好，靈敏度相等，漂移抵消，遲滯、蠕變非常小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。

（二）壓阻式傳感器壓阻式固態(tài)壓力傳感器的隔離、承壓膜片隔離、承壓膜片可以將腐蝕性的氣體、液體與硅膜片隔離開來(lái)。小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器高壓進(jìn)氣口低壓進(jìn)氣口絕對(duì)壓力傳感器小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器（續(xù)）呼吸、透析和注射泵設(shè)備中用的壓力傳感器p1進(jìn)氣管p2進(jìn)氣管固態(tài)壓力傳感器小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器（續(xù)）表壓壓力傳感器p1進(jìn)氣管投入式液位計(jì)

壓阻式固態(tài)壓力傳感器用于投入式液位計(jì)：p1的進(jìn)氣孔用柔性不銹鋼隔離膜片隔離，并用硅油傳導(dǎo)壓力而與液體相通。

投入式液位計(jì)外形（續(xù)）壓阻式固態(tài)壓力傳感器

光柱顯示器

橡膠背壓管

投入式液位傳感器

投入式液位傳感器安裝方便，適應(yīng)于深度為幾米至幾十米，且混有大量污物、雜質(zhì)的水或其他液體的液位測(cè)量。

投入式液位計(jì)液位的計(jì)算：

安裝高度h0處水的表壓 : p1-p2=

gh1

h=h0+h1=h0+p1/（

g）應(yīng)變/壓阻式加速度傳感器應(yīng)變式加速度傳感器1.殼體2.質(zhì)量塊3.懸臂梁4.應(yīng)變片5.阻尼油壓阻式加速度傳感器1.基座2.擴(kuò)散電阻3.質(zhì)量塊4.硅梁3力敏傳感器力敏傳感器指對(duì)力學(xué)量敏感的一類器件或裝置。按工作原理分：①應(yīng)變式力敏傳感器②壓阻式力敏傳感器③壓電式力敏傳感器④電感式力敏傳感器⑤電容式力敏傳感器⑥諧振式力敏傳感器2023/9/2397

某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對(duì)表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會(huì)恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。

若在電介質(zhì)的極化方向上施加交變電壓，它就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形。當(dāng)去掉外加電場(chǎng)時(shí)，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）。

依據(jù)電介質(zhì)壓電效應(yīng)研制的一類傳感器稱為壓電傳感器。3.4壓電式傳感器3.4.1壓電傳感器的工作原理壓電效應(yīng)2023/9/23983.4.2壓電材料

無(wú)機(jī)壓電材料有機(jī)壓電材料

換能器壓電材料1.壓電晶體石英晶體是單晶結(jié)構(gòu)，為六角形晶柱，兩端呈六棱錐形狀，石英晶體為六棱形。它有三個(gè)互相垂直的軸。其中x軸稱為電氣軸，y軸稱為機(jī)械軸，z軸稱為光學(xué)軸。石英晶體外形石英晶體薄片常用的壓電單晶有石英（SiO2）、鈮酸鋰（LiNbO3）、α碘酸鋰（α-LiIO3）、硫酸鋰（Li2SO4）等雙面鍍銀并封裝電氣軸機(jī)械軸光軸?“縱向壓電效應(yīng)”

沿電軸x方向施加作用力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為縱向壓電效應(yīng)?“橫向壓電效應(yīng)”

沿機(jī)械軸y方向施加作用力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為橫向壓電效應(yīng)；?沿光軸Z方向施加作用力則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。

圖3.4.2石英晶體?石英晶體的壓電效應(yīng)具有各向異性——

電荷的符號(hào)由受拉力還是受壓力作用所決定。電荷量的大?。?/p>

Qx與晶片幾何尺寸無(wú)關(guān)，而Qy則與晶片幾何尺寸有關(guān)。2023/9/23101石英晶體振蕩器（晶振）晶振石英等壓電單晶壓電系數(shù)小，介電常數(shù)很低，受切型限制存在尺寸局限，但機(jī)械強(qiáng)度和品質(zhì)因素高，穩(wěn)定性好，機(jī)械品質(zhì)因子高，多用來(lái)作標(biāo)準(zhǔn)頻率控制的振子、高選擇性（多屬高頻狹帶通）的濾波器以及高頻、高溫超聲換能器等。2023/9/23102（2）壓電陶瓷

壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它比石英晶體的壓電靈敏度高得多，工藝性好，而制造成本卻較低，因此目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的壓電元件絕大多數(shù)都采用壓電陶瓷。

常用的壓電陶瓷材料有：鈦酸鋇BT(BaTiO3)、鋯鈦酸鉛PZT、改性鋯鈦酸鉛、偏鈮酸鉛、鈮酸鉛鋇鋰PBLN、改性鈦酸鉛PT等。鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（PZT）及非鉛系壓電陶瓷（如BaTiO3等）。

不足：機(jī)械品質(zhì)因子較低、電損耗較大、穩(wěn)定性差，因而適合于大功率換能器和寬帶濾波器等應(yīng)用，但對(duì)高頻、高穩(wěn)定應(yīng)用不理想。自發(fā)極化電疇極化強(qiáng)度為零，無(wú)壓電效應(yīng)施加高壓電場(chǎng)極化，電疇轉(zhuǎn)向，有一定的極化強(qiáng)度電場(chǎng)撤銷后，有剩余極化強(qiáng)度陶瓷片兩端出現(xiàn)束縛電荷電場(chǎng)強(qiáng)度：1-4kV/mm?壓電陶瓷極化過(guò)程直流電場(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

＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋

極化方向正壓電效應(yīng)示意圖（實(shí)線代表形變前的情況，虛線代表形變后的情況）F－＋

正壓電效應(yīng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能2023/9/23105壓電陶瓷外形

2023/9/23106無(wú)鉛壓電陶瓷及其換能器外形

（上海硅酸鹽研究所研制）

2023/9/23107（3）有機(jī)聚合物

又稱壓電聚合物，典型的高分子壓電材料有聚偏氟乙烯（PVDF）、偏聚二氟乙烯（PVF2）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。這類材料具其材質(zhì)柔韌，低密度，低阻抗和高壓電電壓常數(shù)(g)等優(yōu)點(diǎn)。高分子壓電薄膜及拉制2023/9/23108高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜

2023/9/23109又稱復(fù)合型高分子壓電材料，這類材料是在有機(jī)聚合物基底材料中嵌入片狀、棒狀、桿狀或粉末狀壓電材料構(gòu)成的。兼有無(wú)機(jī)壓電材料優(yōu)良?jí)弘娦院透叻肿訅弘姴牧系膬?yōu)良加工性能，而且不需要進(jìn)行拉伸等處理，即可獲得壓電性。而這種壓電性在薄膜內(nèi)無(wú)各向異性，故在任何方向上都顯示出相同的壓電性。至今已在水聲、電聲、超聲、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。如果它制成水聲換能器，不僅具有高的靜水壓響應(yīng)速率，而且耐沖擊，不易受損且可用與不同的深度。

(4)壓電復(fù)合材料F+

最簡(jiǎn)單的壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理如圖所示。在壓電晶片的兩個(gè)工作面上進(jìn)行金屬蒸鍍，形成金屬膜，構(gòu)成兩個(gè)電極。當(dāng)壓電晶片受到壓力F的作用時(shí)，分別在兩個(gè)極板上積聚數(shù)量相等而極性相反的電荷，形成電場(chǎng)。

因此，壓電傳感器可以看作是一個(gè)電荷發(fā)生器，也可以看成是一個(gè)電容器。1.結(jié)構(gòu)形式3.4.3壓電元件的常用結(jié)構(gòu)形式及轉(zhuǎn)換電路

壓電元件的等效電路＋＋＋＋――――qq電極壓電晶體Ca(b)(a)2.壓電傳感器的等效電路當(dāng)壓電傳感器的壓電元件受到外力作用時(shí)，就會(huì)在受力縱向或橫向表面上出現(xiàn)電荷。在一個(gè)極板上聚集正電荷，而在另一個(gè)極板上聚集負(fù)電荷。因此壓電傳感器可以看成是一個(gè)電荷發(fā)生器。同時(shí)，它也是一個(gè)電容器，其電容值為：＋＋＋＋――――qq電極壓電晶體Ca(b)(a)

壓電傳感器的等效電路

壓電元件可以等效成一個(gè)與電容相并聯(lián)的電荷源——電荷等效電路；也可以等效為一個(gè)電壓源與電容串聯(lián)——電壓等效電路（1）

壓電元件等效電路qq＝UaCaCaCaUaUa＝q/Ca（a）電荷等效電路（b）電壓等效電路

傳感器內(nèi)部信號(hào)電荷無(wú)“漏損”，外電路負(fù)載無(wú)窮大時(shí)，壓電傳感器受力后產(chǎn)生的電壓或電荷才能長(zhǎng)期保存，否則電路將以某時(shí)間常數(shù)按指數(shù)規(guī)律放電。這對(duì)于靜態(tài)標(biāo)定以及低頻準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)量極為不利，必然帶來(lái)誤差。事實(shí)上，傳感器內(nèi)部不可能沒(méi)有泄漏，外電路負(fù)載也不可能無(wú)窮大，只有外力以較高頻率不斷地作用，傳感器的電荷才能得以補(bǔ)充，因此，壓電晶體不適合于靜態(tài)測(cè)量。2023/9/23113石英晶體的壓電效應(yīng)演示

當(dāng)力的方向改變時(shí)，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動(dòng)態(tài)力的頻率相同；當(dāng)動(dòng)態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時(shí)，電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失。

壓電傳感器與測(cè)量?jī)x表聯(lián)接時(shí)，還必須考慮電纜電容CC，放大器的輸入電阻Ri和輸入電容Ci以及傳感器的泄漏電阻RaCaRaCcRiCiqRaCcRiCiCaUa壓電傳感器的完整等效電路Ca傳感器的固有電容Ci

前置放大器輸入電容

Cc

連線電容Ra傳感器的漏電阻Ri前置放大器輸入電阻

壓電傳感器的絕緣電阻Ra與前置放大器的輸入電阻Ri相并聯(lián)。為保證傳感器和測(cè)試系統(tǒng)有一定的低頻或準(zhǔn)靜態(tài)響應(yīng)，要求壓電傳感器絕緣電阻應(yīng)保待在1013Ω以上，才能使內(nèi)部電荷泄漏減少到滿足一般測(cè)試精度的要求。與上相適應(yīng)，測(cè)試系統(tǒng)則應(yīng)有較大的時(shí)間常數(shù)，亦即前置放大器要有相當(dāng)高的輸入阻抗，否則傳感器的信號(hào)電荷將通過(guò)輸入電路泄漏，即產(chǎn)生測(cè)量誤差。

（2）測(cè)量等效電路

壓電式傳感器輸出電信號(hào)很微弱，通常應(yīng)把傳感器信號(hào)先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經(jīng)過(guò)阻抗變換后，方可輸入到后續(xù)顯示儀表中。

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。前置放大器的作用：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)。電壓放大器－A－ACaCaRaRiCiCcCRUiUSCUSCUa(a)(b)UaC=Cc+Ci壓電元件所受作用力：壓電元件產(chǎn)生的電壓值為：放大器輸入端的電壓Ui：電荷放大器

其低頻響應(yīng)優(yōu)于電壓放大器，由于電荷放大器電路的電纜長(zhǎng)度變化的影響不大，幾乎可以忽略不計(jì)，故而電荷放大器應(yīng)用日益廣泛；但電路較復(fù)雜，調(diào)整困難，價(jià)格較高。

－A0CaU∑USCiRaqCFRF輸出電壓：當(dāng)A0足夠大時(shí),傳感器本身的電容和電纜長(zhǎng)短將不影響電荷放大器的輸出。因此輸出電壓USC只決定于輸入電荷q及反饋回路的參數(shù)CF和RF。由于1／RF<<ωCF,則可見當(dāng)A0足夠大時(shí)，輸出電壓與A0無(wú)關(guān)，只取決于輸入電荷q和反饋電容CF，改變CF的大小便可得到所需的電壓輸出。

CF一般取值100-104pF。

由于外力作用在壓電元件上產(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)限大的輸入阻抗，這實(shí)際上是不可能的，因此壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測(cè)量。壓電元件在交變力的作用下，電荷可以不斷補(bǔ)充，可以供給測(cè)量回路以一定的電流，故只適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量（一般必須高于100Hz，但在50kHz以上時(shí)，靈敏度下降）。3.4.4壓電傳感器及其應(yīng)用壓電元件的串聯(lián)和并聯(lián)a)b)

在實(shí)際應(yīng)用中，由于單片的輸出電荷很小，因此，常常將兩片或兩片以上的晶片粘結(jié)在一起（即并聯(lián)和串聯(lián)），組成壓電式傳感器。由于壓電材料是有極性的，因此連接方法有兩種。+并聯(lián)+串聯(lián)并聯(lián)和串聯(lián)：并聯(lián)時(shí)串聯(lián)時(shí)設(shè)單片壓電元件的電容為，電荷為，電壓為，則當(dāng)兩片疊加后電荷靈敏度高電壓靈敏度高+并聯(lián)+串聯(lián)并聯(lián)和串聯(lián)：

并聯(lián)時(shí)（2C,2Q,U），傳感器的電容量大、輸出電荷量大、時(shí)間常數(shù)也大，故適用于測(cè)量緩變信號(hào)及電荷量輸出信號(hào)。

串聯(lián)時(shí)（C/2，Q,2U），傳感器本身的電容量小、響應(yīng)快、輸出電壓大，故適用于測(cè)量以電壓作輸出的信號(hào)和頻率較高的信號(hào)。+-++-+-+-+-+-+--+-+-+-+-

并聯(lián)

串聯(lián)3.4.4壓電傳感器及其應(yīng)用1．壓電加速度傳感器

壓電加速度傳感器是一種常用的加速度計(jì)。因其固有頻率高，高頻(幾千赫至十幾千赫范圍)響應(yīng)好，如配以電荷放大器，低頻特性也很好(可低至0.3Hz)。壓電加速度傳感器的優(yōu)點(diǎn)是體積小、重量輕，缺點(diǎn)是要經(jīng)常校正靈敏度?；鶋弘娖|(zhì)量塊m壓簧殼體壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)：壓電片用高壓電系數(shù)的壓電陶瓷制成。兩個(gè)壓電片并聯(lián)。質(zhì)量塊用高比重的金屬塊，對(duì)壓電元件施加預(yù)載荷。測(cè)得加速度傳感器輸出的電荷便可知加速度的大小。F=ma,F∝a又q∝F∴q∝a基座壓電片質(zhì)量塊m壓簧殼體壓電加速器傳感器的另一種結(jié)構(gòu)形