傳感器檢測技術(shù)及應(yīng)用課件--力學(xué)傳感器及其應(yīng)用

1、傳感器檢測技術(shù)及應(yīng)用課件-力學(xué)傳感器及其應(yīng)用 1 應(yīng)變式傳感器電感式傳感器電容式傳感器壓電式傳感器壓磁式傳感器工程3 力學(xué)傳感器及其應(yīng)用23.1 測力傳感器力是物理根本量之一，因此測量各種動(dòng)態(tài)、靜態(tài)力的大小是十分重要的。力的測量需要通過力傳感器間接完成，力傳感器是將各種力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器件。3力傳感器例如4 電氣式測力傳感器的分類有：參量型測力傳感器：將被測物理量轉(zhuǎn)化為電參數(shù)。如電阻、電容或電感等。發(fā)電型測力傳感器：將被測物理量轉(zhuǎn)換為電源性參量。如電動(dòng)勢、電荷等。1、測力傳感器的分類方式 5 電氣式測力傳感器參量型測力傳感器 發(fā)電型測力傳感器電阻應(yīng)變式 壓電式電容式 測力傳感器 測力傳感器

2、 電感式 壓磁式 2、測力傳感器的種類 6 由彈性元件、電阻應(yīng)變片及外殼等組裝成的用來進(jìn)行測量的裝置，稱為應(yīng)變式傳感器。3.1.1 電阻應(yīng)變式測力傳感器 71、應(yīng)變式測力傳感器的工作原理 電阻應(yīng)變式測力傳感器的工作原理是在一定形狀的彈性元件上粘貼或用其它方法安裝電阻應(yīng)變敏感元件。當(dāng)接觸力作用在彈性元件上時(shí)，彈性元件產(chǎn)生變形，電阻應(yīng)變敏感元件的阻值隨之發(fā)生變化。我們可用變換電路將阻值的變化變成電壓或電流的變化，并將其信號(hào)輸出到測量電路，根據(jù)電壓變化量即可得知接觸力的大小與作用位置。8柱型應(yīng)變式測力傳感器結(jié)構(gòu)9柱型彈性元件力與應(yīng)變的關(guān)系 柱型傳感器特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，緊湊，可設(shè)計(jì)成壓式或拉壓式，可承受

3、大載荷，強(qiáng)度計(jì)算簡單?？v向應(yīng)力： F/SE其應(yīng)變?yōu)椋?L/L /EF/SE式中 ?彈性元件的縱向應(yīng)力Pa； ? 縱向應(yīng)變；F? 受力N；S? 彈性元件的橫斷面積m2E? 元件材料的彈性模量Pa10薄壁環(huán)型應(yīng)變式測力傳感器結(jié)構(gòu)11薄壁環(huán)式應(yīng)變彈性元件，其應(yīng)變片在薄壁式彈性元件上的位置如下圖。其應(yīng)變公式為：式中：A一A處的應(yīng)變值 B一B處的應(yīng)變值 h一電橋輸出的應(yīng)變值； R0一薄壁環(huán)平均半徑m；R一薄壁環(huán)內(nèi)圓半徑m； b?薄壁環(huán)的寬度m；h一薄壁環(huán)的厚度mm。 F?受力N；E?元件材料的彈性模量Pa薄壁環(huán)型彈性元件力與應(yīng)變的關(guān)系 EbhFRA 20908.1? EbhFRB 20092.1? Eb

4、hFRh 235.4?12梁型應(yīng)變式測力傳感器結(jié)構(gòu)113梁型應(yīng)變式測力傳感器結(jié)構(gòu)214懸臂梁式應(yīng)變彈性元件，其應(yīng)變片的位置如前圖所示。其上下外表的應(yīng)變值為：式中：l?懸臂外端距應(yīng)變片中心的長度m；b?懸臂寬度m；h?懸臂厚度m；F?受力N；E?元件材料的彈性模量Pa懸臂梁式彈性元件力與應(yīng)變的關(guān)系 EbhFl224?15等強(qiáng)度懸臂梁式應(yīng)變彈性元件，其應(yīng)變片的位置如圖所示。其上下外表的應(yīng)變值為：式中：l?梁的長度m；b?梁的寬度m；h?梁的厚度m；F?受力N；E?元件材料的彈性模量Pa等強(qiáng)度懸臂梁式彈性元件力與應(yīng)變的關(guān)系 EbhFl26?16兩端固定梁式應(yīng)變彈性元件，應(yīng)變片的位置如下圖。其上下外表

5、的應(yīng)變值為：式中：l?梁的長度m；b?梁的寬度m；h?梁的厚度m；F?受力N；E?元件材料的彈性模量Pa兩端固定梁式彈性元件力與應(yīng)變的關(guān)系 EbhFl243?172、彈性元件力與應(yīng)變關(guān)系的結(jié)論在電阻應(yīng)變式測力傳感器中，當(dāng)彈性元件的尺寸和材料確定后，彈性元件在外力作用下所產(chǎn)生的應(yīng)變與外力成正比。183應(yīng)變片 電阻應(yīng)變片簡稱應(yīng)變片的作用是把導(dǎo)體的機(jī)械應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻應(yīng)變，以便進(jìn)一步電測。 實(shí)際的應(yīng)變片根據(jù)敏感元件材料的不同，主要分為金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩類。金屬電阻應(yīng)變片分為體型和薄膜型。半導(dǎo)體應(yīng)變片常見的有體型、薄膜型、擴(kuò)散型、外延型、PN結(jié)及其他形式。19設(shè)金屬電阻絲長度為L，截面積為S

6、，電阻率為，那么電阻值R為：如下圖，當(dāng)電阻絲受到拉力F時(shí)，其阻值發(fā)生變化。材料電阻值的變化，一是受力后材料幾何尺寸變化；二是受力后材料的電阻率也發(fā)生了變化。大量實(shí)驗(yàn)說明，在電阻絲拉伸極限內(nèi)，電阻的相對(duì)變化與應(yīng)變成正比，而應(yīng)變與應(yīng)力也成正比。金屬電阻應(yīng)變片的工作原理SLR ?20當(dāng)電阻絲受到拉力F作用時(shí), 將伸長L, 橫截面積相應(yīng)減小S, 電阻率將因晶格發(fā)生變形等因素而改變, 故引起電阻值相對(duì)變化量為式中L/L是長度相對(duì)變化量, 用應(yīng)變表示：S/S為圓形電阻絲的截面積相對(duì)變化量, 即 電阻應(yīng)變式傳感器工作原理2? SSLLRRLL?rrSS ? 221由材料力學(xué)可知, 在彈性范圍內(nèi), 金屬絲受拉

7、力時(shí), 沿軸向伸長, 沿徑向縮短, 那么軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)系可表示為式中: ?電阻絲材料的泊松比, 負(fù)號(hào)表示應(yīng)變方向相反。將上2式帶入前式，得：電阻應(yīng)變式傳感器工作原理3? ? LLrr? ? 21RR22電阻應(yīng)變式傳感器工作原理4通常把單位應(yīng)變能引起的電阻值變化稱為金屬電阻絲的靈敏系數(shù)。其物理意義是單位應(yīng)變所引起的電阻相對(duì)變化量, 其表達(dá)式為：因此：dR/R受兩個(gè)因素影響: 受力后材料幾何尺寸的變化, 即1+2; 受力后材料壓阻效應(yīng)產(chǎn)生的變化, 即LE。? ? ? KERdRl ? 21?21?K23應(yīng)變片的受力24用應(yīng)變片測量時(shí)，將其貼在被測對(duì)象外表上。當(dāng)被測對(duì)象受力變形時(shí)，應(yīng)變片的敏

8、感柵也隨同變形，其電阻值發(fā)生相應(yīng)變化，通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，這是用來直接測量應(yīng)變。通過彈性敏感元件將位移、力、力矩、加速度、壓力等物理量轉(zhuǎn)換為應(yīng)變，那么可用應(yīng)變片測量上述各量，而做成各種應(yīng)變式傳感器。應(yīng)變片的根本結(jié)構(gòu)25應(yīng)變片的根本結(jié)構(gòu)21敏感柵感受應(yīng)變，并將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻的變化。敏感柵有絲式、 箔式和薄膜式三種。2底基絕緣及傳遞應(yīng)變。要求底基準(zhǔn)確地把試件應(yīng)變傳遞給敏感柵,同時(shí)基片絕緣性能要好，否那么應(yīng)變片微小電信號(hào)就要漏掉。由紙薄、膠質(zhì)膜等制成。3粘結(jié)劑敏感柵與底基、底基與試件、底基與覆蓋層之間的粘結(jié)。4覆蓋層保護(hù)作用。防濕、蝕、塵。5引線連接電阻絲與測量電路，輸出電參量。26

9、對(duì)敏感柵材料的要求應(yīng)變靈敏系數(shù)大，并在所測應(yīng)變范圍內(nèi)保持為常數(shù)；電阻率高而穩(wěn)定，以便于制造小柵長的應(yīng)變片；電阻溫度系數(shù)要?。豢寡趸芰Ω?，耐腐蝕性能強(qiáng)；在工作溫度范圍內(nèi)能保持足夠的抗拉強(qiáng)度；加工性能良好,易于拉制成絲或軋壓成箔材；易于焊接，對(duì)引線材料的熱電勢小。對(duì)應(yīng)變片要求必須根據(jù)實(shí)際使用情況，合理選擇。27金屬絲式應(yīng)變片回線式：橫向效應(yīng)較大 短接式：克服橫向效應(yīng)28金屬箔式應(yīng)變片電阻箔材，利用照相制版或光刻技術(shù)，制成各種需要的形狀。優(yōu)點(diǎn)：可制成多種復(fù)雜形狀尺寸準(zhǔn)確的敏感柵；與被測件粘結(jié)面積大；散熱條件好，允許電流大，提高了輸出靈敏度；橫向效應(yīng)??；蠕變和機(jī)械滯后小，壽命長。缺點(diǎn)：工序復(fù)雜、不適

10、于在高溫環(huán)境中測量，價(jià)格高。29金屬薄膜應(yīng)變片?采用真空蒸發(fā)或真空沉積等方法在薄的絕緣基片上形成厚度在0.1微米以下的金屬電阻材料薄膜的敏感柵，最后再加上保護(hù)層。優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)變靈敏系數(shù)大，允許電流密度大。存在問題：溫度穩(wěn)定性差應(yīng)變片的粘貼：應(yīng)變片是用粘合劑粘貼到被測件上的。粘合劑形成的膠層必須準(zhǔn)確迅速地將披測件應(yīng)變傳進(jìn)到敏感柵上。粘合劑的性能及粘貼工藝的質(zhì)量直接影響著應(yīng)變片的工作特性，如零漂、蠕變、滯后、靈敏系數(shù)，線性以及它們受溫度變化影響的程度。對(duì)粘合劑和粘貼工藝有嚴(yán)格要求。30半導(dǎo)體應(yīng)變片壓阻效應(yīng)：固體受到作用力后，電阻率就要發(fā)生變化，這種現(xiàn)象叫壓阻效應(yīng)。半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)特別強(qiáng)。半導(dǎo)體應(yīng)變

11、片的分類： 粘貼式應(yīng)變片 擴(kuò)散硅型壓阻傳感器31半導(dǎo)體應(yīng)變片的制作材料用單晶硅、鍺。P型單晶硅結(jié)構(gòu)如圖。在直角坐標(biāo)系中它有許多晶軸方向，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)沿不同晶軸方向壓阻系數(shù)相差很大電阻率變化相差很大。半導(dǎo)體應(yīng)變片結(jié)構(gòu)32半導(dǎo)體應(yīng)變式傳感器常用硅、鍺等材料作成單根狀的敏感柵，其使用方法與金屬絲應(yīng)變片相同。因?yàn)椋喊雽?dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)為：半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)33半導(dǎo)體應(yīng)變片的特點(diǎn)半導(dǎo)體應(yīng)變片的突出優(yōu)點(diǎn)是靈敏系數(shù)很大，分辨率高，可測微小應(yīng)變。此外，頻率影響高，體積小、橫向效應(yīng)和機(jī)械滯后也小。主要用于測量壓力、加速度和載荷等。 主要缺點(diǎn)是應(yīng)變靈敏系數(shù)的離散性大，溫度穩(wěn)定性差和測量較大應(yīng)變時(shí)非線性嚴(yán)重，機(jī)械

12、強(qiáng)度低，非線性誤差大，溫度系數(shù)大，必須采取補(bǔ)償措施。此外，靈敏系數(shù)隨拉伸或壓縮而變。34應(yīng)變式傳感器與應(yīng)變儀配套使用進(jìn)行力的測量。應(yīng)變儀測量電路的作用：將電阻的變化量轉(zhuǎn)換為電壓輸出。應(yīng)變儀的測量電路多采用電橋，這種電橋稱之為電阻應(yīng)變片橋路。根據(jù)所用電源的不同，電橋可分為直流電橋和交流電橋，四個(gè)橋臂均為純電阻時(shí)，用直流電橋精確度高；假設(shè)有橋臂為阻抗時(shí)，必須用交流電橋。4 應(yīng)變片的布置和接橋方式 35應(yīng)變儀各局部的作用a、電橋：將片電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。b、振蕩器：供應(yīng)正弦波交流電壓作為電橋的載波電壓，由信號(hào)電壓對(duì)它進(jìn)行調(diào)幅，輸出一個(gè)窄頻帶的調(diào)幅電壓信號(hào)，送入放大器。同時(shí)為相敏檢波器提供參考電壓

13、。c、放大器：電橋輸出的信號(hào)非常微弱，一般在幾十微伏到幾毫伏之間，必須經(jīng)過放大器將橋送來的調(diào)幅電壓信號(hào)進(jìn)行失真放大，輸出足夠的功率推動(dòng)指示儀表或記錄器。d、相敏檢波器：既具有檢波的作用，又能完成區(qū)分信號(hào)相位如：應(yīng)變信號(hào)的拉伸或壓縮性質(zhì)的任務(wù)。36直流電橋電路如下圖，它的四個(gè)橋臂由電阻R1R2R3R4組成。AC端接直流電壓U，BD端輸出電壓U0。一般情況橋路應(yīng)接成等臂電橋,輸出為零。這樣無論哪個(gè)橋臂上受到外來信號(hào)作用后，橋路都將失去平衡，就會(huì)有信號(hào)輸出。1 直流電橋工作原理37電橋輸出端接入輸入阻抗很高的指示儀表或放大器時(shí)，可認(rèn)為電橋負(fù)載為無窮大，電橋輸出端相當(dāng)于開路，只能輸出電壓信號(hào)，稱為電壓

14、輸出。此時(shí)，橋路的電流為：AB之間和CD之間的電位差分別為：直流電橋工作原理211 2UI R R? ? 2 3 4UI R R? ?1 1ABU I R? 2 3ADU I R?38直流電橋工作原理3空載輸出：當(dāng)電橋平衡時(shí), Uo0, 那么有R1R4 R2R3 ，或0 1 1 2 3AB ADU U U I R I R? ? ? ?3 1 4 2 3101 2 3 4 1 2 3 4R R R R RRU U UR R R R R R R R? ? ? ? ? ?311 2 3 4URURR R R R? ? ?4321RRRR ?39電橋平衡條件電橋接入的是電阻應(yīng)變片時(shí)，即為應(yīng)變橋。當(dāng)一個(gè)

15、橋臂、兩個(gè)橋臂乃至四個(gè)橋臂接入應(yīng)變片時(shí)，相應(yīng)的電橋?yàn)閱伪蹣?、半橋雙臂和全臂橋。電橋平衡條件：相鄰兩臂電阻的比值應(yīng)相等, 或相對(duì)兩臂電阻的乘積相等。R2/R1 R4/R340當(dāng)電橋后面接放大器時(shí)，放大器的輸入阻抗很高，比電橋輸出電阻大很多，可把電橋輸出端看成開路。R1為電阻應(yīng)變片，RL 。設(shè)橋臂比n R2/R1, 分母中R1/R1可忽略。由電橋平衡條件R2/R1 R4/R3。電橋電壓靈敏度定義為：2不平衡直流電橋及電壓靈敏度31 1 401 1 2 3 4 1 1 2 3 4RR R RU U UR R R R R R R R R R? ? ? ? ? ? ? ? ? ?02111 UU nK

16、UR nR? ? ? ? 10 211 RnU U n R? ?41 提高供電電源的電壓U在功耗允許的范圍內(nèi) n1 R1R2R3R4由dKU /dn 0求KU的最大值, 得n1時(shí), KU為最大值。當(dāng)R1R2R3R4時(shí), 電橋電壓靈敏度最高。01132? nndndKU提高電橋電壓靈敏度的措施421、高穩(wěn)定度直流電源易于獲得。2、電橋調(diào)節(jié)平衡電路簡單。3、傳感器及測量電路分布參數(shù)影響小等。直流電橋的優(yōu)點(diǎn)43當(dāng)被測量為動(dòng)態(tài)量時(shí)，應(yīng)變電橋采用交流電橋。由于供橋電源為交流電源, 引線分布電容使得二橋臂應(yīng)變片呈現(xiàn)復(fù)阻抗特性, 相當(dāng)于二只應(yīng)變片各并聯(lián)了一個(gè)電容, 那么每一橋臂上復(fù)阻抗分別為： 11111

17、CjwRRRZ ? 22222 CjwRRRZ ? 33 RZ ? 44 RZ ?3交流電橋44交流電橋的輸出電壓電橋的四個(gè)橋臂R1、R2、R3、R4所產(chǎn)生的電阻變化用R1、 R2、 R3、 R4表示。假設(shè)初始狀態(tài)電橋的各臂阻值相等，即R1R2R3R4R， 由于R R，忽略R的高次項(xiàng)，輸出電壓公式可寫成：當(dāng)各橋臂應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K都相同時(shí)，公式可寫為：? ?43210 4 ? ? KUU i? ? RRRRRRRRUU i 43210 4 45結(jié) 論： 交流電橋除了要滿足電阻平衡條件外, 還必須滿足電容平衡條件。為此在橋路上除設(shè)有電阻平衡調(diào)節(jié)外還設(shè)有電容平衡調(diào)節(jié)。3412RRRR ?2112C

18、CRR ?交流電橋的平衡條件46這是一種典型的自發(fā)電式有源傳感器,將力、壓力、加速度等的變形轉(zhuǎn)換成電荷，屬于材料形傳感器，用的是壓電材料，與前面講過的幾種材料如：電阻、電容、磁電、電感等不同。3.1.2 壓電式力傳感器471. 晶體的壓電效應(yīng)某些晶體在一定方向受到外力的作用而發(fā)生變形，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)，在其另兩個(gè)相對(duì)外表產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，去掉外力，又回到不帶電的狀態(tài)，外力方向改變，表面電荷極性也隨之改變，這種現(xiàn)象稱“壓電效應(yīng)。這種將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象稱“順正壓電效應(yīng)。相反，在電介質(zhì)的極性方向上施加電場，它會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，這種將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng), 如壓電陶瓷，逆

19、壓電效應(yīng)也稱“電致伸縮效應(yīng)。電能 機(jī)械能正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)482. 壓電晶體及材料具有壓電效應(yīng)的電介物質(zhì)稱為壓電材料或壓電元件。自然界中，大多數(shù)晶體具有壓電效應(yīng)，但多數(shù)該效應(yīng)過于微弱，并無實(shí)用價(jià)值，能利用的不過幾十種，常見的壓電材料元件有單晶體，如石英，多晶體，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等。分類：壓電單晶：石英和其他單晶壓電多晶：壓電陶瓷PZT有機(jī)壓電材料49石英晶體單晶石英晶體是六角形晶柱，透明度極好，亦稱水晶，成分為二氧化硅，有天然水晶與人工水晶之分，其橫截面為正六邊形。在直角坐標(biāo)系中見圖： Z軸?光軸； x軸?電軸； Y軸?機(jī)械軸。50假設(shè)從石英晶體上切下一片平行六面體?晶體切片，使它的晶面分

20、別平行于X、Y、Z軸，如圖。并在垂直X軸方向兩面用真空鍍膜或沉銀法得到電極面。當(dāng)晶片受到沿X軸方向的壓縮應(yīng)力XX作用時(shí)，晶片將產(chǎn)生厚度變形，并發(fā)生極化現(xiàn)象。在晶體線性彈性范圍內(nèi)，極化強(qiáng)度PXX與應(yīng)力XX成正比。當(dāng)受力方向和變形不同時(shí)，壓電系數(shù)也不同。ZYXbl石英晶體切片t石英晶體切片51石英單晶硅壓電效應(yīng)石英單晶硅受力后帶電離子位置發(fā)生相對(duì)變化，在表面呈現(xiàn)負(fù)電荷或正電荷。a、當(dāng)沿電軸x軸方向加作用力Fx時(shí)，面m產(chǎn)生電荷Qx 。 電荷Qx的符號(hào)視Fx是拉、壓而定，當(dāng)面m受壓時(shí)，沿x軸正向的面顯負(fù)電荷，x的負(fù)向面顯正電荷；受拉時(shí)，x軸正向顯正電荷，負(fù)向顯負(fù)電荷。切片上產(chǎn)生Qx的多少與尺寸無關(guān)。5

21、2石英單晶硅壓電效應(yīng)2及結(jié)論b、當(dāng)沿機(jī)械軸y 軸方向加作用力Fy時(shí)，電荷仍在m面上產(chǎn)生，而極性相反。對(duì)于y軸方向受壓時(shí)，在x軸正向產(chǎn)生正電荷，x軸負(fù)向顯負(fù)電荷； y軸方向受拉時(shí)，x軸正向顯負(fù)電荷，x軸負(fù)向顯正電荷。結(jié)論：1無論是正或逆壓電效應(yīng)，其作用力或應(yīng)變與電荷或電場強(qiáng)度之間呈線性關(guān)系；2晶體在哪個(gè)方向上有正壓電效應(yīng)，那么在此方向上一定存在逆壓電效應(yīng)；3石英晶體不是任何方向都存在壓電效應(yīng)的。 53壓電陶瓷屬于鐵電體一類的物質(zhì)，是人工制造的多晶壓電材料，它具有類似鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)的電疇結(jié)構(gòu)。電疇是分子自發(fā)形成的區(qū)域，它有一定的極化方向，從而存在一定的電場。直流電場E 剩余極化強(qiáng)度剩余伸長電場作

22、用下的伸長a極化處理前 b極化處理中 c極化處理后 壓電陶瓷多晶的壓電效應(yīng)54壓電陶瓷多晶的壓電效應(yīng)2外電場去掉后，內(nèi)部有很強(qiáng)的剩余極化強(qiáng)度，總極化強(qiáng)度不為零，兩端出現(xiàn)“+、“-束縛電荷，并吸附外界自由電子與束縛電荷的符號(hào)相反，數(shù)量相等所以，片對(duì)外不表現(xiàn)出極性符號(hào)相反，數(shù)量相等起著屏蔽和抵消陶瓷片內(nèi)極化剩余強(qiáng)度對(duì)外的作用。極化方向加外力壓力使電疇界面發(fā)生位移電疇偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致剩余極化強(qiáng)度降低，局部電荷釋放，即放電。外力撤消時(shí)，極化強(qiáng)度恢復(fù)升高，導(dǎo)致電荷吸附，即充電。極化后兩三個(gè)月，壓電系數(shù)d才穩(wěn)定，兩年后d又降低，所以傳感器要經(jīng)常校驗(yàn)。553壓電元件及其晶片連接方法 在壓電式力與壓力傳感器中，壓電

23、元件既是敏感元件，又是轉(zhuǎn)換元件。它將被測力或壓力轉(zhuǎn)換成電荷或電壓輸出。壓電元件在傳感器中的布置形式有多種。如圖為幾種常見形式。 56等效電路：當(dāng)壓電傳感器中的壓電晶體承受被測機(jī)械應(yīng)力的作用時(shí)，在它的兩個(gè)極面上出現(xiàn)極性相反但電量相等的電荷?？砂褖弘妭鞲衅骺闯梢粋€(gè)靜電發(fā)生器，如圖a。也可把它視為兩極板上聚集異性電荷，中間為絕緣體的電容器，如圖b。其電容量為 q q電極壓電晶體Caba壓電傳感器的等效電路tStSC ra 0? ?當(dāng)兩極板聚集異性電荷時(shí)，那么兩極板呈現(xiàn)一定的電壓，其大小為aa CqU ?4壓電式傳感器的等效電路和前置放大器57壓電式傳感器可以等效為一個(gè)電壓源和一個(gè)串聯(lián)電容組成的等效電

24、路。利用壓電式傳感器進(jìn)行測量時(shí)，它要與測量電路相連接，于是，就得考慮電纜電容Cc、放大器輸入電阻Ri、輸入電容Ci、以及壓電傳感器的泄漏電阻Ra。如果把這些因素歸一考慮，就得到了壓電傳感器完整的等效電路。一種是電荷等效電路，另一種是電壓等效電路。壓電元件的等效電路58壓電式傳感器的前置放大器有兩個(gè)作用： 把壓電式傳感器的高輸出阻變換成低阻抗輸出； 放大壓電式傳感器輸出的弱信號(hào)。前置放大器形式：電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓傳感器的輸出電壓成正比；電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。1電壓放大器 KKCaCaRa Ri CiCcCR Ui USCUSCUaa bUa壓電式傳感器的前置放大器

25、59電荷放大器是一個(gè)具有深度負(fù)反應(yīng)的高增益放大器，其基本電路如圖。假設(shè)放大器的開環(huán)增益K足夠大，并且放大器的輸入阻抗很高，那么放大器輸入端幾乎沒有分流，運(yùn)算電流僅流入反應(yīng)回路CF與RF。當(dāng)K足夠大時(shí)，輸出電壓與K無關(guān)，只取決于輸入電荷q和反應(yīng)電容CF，改變CF的大小便可得到所需的電壓輸出。 CF一般取值100-104pF。壓電式傳感器配用電荷放大器時(shí),其低頻幅值誤差和截止頻率只決定于反應(yīng)電路的參數(shù)RF和CF,其中CF的大小可以由所需要的電壓輸出幅度決定。 kCa UUSC電荷放大器原理電路圖iRaqCFRF2電荷放大器605、壓電式力傳感器1壓電式力傳感器的類型及結(jié)構(gòu) 壓電式力傳感器利用壓電晶

26、體的縱向和剪切向壓電效應(yīng)。并以壓電晶體作為敏感元件與轉(zhuǎn)換元件。在工程中，根據(jù)測力的具體情況，壓電傳感器可分為單分量和多分量兩大類。 612壓電傳感器的性能指標(biāo)及選用原那么 1量程和頻帶的選擇：對(duì)被測力的大小加以估計(jì)，選擇量程適宜的傳感器，使所測力的大小不超過額定量程。所選傳感器的工作頻帶能覆蓋待測力的頻帶。2電荷放大器的選擇：測量準(zhǔn)靜態(tài)力低頻信號(hào)。要求電荷放大器輸入阻抗高于10123電纜選擇：選用受振動(dòng)、壓力變化等影響所產(chǎn)生噪聲小的低噪聲電纜。623 壓電傳感器和電纜的安裝 壓電傳感器的安裝：安裝前，傳感器的上、下接觸面應(yīng)經(jīng)過精細(xì)加工以保證其平行度和平面度；安裝時(shí)應(yīng)該保證傳感器的敏感軸向與受力

27、方向一致； 安裝必須牢固，否那么會(huì)降低傳感器的頻響，還可能造成較大的測量誤差。電纜的安裝：電纜要固定，防止晃動(dòng)，否那么會(huì)產(chǎn)生電纜噪聲，帶來誤差；電纜插頭及插座要保持清潔，以保證絕緣處絕緣， 導(dǎo)電處導(dǎo)電。 633.1.3 壓磁式力傳感器壓磁式力傳感器是利用鐵磁物質(zhì)的壓磁效應(yīng)又稱磁彈性效應(yīng)工作的傳感器。又稱為磁彈性式傳感器。 1、壓磁效應(yīng)在機(jī)械力作用下，鐵磁材料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力或應(yīng)力變化，使磁導(dǎo)率發(fā)生變化，磁阻相應(yīng)也發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為壓磁效應(yīng)。 外力是拉力時(shí)，在作用力方向鐵磁材料磁導(dǎo)率提高，垂直作用力方向磁導(dǎo)率降低；作用力為壓力時(shí)，那么反之。常用的鐵磁材料有硅鋼片和坡莫合金。用鐵磁材料制成的彈性體稱為

28、鐵磁體或壓磁元件。64壓磁式力傳感器主要包括壓磁元件和繞制在壓磁元件上的線圈兩局部。互感式壓磁元件的結(jié)構(gòu)如圖所示。它把假設(shè)干片形狀相同的硅鋼片疊合在一起，并用環(huán)氧樹脂將片與片之間粘合起來。在壓磁元件上開四個(gè)對(duì)稱的孔，并分別繞有兩個(gè)繞組。?般把1、2孔的繞組作為一次側(cè)繞組，把3、4孔的繞組作為二次側(cè)繞組。2、壓磁式力傳感器整體結(jié)構(gòu)653壓磁式力傳感器工作原理由硅鋼片粘疊替而成的壓磁元件在不受力時(shí)，鐵心的磁阻在各個(gè)方向上是?致的。初級(jí)線圈的磁力線對(duì)稱地分布，不與次級(jí)線圈發(fā)生交鏈。因而不能在次級(jí)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。當(dāng)傳感器受壓力F時(shí)，在平行于作用力方向上磁導(dǎo)率減小，磁阻增大。在垂直于作用力方向上磁

29、導(dǎo)率增大，磁阻減小。初級(jí)線圈產(chǎn)生的磁力線將重新分布，此時(shí)一局部磁力線與次級(jí)繞組交鏈而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。 F的數(shù)值越大，交鏈的磁力線越多，感應(yīng)電動(dòng)勢也越大。感應(yīng)電動(dòng)勢經(jīng)過處理后，就可用來表示被測力F的數(shù)值。66壓磁式力傳感器工作原理圖674、壓磁式力傳感器結(jié)構(gòu)簡圖 683.2 扭矩傳感器一個(gè)可繞固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的剛體，當(dāng)所受外力在垂直于轉(zhuǎn)軸的平面內(nèi)時(shí)，力的作用線和轉(zhuǎn)軸之間的垂直距離稱為這個(gè)力對(duì)轉(zhuǎn)軸的力臂與力的大小的乘積稱為這個(gè)力對(duì)轉(zhuǎn)軸的力矩，力矩又稱為扭矩或轉(zhuǎn)矩，它是旋轉(zhuǎn)機(jī)械的重要參數(shù)。扭矩傳感器與力傳感器一樣，要使用彈性元件，它利用彈性體把扭矩轉(zhuǎn)換為角位移，再由角位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。常見的扭矩測量方

30、法可分為應(yīng)力或應(yīng)變式及相對(duì)轉(zhuǎn)角式。 693.2.1 電阻應(yīng)變式扭矩傳感器電阻應(yīng)變式扭矩傳感器的工作原理：如下圖。扭矩軸發(fā)生扭轉(zhuǎn)時(shí)，在相對(duì)于軸中心線45°方向上會(huì)產(chǎn)生壓縮及拉伸力，從而將力加在旋轉(zhuǎn)軸上。如果在扭轉(zhuǎn)軸的外表貼上4個(gè)電阻應(yīng)變片組成橋式電路，便可檢測出壓縮及拉伸力，那么可知扭矩的大小。為了給旋轉(zhuǎn)的應(yīng)變片輸入電壓和從電橋中取出檢測信號(hào)，在扭轉(zhuǎn)軸上安裝有集流環(huán)和電刷。701、電刷?滑環(huán)式集流裝置 712 水銀集流裝置723、感應(yīng)式集流裝置 734、無線傳輸隨著無線電發(fā)射技術(shù)和接受技術(shù)在測試中的應(yīng)用，近年來愈來愈多地利用近程遙測裝置進(jìn)行扭矩測量， 被測軸流彈上固定信號(hào)發(fā)射裝置，應(yīng)變

31、片接到發(fā)射裝置上，應(yīng)變信號(hào)通過發(fā)射裝置天線發(fā)射出去， 由接收裝置接收、放大并顯示 或記錄。743.2.2 壓磁式磁彈式扭矩儀 753.2.3 電容式扭矩測量儀763.2.4 光電式扭矩測量儀 773.2.5 鋼弦式扭矩傳感器783.3 壓力傳感器 壓力的概念和術(shù)語一般說來，壓力是指流體介質(zhì)作用于單位面積上的力，物理學(xué)上稱為壓強(qiáng)。壓力檢測中常使用以下名詞術(shù)語。1絕對(duì)壓力簡稱絕壓Pa教材中稱P絕：絕對(duì)壓力是相對(duì)于絕對(duì)真空絕對(duì)零壓力所測得的壓力。2表壓力簡稱表壓P：表壓力P是高于大氣壓力的絕對(duì)壓力Pa與大氣壓力P0之差，即PPa一P0 3負(fù)壓Pf與真空度V：當(dāng)絕對(duì)壓力小于大氣壓力P0時(shí)，大氣壓力與絕

32、對(duì)壓力之差，稱為負(fù)壓，即PfP0?Pa低于大氣壓力的絕對(duì)壓力，以絕對(duì)壓力零線起計(jì)算時(shí)就稱為真空度V 。4差壓Pd：兩個(gè)壓力之間的差值稱為差壓。791、U形管液柱壓力計(jì)如下圖的液柱式壓力計(jì)，它是根據(jù)流體靜力學(xué)原理來測量壓力的。它們一般采用水銀或水為工作液，用U形管或單管進(jìn)行測量，常用于低壓、負(fù)壓或壓力差的測量。 被測壓力P1 為P1h 式中 h-兩液面高度差m；?管內(nèi)液體的密度kgm2 3.3.1 液柱式壓力轉(zhuǎn)換原理802、傾斜式液壓計(jì) 傾斜式液壓計(jì)與U形管壓力計(jì)不同的是：與被測壓力相通的玻璃管的直徑作得很大，另一玻璃管制成傾斜式。相對(duì)大氣壓力，被測壓力P1為P1LsinS2/S1式中：L?沿細(xì)

33、管上升的液柱長度m；?管內(nèi)液體的密度kgm2； ?細(xì)管傾斜角度°；S1、S2?粗管、細(xì)管內(nèi)截面積m2813.3.2 活塞式壓力轉(zhuǎn)換原理 活塞式壓力計(jì)利用力平衡原理制成。其工作原理如圖所示：工作時(shí)撥轉(zhuǎn)手輪l，通過絲杠2、工作活塞3擠壓工作液產(chǎn)生壓力P，經(jīng)液體傳遞，作用在待校準(zhǔn)的壓力表和測量活塞上，使壓力表指針偏轉(zhuǎn)、砝碼6被頂起。由力平衡關(guān)系知，在平衡狀態(tài)時(shí)，壓力P的大小由下式確定：P1/sG+G0對(duì)于已定的壓力計(jì)，S、G0一定，壓力P僅取決于砝碼的重量G。改變它的重量，即可測得不同的壓力P。823.3.3 彈性式壓力傳感元件彈性變形法這種方式是利用壓力敏感型彈性元件在壓力作用下產(chǎn)生彈性

34、變形，根據(jù)彈性變形的大小來測量壓力。根據(jù)這種原理制成的彈性式壓力計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，測量范圍大，精度較高，線性較好，是目前應(yīng)用最普遍的工業(yè)用壓力計(jì)。指針式壓力計(jì)和壓力傳感器都是根據(jù)彈性變形原理工作的。通常采用的彈性式壓力敏感元件有波登管、膜片和波紋管三類。831、各種結(jié)構(gòu)形式的波登管 842、各種結(jié)構(gòu)形式的膜片與膜盒853、波紋管 863.3.4 電量式壓力計(jì) 電量式壓力計(jì)是用各種傳感器或測量元件將壓力變換成電量或電參數(shù)，再經(jīng)后接相應(yīng)的測量電路進(jìn)一步變換，最后由顯示或記錄儀顯示或記錄下來，以實(shí)現(xiàn)壓力測量的裝量。常見的測壓力系統(tǒng)所用傳感器有電容式、電感式、電阻式、渦流式、壓電式等。871電容式壓力傳感器 882、應(yīng)變式壓力傳感器89測量氣體或液體壓力的薄板式傳感器如下圖。當(dāng)氣體或液體壓力作用在薄板承壓面上時(shí)，薄板變形，粘貼在另一面的電阻應(yīng)變片隨之變形，并改變阻值。這時(shí)測量電路中電橋平衡被破壞，產(chǎn)生輸出電壓。 圓形薄板可采用嵌固形式固定，如圖a或與傳感器外殼作成一體，如圖 b。Pba應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)變片應(yīng)變式壓力傳感器工作原理903、壓阻式壓力傳感器91固態(tài)壓阻式壓力傳感器的工作原理在一塊圓形的單晶硅膜片上, 布置四個(gè)擴(kuò)散電阻, 組成一個(gè)全橋測量電路。 膜片用一個(gè)圓形硅杯固定, 將兩個(gè)氣腔隔開。