力传感器知识

力传感器知识第一页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五力是物理基本量之一，因此各种动态、静态力的大小的测量十分重要。力的测量需要通过力传感器间接完成，力传感器是将各种力学量转换为电信号的器件。力敏感元件转换元件显示设备F力传感器的测量示意图第二页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五3.1弹性敏感元件

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。弹性敏感元件是一个非常重要的传感器部件，应具有：良好的弹性足够的精度应保证长期使用和温度变化时的稳定性。第三页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五3.1.1弹性敏感元件的特性1.刚度刚度是弹性元件在外力作用下变形大小的量度,一般用k表示。

2.灵敏度灵敏度是指弹性敏感元件在单位力作用下产生变形的大小，在弹性力学中称为弹性元件的柔度。它是刚度的倒数，用K表示。

第四页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五3.弹性滞后实际的弹性元件在加\卸载的正反行程中变形曲线是不重合的,这种现象称为弹性滞后现象,它会给测量带来误差。4.弹性后效当载荷从某一数值变化到另一数值时,弹性元件变形不是立即完成相应的变形，而是经一定的时间间隔逐渐完成变形的，这种现象称为弹性后效。第五页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五5.固有振荡频率弹性敏感元件都有自己的固有振荡频率f0，它将影响传感器的动态特性。传感器的工作频率应避开弹性敏感元件的固有振荡频率。往往希望f0较高。第六页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五3.1.2弹性敏感元件的分类弹性敏感元件在形式上可分为两大类：变换力的弹性敏感元件。变换压力的弹性敏感元件。1.变换力的弹性敏感元件有：（1）等截面圆柱式（2）圆环式（3）等截面薄板式（4）悬臂梁式（5）扭转轴第七页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五一些变换力的弹性敏感元件形状

第八页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五2.变换压力的弹性敏感元件（1）弹簧管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

第九页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五（2）波纹管

波纹管是有许多同心环状皱纹的薄壁圆管.第十页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五（3）波纹膜片和膜盒平膜片在压力或力作用下位移量小，因而常把平膜片加工制成具有环状同心波纹的圆形薄膜，这就是波纹膜片。

波纹管膜片波纹的形状

第十一页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五（4）薄壁圆筒薄壁圆筒的壁厚一般小于圆筒直径的二十分之一。薄壁圆筒弹性敏感元件的灵敏度取决于圆筒的半径和壁厚，与圆筒长度无关。

薄壁圆筒弹性敏感元件的结构

第十二页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五3.2电阻应变片传感器电阻应变片的分类

电阻应变片主要分为金属电阻应变片和半导体应变片两类。金属电阻应变片分体型和薄膜型。属于体型的有电阻丝栅应变片、箔式应变片、应变花等。半导体应变片是用锗或硅等半导体材料作为敏感栅。第十三页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五半导体应变片及金属丝式应变片的结构半导体应变片外形金属丝式应变片的内部结构第十四页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五箔式应变片的外形第十五页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五

在平面力场中，为测量某一点上主应力的大小和方向，常需测量该点上两个或三个方向的应变。为此需要把两个或三个应变片逐个粘结成应变花，或直接通过光刻技术制成。应变花分互成45°的直角形应变花和互成60°的等角形应变花两种基本形式。第十六页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五a—丝式应变花；b—箔式应变花应变花的基本形式第十七页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五应变片的工作原理

金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大。第十八页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五金属电阻丝应变效应

第十九页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五3.2.1电阻应变片的结构及工作原理1.结构

电阻应变片（简称应变片）的作用是把导体的机械应变转换成电阻应变，以便进一步电测。电阻应变片的结构第二十页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五2.应变效应

金属和半导体材料的电阻值随它承受的机械变形大小而发生变化的现象就称为“应变效应”。

应变片的工作原理设有一长度为l、截面积为A、半径为r、电阻率为的金属单丝，它的电阻值R可表示为、、第二十一页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五

当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）时，上式中、r、l都将发生变化，从而导致电阻值R发生变化。例如金属丝受拉时，l将变长、r变小，均导致R变大；又如，某些半导体受拉时，将变大，导致R变大。实验证明，电阻丝及应变片的电阻相对变化量R

R与材料力学中的轴向应变x的关系在很大范围内是线性的，即

K—电阻应变片的灵敏度第二十二页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五∴由于

根据应用要求的不同，可接入不同数目的电阻应变片，一般分为下面几种形式的电桥：3.测量电路——不平衡电桥

第二十三页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五单臂电桥

全桥四臂工作方式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最低。第二十四页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五双臂电桥

R1、

R2为应变片，

R3、R4为固定电阻。应变片R1、R2感受到的应变1~2以及产生的电阻增量正负号相间，可以使输出电压Uo成倍地增大。第二十五页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五四臂全桥

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R1~

R4产生的电阻增量（或感受到的应变1~4）正负号相间，就可以使输出电压Uo成倍地增大。上述三种工作方式中，全桥四臂工作方式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最低。采用全桥（或双臂半桥）还能实现温度自补偿。第二十六页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五3.2.2应变式电阻传感器使用注意事项1.应变片的粘贴：

(1)去污：采用手持砂轮工具除去构件表面的油污、漆、锈斑等，并用细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力，用浸有酒精或丙酮的纱布片或脱脂棉球擦洗。第二十七页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五

(2)贴片：在应变片的表面和处理过的粘贴表面上，各涂一层均匀的粘贴胶，用镊子将应变片放上去，并调好位置，然后盖上塑料薄膜，用手指揉和滚压，排出下面的气泡。第二十八页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五

(3)测量：从分开的端子处，预先用万用表测量应变片的电阻，发现端子折断和坏的应变片。第二十九页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五

(4)焊接：将引线和端子用烙铁焊接起来，注意不要把端子扯断。

第三十页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五

(5)固定：焊接后用胶布将引线和被测对象固定在一起，防止损坏引线和应变片。

第三十一页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五2.实际应用中电桥电路的调零

调节RP，最终可以使R1/R2=R4/R3（R1、R2是R1、R2并联RP后的等效电阻），电桥趋于平衡，Uo被预调到零位，这一过程称为调零。图中的R5是用于减小调节范围的限流电阻。

第三十二页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五

当环境温度升高时，桥臂上的应变片温度同时升高，温度引起的电阻值漂移数值一致，可以相互抵消，所以全桥的温漂较小；半桥也同样能克服温漂。3．传感器的温度补偿第三十三页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五3.2.3应变式电阻荷重传感器及其应用

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。电阻应变片的应用可分为两大类：第一类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。

第二类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。第三十四页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五应变式力传感器

FFFF第三十五页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五各种悬臂梁

FF固定点固定点电缆第三十六页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五应变片在悬臂梁上的粘贴及变形

第三十七页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置FR1R2R4第三十八页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五应变式荷重传感器外形及受力位置（续）FF第三十九页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五荷重传感器原理演示荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形。轴向变短，径向变长。

第四十页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五汽车衡第四十一页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五汽车衡（以下参考北京远亚兴业商贸有限公司资料）第四十二页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五汽车衡称重系统第四十三页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五荷重传感器计算公式

当KF为常数时，桥路所加的激励源电压Ui越高，满量程输出电压Uom也越高。思考：综合考虑灵敏度与功耗发热，Ui的取值范围多少为好？第四十四页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五荷重传感器应用估算

例：现用铭牌指标为F=

100103N，KF=2mV/V的荷重传感器称重。当桥路电压6V时，测得桥路的输出电压为24mV，求被测荷重为多少吨。

解由荷重传感器铭牌上得到，Uom=24mV。被测荷重

第四十五页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五荷重传感器应用估算

在上面介绍过的汽车衡示意图中，共使用了4个荷重传感器，量程Fm=20t，灵敏度KF=2.5mV/V，使用4个独立的桥路电源，每一个电源电压均相等，Ui=12V，四个荷重传感器的输出串联，总的输出电压Uo=24mV，请估算汽车的质量。

汽车在钢板上有少许的前、后、左、右偏位，是否会影响测量结果？为什么？

第四十六页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五荷重传感器用于构件的称重

荷重传感器（共3个，120度分布，以达到均衡目的，另两个未拍出）底座垫块电缆第四十七页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五电子秤

磅秤超市打印秤远距离显示第四十八页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五电子天平电子天平的精度可达十万分之一第四十九页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五人体秤

第五十页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五吊钩秤

便携式第五十一页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五应变式数显扭矩扳手可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的装配扭矩。量程2~500N.m，耗电量≤10mA，有公制/英制单位转换、峰值保持、自动断电等功能。第五十二页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五

图示应变式电阻加速度传感器由基座(用来固定在被测物体上)、等截面悬臂梁、质量块和4个电阻应变片组成，以等截面悬臂梁为弹性敏感元件。加速度传感器l一基座；2一质量块；3一应变片；4一悬臂梁3.2.4应变式加速度传感器及其应用第五十三页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五

测量时，根据所测振动体加速度的方向，把传感器固定在被测部位。当被测点的加速度沿图中箭头所示方向，

输出信号大小与加速度成正比。

应变式电阻加速度传感器具有灵敏度高、静态和动态特性好等优点，广泛应用于汽车安全气囊的控制、油箱和电梯疲劳强度的测试以及电脑游戏控制杆的倾角感应器中。第五十四页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五3.3压阻式压力传感器是利用硅的压阻效应和微电子技术制成的，是一种新的物性型传感器。灵敏度高、动态响应好、精度高、易于微型化和集成化等。压阻效应

单晶硅材料在受到应力作用后，其电阻率发生明显变化，这种现象被称为压阻效应。对半导体材料对金属材料电阻相对变化量第五十五页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五扩散硅压力传感器1一引出线；2一电极；3一扩散电阻引线；4一扩散型应变片5—单晶硅膜片；6—硅环；7一玻璃粘接剂；8一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、压力差、加速度等，其中应用最广的是扩散硅压力传感器。第五十六页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五压阻式固态压力传感器的隔离、承压膜片隔离、承压膜片可以将腐蚀性的气体、液体与硅膜片隔离开来。

第五十七页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五压阻式固态压力传感器内部结构信号处理电路第五十八页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五小型压阻式固态压力传感器高压进气口低压进气口绝对压力传感器第五十九页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五小型压阻式固态压力传感器（续）呼吸、透析和注射泵设备中用的压力传感器p1进气管p2进气管固态压力传感器K—传感器的灵敏度系数

第六十页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五小型压阻式固态压力传感器（续）表压压力传感器p1进气管第六十一页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五投入式液位计

压阻式固态压力传感器用于投入式液位计：p1的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。

第六十二页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五投入式液位计外形（续）压阻式固态压力传感器光柱显示器

橡胶背压管

第六十三页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五

投入式液位传感器

投入式液位传感器安装方便，适应于深度为几米至几十米，且混有大量污物、杂质的水或其他液体的液位测量。

第六十四页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五投入式液位计液位的计算：

安装高度h0处水的表压

p1=gh1

h=h0+h1=h0+p1/（g）

例：液位计安装高度为1m，测得压力为98kPa，求水的深度。第六十五页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五是以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量测量。压电传感元件是力敏感元件，所以它能测量最终能变换为力的那些物理量，例如力、压力、加速度等。压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等优点。在工程力学、生物医学、石油勘探、声波测井、电声学等许多技术领域中获得了广泛的应用。

3.4压电式传感器第六十六页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五压电效应正压电效应（顺压电效应）：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，同时在它的一定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。逆压电效应（电致伸缩效应）：当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。电能机械能正压电效应逆压电效应第六十七页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五天然结构石英晶体的理想外形是一个正六面体，在晶体学中它可用三根互相垂直的轴来表示，其中Z－Z称为光轴；X－X轴称为电轴；与X－X轴和Z－Z轴同时垂直的Y－Y轴（垂直于正六面体的棱面）称为机械轴。ZXY(a)(b)石英晶体(a)理想石英晶体的外形(b)坐标系ZYX通常把沿电轴X－X方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”，而把沿机械轴Y－Y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”，沿光轴Z－Z方向受力则不产生压电效应。3.4.1石英晶体的压电效应第六十八页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五

石英晶体具有压电效应，是由其内部结构决定的。组成石英晶体的硅离子Si4+和氧离子O2-在Z平面投影，如图(a)。为讨论方便，将这些硅、氧离子等效为图(b)中正六边形排列，图中“＋”代表Si4+，“－”代表2O2-。

(b)(a)++---YXXY硅氧离子的排列示意图(a)硅氧离子在Z平面上的投影（b）等效为正六边形排列的投影+第六十九页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五

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120º夹角的偶极矩P1、P2、P3，如图（a）所示。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当晶体受到沿X方向的压力（FX<0）作用时，晶体沿X方向将产生收缩，正、负离子相对位置随之发生变化，如图（b）所示。此时正、负电荷中心不再重合，电偶极矩在X方向的分量为(P1+P2+P3)X>0在Y、Z方向上的分量为（P1+P2+P3）Y=0（P1+P2+P3）Z=0由上式看出，在X轴的正向出现正电荷，在Y、Z轴方向则不出现电荷。Y+++---X(a)FX=0P1P2P3FXXY++++－－－－FX(b)FX<0+++---P1P2P3第七十页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五可见，当晶体受到沿X(电轴)方向的力FX作用时，它在X方向产生正压电效应，而Y、Z方向则不产生压电效应。晶体在Y轴方向力FY作用下的情况与FX相似。由此可见，晶体在Y（即机械轴）方向的力FY作用下，使它在X方向产生正压电效应，在Y、Z方向则不产生压电效应。

（P1+P2+P3）X<0（P1+P2+P3）Y=0（P1+P2+P3）Z=0(c)FX>0Y+++--X-+++－－－FXFXP2P3P1+－当晶体受到沿X方向的拉力（FX＞0）作用时，其变化情况如图（c）。此时电极矩的三个分量为在X轴的正向出现负电荷，在Y、Z方向则不出现电荷。第七十一页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五a—石英晶体结构；b、c、d、e—压电效应示意图石英晶体结构及压电效应

第七十二页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五假设从石英晶体上切下一片平行六面体——晶体切片，使它的晶面分别平行于X、Y、Z轴，并在垂直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σXX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PXX与应力σXX成正比ZYXca垂直于电轴X石英晶体切片b第七十三页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五沿Ｘ方向施加作用力Ｆx时，在与电轴垂直的表面上产生电荷Ｑxx为：

式中d11—石英晶体的纵向压电系数在覆以金属极面间产生的电压为：

第七十四页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五如果在同一切片上，沿机械轴Y方向施加作用力Fy时，则在与X轴垂直的平面上产生电荷为：

式中d12—石英晶体的横向压电系数。根据石英晶体的轴对称条件可得d12=-d11,所以

产生电压为：

第七十五页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五3.4.2压电陶瓷的压电效应当压电陶瓷极化处理后，陶瓷材料内部存有很强的剩余场极化。当陶瓷材料受到外力作用时，电畴的界限发生移动，引起极化强度变化，产生了压电效应。经极化处理的压电陶瓷具有非常高的压电系数，约为石英晶体的几百倍，但机械强度较石英晶体差。第七十六页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五3.4.2压电陶瓷的压电效应压电陶瓷属于铁电体一类的物质，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，见图（a）。

直流电场E剩余极化强度剩余伸长电场作用下的伸长(a)极化处理前(b)极化处理中(c)极化处理后

第七十七页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五但是，当把电压表接到陶瓷片的两个电极上进行测量时，却无法测出陶瓷片内部存在的极化强度。这是因为陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩的形式表现出来，即在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚电荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数量相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外界的作用。所以电压表不能测出陶瓷片内的极化程度，如图。－－－－－

－－－－－

＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋自由电荷束缚电荷电极电极极化方向陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图第七十八页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F，如图，陶瓷片将产生压缩形变（图中虚线），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，而出现放电荷现象。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，就是正压电效应。

＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋

极化方向正压电效应示意图（实线代表形变前的情况，虚线代表形变后的情况）F－＋第七十九页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五

同样，若在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场，如图，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，就是说，陶瓷片沿极化方向产生伸长形变（图中虚线）。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，就是逆压电效应。逆压电效应示意图（实线代表形变前的情况，虚线代表形变后的情况）－－－－－－＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－极化方向电场方向Ｅ第八十页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五

由此可见，压电陶瓷所以具有压电效应，是由于陶瓷内部存在自发极化。这些自发极化经过极化工序处理而被迫取向排列后，陶瓷内即存在剩余极化强度。如果外界的作用（如压力或电场的作用）能使此极化强度发生变化，陶瓷就出现压电效应。此外，还可以看出，陶瓷内的极化电荷是束缚电荷，而不是自由电荷，这些束缚电荷不能自由移动。所以在陶瓷中产生的放电或充电现象，是通过陶瓷内部极化强度的变化，引起电极面上自由电荷的释放或补充的结果。第八十一页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五当压电陶瓷在极化面上受到沿极化方向（Z向）的作用力Fz时（即作用力垂直于极化面），则在两个镀银（或金）的极化面上分别出现正负电荷，电荷量Qzz与力Fz成比例，即:式中dzz—压电陶瓷的纵向压电系数。输出电压为:

压电陶瓷的压电效应

第八十二页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五

当沿X轴方向施加作用力Fx时，在镀银极化面上产生电荷Qzx为:

同理

式中的dz1、dz2是压电陶瓷在横向力作用时的压电系数，且均为负值；电荷除以压电陶瓷片电容Cz可得电压输出。

第八十三页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五3.4.3压电材料种类：压电晶体，如石英等；压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等；压电半导体，如硫化锌、碲化镉等。

对压电材料特性要求：①转换性能。②机械性能。③电性能。④环境适应性强。⑤时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。

第八十四页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五（一）

石英晶体

石英（SiO2）是一种具有良好压电特性的压电晶体。其介电常数和压电系数的温度稳定性相当好，在常温范围内这两个参数几乎不随温度变化，如下两图。由图可见，在20℃～200℃范围内，温度每升高1℃，压电系数仅减少0.016％。但是当到573℃时，它完全失去了压电特性，这就是它的居里点。

1.000.990.980.970.960.9520406080100120140160180200dt/d20斜率：－0.016％/℃t℃石英的d11系数相对于20℃的d11温度变化特性6543210100200300400500600t/℃相对介电常数ε居里点石英在高温下相对介电常数的温度特性第八十五页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五

石英晶体的突出优点是性能非常稳定，机械强度高，绝缘性能也相当好。但石英材料价格昂贵，且压电系数比压电陶瓷低得多。因此一般仅用于标准仪器或要求较高的传感器中。因为石英是一种各向异性晶体，因此，按不同方向切割的晶片，其物理性质（如弹性、压电效应、温度特性等）相差很大。为了在设计石英传感器时，根据不同使用要求正确地选择石英片的切型。

第八十六页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五天然形成的石英晶体外形第八十七页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五天然形成的石英晶体外形（续）

第八十八页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五石英晶体切片及封装石英晶体薄片双面镀银并封装第八十九页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五石英晶体振荡器（晶振）

石英晶体在振荡电路中工作时，压电效应与逆压电效应交替作用，从而产生稳定的振荡输出频率。晶振第九十页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五（二）

压电陶瓷

1、

钛酸钡压电陶瓷钛酸钡（BaTiO3）具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为石英晶体的50倍）。不足之处是居里温度低（120℃），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。2、

锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT）锆钛酸铅是由PbTiO3和PbZrO3组成的固溶体Pb（Zr、Ti）O3。它与钛酸钡相比，压电系数更大，居里温度在300℃以上，各项机电参数受温度影响小，时间稳定性好。此外，在锆钛酸中添加一种或两种其它微量元素（如铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的PZT材料。因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式传感器中应用最广泛的压电材料。

第九十一页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五压电陶瓷外形

第九十二页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五无铅压电陶瓷及其换能器外形

（上海硅酸盐研究所研制）

第九十三页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五（四）压电半导体材料如ZnO、CdS、ZnO、CdTe，这种力敏器件具有灵敏度高，响应时间短等优点。此外用ZnO作为表面声波振荡器的压电材料，可测取力和温度等参数。（三）压电聚合物聚二氟乙烯（PVF2）是目前发现的压电效应较强的聚合物薄膜，这种合成高分子薄膜就其对称性来看，不存在压电效应，但是它们具有“平面锯齿”结构，存在抵消不了的偶极子。经延展和拉伸后可以使分子链轴成规则排列，并在与分子轴垂直方向上产生自发极化偶极子。当在膜厚方向加直流高压电场极化后，就可以成为具有压电性能的高分子薄膜。这种薄膜有可挠性，并容易制成大面积压电元件。这种元件耐冲击、不易破碎、稳定性好、频带宽。为提高其压电性能还可以掺入压电陶瓷粉末，制成混合复合材料(PVF2—PZT)。

第九十四页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五高分子压电薄膜及拉制第九十五页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五压电式脚踏报警器

第九十六页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五3.4.4压电式传感器的测量电路压电传感器可等效为如图(a)所示的电压源,也可等效为一个电荷源，如图(b)所示。

压电传感器电压源与电荷源等效电路

第九十七页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五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。

压电传感器实际等效电路第九十八页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五1.电压放大器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一个高输入阻抗的前置放大器。①电压放大器（阻抗变换器）电压放大器等效电路图

放大器的输出与、、放大器的输出与，，有关，而与输入信号的频率无关。

第九十九页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五②电荷放大器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。电荷放大器等效电路

电荷放大器的输出电压只与反馈电容有关，而与连接电缆无关。放大器的输出灵敏度取决于。第一百页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五3.4.5压电式传感器的应用

1.YDS-781型压电式单向传感器

压电测力传感器的结构通常为荷重垫圈式。图示为YDS-781型压电式单向传感器结构，它由底座、传力上盖、片式电极、石英晶片、绝缘件及电极引出插座等组成。1-传力上盖；2-压电片；3-片式电极；4-电极引出插头；5-绝缘材料；6-底座YDS-781型压电式单向力传感器结构第一百零一页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五

当传感器感受振动时，因为质量块相对被测体质量较小，因此质量块感受与传感器基座相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力，此力F＝ma。同时惯性力作用在压电陶瓷片上产生电荷为

运动方向21345纵向效应型加速度传感器的截面图2.

压电式加速度传感器其结构一般有纵向效应型、横向效应型和剪切效应型三种。纵向效应是最常见的,如图。压电陶瓷4和质量块2为环型，通过螺母3对质量块预先加载，使之压紧在压电陶瓷上。测量时将传感器基座5与被测对象牢牢地紧固在一起。输出信号由电极1引出。q＝d33F＝d33ma第一百零二页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五3.用压电式传感器测表面粗糙度

图示为压电式传感器在轮廓仪上应用时的结构示意图。传感器由驱动箱拖动使其触针在工件表面以恒速滑行。工件表面的起伏不平使触针上下运动，通过针杆使压电晶体随之变形，这样，在压电晶体表面就产生电荷，由引线输出与触针位移成正比的电信号。

压电式传感器表面粗糙度测试示意图第一百零三页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五4.煤气灶电子点火装置

煤气灶电子点火装置原理是利用高压跳火来点燃煤气。当使用者将开关往里压时，把气阀打开；将开关旋转，则使弹簧往左压；此时，弹簧有一很大的力撞击压电晶体，则产生高压放电，导致燃烧盘点火。在工程和机械加工中，压电力传感器可用于测量各种机械设备及部件所受的冲击力。例如锻造工作中的锻锤、打夯机、打桩机、振动给料机的激振器、地质钻机钻探冲击器、船舶、车辆碰撞等机械设备冲击力的测量，均可采用压电力传感器。煤气灶电子点火装置第一百零四页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五优点：测量范围大、灵敏度高、结构简单、适应性强、动态响应时间短、易实现非接触测量等。应用：压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测量之中。3.5电容式传感器及其应用第一百零五页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五3.5.1电容式传感器的工作原理和结构

用两块金属平板作电极可构成电容器，当忽略边缘效应时，其电容C为S—极板相对覆盖面积；δ—极板间距离；εr—相对介电常数；ε0—真空介电常数，ε0＝8.85pF/m；ε—电容极板间介质的介电常数。Sδε

上式中，哪几个参量是变量？可以做成哪几种类型的电容传感器？

第一百零六页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五δ、S和εr中的某一项或几项有变化时，就改变了电容C0。δ或S的变化可以反映线位移或角位移的变化，也可以间接反映压力、加速度等的变化；εr的变化则可反映液面高度、材料厚度等的变化。

三种基本类型：变极距(变间隙)(δ)型变面积型(S)型变介电常数(εr)型第一百零七页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五1.变极距型电容传感器平行板电容器的ε和S不变，只改变电容器两极板之间距离d。该类型传感器常用于压力的测量。

设初始极距为，当动极板有位移，使极板间距减小值后，其电容值变大。C0为初始电容值。电容量Cx与位移x不是线性关系。其灵敏度不为常数

第一百零八页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五为了提高传感器灵敏度，减小非线性误差，实际应用中大都采用差动式结构。

如图示(1为动片、2为定片)，中间电极若受力向上位移Δd，则C1容量增加，C2容量减小，两电容差值为：

电容传感器做成差动型后之后，灵敏度提高一倍。

得到：第一百零九页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五2.变面积型传感器

变面积式差动电容结构原理图

第一百一十页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五图（a）所示平板形位移x后，电容量由初始值变为：电容量变化：

灵敏度为：

第一百一十一页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五

圆柱形电容式位移传感器，图（b），设内外电极长度为L，起始电容量为C0，动极向上位移y后，电容量变为Cy：

电容量变化

：

灵敏度为：第一百一十二页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五

对于角位移传感器，图（c），设两片极板全重合（θ=0）时的电容量为C0，动片转动角度θ后，电容量变为：电容量变化：

灵敏度为：

第一百一十三页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五3.变介电常数式在电容器两极板间插入不同介质，电容器的电容量就不同，利用这种原理制作的变介电常数型电容式传感器常被用来测量液体的液位和材料的厚度。

电容液位计原理图

第一百一十四页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五可见，传感器电容量C与被测液位高度hx成线性关系。

第一百一十五页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五3.5.2电容式传感器测量电路1．桥式电路单臂接法的桥式测量转换电路。当交流电桥平衡时有：

当Cx改变时，，有电压信号输出。图(b)为差动电容式传感器，其空载输出电压为：

第一百一十六页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五电容式传感器桥式转换电路

式中，为传感器的初始电容值；为传感器的电容变化值。需要注意的是，该转换电路的输出需经过相敏检波电路处理才能分辨。第一百一十七页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五2.调频电路

调频电路将电容式传感器作为LC振荡器谐振回路的一部分，当电容传感器工作时，电容Cx发生变化，就使振荡器的频率f产生相应的变化。第一百一十八页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五3.脉冲调制电路

脉冲宽度调制电路是利用传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随电容式传感器的电容量变化而变化，通过低通滤波器得到对应于被测量变化的直流信号。

第一百一十九页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五脉冲宽度调制电路的输出电压波形图差动电容的变化使充电时间t1、t2不相等，从而使触发器输出端的脉冲宽度不同，经滤波器有直流电压输出。

第一百二十页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五P2玻璃盘镀金层金属膜片C2电极引线p1C1电容式差压传感器

结构简单、灵敏度高、响应速度快(约100ms)能测微小压差(0～0.75Pa)、真空或微小绝对压力需把膜片的一侧密封并抽成高真空(10-5Pa)即可。3.5.3电容式传感器的应用

第一百二十一页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五231B面A面546Cx1Cx21、5－固定极板2－壳体3－簧片4－质量块6－绝缘体精度较高，频率响应范围宽，量程大，可以测很高的加速度.电容式加速度传感器第一百二十二页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五a)测振幅b)测轴回转精度和轴心偏摆被测物振动电容式传感器被测轴电容式传感器电容式位移传感器应用

第一百二十三页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五电容式液位计

棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯套管，当被测液体的液面上升时，引起棒状电极与导电液体之间的电容变大。

聚四氟乙烯外套第一百二十四页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五电容式液位限位传感器

液位限位传感器与液位变送器的区别在于：它不给出模拟量，而是给出开关量。当液位到达设定值时，它输出低电平。但也可以选择输出为高电平的型号。第一百二十五页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五液位限位传感器的设定

智能化液位传感器的设定方法十分简单：用手指压住设定按钮，当液位达到设定值时，放开按钮，智能仪器就记住该设定。正常使用时，当水位高于该点后，即可发出报警信号和控制信号。设定按钮第一百二十六页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五智能化液位限位传感器的设定按钮超限灯正常工作指示灯设定按钮电源指示灯第一百二十七页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五硅微加工加速度传感器图示加速度传感器以微细加工技术为基础，既能测量交变加速度（振动），也可测量惯性力或重力加速度。其工作电压为2.7～5.25V，加速度测量范围为数个g，可输出与加速度成正比的电压也可输出占空比正比于加速度的PWM脉冲。第一百二十八页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五硅微加工加速度传感器原理

1—加速度测试单元

2—信号处理电路

3—衬底

4—底层多晶硅（下电极）

5—多晶硅悬臂梁

6—顶层多晶硅（上电极）第一百二十九页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五

利用微电子加工技术，可以将一块多晶硅加工成多层结构。在硅衬底上，制造出三个多晶硅电极，组成差动电容C1、C2。图中的底层多晶硅和顶层多晶硅固定不动。中间层多晶硅是一个可以上下微动的振动片。其左端固定在衬底上，所以相当于悬臂梁。

当它感受到上下振动时，C1、C2呈差动变化。与加速度测试单元封装在同一壳体中的信号处理电路将ΔC转换成直流输出电压。它的激励源也做在同一壳体内，所以集成度很高。由于硅的弹性滞后很小，且悬臂梁的质量很轻，所以频率响应可达1kHz以上，允许加速度范围可达10g以上。

如果在壳体内的三个相互垂直方向安装三个加速度传感器，就可以测量三维方向的振动或加速度。第一百三十页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五加速度传感器在汽车中的应用

加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。当测得的负加速度值超过设定值时，微处理器据此判断发生了碰撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。

装有传感器的假人气囊第一百三十一页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五汽车气囊的保护作用

使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经控制系统使气囊迅速充气。

第一百三十二页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五汽车气囊对驾驶员的保护作用第一百三十三页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五利用加速度传感器实现延时起爆的钻地炸弹传感器安装位置第一百三十四页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五湿敏电容

利用具有很大吸湿性的绝缘材料作为电容传感器的介质，在其两侧面镀上多孔性电极。当相对湿度增大时，吸湿性介质吸收空气中的水蒸气，使两块电极之间的介质相对介电常数大为增加（水的相对介电常数为80），所以电容量增大。

第一百三十五页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五湿敏电容外形吸水高分子薄膜第一百三十六页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五湿敏电容模块及传感器外形第一百三十七页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五湿敏电容传感器的安装使用在野外的使用带报警器的家庭使用型第一百三十八页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五多孔性氧化铝湿敏电容传感器外形

第一百三十九页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五电容式油量表

机械式油量表：在油箱内，装有类似卫生间水箱里的浮球，通过杠杆带动电阻丝式圆盘电位器，由电流表指示出油量。第一百四十页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五电容式油量表

当油箱中注满油时，液位上升，指针停留在转角为m处。当油箱中的油位降低时，电容传感器的电容量Cx减小，电桥失去平衡，伺服电动机反转，指针逆时针偏转（示值减小），同时带动RP的滑动臂移动。当RP阻值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，伺服电动机停转，指针停留在新的位置（

x处）。该油量表属于开环系统还是闭环系统？第一百四十一页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五

该油量表可用于飞机油箱第一百四十二页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五电容式接近开关

被检测物体可以是导电体、介质损耗较大的绝缘体、含水的物体（例如饲料、人体等）；可以是接地的，也可以是不接地的。调节接近开关尾部的灵敏度调节电位器，可以根据被测物不同来改变动作距离。第一百四十三页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五电容式接近开关外形齐平式非齐平式第一百四十四页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五非齐平式接近开关的安装非齐平式安装时，传感器高于安装支架，易损坏。第一百四十五页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五全密封防水式远距离式（大量程）第一百四十六页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五电容式接近开关在液位测量控制中的使用第一百四十七页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五电容式接近开关在

液位物位测量控制中的使用第一百四十八页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示第一百四十九页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五不同材料的非金属检测物对电容式接近开关动作距离的影响第一百五十页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五3.6电感式传感器

电感传感器的基本原理是电磁感应原理。利用电磁感应将被测非电量（如压力、位移等）转换成电感量的变化输出。常用的有自感式和互感式两类。电感式压力传感器大都采用变隙式电感做为检测元件，它和弹性敏感元件组合在一起构成电感式压力传感器。第一百五十一页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五先看一个实验：

将一只380V交流接触器线圈与交流毫安表串联后，接到机床用控制变压器的36V交流电压源上，如下页图所示。这时毫安表的示值约为几十毫安。用手慢慢将接触器的活动铁心（称为衔铁）往下按，我们会发现毫安表的读数逐渐减小。当衔铁与固定铁心之间的气隙等于零时，毫安表的读数只剩下十几毫安。

第一百五十二页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五电感传感器的基本工作原理演示F220V准备工作第一百五十三页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五电感传感器的基本工作原理演示气隙变小，电感变大，电流变小F第一百五十四页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五自感式电感传感器常见的形式

变隙式变截面式螺线管式

第一百五十五页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五电感传感器的基本工作原理当铁心的气隙较大时，磁路的磁阻Rm也较大，线圈的电感量L和感抗XL较小，所以电流I较大。当铁心闭合时，磁阻变小、电感变大，电流减小。

第一百五十六页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五线圈自感

Ψ——线圈总磁链,单位：韦伯；I——通过线圈的电流，单位：安培；N——线圈的匝数；Rm——磁路总磁阻，单位：1/亨。a)气隙型b)截面型c)螺管型自感式传感器原理图3.6.1自感式传感器1.工作原理第一百五十七页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五自感式电感传感器有变气隙式、变截面式和螺管式3种类型。（1）变气隙式电感传感器电感量L为：

当衔铁受外力作用使气隙厚度减小，则线圈电感也发生变化，为：灵敏度为：

第一百五十八页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五电感式传感器的输出特性1—实际输出特性；2—理想输出特性

气隙变化量Δδ越小，非线性失真越小；气隙δo越小，灵敏度越高。输出特性如图(a)所示。

第一百五十九页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五

（2）变截面式电感传感器若保持气隙厚度δ为常数，则L=f(A)即电感L是气隙截面积的函数，故称这种传感器为变截面式电感传感器。其输入输出是线性关系，灵敏度为：

灵敏度是一常数。但是，由于漏感、结构的限制等原因，这种类型的传感器线性区较小，量程也不大，在工业中用得不多。

第一百六十页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五

（3）螺管式电感传感器

螺管式电感传感器由1只螺管线圈和1根柱形衔铁组成。当被测量作用在衔铁上时，会引起衔铁在线圈中伸入长度的变化，从而引起螺管线圈电感量的变化。对于长螺管线圈且衔铁工作在螺管的中部时，可以认为线圈内磁场强度是均匀的。此时线圈电感量与衔铁插入深度成正比。

这种传感器结构简单，制作容易，但灵敏度较低、且衔铁在螺管中间部分工作时，才能获得较好的线性关系。因此，螺管式电感传感器适用于测量比较大的位移。第一百六十一页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五

（4）差动电感传感器

两个完全相同的单个线圈的电感传感器共用1根活动衔铁就构成了差动式电感传感器。灵敏度为：第一百六十二页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五

差动电感传感器的输出特性如图所示。其中曲线1、2是上、下单线圈自感式电感传感器的输出特性，曲线3是差接后的输出特性。由此可以看出，差动式电感传感器除了可以改善线性、提高灵敏度外，对温度的变化、电源频率变化等影响，也可进行补偿，从而减少了外界影响造成的误差。差动式电感传感器输出特性第一百六十三页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五1.变压器式交流电桥

变压器电桥电路相邻两工作臂是差动电感传感器的两个线圈，阻抗Z1、Z2；另外两臂为激励变压器的二次线圈。输出电压取自A、B两点。若D点为零电位，且传感器线圈的品质因素(Q值)较高，即线圈直流电阻远小于其感抗。可推导出输出电压为：

2.测量电路第一百六十四页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五

当传感器的衔铁下移时，即Z1=Z-ΔZ，Z2=Z+ΔZ，此时：由此可见，输出电压反映了传感器线圈阻抗的变化，由于是交流信号，因此还要经过适当电路处理才能判别衔铁位移的大小及方向。第一百六十五页，共一百七十七页，编辑于2023年，星期五2.相敏检波电路

下图是相敏检波电路图。图中，UX为电感传感器的输出信号，UR为