压电式传感器与测力仪研发回顾与展望

压电式传感器与测力仪研发回顾与展望1.本文概述压电式传感器与测力仪作为精密测量领域的重要组成部分，其研发与应用一直是工业自动化、智能控制和科学研究等领域关注的热点。本文首先回顾了压电式传感器与测力仪的发展历程，从早期的基础理论探索到现代的高性能产品开发，详细阐述了其工作原理、结构设计以及在不同领域的应用情况。随后，文章对当前压电式传感器与测力仪的技术瓶颈和挑战进行了分析，包括材料的局限性、环境适应性、精度提升等方面，指出了现有技术的不足和改进方向。在此基础上，本文进一步展望了未来的发展趋势，特别是在新材料、新技术和新应用领域的探索，预测了可能出现的技术革新和产业变革。文章强调了持续创新的重要性，提倡跨学科合作和产学研结合，以推动压电式传感器与测力仪技术的进一步发展，为实现更高效、更智能的测量技术贡献力量。通过本文的综述，旨在为相关领域的研究者和工程师提供一个全面、深入的参考，促进学术交流和技术进步。2.压电式传感器发展历程回顾压电式传感器的发展历程可以追溯到20世纪初，其基础是压电效应的发现和利用。1900年，法国物理学家PierreCurie和JacquesCurie兄弟首次发现了某些晶体在受到机械应力时能产生电荷，这一现象后来被称为“压电效应”。直到20世纪40年代，这一现象才被应用于实际传感器的设计中。在1940年代，随着第二次世界大战的推动，压电材料如石英和某些陶瓷开始被用于声纳和超声波技术中。这些早期的应用主要关注于军事和工业领域，如水下探测和金属探伤。这一时期的研究主要集中在压电材料的性能提升和传感器设计的初步探索上。进入1970年代，随着电子技术和材料科学的进步，压电式传感器的设计和应用得到了显著的发展。这一时期，压电材料如压电陶瓷（如PZT）的制造技术得到了改进，使得传感器更加小巧、灵敏且成本效益更高。压电传感器开始在民用领域如医疗设备、汽车工业和环境监测中得到广泛应用。21世纪的到来标志着压电传感器技术进入了一个新的创新和集成阶段。微电子机械系统（MEMS）技术的发展使得压电传感器可以微型化，并与微处理器和无线通信技术集成，形成了智能传感器网络。这些传感器在物联网（IoT）、智能结构健康监测和精密制造等领域发挥着重要作用。随着材料科学、纳米技术和人工智能的发展，压电式传感器预计将在未来几年内取得更多突破。未来的传感器将更加智能化、多功能化，并具有更高的灵敏度和更低的能耗。新型压电材料的研究和开发，如柔性压电材料和生物兼容压电材料，将进一步拓宽压电传感器的应用范围，特别是在可穿戴技术和生物医学领域。3.压电式传感器与测力仪核心技术概述压电式传感器与测力仪的技术核心在于其利用压电效应来实现对力的测量。压电效应是指某些晶体材料在受到机械应力时，会在其表面产生电荷的现象。这一效应的发现和应用，为力学的测量提供了新的技术途径。压电材料的选择是压电式传感器设计的关键。目前常用的压电材料包括石英、钛酸钡和锆钛酸铅等。这些材料因其优良的压电性能，被广泛应用于压电传感器的制造。压电材料的选择需考虑其压电系数、机械强度、温度稳定性等因素。压电传感器的结构设计也是核心技术之一。传感器的结构需要保证在受到力的作用时，能够有效地将力转化为压电材料上的应力。结构设计还需考虑传感器的灵敏度、频率响应范围以及长期稳定性等因素。再者，信号处理技术是压电式测力仪的重要组成部分。由于压电传感器输出的信号较弱，往往需要通过信号放大、滤波等处理手段来提高信号的准确性和可靠性。随着电子技术的发展，数字信号处理技术也被应用于压电式测力仪，进一步提高了测量的精度和效率。系统集成与智能化是压电式传感器与测力仪的发展趋势。现代的压电式测力仪不仅仅是一个简单的力测量工具，而是集成了数据采集、处理、存储和传输等多种功能。同时，智能化技术的发展使得压电式测力仪能够更好地适应复杂多变的工作环境，提高测量的智能化水平。压电式传感器与测力仪的核心技术涵盖了压电材料的选择、传感器结构设计、信号处理以及系统集成与智能化等方面。随着科技的不断进步，这些技术将不断优化和创新，推动压电式传感器与测力仪在更广泛的领域得到应用。4.当前压电式测力仪的技术水平与性能特点技术成熟度：当前压电式测力仪的技术已经非常成熟，其设计和制造工艺已经形成了一套完整的体系。这使得压电式测力仪在稳定性、可靠性以及耐用性方面都有了显著的提升。灵敏度与精度：压电式传感器的核心优势在于其出色的灵敏度和精度。通过不断的技术革新和材料科学的进展，现代压电式测力仪能够检测到微小的力量变化，并且提供高精度的测量结果。动态响应能力：随着电子技术和信号处理技术的发展，压电式测力仪的动态响应能力得到了显著增强。这使得它们能够适应更快速、更复杂的测量环境，满足高速、高频率测量的需求。环境适应性：现代压电式测力仪在设计时充分考虑了环境因素的影响，如温度、湿度、振动等。通过特殊的封装技术和环境补偿算法，测力仪能够在各种环境下保持稳定的性能。智能化与集成化：随着物联网和人工智能技术的发展，压电式测力仪正朝着更加智能化和集成化的方向发展。集成了先进的数据处理和通信功能的测力仪，能够实现数据的实时传输和远程监控，为用户提供更加便捷的操作体验。多样化的应用场景：压电式测力仪的应用领域不断拓展，从传统的工业测量到医疗健康、环境监测等多个领域，都有其身影。这要求测力仪在设计上要具有更高的灵活性和适应性，以满足不同场景的需求。成本效益：尽管压电式测力仪在性能上有着显著的优势，但其成本效益也是研发和生产过程中需要考虑的重要因素。通过优化设计和生产工艺，降低材料和制造成本，使得压电式测力仪在保证性能的同时，也具有较高的性价比。当前压电式测力仪的技术水平与性能特点体现了其在多个方面的优秀表现，同时也指出了未来发展的方向和挑战。随着技术的不断进步和创新，我们有理由相信，压电式测力仪将在未来的测量领域发挥更加重要的作用。5.压电式传感器与测力仪的应用领域拓展压电式传感器与测力仪的应用领域随着技术的不断进步而日益拓展。这些设备因其高灵敏度、高稳定性和良好的环境适应性，被广泛应用于工业自动化、医疗健康、航空航天、智能交通等多个领域。在工业自动化领域，压电式传感器与测力仪被用于精密装配、质量检测、机器人抓取等环节。它们能够准确地测量力和压力，确保生产过程的精确性和产品的高质量。在医疗健康领域，这些传感器和测力仪被应用于手术导航系统、康复器械以及人体运动监测等。它们能够提供精确的力反馈，帮助医生进行精确的手术操作，同时也能够监测患者的康复进程。航空航天领域对测量设备的精度和可靠性要求极高。压电式传感器与测力仪在此领域中用于监测飞机结构的应力分布、火箭发动机的推力以及卫星的姿态控制等，保障了航天器的稳定运行和飞行安全。在智能交通系统中，压电式传感器与测力仪被用于车辆的悬挂系统、碰撞检测以及道路状况监测等。通过对车辆和道路状况的实时监测，它们有助于提高交通安全性和驾驶舒适性。随着新材料、新技术的不断涌现，压电式传感器与测力仪的应用领域还将进一步拓展。例如，它们可以与物联网技术相结合，实现更广泛的数据收集和远程监控。随着微型化和集成化的发展，这些设备将更加便携和易于部署，为各行各业提供更加高效、智能的测量解决方案。未来，我们期待压电式传感器与测力仪在更多领域发挥其独特的价值，推动科技进步和社会发展。6.研发挑战与未来展望a.材料性能限制：目前使用的压电材料在灵敏度、稳定性和耐久性方面存在限制，这些因素影响了传感器的整体性能。b.环境适应性：压电传感器在不同环境条件下的性能稳定性是一个重要问题。特别是在极端温度、湿度或腐蚀性环境中，传感器的性能可能会受到影响。c.尺寸与集成度：随着微电子技术的发展，对传感器的小型化和集成度提出了更高的要求。如何在保证性能的同时，缩小传感器尺寸，提高集成度，是当前的一个重要挑战。d.成本与制造工艺：高性能压电传感器的制造成本较高，且制造工艺复杂，这限制了其在某些领域的广泛应用。a.新材料研发：探索新型压电材料，如纳米材料、生物兼容材料等，以提高传感器的性能和适应性。b.智能化与自适应性：通过引入智能算法和自适应技术，使传感器能够根据不同的工作环境自动调整其性能，提高其在复杂环境下的可靠性。c.集成化与多功能化：随着微电子技术的发展，未来的传感器将更趋向于集成化和多功能化，能够同时进行多种物理量的测量。d.成本降低与制造工艺改进：通过技术创新和制造工艺的改进，降低传感器的制造成本，使其在更广泛的领域得到应用。e.可持续发展与环境友好：未来的研发将更加注重传感器的环境影响，开发环境友好型传感器，符合可持续发展的要求。总结来说，压电式传感器与测力仪的研发虽面临挑战，但未来充满机遇。随着科技的进步和研发的深入，这些设备将在更多领域发挥重要作用，为人类社会的发展做出更大贡献。7.结论在撰写科技类文章时，“结论”部分是对全文研究内容和成果的总结概括，并对未来发展方向进行展望。针对《压电式传感器与测力仪研发回顾与展望》一文，假设已对压电传感器技术的发展历程、关键技术突破、应用现状以及所面临的挑战进行了深入探讨，结论段落可以这样组织：经过本文对压电式传感器与测力仪的研发历程回顾分析，我们清晰地认识到压电技术在精密测量领域的重要性日益凸显。过去几十年的研究与实践证明了压电材料的独特性能在实现高精度、快速响应测力方面的巨大潜力。目前，压电式传感器凭借其体积小、重量轻、灵敏度高等优势，在工业自动化、生物医学监测、航空航天等诸多领域取得了广泛应用。尽管取得了一系列显著的进步，压电式传感器与测力仪的研发仍面临一些亟待解决的问题，如长期稳定性、温度敏感性、以及新型压电材料的开发与优化等。与此同时，随着物联网、大数据及人工智能技术的快速发展，压电传感器集成化、智能化的需求日益增强，要求我们在硬件微型化的同时，也要注重软件算法的创新与升级。压电式传感器与测力仪的研发工作已经取得了丰硕成果，但未来仍有广阔的发展空间。展望未来，我们期待通过持续的基础理论研究、新材料的探索与应用、以及多学科交叉融合技术创新，进一步提升压电传感器的性能指标，拓宽其应用场景，以满足不断增长的高精度、多功能、实时在线测力需求，从而在全球科技竞争中占据更为重要的地位。参考资料：随着科技的快速发展，传感器和测力仪在各个领域的应用越来越广泛，其中压电式传感器与测力仪因其独特的优势和特性，在许多高精度、高灵敏度的测量场景中发挥着不可替代的作用。本文将对压电式传感器与测力仪的研发历程进行回顾，并对其未来发展进行展望。压电式传感器与测力仪的研发始于20世纪初，其基本原理是利用压电材料的压电效应，将力或压力转换为电信号，从而实现对力的测量。早期的压电式传感器与测力仪主要应用于军事、航空航天等领域的高精度测量。随着材料科学和微电子技术的不断发展，压电式传感器与测力仪的性能不断提升，应用范围也不断拓展。目前，压电式传感器与测力仪已经在许多领域得到了广泛应用，如工业自动化、生物医学、环境监测、安全防范等。在工业自动化领域，压电式传感器与测力仪被用于机器人关节的力反馈控制、生产线上物料的重量检测等；在生物医学领域，压电式传感器与测力仪被用于生物力学研究、医疗诊断和治疗等；在环境监测领域，压电式传感器与测力仪被用于气象观测、地震监测等；在安全防范领域，压电式传感器与测力仪被用于安全门禁、报警系统等。随着科技的不断发展，压电式传感器与测力仪在未来将会有更加广泛的应用前景。随着材料科学的进步，新型的压电材料将会不断涌现，使得压电式传感器与测力仪的性能得到进一步提升。随着微电子技术的进步，压电式传感器与测力仪的尺寸将会不断缩小，使得其在便携式设备、可穿戴设备等领域的应用更加广泛。随着人工智能和物联网技术的发展，压电式传感器与测力仪将能够实现智能化、网络化，使得其在智能制造、智慧城市等领域的应用更加深入。随着人们对环境和健康的关注度不断提高，压电式传感器与测力仪在环境监测和健康领域的应用也将得到进一步拓展。例如，利用压电式传感器与测力仪监测空气质量、测量人体运动力学参数等。压电式传感器与测力仪在未来将会有更加广泛的应用前景和更高的要求。我们需要不断探索新的技术和方法，进一步提高压电式传感器与测力仪的性能和稳定性，以满足不同领域的需求。我们也需要加强对其在实际应用中的研究和测试，不断完善其应用方案和优化设计方案，以实现更加精准、可靠的测量效果。由一个或多个能在受力后产生形变的弹性体，和能感应这个形变量的电阻应变片组成的电桥电路（如惠斯登电桥），以及能把电阻应变片固定粘贴在弹性体上并能传导应变量的粘合剂和保护电子电路的密封胶等三大部分组成测力传感器。在受到外力作用后，粘贴在弹性体的应变片随之产生形变引起电阻变化，电阻变化使组成的惠斯登电桥失去平衡输出一个与外力成线性正比变化的电量电信号。测力传感器弹性体材料，一般选用金属材质，可选用的材质大部分为铝合金材质、合金钢材质及不锈钢材质。合金材质既有刚度保证形变一致及形变恢复，又有良好的耐候防腐性能。弹性体的主要要求就是能够精确传递受力信息并保持在相同受力时的形变一致性和完全复位性。电阻应变片的组成复杂，是复合型制造产品，应变片的基材和应变铜质的组合千变万化，根据其应变要求，目前，大约有近千种产品。一般，基材采用高分子薄膜材料，应变材质为高纯度康铜。基材上的康铜通过光学处理后刻蚀不同感应形变的电阻栅丝。电阻应变片的品质不仅与基材材质和复合的金属纯度有关，而且与复合工艺、刻蚀技术及工艺、刻蚀化学材料及后处理工艺和材料等等因素相关。电阻应变片贴片用粘合剂主要采用双组分高分子环氧系列粘合剂，高分子化学产品的性能与各个组分的物理及化学指标密切相关，如纯度、分子链的结构和大小、储存时间、组分的配比、分子改性、混合方式、混合熟化使用时间、固化时间、固化温度、助剂及百分比等因素。在焊接技术及设备不充分的测力传感器初期阶段，均采用专用硅橡胶密封胶系列。硅橡胶具有长期化学稳定性，防腐、防潮、耐老化、绝缘等各项性能优异，长期以来一直是所有密封胶的首选产品。导线依然是测力传感器组成的一部分，测力传感器导线的金属材质，由于家庭电器的电线使用，质量差异都有切身体会。毕竟导线是桥路供电、信号输出、长线激励电压补偿的通路，镀银线肯定比铜线传导效果好，铜线肯定比铝线传导效果好，其作用不言而喻。随着，各种高频、无线电波等越来越多的干扰，测力传感器的优良屏蔽也是保护信号稳定的重要方法。环境侵蚀、虫鼠侵害、防火阻燃等也需要传感器保护层的材料防腐防虫防火防爆，甚至需要采用铠甲保护、套管防护等方法。测力传感器的每个组成部分都会影响传感器最终的技术性能，一些测力传感器仅仅采用简单固定的方式避免传感器导线的移动而损伤传感器的电子电路固定，一些传导距离很短的测力传感器甚至仅仅依靠胶封固定。但较大体积、重量较大的测力传感器，如果没有适当导线固定或密封的方式，就是测力传感器最易产生故障的瓶颈。特别是加装密封头固定导线时，紧固件的材质及紧固力度也会给测力传感器的最终技术性能带来影响。观察者发现，很少有使用紧固件安装使用密封粘合剂的，这样可以避免依靠紧固力固定带来的残余应力，也不会由于紧固力不足而产生泄露的问题。测力传感器的弹性元件、外壳、膜片及上压头、下压垫的设计，都必须保证受载后在结构上不产生性能波动，或性能波动很小，为此在测力传感器设计时，应尽量作到应变区受力单一，应力均匀一致；贴片部位最好为平面；在结构上保证具有一定的抗偏心载荷和侧向载荷的能力；安装力远离应变区，测量时应避免载荷支承点的位移。尽管测力传感器属于装配制造产品，但为了保证具有最佳技术性能和长期稳定性，尽可能将它设计成一个整体结构。弹性元件的金属材料对测力传感器的综合性能和长期稳定性起关键作用。应选择强度极限和弹性极限高，弹性模量的时间、温度稳定性好，弹性滞后小，机械加工和热处理产生的残余应力小的材料。有资料表明:只要材料淬火后的塑性好，它在机械加工和热处理后的残余应力就小。还要特别重视弹性模量随时间的稳定性，要求在测力传感器使用寿命期间内材料的弹性模具不发生变化。弹性元件在机械加工过程中，由于表面变形的不均匀产生较大的残余应力，切削用量越大，残余应力就越大，磨削加工产生的残余应力最大。因此应制订合理的加工工艺和规定适当的切削用量。弹性元件在热处理过程中，由于冷却温度不均匀和金属材料相变等原因，在芯部和表层产生方向不同的残余应力，其芯部为拉应力，表层为压应力。必须通过回火处理工艺，在其内部产生方向相反的应力，与残余应力相互抵消，减少残余应力的影响。电阻应变计应具有最佳性能，要求灵敏系数稳定性好，热输出小，机械滞后和蠕变小，应变量为1000×10-6时疲劳寿命可达108，电阻值偏差小，批次质量均一性好等。应变粘结剂应具有粘结强度大，抗剪强度高；弹性模量较大且稳定；电绝缘性能好；具有与弹性元件相同或相近的热膨胀系数；蠕变和滞后小；固化时胶层体积收缩小等。粘贴电阻应变计时一定要严格控制胶层厚度，因为粘结强度随胶层厚度的增加而降低。这是由于薄的胶层需要更大的应力才能变形，不易产生流动和蠕变，界面上的内应力很小，产生气泡和缺陷的几率也比较小，应变传递性能好，只要防护密封合理就可达到较高的稳定性水平。应变式测力传感器的工作原理和总体结构决定了，在生产工艺流程中有些工序必须手工操作，人为的因素对测力传感器的质量影响较大。因此必须制订科学合理并可重复的制造工艺流程，并在其中增加电子计算机控制的自动化或半自动化工序，尽量减少人为因素对产品质量的影响。应变式测力传感器属于装配制造，贴片组桥后就形成了产品，由于内部不可避免的产生一些缺陷和外界环境条件的影响，测力传感器的某些性能指标达不到设计要求，因此必须进行各项电路补偿与调整，提高测力传感器本身的稳定性和对外部环境条件的稳定性。完善而精细的电路补偿工艺，是提高测力传感器稳定性的重要环节。防护与密封是测力传感器制造工艺流程中的要害工序，是测力传感器耐受客观环境和感应环境影响而能稳定可靠工作的根本保障。如果防护密封不良，粘贴在弹性元件上的电阻应变计及应变粘结剂胶层，都会吸收空气中的水分而产生增塑，造成粘结强度和刚度下降，引起零点漂移和输出无规律变化，直至测力传感器失效。因此有效的防护密封是测力传感器长期稳定工作的根本保证，否则将使各项工艺成果前功尽弃。提高测力传感器的稳定性除处理好上述各种因素的影响外，最重要的途径就是采取各种技术措施和工艺手段，模拟使用条件进行有效的人工老练试验，尽量多的释放残余应力使其性能波动减至最小。由于弹性元件在毛坯锻造、机械加工、热处理、表面打磨、电阻应变计粘贴和加压固化等工艺过程中产生各种残余应力，随着时间和使用条件的变化不断松弛释放，而造成测力传感器的性能波动，主要表现在零点和灵敏度不稳定。为使测力传感器在生产过程中渡过初始不稳定期，采用工艺手段模拟各种使用条件进行试验，使其尽快稳定的工艺称为稳定性处理，也称人工老炼试验。测力传感器释放残余应力的稳定性处理方法，除制造工艺流程中常用的温度老化和电老化处理外，主要有两种方法，即热处理法和机械法。多应用于铝合金测力传感器，在毛坯加工成弹性元件后进行，主要有反淬火法、冷热循环法和恒温时效法。国内也称深冷急热法。将铝合金弹性元件置于-196℃的液氮中，保温12小时后，迅速用新生的高速蒸汽喷射或放入沸水之中。因深冷与急热产生的应力方向相反而相互抵消，达到释放残余应力的目的。试验表明，采用液氮———高速蒸汽法可降低残余应力84%，采用液氮———沸水法可降低残余应力50%。冷热循环稳定性处理工艺为-196℃×4小时/190℃×4小时，循环3次，可使残余应力下降90%左右，并且组织结构稳定，微量塑性变形抗力高，尺寸稳定性好。释放残余应力的效果如此明显，一是因为加热时原子热运动能量增加，点阵畸变减小或消失，内应力下降，上限温度越高，原子热运动越大塑性越好，越有利于残余应力释放。二是因为冷热温度梯度产生的热应力与残余应力相互作用，使其重新分布而获得残余应力下降的效果。恒温时效即可消除机械加工产生的残余应力，又能消除热处理引入的残余应力。LY12硬铝合金在200℃高温下恒温时效时，残余应力释放与时效时间关系表明，保温24小时，可使残余应力下降50%左右。机械法稳定性处理，多在测力传感器电路补偿与调整和防护密封后，基本形成产品时进行。主要工艺有脉动疲劳法、超载静压法和振动时效法。将测力传感器安装在低频疲劳试验机上，施加上限为额定载荷或120%额定载荷，以每秒3～5次的频率进行5000～10000次的循环。可有效的释放弹性元件、电阻应变计、应变粘结剂胶层的残余应力，提高零点和灵敏度稳定性的效果极为明显。理论上适用于各种量程，但在实际生产中以铝合金小量程测力传感器应用较多。其工艺是：在专用的标准砝码加载装置中或简易的机械螺旋加载设备上，对测力传感器施加125%额定载荷，保持4～8小时，或施加110%额定载荷，保持24小时，两种工艺都可以达到释放残余应力，提高零点和灵敏度稳定性的目的。由于超载静压工艺所用设备简单，成本低，效果好，为铝合金测力传感器制造企业广泛采用。（3）振动时效（VibratorySterssReliering）法将测力传感器安装在额定正弦推力满足振动时效要求的振动台上，根据称重传感器的额定量程估算频率，来决定施加的振动载荷、工作频率和振动时间。共振时效比振动时效释放残余应力的效果更好，但必须测量出测力传感器的固有频率。振动时效和共振时效工艺的特点是：能耗低，周期短，效果好，不损坏弹性元件表面，而且操作简单。振动时效的机理，目前尚无定论。国外专家提出的理论和观点有：塑性变形理论、疲劳理论、晶格错位滑移理论、能量观点及材料力学观点等。只是作出了不同程度的解释，但都没有充分的、有说服力的、权威性的试验证明。这些理论和观点往往是相互交叉的，所以可认为振动时效的机理是一个复杂的过程。经过振动时效的试验研究，有些专家倾向于用材料力学的重复应力过载的观点，解释振动时效的机理。即作用在弹性元件上的振动应力与其内部的残余应力相互作用，使残余应力松弛并释放。压电式加速度传感器又称压电加速度计。它也属于惯性式传感器。它是利用某些物质如石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。压电式加速度传感器是基于压电晶体的压电效应工作的。某些晶体在一定方向上受力变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去除后，又重新恢复到不带电状态，这种现象称为“压电效应”，具有“压电效应”的晶体称为压电晶体。常用的压电晶体有石英、压电陶瓷等。压电式加速度传感器压电式加速度计的结构和安装压电式加速度计的结构形式常用的压电式加速度计的结构形式如图1。S是弹簧，M是质量块，B是基座，P是压电元件，R是夹持环。图1中（a）是中央安装压缩型，压电元件—质量块—弹簧系统装在圆形中心支柱上，支柱与基座连接。这种结构有高的共振频率。然而基座B与测试对象连接时，如果基座B有变形则将直接影响拾振器输出。测试对象和环境温度变化将影响压电元件，并使预紧力发生变化，易引起温度漂移。图1中（c）为三角剪切形，压电元件由夹持环将其夹牢在三角形中心柱上。加速度计感受轴向振动时，压电元件承受切应力。这种结构对底座变形和温度变化有极好的隔离作用，有较高的共振频率和良好的线性。图1中（b）为环形剪切型，结构简单，能做成极小型、高共振频率的加速度计，环形质量块粘到装在中心支柱上的环形压电元件上。由于粘结剂会随温度增高而变软，因此最高工作温度受到限制。一般小阻尼(z＜=1)的加速度计，上限频率若取为共振频率的1/3，便可保证幅值误差低于1dB（即12%）；若取为共振频率的1/5，则可保证幅值误差小于5dB（即6%），相移小于30。但共振频率与加速度计的固定状况有关，加速度计出厂时给出的幅频曲线是在刚性连接的固定情况下得到的。实际使用的固定方法往往难于达到刚性连接，因而共振频率和使用上限频率都会有所下降。加速度计与试件的各种固定方法见图其中采用钢螺栓固定，是使共振频率能达到出厂共振频率的最好方法。螺栓不得全部拧入基座螺孔，以免引起基座变形，影响加速度计的输出。在安装面上涂一层硅脂可增加不平整安装表面的连接可靠性。需要绝缘时可用绝缘螺栓和云母垫片来固定加速度计,但垫圈应尽量簿。用一层簿蜡把加速度计粘在试件平整表面上，也可用于低温（40℃以下）的场合。手持探针测振方法,在多点测试时使用特别方便，但测量误差较大，重复性差，使用上限频率一般不高于1000Hz。用专用永久磁铁固定加速度计，使用方便，多在低频测量中使用。此法也可使加速度计与试件绝缘。用硬性粘接螺栓或粘接剂的固定方法也长使用。某种典型的加速度计采用上述各种固定方法的共振频率分别约为：钢螺栓固定法31kHz，云母垫片28kHz，涂簿蜡层29kHz，手持法2kHz，永久磁铁固定法7kHz。压电加速度计属发电型传感器，可把它看成电压源或电荷源，故灵敏度有电压灵敏度和电荷灵敏度两种表示方法。前者是加速度计输出电压（mV）与所承受加速度之比；后者是加速度计输出电荷与所承受加速度之比。加速度单位为m/s^2，但在振动测量中往往用标准重力加速度g作单位，1g=80665m/s^2。这是一种已为大家所接受的表示方式，几乎所有测振仪器都用g作为加速度单位并在仪器的板面上和说明书中标出。对给定的压电材料而言，灵敏度随质量块的增大或压电元件的增多而增大。一般来说，加速度计尺寸越大，其固有频率越低。因此选用加速度计时应当权衡灵敏度和结构尺寸、附加质量的影响和频率响应特性之间的利弊。压电晶体加速度计的横向灵敏度表示它对横向（垂直于加速度计轴线）振动的敏感程度，横向灵敏度常以主灵敏度（即加速度计的电压灵敏度或电荷灵敏度）的百分比表示。一般在壳体上用小红点标出最小横向灵敏度方向，一个优良的加速度计的横向灵敏度应小于主灵敏度的3%。压电式加速度计在测试时具有明显的方向性。压电元件受力后产生的电荷量极其微弱，这电荷使压电元件边界和接在边界上的导体充电到电压U=q/Ca（这里Ca是加速度计的内电容）。要测定这样微弱的电荷（或电压）的关键是防止导线、测量电路和加速度计本身的电荷泄漏。换句话讲，压电加速度计所用的前置放大器应具有极高的输入阻抗，把泄漏减少到测量准确度所要求的限度以内。压电式传感器的前置放大器有：电压放大器和电荷放大器。所用电压放大器就是高输入阻抗的比例放大器。其电路比较简单，但输出受连接电缆对地电容的影响，适用于一般振动测量。电荷放大器以电容作负反馈，使用中基本不受电缆电容的影响。在电荷放大器中，通常用高质量的元、器件，输入阻抗高，但价格也比较贵。从压电式传感器的力学模型看，它具有“低通”特性，原可测量极低频的振动。但实际上由于低频尤其小振幅振动时，加速度值小，传感器的灵敏度有限，因此输出的信号将很微弱，信噪比很低；另外电荷的泄漏，积分电路的漂移（用于测振动速度和位移）、器件的噪声都是不可避免的，所以实际低频端也出现“截止频率”，约为1～1Hz左右。秦皇岛市恒科科技有限公司生产的压电式加速度传感器型号：HK9101-J指标如下灵敏度：~35pC/g在现代生产生活中被应用于许许多多的方面，如手提电脑的硬盘抗摔保护，目前用的数码相机和摄像机里，也有加速度传感器，用来检测拍摄时候的手部的振动，并根据这些振动，自动调节相机的聚焦。压电加速度传感器还应用于汽车安全气囊、防抱死系统、牵引控制系统等安全性能方面。由一个或多个能在受力后产生形变的弹性体，和能感应这个形变量的电阻应变片组成的电桥电路（如惠斯登电桥），以及能把电阻应变片固定粘贴在弹性体上并能传导应变量的粘合剂和保护电子电路的密封胶等三大部分组成测力传感器。在受到外力作用后，粘贴在弹性体的应变片随之产生形变引起电阻变化，电阻变化使组成的惠斯登电桥失去平衡输出一个与外力成线性正比变化的电量电信号。测力传感器弹性体材料，一般选用金属材质，可选用的材质大部分为铝合金材质、合金钢材质及不锈钢材质。合金材质既有刚度保证形变一致及形变恢复，又有良好的耐候防腐性能。弹性体的主要要求就是能够精确传递受力信息并保持在相同受力时的形变一致性和完全复位性。电阻应变片的组成复杂，是复合型制造产品，应变片的基材和应变铜质的组合千变万化，根据其应变要求，目前，大约有近千种产品。一般，基材采用高分子薄膜材料，应变材质为高纯度康铜。基材上的康铜通过光学处理后刻蚀不同感应形变的电阻栅丝。电阻应变片的品质不仅与基材材质和复合的金属纯度有关，而且与复合工艺、刻蚀技术及工艺、刻蚀化学材料及后处理工艺和材料等等因素相关。电阻应变片贴片用粘合剂主要采用双组分高分子环氧系列粘合剂，高分子化学产品的性能与各个组分的物理及化学指标密切相关，如纯度、分子链的结构和大小、储存时间、组分的配比、分子改性、混合方式、混合熟化使用时间、固化时间、固化温度、助剂及百分比等因素。在焊接技术及设备不充分的测力传感器初期阶段，均采用专用硅橡胶密封胶系列。硅橡胶具有长期化学稳定性，防腐、防潮、耐老化、绝缘等各项性能优异，长期以来一直是所有密封胶的首选产品。导线依然是测力传感器组成的一部分，测力传感器导线的金属材质，由于家庭电器的电线使用，质量差异都有切身体会。毕竟导线是桥路供电、信号输出、长线激励电压补偿的通路，镀银线肯定比铜线传导效果好，铜线肯定比铝线传导效果好，其作用不言而喻。随着，各种高频、无线电波等越来越多的干扰，测力传感器的优良屏蔽也是保护信号稳定的重要方法。环境侵蚀、虫鼠侵害、防火阻燃等也需要传感器保护层的材料防腐防虫防火防爆，甚至需要采用铠甲保护、套管防护等方法。测力传感器的每个组成部分都会影响传感器最终的技术性能，一些测力传感器仅仅采用简单固定的方式避免传感器导线的移动而损伤传感器的电子电路固定，一些传导距离很短的测力传感器甚至仅仅依靠胶封固定。但较大体积、重量较大的测力传感器，如果没有适当导线固定或密封的方式，就是测力传感器最易产生故障的瓶颈。特别是加装密封头固定导线时，紧固件的材质及紧固力度也会给测力传感器的最终技术性能带来影响。观察者发现，很少有使用紧固件安装使用密封粘合剂的，这样可以避免依靠紧固力固定带来的残余应力，也不会由于紧固力不足而产生泄露的问题。测力传感器的弹性元件、外壳、膜片及上压头、下压垫的设计，都必须保证受载后在结构上不产生性能波动，或性能波动很小，为此在测力传感器设计时，应尽量作到应变区受力单一，应力均匀一致；贴片部位最好为平面；在结构上保证具有一定的抗偏心载荷和侧向载荷的能力；安装力远离应变区，测量时应避免载荷支承点的位移。尽管测力传感器属于装配制造产品，但为了保证具有最佳技术性能和长期稳定性，尽可能将它设计成一个整体结构。弹性元件的金属材料对测力传感器的综合性能和长期稳定性起关键作用。应选择强度极限和弹性极限高，弹性模量的时间、温度稳定性好，弹性滞后小，机械加工和热处理产生的残余应力小的材料。有资料表明:只要材料淬火后的塑性好，它在机械加工和热处理后的残余应力就小。还要特别重视弹性模量随时间的稳定性，要求在测力传感器使用寿命期间内材料的弹性模具不发生变化。弹性元件在机械加工过程中，由于表面变形的不均匀产生较大的残余应力，切削用量越大，残余应力就越大，磨削加工产生的残余应力最大。因此应制订合理的加工工艺和规定适当的切削用量。弹性元件在热处理过程中，由于冷却温度不均匀和金属材料相变等原因，在芯部和表层产生方向不同的残余应力，其芯部为拉应力，表层为压应力。必须通过回火处理工艺，在其内部产生方向相反的应力，与残余应力相互抵消，减少残余应力的影响。电阻应变计应具有最佳性能，要求灵敏系数稳定性好，热输出小，机械滞后和蠕变小，应变量为1000×10-6时疲劳寿命可达108，电阻值偏差小，批次质量均一性好等。应变粘结剂应具有粘结强度大，抗剪强度高；弹性模量较大且稳定；电绝缘性能好；具有与弹性元件相同或相近的热膨胀系数；蠕变和滞后小；固化时胶层体积收缩小等。粘贴电阻应变计时一定要严格控制胶层厚度，因为粘结强度随胶层厚度的增加而降低。这是由于薄的胶层需要更大的应力才能变形，不易产生流动和蠕变，界面上的内应力很小，产生气泡和缺陷的几率也比较小，应变传递性能好，只要防护密封合理就可达到较高的稳定性水平。应变式测力传感器的工作原理和总体结构决定了，在生产工艺流程中有些工序必须手工操作，人为的因素对测力传感器的质量影响较大。因此必须制订科学合理并可重复的制造工艺流程，并在其中增加电子计算机控制的自动化或半自动化工序，尽量减少人为因素对产品质量的影响。应变式测力传感器属于装配制造，贴片组桥后就形成了产品，由于内部不可避免的产生一些缺陷和外界环境条件的影响，测力传感器的某些性能指标达不到设计要求，因此必须进行各项电路补偿与调整，提高测力传感器本身的稳定性和对外部环境条件的稳定性。完善而精细的电路补偿工艺，是提高测力传感器稳定性的重要环节。防护与密封是测力传感器制造工艺流程中的要害工序，是测力传感器耐受客观环境和感应环境影响而能稳定可靠工作的根本保障。如果防护密封不良，粘贴在弹性元件上的电阻应变计及应变粘结剂胶层，都会吸收空气中的水分而产生增塑，造成粘结强度和刚度下降，引起零点漂移和输出无规律变化，直至测力传感器失效。因此有效的防护密封是测力传感器长期稳定工作的根本保证，否则将使各项工艺成果前功尽弃。提高测力传感器的稳定性除处理好上述各种因素的