《力与压力的检测》PPT课件.ppt

传感器技术,主编：张永花,The Course for 应电1401 Created by kairry,项目三 力与压力的检测 掌握应变效应、压电效应、压阻效应 了解各类常用压力传感器的结构 熟悉各类常用压力传感器的应用 能设计有关力与压力的检测方案,力和压力的检测、调节与控制在生产生活中的应用非常广泛。例如，家用高压锅、液化汽罐体上的减压阀等都是大家熟悉的压力调节装置。火力发电厂锅炉蒸汽压力的监测与控制是保证发电设备安全、经济运行的重要措施。 【几个基本概念】 在物理学中，垂直作用于单位面积上的力称为压强，而在工程上称“压力”用p表示。常使用的术语还有： 绝对压力相对真空（绝对零压力）所测得的压力；pi 大气压力由地表空气柱重量形成的压力；pd 表压力高于大气压力的绝对压力与大气压力pd之差。 pb= pi- pd 因为压力仪表一般都在大气环境中工作，所以它测得的压力实际上是其压力敏感元件内部流体介质压力（绝压）与外部大气压力之差。工程上除非特殊声明，一般所指压力即指压力表测得的压力即表压力。,力与压力的检测,【几个基本概念】 负压与真空度当绝对压力小于大气压力时，表压力就成为负值。在这种情况下，大气压力与绝对压力之差称为负压（也即真空度pz表示接近真空的程度）pz= pd-pi 差压两个压力之间的差值。p,国际单位制Pa 1Pa=1牛顿/平方米（N/m2） 1巴=1达因/平方厘米（dyn/cm2）=105 Pa 1工程大气压1千克力/平方厘米（kgf/cm2）9.8kPa 1标准大气压=760毫米水银柱=101325 Pa=10.34米水柱 1毫米水银柱=133.322 Pa 1毫米水柱=9.80665Pa 可见Pa的量值最小，真空度测量中常用“托”（Torr）为单位1Torr=1毫米水银柱,力与压力的检测,电阻应变片传感器测力 导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值会发生变化， 这种现象称为“应变效应”。 【工作原理】 设有一段长为l，截面积为s，电阻率为的导体(如金属丝)，它具有的电阻值为：R=l/s=l/(2 r2) 若沿轴向均匀作用拉力或压力，l、r都将变化，导致R发生变化。 求 的全微分得： 金属丝轴向、径向的线应变=l/l、 r=r/r 在弹性范围内，轴向应变和径向应变的关系可表示为：= - r 电阻丝材料的泊松比，钢：0.285 则有 定义电阻丝的灵敏系数K（物理意义）为单位轴向应变所引起的电阻相对变化量。K= R/R =1+2 + / 对于金属导体此项通常极小可忽略 由R/R =K及材料力学公式E=F/s，若灵敏度K、截面积s、弹性模量E为已知，只要测出R/R，就可获得试件受力的大小。,力与压力的检测,电阻应变片传感器测力 应变片种类与结构,金属应变片,半导体应变片,丝式,箔式,薄膜式,丝式,箔式,金属丝式使用最早，有纸基、胶基之分。但蠕变较大，金属丝易脱胶，渐被箔式所取代。 箔式应变片中的箔栅是金属箔通过光刻、腐蚀等工艺制成的。箔的材料多为电阻率高、热稳定性好的铜镍合金。箔式应变片与片基的接触面积大得多，散热条件较好，在长时间测量时的蠕变较小，一致性较好。目前广泛用于各种应变式传感器中。,力与压力的检测,电阻应变片传感器测力 测量转换电路不平衡电桥 金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接用欧姆表测量其电阻值的变化将十分困难，且误差很大。 图为直流测量电路。电桥的平衡条件为：R1R3=R2R4 开路输出电压 输入电阻 输出电阻 调节RP，最终可以使电桥趋于平衡，图中的R5是用于减小调节范围的限流电阻。,力与压力的检测,电阻应变片传感器测力 测量转换电路不平衡电桥 现假设四臂电阻变化为R1、R2、R3、R4，则 考虑到R1R3=R2R4及RiRi ， 若设R1/ R2 = R4/R3=n 可简化为 令 (电桥电压灵敏度) 当dkU/dn=0时，kU取最大值 即n=1,力与压力的检测,电阻应变片传感器测力 测量转换电路不平衡电桥 用一个臂作检测臂（单电桥）存在非线性、温漂误差。KUUi/4R/R 用二个臂作检测臂（双臂半电桥）KUUi/2R/R 四个臂均作检测臂（全桥）KUUiR/R 可见全桥的灵敏度最高，是单桥的4倍。 【注】同向对臂；异向邻臂差动电桥。前者特性同一；后者无非线性误差及具有特性漂移补偿作用。,a-半桥式(单臂工作); b-半桥式(双臂工作); c-全桥式(双臂工作); d-全桥式(四臂工作),力与压力的检测,电阻应变片传感器测力 应用实例检测加速度,力与压力的检测,电阻应变片传感器测力 应用实例数显电子秤,数显电子秤电路原理如图所示，其主要部分为电阻应变式传感器R1及IC2、IC3组成的测量放大电路，和IC1及外围元件组成的数显面板表。传感器R1采用E350ZAA箔式电阻应变片，其常态阻值为350 。测量电路将R1产生的电阻应变量转换成电压信号输出。IC3将经转换后的弱电压信号进行放大，作为AD转换器的模拟电压输入。IC4提供l.22V基准电压，它同时经R5、R6及RP2分压后作为A/D转换器的参考电压。3-1/2位A/D，转换器ICL7126的参考电压输入正端，由RP2中间触头引入，负端则由RP3的中间触头引入。两端参考电压可对传感器非线性误差进行适量补偿。,力与压力的检测,压电式传感器测力 压电式传感器是一种典型的自发电式传感器（有源）。其他如磁电、热电偶等。 特点：结构简单体积小重量轻、工作频率宽、灵敏度及可靠性高。 主要用于动态力、机械冲击、振动加速度等动态参数的测量，尤其压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它不可替代的作用。 【工作原理】 某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态。正压电效应 在电介质的极化方向上施以电场，则介质将产生机械变形。 逆压电效应（电致伸缩效应） 注意当外加作用力从压力变为拉力时，介质表面上产生的电荷会改变符号即压电效应具有极性。,力与压力的检测,压电式传感器测力 把具有压电效应的材料称为压电材料 压电晶体：天然的单晶体，如天然石英晶体SiO2等。突出的特点是性能稳定，但压电常数较小。多只在标准或高精度传感器中使用。如实验室基准检验、精密测量等。 压电陶瓷：人工制造的多晶体，如钛酸铅钡、锆钛酸铅(简称PZT)等，突出的特点压电常数较大，工艺性强，制造成本低。多用于一般要求的测量。 高分子压电材料：有机聚合物的铁电体加工而成的压电薄膜是一种柔性薄膜压电新材料，常用的有：聚偏氟乙烯(PVF2或PVDF)等适于特殊表面形状上的测力，是一种很有前途的压电材料。多用于定性测量。 天然晶体性能稳定、机械性能好； 人造晶体的灵敏度较高应用领域不同； 压电陶瓷和压电薄膜等人造压电材料需作极化处理后才具有压电性能，人造压电材料在高压电场下放置数小时，使内部晶体整齐排列，只有通过极化处理，这种材料才能实际应用。,力与压力的检测,压电式传感器测力 压电片在某特定平面上所产生的电荷量可由下式决定 Q=dF=dK Q 在某特定面上产生的电荷量； d压电常数，与压电片材料、切片方向以及受力方向及性质(正应力或切应力)、在何平面上测量电荷等因素有关(有专用表格可查找)； K 压电片的刚度； 压电片的变形量。 压电晶体在受力变形后所产生的电荷量极其微弱，压电片本身的内阻很大，压电片输出的功率极为微弱。,力与压力的检测,压电式传感器测力 石英晶体的压电机理 石英的晶体结构为六方晶体系，化学式为SiO2 定义：z-光轴：晶体对称中心轴oz，光线沿z轴通过时不产生双折射，无压电效应。 x-电轴：通过六角棱线而与z轴垂直的轴线ox，垂直此轴压电效应最强。电轴有3个。 y-机轴：垂直于棱面和光轴的轴线oy，在电场作用下变形最大。机轴也有3个。 压电关系的一般表达式：电荷密度q i = dij j（用单位面积受力表示） 其中：i=1,2,3表示晶体极化方向，指的是与产生电荷的面垂直的方向；j=1,2,3,4,5,6表示受力方向，13表示x,y.z向受力，46表示剪切力方向。 如q1表示法向矢量为x的两个面产生的电荷。,力与压力的检测,压电式传感器测力 石英晶体的压电机理 石英晶体具有压电效应，是由其内部分子结构决定的。下面是一个单元组体中构成石英晶体的硅离子 Si4+ 和氧离子 O2- 在垂直于 z 轴的 xy 平面上的投影。 当作用力 Fx =0 时，正、负离子（即 Si4+和 2O2-）正好分布在正六边形顶角上，形成三个互成 120 夹角的电偶极矩 P1、P2、P3，因为 P = qL，此时正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即 P1+P2+P3 = 0 所以晶体表面不产生电荷，呈电中性。,力与压力的检测,压电式传感器测力 石英晶体的压电机理 当Fx 0 (P1+P2+P3 )y =0 (P1+P2+P3 )z =0 可以看出，在 x 轴的正方向出现正电荷，在 y轴和 z 轴方向则不出现电荷。,力与压力的检测,压电式传感器测力 石英晶体的压电机理 当Fx 0作用时，电偶极矩 P1增大，P2、P3 减小，此时它们在 x、y、z三个方向上的分量为： (P1+P2+P3 )x 0、(P1+P2+P3 )y =0、 (P1+P2+P3 )z =0 在 x 轴的正向出现负电荷，在 y、z方向依然不出现电荷。 可见，沿 x(电轴)方向的力 Fx作用时，只在 x 方向产生正压电效应。 在 y 轴方向受力 当 Fy 0时，晶体的形变与图 (b)相似；当 Fy0 时，则与图 (c)相似。晶体在 y轴方向的力 作用下，在 x方向产生正压电效应，在 y、z 方向同样不产生压电效应。 晶体在 z 轴方向受力 Fz的作用时，正、负电荷中心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。这就表明，在沿 z的力作用下，晶体不产生压电效应。,力与压力的检测,压电式传感器测力 作用力与电荷的关系 假设从石英晶体上沿 y 轴线切下一片晶片，如图 所示，使它的晶面分别平行于x、y、z 轴，在垂直 x 轴方向两面用真空镀膜或沉银法得到电极面。 当晶片受到沿 x 轴方向的压缩应力 x作用时，晶片将产生厚度变形，并发生极化现象。在晶体线性弹性范围内，极化强度 P11 与应力x 成正比，即 极化强度 P11 在数值上等于晶面上的电荷密度，即 式中 qx垂直于 x 轴平面上的电荷。 d11x方向受力的压电系数 即得,力与压力的检测,压电式传感器测力 作用力与电荷的关系 反之，若沿 x 方向对晶片施加电场，电场强度大小为 Ex 。 根据逆压电效应，晶体在 x 轴方向将产生伸缩，即 Ux为其两电极面间的电压。由于压电晶体是绝缘体，当它的两极表面聚集电荷时，它相当于一个电容器。所以 式Cx 电极面间电容。,力与压力的检测,压电式传感器测力 作用力与电荷的关系 在 x 轴方向施加压力时，石英晶体的 x 轴正向带正电；如果作用力 Fx改为拉力，则在垂直于 x 轴的平面上仍出现等量电荷，但极性相反，如图中(a)、(b)所示。 如果在同一晶片上作用力是沿着机械轴 y 轴的方向， 其电荷仍在与 x 轴垂直平面上出现，其极性如图 中（c）、（d）所示，此时电荷的大小为 根据石英晶体轴对称条件：d11 = -d12，则上式为 负号表示沿 y 轴的压力产生的电荷与沿 x 轴所产生的电荷极性是相反的。,力与压力的检测,压电式传感器测力 压电陶瓷的压电效应 压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。电畴是分子自发形成的区域，它有一定的极化方向，从而存在一定的电场。在无外电场作用时，各个电畴在晶体上杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消，因此原始的压电陶瓷内极化强度为零。 当在一定的温度条件下，对压电陶瓷进行极化处理，即以强电场使电畴规则排列，这时压电陶瓷就具有了压电性，在极化电场去除后，电畴基本上保持不变，留下了很强的剩余极化。 如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力 F，陶瓷片将产生压缩形变。片内的正、负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。因此，原来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放，而出现放电现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状(这是一个膨胀过程)，片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。这种由机械效应转变为电效应，或者由机械能转变为电能的现象，就是压电陶瓷的正压电效应。,力与压力的检测,压电式传感器测力 压电陶瓷的压电效应 同样，若在片上加一个与极化方向相同的电场， 由于电场的方向与极化强度的方向相同，所以电场的作用使极化强度增大。这时，陶瓷片内的正、负束缚电荷之间距离也增大，即陶瓷片沿极化方向产生伸长形变。 同理，如果外加电场的方向与极化方向相反，则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变。这种由于电效应而转变为机械效应，或者由电能转变为机械能的现象，就是压电陶瓷的逆压电效应。 对于压电陶瓷，通常取它的极化方向为 z 轴，垂直于 z 轴的平面上任何直线都可作为 x或 y 轴，这是和石英晶体的不同之处。当压电陶瓷在沿极化方向受力时，则在垂直于z 轴的上、下两表面上将会出现电荷，其电荷量 q与作用力 Fz 成正比，即,力与压力的检测,压电式传感器测力 测量电路 压电传感器可看成一个电荷源与一个电容并联的电荷发生器，如图 。其电容量为 当两极板聚集异性电荷时，板间就呈现出一定的电压，其大小为 因此，压电传感器还可以等效为电压源 Ua 和一个电容器 Ca的串联电路。,力与压力的检测,压电式传感器测力 测量电路 实际使用时，压电传感器通过导线与测量仪器相连接，连接导线的等效电容 CC、前置放大器的输入电阻 Ri、输入电容 Ci 对电路的影响就必须一起考虑进去。 当考虑了压电元件的绝缘电阻 Ra 以后，压电传感器完整的等效电路可表示成图 所示的电压等效电路（a）和电荷等效电路（b） 。 这两种等效电路是完全等效的。,力与压力的检测,压电式传感器测力 测量电路 1. 电压放大器 等效电阻R为 等效电容C为 如果在压电元件上沿电轴方向施加交变力 F = Fmsint，若压电元件材料是压电陶瓷，其压电系数为 d33，则在外力 F 的作用下，压电元件产生的电荷和电压均按正弦规律变化。其电压值为,力与压力的检测,压电式传感器测力 测量电路 1. 电压放大器 放大器输入端的电压 Ui，其复数形式为 Ui 的幅值 Uim为 输入电压与作用力之间的相位差 为,力与压力的检测,压电式传感器测力 测量电路 1. 电压放大器 令 =R(Ca+CC+Ci)， 为测量回路的时间常数，并令 0=1/，则可得 根据传感器电压灵敏度 Ku的定义得 由上式可见：压电式传感器不能测量静态量；其高频响应较好。 另外，连接导线不能太长且不可随意更换电缆致使灵敏度变差。