力检测传感器

1、项目二项目二 力检测力检测 完成本项目的学习后，能够：完成本项目的学习后，能够： 1、了解弹性敏感元件的、了解弹性敏感元件的特性及要求特性及要求。 2、掌握电阻应变效应及半导体的、掌握电阻应变效应及半导体的压阻效应压阻效应。 3、了解、了解电桥电路的作用电桥电路的作用。 4、掌握电阻应变片等力传感器的、掌握电阻应变片等力传感器的测量电路测量电路。 5、掌握压电式传感器的、掌握压电式传感器的工作原理工作原理，理解其特点。，理解其特点。 6、了解力传感器的、了解力传感器的应用应用。 7、了解压电式传感器的、了解压电式传感器的应用应用。 学习目标学习目标 回顾思考：回顾思考： 1.热电偶的工作原理是

2、什么？热电阻工作原理是什么？热电偶的工作原理是什么？热电阻工作原理是什么？ 2.热敏电阻与热电阻有何不同？热敏电阻如何分类？热敏电阻与热电阻有何不同？热敏电阻如何分类？ 概述：概述： 力传感器将各种力学量转换成电信号的器件。力传感器将各种力学量转换成电信号的器件。 待待 测测 量量 输输 出出 电电 量量 中间中间 量量 可用可用 电量电量 敏感敏感 元件元件 转换转换 元件元件 测量测量 电路电路 辅助电源辅助电源 敏感元件敏感元件 转换元件转换元件 任务任务1 1：电子地磅检测重量：电子地磅检测重量 任务背景任务背景 电子地磅秤，是厂矿、商家等用于大宗货物计量的电子地磅秤，是厂矿、商家等用

3、于大宗货物计量的 主要称重设备。主要称重设备。 相关知识相关知识 在二十世纪在二十世纪80年代之前常见的地磅秤一般是利用年代之前常见的地磅秤一般是利用杠杠 杆原理纯机械构造的机械式地磅秤也称作机械地磅杆原理纯机械构造的机械式地磅秤也称作机械地磅。二。二 十世纪十世纪80年代中期，随着年代中期，随着高精度称重传感器技术高精度称重传感器技术的日趋的日趋 成熟，机械式地磅逐渐被精度高、稳定性好、操作方便成熟，机械式地磅逐渐被精度高、稳定性好、操作方便 的电子地磅秤所取代。的电子地磅秤所取代。 一、弹性敏感元件一、弹性敏感元件 一、概念一、概念 变形变形： 弹性变形：弹性变形： 弹性元件：弹性元件：具

4、有弹性变形这类特性的元件。具有弹性变形这类特性的元件。 物体因外力作用而改变原来尺寸或形状。物体因外力作用而改变原来尺寸或形状。 如果外力消失后能完全恢复其原来的尺寸如果外力消失后能完全恢复其原来的尺寸 和形状的变形。和形状的变形。 弹性敏感元件把力或压力转换成了应变或位移， 然后再由传感器将应变或位移转换成电信号。 （一）弹簧压力表的组成（一）弹簧压力表的组成 当被测压力作用于弹簧管时，弹簧管便产生相应 的变形，通过机械传动机构，使标尺指针偏移角度， 从而得到压力的数值。其中弹簧管就是弹性敏感元件， 它能感受压力并产生自身的弹性变形。 （二）、弹性敏感元件的特性（二）、弹性敏感元件的特性 具

5、有弹性变形特性的物体称为弹性敏感元 件。 刚度 灵敏度 二、基本特性二、基本特性 1.刚度（刚度（Rigidity） 是指弹性元件在外力作用下变形大小的量度，是指弹性元件在外力作用下变形大小的量度， 一般用一般用k来表示。来表示。 dF k dx 2.灵敏度（灵敏度（Sensitivity） 是指弹性敏感元件在单位力作用下产生变形的大小，是指弹性敏感元件在单位力作用下产生变形的大小， 在弹性学中也称为弹性元件的柔度。用在弹性学中也称为弹性元件的柔度。用K表示，表示， dx K dF 3.弹性滞后（弹性滞后（Elastic Hysteresis） 实际弹性元件在加、卸载的正实际弹性元件在加、卸载

6、的正 、反行程中变形曲线是不重合的、反行程中变形曲线是不重合的 1 2 原因：弹性敏感元件在工作过程中原因：弹性敏感元件在工作过程中 分子间存在分子间存在内摩擦。内摩擦。 （三）弹性敏感元件的基本要求及分类（三）弹性敏感元件的基本要求及分类 1.弹性敏感元件的基本要求弹性敏感元件的基本要求 良好的机械特性（强度高、抗冲击、韧性好、 疲劳强度高等）和良好的机械加工及热处理性能。 良好的弹性（弹性极限高、弹性滞后和弹性后 效小等）。 良好的抗氧化性和抗腐蚀性。 应保证长期使用和温度变化时的稳定性。 2.弹性敏感元件的分类弹性敏感元件的分类 根据弹性敏感元件输入量的不同，可以 分为两大类： 变换力（

7、力矩）的弹性元件变换力（力矩）的弹性元件 这类弹性敏感元件大都采用等截面柱式、圆 环式、等截面薄板、悬臂梁及轴状等结构。 变换压力的弹性敏感元件变换压力的弹性敏感元件 这类弹性敏感元件常见的有弹簧管、波纹管、波 纹膜片、膜盒和薄臂圆筒等，它可以把流体产生的 压力变换成位移量输出。 1.变换力的弹性敏感元件变换力的弹性敏感元件 1.变换力的弹性敏感元件变换力的弹性敏感元件 1.变换压力的弹性敏感元件变换压力的弹性敏感元件 二、电阻应变式传感器二、电阻应变式传感器 电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将力力 学量转换为电信号学量转换为电信号的传感器。的

8、传感器。电阻应变式传感器具电阻应变式传感器具 有精度高、性能稳定、测量范围宽、可制成各种有精度高、性能稳定、测量范围宽、可制成各种 机械量传感器，并且结构简单、体积小、重量轻，机械量传感器，并且结构简单、体积小、重量轻， 可在超低温、强振动、强磁场等恶劣环境下工作可在超低温、强振动、强磁场等恶劣环境下工作 等特点。等特点。 19361936首次制成了粘贴式的纸基丝绕式电阻应变片首次制成了粘贴式的纸基丝绕式电阻应变片 ，电阻应变测量迅速发展起来；，电阻应变测量迅速发展起来； 19521952年英国的制出了第一批年英国的制出了第一批箔式箔式应变片；应变片； 19571957年出现了第一批年出现了第

9、一批半导体半导体应变片；应变片； 此后又出现了能在高温环境下测量的此后又出现了能在高温环境下测量的高温应变片高温应变片 ，在疲劳条件下测量用的，在疲劳条件下测量用的疲劳应变片疲劳应变片，以及用于断，以及用于断 裂韧性测试的裂韧性测试的裂纹扩展应变片裂纹扩展应变片等。等。 应应 变变 式式 电电 阻阻 传传 感感 器器 本节主要内容：本节主要内容： 电阻应变片的工作原理电阻应变片的工作原理 电阻应变片的种类和结构电阻应变片的种类和结构 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路 电阻应变片的温度补偿电阻应变片的温度补偿 电阻应变片的应用电阻应变片的应用 18561856年英国年英国W.Thomso

10、nW.Thomson在铺设海底电缆时，发现了电缆在铺设海底电缆时，发现了电缆 的电阻值由于拉伸而增加，他在进一步对铜丝和铁丝进行的电阻值由于拉伸而增加，他在进一步对铜丝和铁丝进行 了拉伸试验后，给出了三个结论：了拉伸试验后，给出了三个结论： 铜丝和铁丝的应变与其电阻变化有函数关系；铜丝和铁丝的应变与其电阻变化有函数关系； 铜丝和铁丝对各自的应变与电阻的变化关系有各不相铜丝和铁丝对各自的应变与电阻的变化关系有各不相 同的灵敏度；同的灵敏度； 由应变而产生的微小电阻变化可用惠斯登电桥进行测由应变而产生的微小电阻变化可用惠斯登电桥进行测 量。量。 电阻应变式传感器的外形及性能指标电阻应变式传感器的外

11、形及性能指标 1.电阻应变式传感器的外形电阻应变式传感器的外形 2.电阻应变式传感器的主要用途及特性电阻应变式传感器的主要用途及特性 （1）金属箔式压力传感器）金属箔式压力传感器 金属箔式压力传感器采用了箔式应变片贴在合金钢 制作的弹性体上，具有精度高、温度特性好等特点， 适用于电子皮带秤、配料秤。 （2）柱式传感器）柱式传感器 柱式传感器利用箔式应变片贴在合金钢制作的圆柱 弹性体终端较细的部位。这类传感器结构简单，加工 容易，可拉、可压或拉压两用，能承受较大的负载， 具有长期稳定性好、密封性好等特点。适用于地中衡、 料斗秤、汽车衡、轨道衡等。 （3）悬臂梁式传感器 悬臂梁式传感器是将箔式应变

12、贴在合金钢制 作的弹性体的上下两面，弹性体一端固定，一端 加载，拉、压均可。它具有精度高、密封性好、 易安装等特点，适于电子秤、料斗秤等小量程的 称重环境。 （4）桥式传感器 桥式传感器采用了箔式应变片贴在合金钢弹 性体上，具有精度高、长期稳定性好、密封性好、 抗偏载、抗扭曲、精度高等特点，适用于各种汽 车衡、轨道衡、料斗秤等场合。 （5）轮辐式传感器 轮辐式传感器采用轮辐式结构，抗偏抗侧能力强， 测量精度高，性能稳定可靠，安装方便，是大、中量程 精度传感器中的最佳形式，广泛用于各种电子衡器和各 种力值测量，如汽车衡、轨道衡、吊钩秤、料斗秤。 （6）S形拉压式传感器 S形拉压式传感器采用S形结

13、构，由于其荷载的作用 点和支撑点在同一轴线上，因此它的受力稳定，称重时， 利用其弯曲变形，产生信号。这种传感器拉压均可使用， 应用于高温度环境，具有优越的抗扭、抗侧、抗偏载能 力，输出对称性好，精度高，结构紧凑等特点。适用于 配料秤、料斗秤、机电结合秤、吊钩秤等。 应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置 F R1 R 2 R 4 应变式荷重传感器外形及受力位置应变式荷重传感器外形及受力位置 FF 应变式荷重传感器外形及受力位置应变式荷重传感器外形及受力位置 FF 荷重传感器原理演示荷重传感器原理演示 荷重传荷重传 感器上的应感器上的应 变片在重力变片在

14、重力 作用下产生作用下产生 变形。轴向变形。轴向 变短，径向变短，径向 变长。变长。 汽车衡汽车衡 汽车衡汽车衡（以下参考北京远亚兴业商贸有限公司资料（以下参考北京远亚兴业商贸有限公司资料 ） 汽车衡称重系统 二、电阻应变片的种类和结构二、电阻应变片的种类和结构 金属应变片金属应变片 半导体应变片半导体应变片 金属丝式应变片金属丝式应变片 金属箔式应变片金属箔式应变片 薄膜式应变片薄膜式应变片 （二）、电阻应变式传感器的工作原理（二）、电阻应变式传感器的工作原理 1.电阻应变效应电阻应变效应 金属导体或半导体受到外力作用时，不 仅产生相应的应变(伸长或缩短)，而且其电 阻值也将随之发生变化的现

15、象成为电阻的 应变效应。 2.灵敏度系数灵敏度系数 灵敏度系数的物理意义是单位应变所引 起的电阻相对变化。 一、电阻应变片的工作原理一、电阻应变片的工作原理 应变效应应变效应 导体或半导体材料在外力作用下发生机械形变，导致导体或半导体材料在外力作用下发生机械形变，导致 其电阻值发生变化的物理现象。其电阻值发生变化的物理现象。 设有一根圆截面的金属电阻丝，电阻丝长度为设有一根圆截面的金属电阻丝，电阻丝长度为 ,截截 面积为面积为S,电阻率为电阻率为 ，则电阻值为：，则电阻值为： l 2 /()Rl slr 当沿金属丝的长度方向作用均匀力时，参数当沿金属丝的长度方向作用均匀力时，参数 、 、 、

16、都将发生变化，从而导致电阻值都将发生变化，从而导致电阻值R发生变化。发生变化。 实验证明，电阻丝及应变片的电阻相对变化量实验证明，电阻丝及应变片的电阻相对变化量 R R R R与材与材 料力学中的轴向应变料力学中的轴向应变 x x的关系在很大范围内是线性的，即的关系在很大范围内是线性的，即 rl x R K R K K电阻应变片的灵敏度电阻应变片的灵敏度 对于不同的金属材料，对于不同的金属材料，K K 略微不同，略微不同，一般为一般为2 2左右左右。而。而 对半导体材料而言，由于其感受到应变时，对半导体材料而言，由于其感受到应变时，电阻率电阻率 会产生会产生 很大的变化，所以灵敏度比金属材料大

17、几十倍。很大的变化，所以灵敏度比金属材料大几十倍。 表中，哪几个型号是半导体应变片？表中，哪几个型号是半导体应变片？ 三、应变片的粘贴三、应变片的粘贴 1.试件的表面处理试件的表面处理 除去测点附近的除去测点附近的油污、锈斑、油污、锈斑、 氧化膜、电镀层和涂料、油漆氧化膜、电镀层和涂料、油漆等。等。 采用手持砂轮工具除去构件表采用手持砂轮工具除去构件表 面的油污、漆、锈斑等，并用面的油污、漆、锈斑等，并用细纱细纱 布交叉打磨布交叉打磨出细纹以增加粘贴力出细纹以增加粘贴力 ，用浸有酒精或丙酮的纱布片或脱，用浸有酒精或丙酮的纱布片或脱 脂棉球擦洗。脂棉球擦洗。 2.确定贴片位置确定贴片位置-在应变

18、片上标出敏感栅的纵、横向中心线，在应变片上标出敏感栅的纵、横向中心线， 在在试件上按照测量要求划出中心线试件上按照测量要求划出中心线。 稍停片刻，将稍停片刻，将应变片放在粘贴部位应变片放在粘贴部位上，用镊子对应变片定上，用镊子对应变片定 位。然后垫上玻璃纸用食指按在玻璃纸上，由引出线端向另一位。然后垫上玻璃纸用食指按在玻璃纸上，由引出线端向另一 端滚压，挤出气泡和多余的胶水后按住不动，保持约两三分钟端滚压，挤出气泡和多余的胶水后按住不动，保持约两三分钟 后即可将手松开，小心解开玻璃纸。后即可将手松开，小心解开玻璃纸。 3.3.贴片贴片 用干棉球擦干表面用干棉球擦干表面 ，用画笔在测点处和应，用

19、画笔在测点处和应 变片底面涂一层薄而均变片底面涂一层薄而均 匀的粘结剂。匀的粘结剂。 检查应变片的粘贴是否检查应变片的粘贴是否 有缺陷。有缺陷。 5.粘贴质量检查粘贴质量检查 4.固化固化贴好后，根据所使用的粘合剂的固化工艺要求进行固化贴好后，根据所使用的粘合剂的固化工艺要求进行固化 处理和时效处理。处理和时效处理。 6.引线焊接引线焊接 引线与导线采用焊接引线与导线采用焊接，为便于焊接还可在二者之间加接，为便于焊接还可在二者之间加接 线端子，焊接要求快速、准确，防止加热过程太长将应变片线端子，焊接要求快速、准确，防止加热过程太长将应变片 损坏。损坏。 7.固定、防护固定、防护 导线连接、焊导

20、线连接、焊 接后用胶布将引接后用胶布将引 线和被测对象固线和被测对象固 定在一起，防止定在一起，防止 损坏引线和应变损坏引线和应变 片。然后在应变片。然后在应变 片上涂一层柔软片上涂一层柔软 的防护层。的防护层。 例题：例题： 有一金属箔式应变片，标称阻值有一金属箔式应变片，标称阻值R R0 0为为100100 ，灵敏度灵敏度K K=2=2， 粘贴在横截面积为粘贴在横截面积为9.8mm9.8mm2 2的钢质圆柱体上，钢的弹性模量的钢质圆柱体上，钢的弹性模量 E E=2=2 101011 11N/m N/m2 2，所受拉力所受拉力F F=2000N=2000N，钢的应变量，钢的应变量e=0.00

21、1e=0.001，求受，求受 拉后应变片电阻的变化值。拉后应变片电阻的变化值。 受拉后应变片的阻值受拉后应变片的阻值R R 的变化量仅为的变化量仅为0.20.2 3.电阻应变式传感器结构框图及基本原理电阻应变式传感器结构框图及基本原理 电阻应变式传感器结构框图如图2-9所示。 4.电阻应变式传感器的测量电路电阻应变式传感器的测量电路 电阻应变式传感器是将被测量的变化转 换成传感器元件电阻值的变化，再经过转 换电路变成电信号输出。 应变片的测量电桥结构简单，具有灵敏 度高、测量范围宽、线性度好、精度高和 容易实现温度补偿等优点，因此它能很好 地满足应变测量的要求，是目前采用最多 最广发的一种测量

22、电路。 当R1=R2=R3=R4=R时，为等臂电桥； 当R1=R2=R3=R4=R时，为输出对称电路； 当R1 =R3=R，R2=R4=R时，为电源对称电桥。 分析电路可知：当R1R4=R2R3时，电桥平衡，输出电压 为0。 1 324 0 1234 ()() i RRRR UU RRRR 四、测量电路四、测量电路 直流电桥电路输出电压：直流电桥电路输出电压： 电桥平衡条件是电桥平衡条件是 1324 R RR R 应变片接入电桥通常有三种情况：单臂工作、半桥工作和应变片接入电桥通常有三种情况：单臂工作、半桥工作和 全桥工作全桥工作 1.1.单臂工作单臂工作 对全等臂电桥对全等臂电桥,桥路输出电

23、压桥路输出电压 ： 0 4 i U Uk 2.2.半桥工作半桥工作 R1和和R2为应变片，为应变片，R3和和R4为为 固定电阻固定电阻 当两应变片差动工作时，当两应变片差动工作时， 对全等臂电桥和半等臂电桥对全等臂电桥和半等臂电桥 桥路输出电压：桥路输出电压： 0 2 i U Uk 3.3.全桥工作全桥工作 当采用差动工作方式时当采用差动工作方式时 ，其输出电压为：，其输出电压为： 0i Uk U 4.4.桥式电路灵敏度分析桥式电路灵敏度分析 桥式电路灵敏度通解公式：桥式电路灵敏度通解公式： 为桥臂系数。为桥臂系数。 该式表明，桥臂系数越大，电桥电路的灵敏度越高该式表明，桥臂系数越大，电桥电路

24、的灵敏度越高 ；供桥电压；供桥电压U U越大，电桥电路的灵敏度也越高。越大，电桥电路的灵敏度也越高。 4 U K 注：供电电压的提高受两方面的限制，一是应变片的允许温注：供电电压的提高受两方面的限制，一是应变片的允许温 升（允许功耗）；二是应变电阻的温度误差。升（允许功耗）；二是应变电阻的温度误差。 55 F F F F 图图2-11 剪切剪切S梁结构电阻应变式传感器梁结构电阻应变式传感器 用在：机电结用在：机电结 合秤、料斗秤合秤、料斗秤 、包装秤等各、包装秤等各 种测力、称重种测力、称重 系统中系统中. . 各种悬臂梁各种悬臂梁 各种悬臂梁各种悬臂梁 FF 固定点固定点 固定点固定点 电缆

25、电缆 回顾思考：回顾思考： 1.什么是弹性敏感元件？作用是什么？什么是弹性敏感元件？作用是什么？ 2.什么是电阻应变效应？什么是电阻应变效应？ 压压 阻阻 式式 传传 感感 器器 压阻式传感器的工作原理主要是基于压阻式传感器的工作原理主要是基于 压阻效应压阻效应 三、压阻式传感器三、压阻式传感器 压阻效应是在半导体材料半导体材料上施加作用力时，其电阻 率发生显著变化的现象。 （一）、半导体电阻应变片的结构（一）、半导体电阻应变片的结构 扩散硅压力传感器扩散硅压力传感器 1一引出线；一引出线；2一电极；一电极；3一扩散电阻引线；一扩散电阻引线；4一扩散型应变片一扩散型应变片 5 单晶硅膜片；单晶

26、硅膜片；6硅环；硅环；7一玻璃粘接剂；一玻璃粘接剂；8一玻璃基板一玻璃基板 根据结构不同，扩散硅型传感器可用来测量压力、力、压根据结构不同，扩散硅型传感器可用来测量压力、力、压 力差、加速度等，其中应用最广的是扩散硅压力传感器。力差、加速度等，其中应用最广的是扩散硅压力传感器。 压阻式固态压力传感器的隔离、承压膜片压阻式固态压力传感器的隔离、承压膜片 隔离、承压膜隔离、承压膜 片可以将腐蚀性片可以将腐蚀性 的气体、液体与的气体、液体与 硅膜片硅膜片 隔离开来隔离开来 。 压阻式固态压阻式固态 压力传感器压力传感器 内部结构内部结构 信号处理电路信号处理电路 （二）、半导体电阻应变片的特性（二）

27、、半导体电阻应变片的特性 半导体应变片最突出的优点是灵敏度高，这为它 的应用提供了有利条件。另外，由于机械滞后小、横向 效应小以及它本身体积小等特点，扩大了半导体应变片 的使用范围。 其最大的缺点是温度稳定性差、灵敏度离散程度 大（由于晶向、杂质等因素的影响）以及在较大应变作 用下非线性误差大等，给使用带来一定困难。 （三）、压阻式压力传感器（三）、压阻式压力传感器 压阻式压力传感器硅膜片两边有两个压力腔，一个 是与大气相通的低压腔，另一个是与被测压力相连接的高 压腔。当膜片两边存在压力差时，膜片产生变形，膜片上 各点产生应力。其上的四个电阻在应力作用下，阻值发生 变化，电桥失去平衡，输出与膜

28、片两边的压力差成正比的 电压值。 四、正确使用测力传感器四、正确使用测力传感器 （一）传感器的选择要求（一）传感器的选择要求 技术指标要求 使用环境要求 基本安全要求 可靠性要求 维修及管理要求 对于一个具体的传感器，需满足上述 部分要求即可。 （二）选用传感器的原则（二）选用传感器的原则 根据测量对象与测量环境确定传感器的类型根据测量对象与测量环境确定传感器的类型 灵敏度的选择灵敏度的选择 频率响应特性频率响应特性 线性范围线性范围 稳定性稳定性 精度精度 （三）使用注意事项（三）使用注意事项 选择称重传感器一定要考虑环境因素、适用范围 和精度要求。 选用的传感器一般工作在满量程的30%-7

29、0%之间 。 传感器使用中最大荷载不能超过满量程的120%。 传感器和仪表应定期进行标定，确保使用精度。 电桥电压要稳定，温漂、时漂要小，否则会引起 测量误差。 由于传感器的精度高低、性能好坏直接影响到整个 自动测试系统的品质和运行状态。一般来说，对传感器的 要求是全面的、严格的，它们是选用传感器的依据。 回顾思考：回顾思考： 1.电子称中所使用的应变片应选择（电子称中所使用的应变片应选择（ ）应变片，为提高）应变片，为提高 集成度，测量气体压力应选择（集成度，测量气体压力应选择（ ）。）。 A.金属丝式金属丝式 B.金属箔式金属箔式 C.电阻应变仪电阻应变仪 D.固态压阻固态压阻 式传感器式

30、传感器 2.应变测量中，希望灵敏度高、线性好、有温度自补偿应变测量中，希望灵敏度高、线性好、有温度自补偿 功能，应选择（功能，应选择（ ）测量转换电路。）测量转换电路。 3.应变测量中温度补偿原因是什么？有哪些方法？应变测量中温度补偿原因是什么？有哪些方法？ 拓展知识拓展知识 便携式数显电子秤的设计便携式数显电子秤的设计 任务任务2 2：桥墩水下部位缺陷的检测：桥墩水下部位缺陷的检测 任务背景任务背景 桥墩水下及地表以下部位由于各种原因会产生一些桥墩水下及地表以下部位由于各种原因会产生一些 缺陷，它是很难被发现的，但又直接威胁到桥梁的安全。缺陷，它是很难被发现的，但又直接威胁到桥梁的安全。 用

31、用压电式加速度传感器通过检测桥墩对振动的响应，再压电式加速度传感器通过检测桥墩对振动的响应，再 进行频谱分析，可判定桥墩的内部缺陷。进行频谱分析，可判定桥墩的内部缺陷。 相关知识相关知识 压电式传感器是一种典型的压电式传感器是一种典型的自发电式自发电式传感器，传感器， 它是由压电传感元件和测量转换电路组成。它是由压电传感元件和测量转换电路组成。 本节教学目标本节教学目标 了解压电效应及特点了解压电效应及特点 掌握压电式传感器测量电路的形式、特点掌握压电式传感器测量电路的形式、特点 分析电压前置放大器和电荷前置放大器的区别及特分析电压前置放大器和电荷前置放大器的区别及特 点点 一、压电传感器的外

32、形、技术指标和压电一、压电传感器的外形、技术指标和压电 材料的外形材料的外形 （一）压电式传感器的外形（一）压电式传感器的外形 正压电效应正压电效应 某些晶体在沿定方向上受到外力的作用而产某些晶体在沿定方向上受到外力的作用而产 生变形时，生变形时，内部会产生极化现象内部会产生极化现象，同时在其，同时在其表面上产生电荷表面上产生电荷 ，当外力去掉后，又重新回到不带电的状态。当作用力方向，当外力去掉后，又重新回到不带电的状态。当作用力方向 改变时，电荷的极性也随之改变。改变时，电荷的极性也随之改变。 逆压电效应逆压电效应 若在晶体的极化方向上施加外部电场，晶体若在晶体的极化方向上施加外部电场，晶体

33、 产生伸缩机械形变，当外电场消失则电介质的机械形变消失产生伸缩机械形变，当外电场消失则电介质的机械形变消失 。 电电 量量 压电元件压电元件 机机 械械 量量 正压电效应正压电效应 逆压电效应逆压电效应 （电致伸缩）（电致伸缩） 压电效应的可逆性压电效应的可逆性 （二）压电加速度传感器的技术指标（二）压电加速度传感器的技术指标 压电加速度传感器的技术指标主要有量 程、灵敏度、线性度、分辨力、谐振点和 频响等。 （三）压电材料的外形（三）压电材料的外形 几种压电材料的外形如图2-20所示。 （二）石英晶体的压电效应（二）石英晶体的压电效应 1.石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应 石英晶体成正六

34、边形棱柱体，如图2-21所示。 晶体的压电效应晶体的压电效应 (a)(a)具有压电效应的晶体具有压电效应的晶体 (b)(b)不具有压电效应的晶体不具有压电效应的晶体 石英晶体压电演示石英晶体压电演示 当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出 电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态 力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。 二、压电效应分析二、压电效应分析 天然形成的石英晶体天然形成的石英晶体 1.石英晶体压电效应石英晶体压电效应 二、压电传感器的工作原理

35、二、压电传感器的工作原理 具有压电效应的电介质称为压电材料。典型的压电材具有压电效应的电介质称为压电材料。典型的压电材 料有石英晶体、料有石英晶体、压电陶瓷压电陶瓷、钛酸钡钛酸钡、锆钛酸铅和、锆钛酸铅和高分高分 子压电材料子压电材料等。等。 无铅压电陶瓷及其换能器外形无铅压电陶瓷及其换能器外形 压电陶瓷片压电陶瓷片 石英晶体石英晶体-分子式是分子式是SiO2（居里点为（居里点为576） 优点：温度稳定性好、机械强度高、绝缘性好优点：温度稳定性好、机械强度高、绝缘性好 、动态性能好；、动态性能好； 缺点：灵敏度低、压电系数小，价格昂贵缺点：灵敏度低、压电系数小，价格昂贵 应用：石英晶体大多只在标

36、准传感器、高精度应用：石英晶体大多只在标准传感器、高精度 传感器和使用温度较高的传感器中用作压电元件传感器和使用温度较高的传感器中用作压电元件 外部外部结构：六角形晶柱，两端呈六棱锥形，中结构：六角形晶柱，两端呈六棱锥形，中 间为六棱柱；间为六棱柱； 石英晶体切片石英晶体切片 石英晶体薄片石英晶体薄片 1) 1) 石英晶体是石英晶体是各向异性各向异性晶体：晶体：x x电轴、电轴、y y机械轴、机械轴、z z光轴。光轴。 2) 2) 不是在任何方向上都存在压电效应：不是在任何方向上都存在压电效应： x x电轴受力电轴受力, ,在在x x轴两面上产生电荷轴两面上产生电荷, ,“纵向压电效应纵向压电

37、效应”； y y机械轴受力机械轴受力, ,仍然在仍然在x x轴两面上产生电荷轴两面上产生电荷, ,“横向压电效横向压电效 应应”, ,即即y y轴不能产生电荷轴不能产生电荷, ,只能施加力；只能施加力； z z轴（光轴）受力没有电荷产生。轴（光轴）受力没有电荷产生。 3) 3) 晶体正压电效应和逆压电效应是晶体正压电效应和逆压电效应是对应存在对应存在的。的。 4) 4) 力力- -电之间大小成电之间大小成正比正比。 结论结论 （三）压电陶瓷的压电效应（三）压电陶瓷的压电效应 压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。材 料内部的晶粒有许多自发极化的电畴，它有一定的 极化方向，从而存在电场。在无外电场

38、作用时，电 畴在晶体内杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消 ，压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷 呈中性，不具有压电性质。如图2-24（a）所示。 陶瓷材料是经过高温烧结后形成的，类似于陶瓷材料是经过高温烧结后形成的，类似于铁铁 电体电体，具有类似于铁磁材料磁畴结构的电畴结构。，具有类似于铁磁材料磁畴结构的电畴结构。 无数的细微电畴是分子自发极化形成的小区域无数的细微电畴是分子自发极化形成的小区域 。具有一定的极化方向，存在一定的电场。具有一定的极化方向，存在一定的电场。 由于由于各电畴极化方向任意方向排列各电畴极化方向任意方向排列，自发极化，自发极化 的作用相互抵消，陶瓷内极化强度为零

39、。的作用相互抵消，陶瓷内极化强度为零。 结构结构 2.2.压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应 1) 1) 在一定温度在一定温度(100(100 170)170)下，施加直流高压下，施加直流高压 外电场外电场(20(20 30kV/cm)30kV/cm)，在外电场作用下，经过一定，在外电场作用下，经过一定 时间时间( (2 2 3h)3h)后后，电畴自发极化方向趋近于与外加电，电畴自发极化方向趋近于与外加电 场方向一致。场方向一致。 压电陶瓷的极化方压电陶瓷的极化方 向，通常取向，通常取z z轴方轴方 向向 极化处理极化处理 2) 2) 撤掉电场后，各电畴自发极化在一定程度撤掉电场后，各电畴自

40、发极化在一定程度 上按所加外电场方向取向，上按所加外电场方向取向，存在很强的剩余极化存在很强的剩余极化 强度。强度。 三、压电传感器的等效电路与测量电路三、压电传感器的等效电路与测量电路 （一）压电传感器的等效电路（一）压电传感器的等效电路 压电传感器可等效为如图2-25(a)所示的电压源，也 可等效为一个电荷源，如图2-25(b)所示。 并联并联 与单片相比，两片并联时，输出电压不变，电容量变为与单片相比，两片并联时，输出电压不变，电容量变为 2倍，电荷量变为倍，电荷量变为2倍；适用于测量缓慢变化的信号和以电倍；适用于测量缓慢变化的信号和以电 流作为输出量的场合。流作为输出量的场合。 串联串

41、联 与单片相比，两片串联时，输出电荷相等，输出电压为与单片相比，两片串联时，输出电荷相等，输出电压为 2倍，总电容量为倍，总电容量为1/2。适用于以电压为输出信号及高输入阻。适用于以电压为输出信号及高输入阻 抗的测量电路。抗的测量电路。 内部电荷源内部电荷源Q Q和一个电容器和一个电容器C C 并联并联电荷等效电路电荷等效电路 电压源电压源U=Q/CU=Q/C和一个电容器和一个电容器C C 串联串联电压等效电路电压等效电路 / d CS 四、等效电路四、等效电路 （二）、压电传感器的测量电路（二）、压电传感器的测量电路 压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较 小，因此它的测量电路通常需要接入

42、一个高输入阻 抗的前置放大器。其作用为：一是把它的高输出阻 抗变换为低输出阻抗；二是放大传感器输出的微弱 信号。压电传感器的输出可以是电压信号，也可以 是电荷信号，因此前置放大器也有两种形式：电压 放大器和电荷放大器。 压电传感器与测量电路连接时，还应考虑连 接线路的分布电容Cc，放大电路的输入电阻Ri， 输入电容Ci及压电传感器的内阻Ra。考虑了上述 因素后，其实际等效电路如图2-26所示。 电缆的分 布电容CC 泄漏电 阻Rd 放大器输 入电阻Ri 放大器电 容Ci 实际实际等效电路等效电路 五、测量电路五、测量电路 1.电压放大器电压放大器 图2-27（a）为电压放大器电路原理图，图2-

43、27 （b）为该电压放大器的等效电路。 sinsin m am a dF UtUt C u压电器件的输出电压压电器件的输出电压 FUaUiUO u放大器输入电压放大器输入电压 sin 1() m i a d Fj R Ut j R CC 2.电荷放大器电荷放大器 如图2-28所示是电荷放大器电路等效电路图。电 荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的放 大器。 两功能：第一两功能：第一变换阻抗变换阻抗；第二；第二放大放大。 电压放大器电压放大器要考虑要考虑电缆对电压灵敏度电缆对电压灵敏度的影响；的影响； 电荷放大器不必考虑。电荷放大器不必考虑。 电荷放大器电荷放大器的的低频低频响应也要响应也

44、要好好于电压放大器。于电压放大器。 可以将电压可以将电压( (荷荷) )放大器放大器( (阻抗变换器阻抗变换器) )、直接装、直接装 进传感器内部，使其进传感器内部，使其一体化一体化。由于该阻抗变换器充。由于该阻抗变换器充 分靠近压电元件，引线非常短，引线电容基本等于分靠近压电元件，引线非常短，引线电容基本等于 零。避免了长电缆对传感器输出的影响。零。避免了长电缆对传感器输出的影响。 前置放大器比较总结前置放大器比较总结 四通道电荷放大器外形四通道电荷放大器外形 灵灵 敏敏 度：度：0.11000mV/pC 频率范围：频率范围：0.3100KHz 噪声噪声(最大增益最大增益)：折合至输入端小于

45、：折合至输入端小于5V 准准 确确 度：度：1% 最大输出：最大输出：10V/10mA 电电 源：源：220V/50Hz 控制方式：控制方式： 计算机或手动计算机或手动 焊接式焊接式 电荷放大器电荷放大器 上图所示的四通道电荷放大器指标上图所示的四通道电荷放大器指标 （参考东方振动和噪声技术研究所资料）（参考东方振动和噪声技术研究所资料） 其他电荷放大器外形其他电荷放大器外形 面板式电荷放大器面板式电荷放大器 四、正确使用压电传感器四、正确使用压电传感器 （一）合理选择压电传感器的类型（一）合理选择压电传感器的类型 检测桥墩水下及地表以下部位缺陷是通过放在 桥墩上的传感器受桥墩的振动，从而来检测桥墩内 部有无缺陷。 适用于动态测量适用于动态测量 （二）正确使用压电式加速度传感器（二）正确使用压电式加