力传感噐(传感器教学课件)

1、常州信息职业技术学院常州信息职业技术学院传感器应用技术传感器应用技术传知万物传知万物 感创未来感创未来常州信息职业技术学院常州信息职业技术学院传知万物传知万物 感创未来感创未来学习内容学习内容 认识传感器认识传感器 温度传感器温度传感器 力传感器力传感器 位移传感器位移传感器 光电传感器光电传感器常州信息职业技术学院常州信息职业技术学院传知万物传知万物 感创未来感创未来力传感器力传感器 压电式传感器压电式传感器 压阻式传感器压阻式传感器 应变式传感器应变式传感器 压阻式传感器压阻式传感器 弹性敏感元件弹性敏感元件各类力传感器各类力传感器剪切式测力传感器 油井专用负荷传感器BLR14拉式称重传感

2、器拉压式称重传感器 3.1 弹性敏感元件力传感器力传感器弹性敏感元件弹性敏感元件v 弹性敏感元件的特性弹性敏感元件的特性v 变换力的敏感元件变换力的敏感元件v 变换压力的敏感元件变换压力的敏感元件一、弹性敏感元件的特性一、弹性敏感元件的特性 1 1、刚度：是弹性元件受外力作用下变形大小的量、刚度：是弹性元件受外力作用下变形大小的量度表示，即弹性元件产生单位位移所需要的力或压度表示，即弹性元件产生单位位移所需要的力或压力。力。 2 2、灵敏度：是刚度的倒数，即它是作用于弹性元、灵敏度：是刚度的倒数，即它是作用于弹性元件上单位力或压力所产生的变形。件上单位力或压力所产生的变形。xFk dFdxFx

3、s力传感器力传感器弹性敏感元件弹性敏感元件3 3、弹性滞后：理想的弹性元件在弹性变形范围内，、弹性滞后：理想的弹性元件在弹性变形范围内，反复循环进行加载或卸载时，由于没有弹性误差反复循环进行加载或卸载时，由于没有弹性误差存在，所以加、卸载时的位移曲线应重合。但实存在，所以加、卸载时的位移曲线应重合。但实际的弹性元件在加、卸载的正反行程中，位移曲际的弹性元件在加、卸载的正反行程中，位移曲线是不重合的，而是构成一个弹性滞后环。线是不重合的，而是构成一个弹性滞后环。Fx加载加载卸载卸载力传感器力传感器弹性敏感元件弹性敏感元件 4 4、弹性后效：、弹性后效： 弹性元件材料的变形不仅是载荷的函数，也是时

4、间的函弹性元件材料的变形不仅是载荷的函数，也是时间的函数。弹性滞后是不取决于时间的，而弹性后效是在载荷数。弹性滞后是不取决于时间的，而弹性后效是在载荷不变的情况下，弹性元件在一段时间内还会继续产生类不变的情况下，弹性元件在一段时间内还会继续产生类似蠕动的位移。这种变形落后于载荷和时间有关的现象似蠕动的位移。这种变形落后于载荷和时间有关的现象称弹性后效。弹性后效使传感器出现负的测量误差、零称弹性后效。弹性后效使传感器出现负的测量误差、零点漂移等，应尽力设法减小。点漂移等，应尽力设法减小。v弹性元件在工作中的滞后和后效现象是同时发生的，统弹性元件在工作中的滞后和后效现象是同时发生的，统称为弹性滞后

5、误差，在设计传感器时要力求减少。称为弹性滞后误差，在设计传感器时要力求减少。力传感器力传感器弹性敏感元件弹性敏感元件5 5、固有振荡频率、固有振荡频率 弹性元件的固有频率（即其无阻尼自由振动频率）弹性元件的固有频率（即其无阻尼自由振动频率），在很大程度上决定传感器的动态特性，对很多传，在很大程度上决定传感器的动态特性，对很多传感器，为了减小动态误差应提高传感器的固有频率感器，为了减小动态误差应提高传感器的固有频率。传感器的工作频率应避开弹性敏感元件的固有振。传感器的工作频率应避开弹性敏感元件的固有振荡频率。荡频率。力传感器力传感器弹性敏感元件弹性敏感元件二、变换力的敏感元件：二、变换力的敏感元

6、件： F F 力传感器力传感器弹性敏感元件弹性敏感元件力传感器力传感器弹性敏感元件弹性敏感元件FEbl26FEbll20)(6力传感器力传感器弹性敏感元件弹性敏感元件AEFyAEFx：弹性模量弹性模量 A：横截面积横截面积 ：泊松系数：泊松系数xy力传感器力传感器弹性敏感元件弹性敏感元件三、变换压力的敏感元件三、变换压力的敏感元件 FPFP力传感器力传感器弹性敏感元件弹性敏感元件变换压力的弹性敏感元件 (a)弹簧管；(b)波纹管；(c)等截面薄板；(d)膜盒；(e)薄壁圆筒；(f)薄壁半球 力传感器力传感器弹性敏感元件弹性敏感元件波纹管膜片波纹的形状波纹管膜片波纹的形状力传感器力传感器弹性敏感

7、元件弹性敏感元件薄壁圆筒弹性敏感元件的结构薄壁圆筒弹性敏感元件的结构力传感器力传感器弹性敏感元件弹性敏感元件v 应变：用于表征形变大小的量，是量纲为应变：用于表征形变大小的量，是量纲为1的数的数，通常很小。，通常很小。v 正负：拉伸应变为正、压缩应变为负正负：拉伸应变为正、压缩应变为负v 单位：应变单位：应变()、微应变、微应变() 1= 1 10-6 ll注：对金属材料而言，当它受力之后所产生的轴向应变最好不要大于注：对金属材料而言，当它受力之后所产生的轴向应变最好不要大于1 10-3，即，即1000 m/m，否则有可能超过材料的极限强度而导致断裂。，否则有可能超过材料的极限强度而导致断裂。

8、力传感器力传感器弹性敏感元件弹性敏感元件常州信息职业技术学院常州信息职业技术学院传知万物传知万物 感创未来感创未来力传感器力传感器 压电式传感器压电式传感器 压阻式传感器压阻式传感器 应变式传感器应变式传感器 压阻式传感器压阻式传感器 弹性敏感元件弹性敏感元件v 金属应变式传感器的金属应变式传感器的主要特性主要特性v 电阻应变式传感器的电阻应变式传感器的工作原理工作原理v 应变片的应变片的种类与结构种类与结构v 电阻应变式传感器的电阻应变式传感器的测量电路测量电路v电阻应变式传感器的电阻应变式传感器的应用应用力传感器力传感器应变式应变式一、金属应变式传感器的主要特性一、金属应变式传感器的主要特

9、性 金属应变片式传感器的核心元件是金属应变片，它可金属应变片式传感器的核心元件是金属应变片，它可将试件上的应变变化转换成电阻变化。将试件上的应变变化转换成电阻变化。 主要优点：主要优点： 精度高，测量范围广精度高，测量范围广 频率响应特性较好频率响应特性较好 结构简单，尺寸小，重量轻结构简单，尺寸小，重量轻 可在高可在高( (低低) )温、高速、高压、强烈振动、强磁场及核温、高速、高压、强烈振动、强磁场及核辐射和化学腐蚀等恶劣条件下正常工作辐射和化学腐蚀等恶劣条件下正常工作 易于实现小型化、固态化易于实现小型化、固态化 价格低廉，品种多样，便于选择价格低廉，品种多样，便于选择力传感器力传感器应

10、变式应变式 主要缺点：主要缺点： 具有非线性；输出信号微弱；具有非线性；输出信号微弱；抗干扰能力较抗干扰能力较差，因此信号线需要采取屏蔽措施；只能测量一差，因此信号线需要采取屏蔽措施；只能测量一点或应变栅范围内的平均应变，不能显示应力场点或应变栅范围内的平均应变，不能显示应力场中应力梯度的变化等；不能用于过高温度场合下中应力梯度的变化等；不能用于过高温度场合下的测量。的测量。 力传感器力传感器应变式应变式二、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 导体或半导体材料在外界力的作用下，会产导体或半导体材料在外界力的作用下，会产生生机械变形机械变形，其，其电阻值电阻值也将随着发生也

11、将随着发生变化变化，这种，这种现象称为现象称为应变效应应变效应。 电阻应变式传感器主要由电阻应变式传感器主要由电阻应变片电阻应变片及及测量测量转换电路转换电路等组成。等组成。力传感器力传感器应变式应变式 2llRAr金属丝受拉时，金属丝受拉时，l变长、变长、r变小，导致变小，导致R变大变大 。力传感器力传感器应变式应变式 设有一长度为设有一长度为l、截面积为、截面积为A、半径为、半径为r、电阻率、电阻率为为 的金属单丝，它的电阻值的金属单丝，它的电阻值R可表示为可表示为 当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）时，上式中时，上式中 、r、l都将发生变

12、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。2llRAr 2 -1xRKRK电阻应变片的灵敏度电阻应变片的灵敏度力传感器力传感器应变式应变式 对于不同的金属材料，对于不同的金属材料，K K 略微不同，一般为略微不同，一般为2 2左右。而对半导体材料而言，由于其感受到应变时左右。而对半导体材料而言，由于其感受到应变时，电阻率，电阻率 会产生很大的变化，所以灵敏度比金属会产生很大的变化，所以灵敏度比金属材料大几十倍。材料大几十倍。 在材料力学中，在材料力学中， x= l/l 称为电阻丝的轴向应变，称为电阻丝的轴向应变，也称纵向应变，是量纲为也称纵向应变，是量纲为1的数。的数

13、。 x通常很小，常用通常很小，常用10-6表示之。例如，当表示之。例如，当 x为为0.000001时，在工程中常时，在工程中常表示为表示为1 10-6或或 m/m。在应变测量中，也常将之称。在应变测量中，也常将之称为微应变为微应变()。力传感器力传感器应变式应变式 R = (/ r)R +R= ( + ) (+)/ (r - r)金属：金属： l l ，r r变化变化 几何尺寸变化是主要的几何尺寸变化是主要的半导体半导体: : 变化变化 压阻效应是主要的压阻效应是主要的+ + 2(r-r) 2r力传感器力传感器应变式应变式 为金属电阻丝的应变灵敏度系数，它表示单位应为金属电阻丝的应变灵敏度系数

14、，它表示单位应变所引起的电阻相对变化。变所引起的电阻相对变化。 大小由两个因素引起：大小由两个因素引起： 由几何尺寸的改变所引起的变化；由几何尺寸的改变所引起的变化； 材料的电阻率随应变所引起的变化（压阻效应）。材料的电阻率随应变所引起的变化（压阻效应）。 实验表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相实验表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与轴向应变成正比。通常在对变化与轴向应变成正比。通常在1.81.83.63.6范围内范围内。0K0)21 ()21 (KllllllRR力传感器力传感器应变式应变式三、应变片的种类与结构三、应变片的种类与结构 应变片可分为应变片可分为金属应变金属应变片片及

15、及半导体应变片半导体应变片两大类。前两大类。前者可分成者可分成金属丝式、箔式、薄金属丝式、箔式、薄膜式膜式三种。目前箔式应变片应三种。目前箔式应变片应用较多。金属丝式应变片使用用较多。金属丝式应变片使用最早，有纸基、胶基之分。由最早，有纸基、胶基之分。由于金属丝式应变片蠕变较大，于金属丝式应变片蠕变较大，金属丝易脱胶，有逐渐被箔式金属丝易脱胶，有逐渐被箔式所取代的趋势。但其价格便宜所取代的趋势。但其价格便宜，多用于应变、应力的大批量，多用于应变、应力的大批量、一次性试验。、一次性试验。金属丝式金属丝式金属薄膜式金属薄膜式金属箔式金属箔式力传感器力传感器应变式应变式 箔式应变片中的箔栅是金属箔通

16、过光刻、腐蚀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，多，散热条件较好，在长时间测量时的蠕变较小，一致性较好，适合于大批量生产。还可以对金属箔一致性较好，适合于大批量生产。还可以对金属箔式应变片进行适当的热处理，使其线胀系数、电阻式应变片进行适当的热处理，使其线胀系数、电阻温度系数以及被粘贴的试件的线胀系数三者相互抵温度系数以及被粘贴的试件的线胀系数三者相互抵消，从而将温度影响减

17、小到最小的程度，目前广泛消，从而将温度影响减小到最小的程度，目前广泛用于各种应变式传感器中。用于各种应变式传感器中。力传感器力传感器应变式应变式箔式应变片的外形箔式应变片的外形力传感器力传感器应变式应变式半导体应变半导体应变片外形片外形金属丝式应变片的金属丝式应变片的内部结构内部结构力传感器力传感器应变式应变式 1-基底基底 2-敏感栅（敏感栅（电阻丝）电阻丝） 3-覆盖层覆盖层 4 -引出线引出线 1电阻应变片的结构示意图电阻应变片的结构示意图342Lb力传感器力传感器应变式应变式 上表中，哪几个型号是半导体应变片？上表中，哪几个型号是半导体应变片？依据是什么？依据是什么？ 力传感器力传感器

18、应变式应变式应变片的粘贴：应变片的粘贴：1. 去污：采用手持去污：采用手持砂轮工具除去构件砂轮工具除去构件表面的油污、漆、表面的油污、漆、锈斑等，并用细纱锈斑等，并用细纱布交叉打磨出细纹布交叉打磨出细纹以增加粘贴力以增加粘贴力 ，用浸有酒精或丙酮用浸有酒精或丙酮的纱布片或脱脂棉的纱布片或脱脂棉球擦洗。球擦洗。 力传感器力传感器应变式应变式 2.2.贴片：在应变片的贴片：在应变片的表面和处理过的粘贴表面和处理过的粘贴表面上，各涂一层均表面上，各涂一层均匀的粘贴胶匀的粘贴胶 ，用镊子，用镊子将应变片放上去，并将应变片放上去，并调好位置，然后盖上调好位置，然后盖上塑料薄膜，用手指揉塑料薄膜，用手指揉

19、和滚压，排出下面的和滚压，排出下面的气泡气泡 。力传感器力传感器应变式应变式 3.测量测量 ：从分开的：从分开的端子处，预先用万端子处，预先用万用表测量应变片的用表测量应变片的电阻，发现端子折电阻，发现端子折断和坏的应变片。断和坏的应变片。力传感器力传感器应变式应变式4.焊接：将引线和焊接：将引线和端子用烙铁焊接起端子用烙铁焊接起来，注意不要把端来，注意不要把端子扯断。子扯断。 力传感器力传感器应变式应变式5.固定：固定： 焊接焊接后用胶布将引后用胶布将引线和被测对象线和被测对象固定在一起，固定在一起，防止损坏引线防止损坏引线和应变片。和应变片。 力传感器力传感器应变式应变式四、电阻应变式传感

20、器的测量电路四、电阻应变式传感器的测量电路 金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接用欧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。姆表测量其电阻值的变化将十分困难，且误差很大。 例例如：如：某传感器弹性元件在额定载荷下产生的应某传感器弹性元件在额定载荷下产生的应变是变是100010-6，应变片的阻值为，应变片的阻值为120，应变灵敏度，应变灵敏度系数是系数是2，则电阻相对变化量为？，则电阻相对变化量为？力传感器力传感器应变式应变式1 1、电桥电路的分类、电桥电路的分类 按照电源分类：按照电源分类：直流电桥、交流电桥直流电桥、交流电桥 按照输出分类：按

21、照输出分类：电流输出、电压输出电流输出、电压输出 电流输出：当电桥的输出信号较大，输出端又接电流输出：当电桥的输出信号较大，输出端又接入电阻值较小的负载时，电桥以电流形式输出。入电阻值较小的负载时，电桥以电流形式输出。 电压输出：当电桥输出端接放大器时，由于放大电压输出：当电桥输出端接放大器时，由于放大器输入阻抗很高，认为电桥的负载电阻无穷大，器输入阻抗很高，认为电桥的负载电阻无穷大，这时电桥以电压形式输出。这时电桥以电压形式输出。力传感器力传感器应变式应变式按照电阻分类：按照电阻分类：等臂、电源对称、输出对称等臂、电源对称、输出对称等臂电桥：等臂电桥： R1=R2=R3=R4=R电源对称电桥

22、：电源对称电桥： R1=R4=R R2=R3=R输出对称电桥：输出对称电桥： R1=R2=R R3=R4=R按照应变片分类：按照应变片分类：单臂、双臂、四臂单臂、双臂、四臂力传感器力传感器应变式应变式 力传感器力传感器应变式应变式2 2、电桥电路的分析、电桥电路的分析 调节调节RPRP，最终可以，最终可以使使R R1 1 / /R R2 2 = =R R4 4/ /R R3 3（ R R1 1 、R R2 2 是是R R1 1、R R2 2并联并联RPRP后的后的等效电阻）等效电阻），电桥趋于，电桥趋于平衡，平衡，U Uo o被预调到零位被预调到零位，这一过程称为调零。，这一过程称为调零。图中

23、的图中的R R5 5是用于减小调是用于减小调节范围的限流电阻。节范围的限流电阻。 电桥平衡的条件电桥平衡的条件 ：R1/R2=R4/R3 力传感器力传感器应变式应变式单臂电桥单臂电桥 全桥四臂工作全桥四臂工作方式的灵敏度最方式的灵敏度最高，双臂半桥次高，双臂半桥次之，单臂半桥灵之，单臂半桥灵敏度最低。敏度最低。力传感器力传感器应变式应变式双臂电桥双臂电桥 R1、 R2为应变片，为应变片， R3、R4为固定电阻为固定电阻 。应变片应变片R1 、R2 感受到感受到的应变的应变 1 2以及产生以及产生的电阻增量正负号相的电阻增量正负号相间，可以使输出电压间，可以使输出电压Uo成倍地增大。成倍地增大。

24、力传感器力传感器应变式应变式四臂全桥四臂全桥 全桥的四个桥臂都为应变片，如全桥的四个桥臂都为应变片，如果设法使试件受力后，应变片果设法使试件受力后，应变片R1 R4产生的电阻增量（或感受到产生的电阻增量（或感受到的应变的应变 1 4）正负号相间，就可）正负号相间，就可以使输出电压以使输出电压Uo成倍地增大。上成倍地增大。上述三种工作方式中，全桥四臂工述三种工作方式中，全桥四臂工作方式的灵敏度最高，双臂半桥作方式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最低。采次之，单臂半桥灵敏度最低。采用全桥（或双臂半桥）还能实现用全桥（或双臂半桥）还能实现温度自补偿。温度自补偿。力传感器力传感器应变式应变式

25、 当环境温度升高当环境温度升高时，桥臂上的应变片时，桥臂上的应变片温度同时升高，温度温度同时升高，温度引起的电阻值漂移数引起的电阻值漂移数值一致，可以相互抵值一致，可以相互抵消，所以全桥的温漂消，所以全桥的温漂较小；半桥也同样能较小；半桥也同样能克服温漂。克服温漂。 全桥的温度补偿原理全桥的温度补偿原理力传感器力传感器应变式应变式五、应变效应的应用五、应变效应的应用 应变效应的应用十分广泛。它可以测量应变应力、弯矩应变效应的应用十分广泛。它可以测量应变应力、弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。、扭矩、加速度、位移等物理量。 电阻应变片的应用可分为两大类：电阻应变片的应用可分为两大类： 1 1、是

26、将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量转换、是将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量转换电路，这样就构成测量各种物理量的专用应变式传感器电路，这样就构成测量各种物理量的专用应变式传感器。应变式传感器中，敏感元件一般为各种弹性体，传感。应变式传感器中，敏感元件一般为各种弹性体，传感元件就是应变片，测量转换电路一般为桥路；元件就是应变片，测量转换电路一般为桥路； 2 2、是将应变片贴于被测试件上，然后将其接到应变仪上就、是将应变片贴于被测试件上，然后将其接到应变仪上就可直接从应变仪上读取被测试件的应变量。可直接从应变仪上读取被测试件的应变量。力传感器力传感器应变式应变式应变式力传感器应变式

27、力传感器 FFFF力传感器力传感器应变式应变式各种悬臂梁各种悬臂梁 力传感器力传感器应变式应变式 FF固定点固定点固定点固定点电缆力传感器力传感器应变式应变式应变片在悬臂梁应变片在悬臂梁上的粘贴及变形上的粘贴及变形力传感器力传感器应变式应变式工业电子秤形变情况工业电子秤形变情况力传感器力传感器应变式应变式应变式荷重传感器的外形应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置及应变片的粘贴位置FR1R2 R4力传感器力传感器应变式应变式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力传感器力传感器应变式应变式FF力传感器力传感器应变式应变式 荷重传荷重传感器上的应感器上的应变片在重力变

28、片在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。荷重传感器荷重传感器原理演示原理演示力传感器力传感器应变式应变式汽车衡汽车衡力传感器力传感器应变式应变式汽车衡汽车衡力传感器力传感器应变式应变式汽车衡汽车衡称重系统称重系统荷重传感器荷重传感器用于构件的称重用于构件的称重 荷重传感器荷重传感器（共（共 3个，个，120度分布，度分布，以达到均衡目的）以达到均衡目的）底座底座垫块垫块电缆电缆电子秤电子秤 磅秤磅秤超市打印秤超市打印秤远距离远距离显示显示力传感器力传感器应变式应变式电子天平电子天平电子天平的精度可电子天平的精度可达十万分之一达十万分之一力传感器力传感器应

29、变式应变式人体秤人体秤 力传感器力传感器应变式应变式吊钩秤吊钩秤 便携式便携式力传感器力传感器应变式应变式应变式数显扭矩扳手应变式数显扭矩扳手 可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制造和可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的装配扭矩。量家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的装配扭矩。量程程2500N.m，耗电量，耗电量10mA，有公制，有公制/英制单位转换、英制单位转换、峰值保持、自动断电等功能。峰值保持、自动断电等功能。力传感器力传感器应变式应变式常州信息职业技术学院常州信息职业技术学院传知万物传知万物 感创未来感创未来力传感器力传感器 压电式传感器压电

30、式传感器 压阻式传感器压阻式传感器 应变式传感器应变式传感器 压阻式传感器压阻式传感器 弹性敏感元件弹性敏感元件 压阻式固态压力传感器压阻式固态压力传感器 利用扩散工艺制作的四个半导体应变电阻处于利用扩散工艺制作的四个半导体应变电阻处于同一硅片上，工艺一致性好，灵敏度相等，漂移抵同一硅片上，工艺一致性好，灵敏度相等，漂移抵消，迟滞、蠕变非常小，动态响应快。消，迟滞、蠕变非常小，动态响应快。 力传感器力传感器压阻式压阻式 隔离、承压膜片隔离、承压膜片可以将腐蚀性的可以将腐蚀性的气体、液体与硅气体、液体与硅膜片膜片 隔离开来。隔离开来。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

31、、承压膜片力传感器力传感器压阻式压阻式压阻式固态压阻式固态 压力压力传感器传感器 内部结构内部结构信号处理电路信号处理电路力传感器力传感器压阻式压阻式小型压阻式固态压力传感器小型压阻式固态压力传感器高压进气口高压进气口低压进气口低压进气口绝对压力传感器绝对压力传感器呼吸、透析和注射泵设备中用的压力传感器呼吸、透析和注射泵设备中用的压力传感器p1进气管进气管p2进气管进气管固态压力固态压力传感器传感器力传感器力传感器压阻式压阻式表压压力传感器表压压力传感器p1进气管进气管力传感器力传感器压阻式压阻式投入式液位计投入式液位计 压阻式固态压力传感器用于投入式液位计：压阻式固态压力传感器用于投入式液位

32、计：p p1 1的的进气孔用柔性不锈钢隔离膜片隔离，并用硅油传导压进气孔用柔性不锈钢隔离膜片隔离，并用硅油传导压力而与液体相通。力而与液体相通。 投入式液位传感器安投入式液位传感器安装方便，适应于深度为装方便，适应于深度为 几米几米 至至 几十米，且混有几十米，且混有 大大 量量 污物、杂质的水或污物、杂质的水或其他液体的液位测量。其他液体的液位测量。 力传感器力传感器压阻式压阻式投入式液位计外形投入式液位计外形 压阻式固态压阻式固态压力传感器压力传感器 光柱光柱 显示器显示器 橡胶橡胶 背压管背压管 材料应变的测量材料应变的测量斜拉桥上的斜拉斜拉桥上的斜拉绳应变测试绳应变测试 常州信息职业技

33、术学院常州信息职业技术学院传知万物传知万物 感创未来感创未来力传感器力传感器 压电式传感器压电式传感器 压阻式传感器压阻式传感器 应变式传感器应变式传感器 压阻式传感器压阻式传感器 弹性敏感元件弹性敏感元件v 压电式传感器的压电式传感器的主要特性主要特性v 压电式传感器的压电式传感器的工作原理工作原理v 压电式传感器的压电式传感器的种类与结构种类与结构v 压电式传感器的压电式传感器的测量电路测量电路v 压电式传感器的压电式传感器的应用应用力传感器力传感器压电式压电式一、压电式传感器的主要特性一、压电式传感器的主要特性v 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传感器自发电式传感

34、器。它以。它以某些电介质的压电效应为基础，在某些电介质的压电效应为基础，在外力作用外力作用下，在电介下，在电介质表面质表面产生电荷产生电荷，从而实现非电量电测的目的。，从而实现非电量电测的目的。v 压电式传感元件是力敏感元件，它可以测量最终能压电式传感元件是力敏感元件，它可以测量最终能变换为力的非电物理量，例如动态力、动态压力、振动变换为力的非电物理量，例如动态力、动态压力、振动、加速度等，但不能用于静态参数的测量。、加速度等，但不能用于静态参数的测量。v 压电式传感器具有体积小、质量轻、频率响应高、压电式传感器具有体积小、质量轻、频率响应高、信噪比大等特点。由于它没有运动部件，因此结构坚固信

35、噪比大等特点。由于它没有运动部件，因此结构坚固、可靠性、稳定性高。、可靠性、稳定性高。压电传感器压电传感器主要特性主要特性二、压电式传感器的工作原理二、压电式传感器的工作原理压电效应压电效应 某些晶体，在一定方向某些晶体，在一定方向受到外力作用受到外力作用时，内时，内部将产生极化现象，相应地在晶体的两个表面部将产生极化现象，相应地在晶体的两个表面产产生符号相反的电荷生符号相反的电荷；当外力作用除去时，又恢复；当外力作用除去时，又恢复到不带电状态。当作用力方向改变时，电荷的极到不带电状态。当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变，这种现象称为性也随着改变，这种现象称为压电效应压电效应。 反之，在

36、电介质的极化方向上施加交变电场反之，在电介质的极化方向上施加交变电场或电压，它会产生机械变形，当去掉外加电场时或电压，它会产生机械变形，当去掉外加电场时，电介质变形随之消失，这种想象称为，电介质变形随之消失，这种想象称为逆压电效逆压电效应应（电致伸缩效应）。（电致伸缩效应）。压电传感器压电传感器工作原理工作原理v 具有压电效应的物质很多，压电式传感器中具有压电效应的物质很多，压电式传感器中的压电元件材料一般有三类：的压电元件材料一般有三类： 压电晶体压电晶体（单晶体）（单晶体） 经过极化处理的经过极化处理的压电陶瓷压电陶瓷（多晶体）（多晶体） 高分子压电材料高分子压电材料压电传感器压电传感器材

37、料分类材料分类 当力的方向改变当力的方向改变时，电荷的极性随之时，电荷的极性随之改变，输出电压的频改变，输出电压的频率与动态力的频率相率与动态力的频率相同；当动态力变为静同；当动态力变为静态力时，电荷将由于态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏表面漏电而很快泄漏、消失。、消失。石英晶体石英晶体压电效应演示压电效应演示1、石英晶体的压电效应、石英晶体的压电效应压电传感器压电传感器工作原理工作原理石英晶体的特点石英晶体的特点 优点：优点：性能非常稳定性能非常稳定，在，在2020200200范围内压范围内压电常数变化率只有电常数变化率只有-0.0001/-0.0001/。此外，具有自振频。此外，具有自

38、振频率高、动态响应好、机械强度高、绝缘性能好、迟率高、动态响应好、机械强度高、绝缘性能好、迟滞小、重复性好、线性范围宽等优点。滞小、重复性好、线性范围宽等优点。 缺点：缺点：压电常数小压电常数小。因此，石英晶体大多只在。因此，石英晶体大多只在标准传感器、高精度传感器或使用温度较高的传感标准传感器、高精度传感器或使用温度较高的传感器中使用，而在一般要求的测量中，基本采用压电器中使用，而在一般要求的测量中，基本采用压电陶瓷。陶瓷。压电传感器压电传感器工作原理工作原理石英晶体振荡器（晶振）石英晶体振荡器（晶振） 石英晶体在振荡石英晶体在振荡电路中工作时，压电路中工作时，压电效应与逆压电效电效应与逆压

39、电效应交替作用，从而应交替作用，从而产生稳定的振荡输产生稳定的振荡输出频率。出频率。晶振晶振 天然结构的石英晶体呈六角形晶柱天然结构的石英晶体呈六角形晶柱天然形成的天然形成的石英晶体外形石英晶体外形压电传感器压电传感器工作原理工作原理压电传感器压电传感器工作原理工作原理v石英晶体有三个轴（课本石英晶体有三个轴（课本P64P64图图3-15a3-15a、图、图3-163-16） X X轴轴电轴电轴，通过六面体相对的两个棱线并垂，通过六面体相对的两个棱线并垂直于光轴直于光轴 Y Y轴轴机械轴机械轴，垂直于两个相对的晶柱棱面，垂直于两个相对的晶柱棱面 Z Z轴轴光轴光轴，与晶体的纵轴线方向一致，与晶

40、体的纵轴线方向一致 用金刚石刀具从晶体上沿用金刚石刀具从晶体上沿XYZXYZ轴线切割出一片轴线切割出一片平行六面体的薄片（正方形薄片）称为晶体切片。平行六面体的薄片（正方形薄片）称为晶体切片。当晶体薄片受到压力时，晶格产生变形，表面产生当晶体薄片受到压力时，晶格产生变形，表面产生正电荷，电荷正电荷，电荷Q Q与所施加的力与所施加的力F F成正比成正比 。压电传感器压电传感器工作原理工作原理v石英晶体薄片石英晶体薄片压电传感器压电传感器工作原理工作原理v 课本课本P64P64图图3-163-16 当沿当沿X X轴对晶片施加力时，将在垂直于轴对晶片施加力时，将在垂直于X X轴的表轴的表面产生电荷，

41、这种现象称为面产生电荷，这种现象称为纵向压电效应纵向压电效应； 沿沿Y Y轴施加力的作用时，电荷仍出现在与轴施加力的作用时，电荷仍出现在与X X轴垂轴垂直的表面上，称为直的表面上，称为横向压电效应横向压电效应； 沿沿Z Z轴方向受力时，不产生压电效应。轴方向受力时，不产生压电效应。压电传感器压电传感器工作原理工作原理v纵向压电效应产生的电荷：纵向压电效应产生的电荷： 沿沿X X轴施加压力，产生垂直于轴施加压力，产生垂直于X X轴平面的电荷轴平面的电荷 纵向压电系数，下标的意义是产生电荷的面纵向压电系数，下标的意义是产生电荷的面的轴向及施加作用力的轴向的轴向及施加作用力的轴向 沿晶轴沿晶轴X X

42、方向施加的压力方向施加的压力 当晶片受到当晶片受到X X向的压力作用时，与作用力成正比，向的压力作用时，与作用力成正比，而与晶片的几何尺寸无关；而与晶片的几何尺寸无关； 若作用力改为拉力时，则在垂直于若作用力改为拉力时，则在垂直于X X轴的平面上轴的平面上仍出现等量电荷，但极性相反。仍出现等量电荷，但极性相反。XXXXXFdqXXqXXdXF压电传感器压电传感器工作原理工作原理v横向压电效应产生的电荷：横向压电效应产生的电荷： 沿沿Y Y轴向施加压力，产生垂直于轴向施加压力，产生垂直于X X轴平面的轴平面的电荷电荷 横向压电系数横向压电系数 沿晶轴沿晶轴Y Y方向施加的压力方向施加的压力根据石

43、英晶体的对称条件：根据石英晶体的对称条件： =- =- ， 得：得： =-=-YXYXYFbadqXYqXYdYFXYdXXdXYqXXdYFba沿机械轴方向给晶片施加压力，产生的电荷与几何尺寸有关，沿机械轴方向给晶片施加压力，产生的电荷与几何尺寸有关，沿沿Y Y轴的压力产生的电荷与沿轴的压力产生的电荷与沿X X轴的压力产生的电荷极性相反。轴的压力产生的电荷极性相反。垂直于垂直于X X轴向面轴向面积越大、晶片积越大、晶片越薄，横向压越薄，横向压电效应产生的电效应产生的电荷越多电荷越多 压电传感器压电传感器工作原理工作原理v石英晶片受压力或拉力时，电荷的极性石英晶片受压力或拉力时，电荷的极性F+

44、-yxF-+yxxF+-yxF-+y压电传感器压电传感器工作原理工作原理v石英晶体在机械力的作用下在其表面产生电荷的原石英晶体在机械力的作用下在其表面产生电荷的原因：因： 石英晶体的每一个晶体单元，有三个硅离子石英晶体的每一个晶体单元，有三个硅离子和六个氧离子，正负离子分布在正六边形的顶角上和六个氧离子，正负离子分布在正六边形的顶角上，当作用力为零时，正负电荷互相平衡，对外没有，当作用力为零时，正负电荷互相平衡，对外没有带电现象。（课本带电现象。（课本P64P64图图3-153-15） 压电传感器压电传感器工作原理工作原理2 2、压电陶瓷的压电效应、压电陶瓷的压电效应 压电陶瓷是人工制造的多晶

45、压电材料，它由无数细微的压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它由无数细微的电畴组成。电畴是分子自发形成的区域，它有一定的极化方电畴组成。电畴是分子自发形成的区域，它有一定的极化方向。在无外电场作用时，各个电畴在晶体中无规则排列，极向。在无外电场作用时，各个电畴在晶体中无规则排列，极化效应相互抵消，因此在原始状态下，压电陶瓷呈中性，不化效应相互抵消，因此在原始状态下，压电陶瓷呈中性，不具有压电效应。具有压电效应。 为使压电陶瓷具有压电效应，必须在一定温度下做极化为使压电陶瓷具有压电效应，必须在一定温度下做极化处理。即以强电场使电畴规则排列，这时压电陶瓷便具有压处理。即以强电场使电畴规则排列，这时压

46、电陶瓷便具有压电性。在极化电场去除后，电畴基本保持不变，留下很强的电性。在极化电场去除后，电畴基本保持不变，留下很强的剩余极化，当压电陶瓷受外力作用时，其表面也能产生电荷剩余极化，当压电陶瓷受外力作用时，其表面也能产生电荷，也具有压电效应。，也具有压电效应。压电传感器压电传感器工作原理工作原理三、压电式传感器的种类与结构三、压电式传感器的种类与结构 1 1、压电材料、压电材料 选取合适的压电材料一般考虑：选取合适的压电材料一般考虑： 转换性能：具有较大的压电常数转换性能：具有较大的压电常数 机械性能：具有较高机械强度、刚度，以获得较高固有频率机械性能：具有较高机械强度、刚度，以获得较高固有频率

47、 电性能：具有较高的电阻率和介电常数，以期减少电荷的泄电性能：具有较高的电阻率和介电常数，以期减少电荷的泄漏以及外部分布电容的影响，获得良好的低频特性漏以及外部分布电容的影响，获得良好的低频特性 温度、湿度稳定性能：具有较高的居里点，以期获得较宽的温度、湿度稳定性能：具有较高的居里点，以期获得较宽的工作温度范围（工作温度范围（居里点是指压电性能破坏时的温度转变点居里点是指压电性能破坏时的温度转变点） 时间稳定性能：压电材料的压电特性不随时间蜕变，有较好时间稳定性能：压电材料的压电特性不随时间蜕变，有较好的时间稳定性的时间稳定性压电传感器压电传感器种类结构种类结构石英晶体（单晶体、压电晶体）石英

48、晶体（单晶体、压电晶体）分类：分类：天然和人工培养两种类型。天然和人工培养两种类型。 特点：特点：在几百摄氏度的温度范围内，压电系数不随在几百摄氏度的温度范围内，压电系数不随温度而变化。居里点为温度而变化。居里点为573。有很大的机械强。有很大的机械强度和稳定的机械性能，但灵敏度很低，介电常数度和稳定的机械性能，但灵敏度很低，介电常数小，因此逐渐被其他压电材料替代。小，因此逐渐被其他压电材料替代。 性能稳定、性能稳定、精度高、居里点高精度高、居里点高、灵敏度低、灵敏度低压电传感器压电传感器种类结构种类结构 压电陶瓷（多晶体）压电陶瓷（多晶体） 压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，比石英晶压电陶瓷

49、是人工制造的多晶压电材料，比石英晶体的压电灵敏度高得多，制造成本却较低，目前体的压电灵敏度高得多，制造成本却较低，目前国内外生产的压电元件绝大多数采用压电陶瓷，国内外生产的压电元件绝大多数采用压电陶瓷，烧制方便、耐湿、耐高温、易于成形。烧制方便、耐湿、耐高温、易于成形。 锆钛酸铅系压电陶瓷（锆钛酸铅系压电陶瓷（PZTPZT）压电陶瓷主要压电陶瓷主要研究对象，具有较高压电系数和居里点（研究对象，具有较高压电系数和居里点（300以上）以上） 钛酸钡压电陶瓷、钛酸钡压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷压电陶瓷压电传感器压电传感器种类结构种类结构压电陶瓷外形压电陶瓷外

50、形压电传感器压电传感器种类结构种类结构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（上海硅酸盐研究所研制）（上海硅酸盐研究所研制）压电传感器压电传感器种类结构种类结构 高分子压电材料高分子压电材料 某些合成高分子聚合物薄膜经延展拉伸和电场某些合成高分子聚合物薄膜经延展拉伸和电场极化后，具有一定的压电性能，这类薄膜称为高分极化后，具有一定的压电性能，这类薄膜称为高分子压电薄膜。是一种柔软的压电材料，不易破碎，子压电薄膜。是一种柔软的压电材料，不易破碎，可以大量生产和制成较大面积。可以大量生产和制成较大面积。 如果将压电陶瓷的粉末加入高分子化合物中，如果将压电陶瓷的粉末加入高分子化合物中，

51、可以制成高分子可以制成高分子- -压电陶瓷薄膜，既保持了高分子压电陶瓷薄膜，既保持了高分子压电薄膜的柔软性，又具有较高压电系数，是一种压电薄膜的柔软性，又具有较高压电系数，是一种很有希望的压电材料。很有希望的压电材料。压电传感器压电传感器种类结构种类结构高分子压电薄膜及拉制高分子压电薄膜及拉制 压电传感器压电传感器种类结构种类结构高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆压电传感器压电传感器种类结构种类结构可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板压电传感器压电传感器种类结构种类结构压电式压电式脚踏报警器脚踏报警器压电传感器压电传感器

52、种类结构种类结构并联并联 串联串联铜片、银片铜片、银片+-+ + + + + + +- - - - - - -+ + + + + + +- - - - - - -+-导电胶导电胶2、压电元件的结构形式、压电元件的结构形式 在压电式传感器中，常将两片或多片组合在在压电式传感器中，常将两片或多片组合在一起使用，由于压电材料有极性，故接法有两种一起使用，由于压电材料有极性，故接法有两种：串联和并联。：串联和并联。压电传感器压电传感器种类结构种类结构v特点：特点： 并联：并联：输出电荷大、电容大、时间常数大，适合输出电荷大、电容大、时间常数大，适合测慢变信号，并以电荷量作输出量的场合。测慢变信号，并以

53、电荷量作输出量的场合。 串联：串联：输出电压高、电容小，适合以电压作为输输出电压高、电容小，适合以电压作为输出量，以及测量电路输入阻抗很高的场合。出量，以及测量电路输入阻抗很高的场合。压电传感器压电传感器种类结构种类结构1 1、等效电路、等效电路QCaRaCcRiCiUiCaRaCcRiCiUiUa 电荷源等效电荷源等效 电压源等电压源等效效四、压电式传感器的测量电路四、压电式传感器的测量电路压电传感器压电传感器测量电路测量电路 压电传感器内阻抗很高，而输出信号微弱，测压电传感器内阻抗很高，而输出信号微弱，测量电路要求有一个量电路要求有一个高输入阻抗的前置放大器作阻抗高输入阻抗的前置放大器作阻

54、抗匹配匹配，才能防止电荷迅速泄漏而使测量误差减小。，才能防止电荷迅速泄漏而使测量误差减小。 前置放大器作用：前置放大器作用： （1 1）将高阻抗输出变换为低阻抗输出；）将高阻抗输出变换为低阻抗输出； （2 2）将输出的微弱信号进行放大。）将输出的微弱信号进行放大。 前置放大器两种形式：前置放大器两种形式： （1 1）电压放大器：输出电压与输入电压成正比）电压放大器：输出电压与输入电压成正比 （2 2）电荷放大器：输出电压与输入电荷成正比）电荷放大器：输出电压与输入电荷成正比压电传感器压电传感器测量电路测量电路fiCACiCcCaAQCQAAUU10QCaRaCcRiCiUi+ - ACfRfU

55、o= - AUiffCQCAAQU10压电传感器压电传感器测量电路测量电路2 2、电荷放大器测量电路、电荷放大器测量电路 电荷放大器的输出电压仅与输入电荷和反馈电荷放大器的输出电压仅与输入电荷和反馈电容有关，电缆长度等因素的影响很小：电容有关，电缆长度等因素的影响很小： 电荷放大器能将压电传感器输出的电荷转换电荷放大器能将压电传感器输出的电荷转换为电压（为电压（Q/U转换器），但并无放大电荷的作用，转换器），但并无放大电荷的作用，只是一种习惯叫法。只是一种习惯叫法。压电传感器压电传感器测量电路测量电路四通道电荷放大器外形四通道电荷放大器外形 .压电传感器压电传感器测量电路测量电路上图所示的四通

56、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） 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：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压电传感器压电传感器测量电路测量电路超小型电荷放大器模块超小型电荷放大器模块 主要指标主要指标: 灵灵 敏敏 度：度：1、10、100mV/pC(任选一档任选一档) 频率范围：频率范围：0.3100KHz(上、下限可选上、下限可选) 噪声噪声(最大灵敏度最大灵敏度)：输出端小于：输出端小于1mV 归归 一一 化：外接电阻调整化：外接电阻调整 线性误差：线性误差：1% 最大输出：最大输出：5V或或10V 电电 源：源：6V15V 特点：可组成经济的多点测试系统特点：可组成经