力傳感噐(傳感器教學(xué)課件)

1、常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院傳感器應(yīng)用技術(shù)傳感器應(yīng)用技術(shù)傳知萬物傳知萬物 感創(chuàng)未來感創(chuàng)未來常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院傳知萬物傳知萬物 感創(chuàng)未來感創(chuàng)未來學(xué)習內(nèi)容學(xué)習內(nèi)容 認識傳感器認識傳感器 溫度傳感器溫度傳感器 力傳感器力傳感器 位移傳感器位移傳感器 光電傳感器光電傳感器常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院傳知萬物傳知萬物 感創(chuàng)未來感創(chuàng)未來力傳感器力傳感器 壓電式傳感器壓電式傳感器 壓阻式傳感器壓阻式傳感器 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器 壓阻式傳感器壓阻式傳感器 彈性敏感元件彈性敏感元件各類力傳感器各類力傳感器剪切式測力傳感器 油井專用負荷傳感器BLR14拉式稱重傳感

2、器拉壓式稱重傳感器 3.1 彈性敏感元件力傳感器力傳感器彈性敏感元件彈性敏感元件v 彈性敏感元件的特性彈性敏感元件的特性v 變換力的敏感元件變換力的敏感元件v 變換壓力的敏感元件變換壓力的敏感元件一、彈性敏感元件的特性一、彈性敏感元件的特性 1 1、剛度：是彈性元件受外力作用下變形大小的量、剛度：是彈性元件受外力作用下變形大小的量度表示，即彈性元件產(chǎn)生單位位移所需要的力或壓度表示，即彈性元件產(chǎn)生單位位移所需要的力或壓力。力。 2 2、靈敏度：是剛度的倒數(shù)，即它是作用于彈性元、靈敏度：是剛度的倒數(shù)，即它是作用于彈性元件上單位力或壓力所產(chǎn)生的變形。件上單位力或壓力所產(chǎn)生的變形。xFk dFdxFx

3、s力傳感器力傳感器彈性敏感元件彈性敏感元件3 3、彈性滯后：理想的彈性元件在彈性變形范圍內(nèi)，、彈性滯后：理想的彈性元件在彈性變形范圍內(nèi)，反復(fù)循環(huán)進行加載或卸載時，由于沒有彈性誤差反復(fù)循環(huán)進行加載或卸載時，由于沒有彈性誤差存在，所以加、卸載時的位移曲線應(yīng)重合。但實存在，所以加、卸載時的位移曲線應(yīng)重合。但實際的彈性元件在加、卸載的正反行程中，位移曲際的彈性元件在加、卸載的正反行程中，位移曲線是不重合的，而是構(gòu)成一個彈性滯后環(huán)。線是不重合的，而是構(gòu)成一個彈性滯后環(huán)。Fx加載加載卸載卸載力傳感器力傳感器彈性敏感元件彈性敏感元件 4 4、彈性后效：、彈性后效： 彈性元件材料的變形不僅是載荷的函數(shù)，也是時

4、間的函彈性元件材料的變形不僅是載荷的函數(shù)，也是時間的函數(shù)。彈性滯后是不取決于時間的，而彈性后效是在載荷數(shù)。彈性滯后是不取決于時間的，而彈性后效是在載荷不變的情況下，彈性元件在一段時間內(nèi)還會繼續(xù)產(chǎn)生類不變的情況下，彈性元件在一段時間內(nèi)還會繼續(xù)產(chǎn)生類似蠕動的位移。這種變形落后于載荷和時間有關(guān)的現(xiàn)象似蠕動的位移。這種變形落后于載荷和時間有關(guān)的現(xiàn)象稱彈性后效。彈性后效使傳感器出現(xiàn)負的測量誤差、零稱彈性后效。彈性后效使傳感器出現(xiàn)負的測量誤差、零點漂移等，應(yīng)盡力設(shè)法減小。點漂移等，應(yīng)盡力設(shè)法減小。v彈性元件在工作中的滯后和后效現(xiàn)象是同時發(fā)生的，統(tǒng)彈性元件在工作中的滯后和后效現(xiàn)象是同時發(fā)生的，統(tǒng)稱為彈性滯后

5、誤差，在設(shè)計傳感器時要力求減少。稱為彈性滯后誤差，在設(shè)計傳感器時要力求減少。力傳感器力傳感器彈性敏感元件彈性敏感元件5 5、固有振蕩頻率、固有振蕩頻率 彈性元件的固有頻率（即其無阻尼自由振動頻率）彈性元件的固有頻率（即其無阻尼自由振動頻率），在很大程度上決定傳感器的動態(tài)特性，對很多傳，在很大程度上決定傳感器的動態(tài)特性，對很多傳感器，為了減小動態(tài)誤差應(yīng)提高傳感器的固有頻率感器，為了減小動態(tài)誤差應(yīng)提高傳感器的固有頻率。傳感器的工作頻率應(yīng)避開彈性敏感元件的固有振。傳感器的工作頻率應(yīng)避開彈性敏感元件的固有振蕩頻率。蕩頻率。力傳感器力傳感器彈性敏感元件彈性敏感元件二、變換力的敏感元件：二、變換力的敏感元

6、件： F F 力傳感器力傳感器彈性敏感元件彈性敏感元件力傳感器力傳感器彈性敏感元件彈性敏感元件FEbl26FEbll20)(6力傳感器力傳感器彈性敏感元件彈性敏感元件AEFyAEFx：彈性模量彈性模量 A：橫截面積橫截面積 ：泊松系數(shù)：泊松系數(shù)xy力傳感器力傳感器彈性敏感元件彈性敏感元件三、變換壓力的敏感元件三、變換壓力的敏感元件 FPFP力傳感器力傳感器彈性敏感元件彈性敏感元件變換壓力的彈性敏感元件 (a)彈簧管；(b)波紋管；(c)等截面薄板；(d)膜盒；(e)薄壁圓筒；(f)薄壁半球 力傳感器力傳感器彈性敏感元件彈性敏感元件波紋管膜片波紋的形狀波紋管膜片波紋的形狀力傳感器力傳感器彈性敏感

7、元件彈性敏感元件薄壁圓筒彈性敏感元件的結(jié)構(gòu)薄壁圓筒彈性敏感元件的結(jié)構(gòu)力傳感器力傳感器彈性敏感元件彈性敏感元件v 應(yīng)變：用于表征形變大小的量，是量綱為應(yīng)變：用于表征形變大小的量，是量綱為1的數(shù)的數(shù)，通常很小。，通常很小。v 正負：拉伸應(yīng)變?yōu)檎嚎s應(yīng)變?yōu)樨撜摚豪鞈?yīng)變?yōu)檎?、壓縮應(yīng)變?yōu)樨搗 單位：應(yīng)變單位：應(yīng)變()、微應(yīng)變、微應(yīng)變() 1= 1 10-6 ll注：對金屬材料而言，當它受力之后所產(chǎn)生的軸向應(yīng)變最好不要大于注：對金屬材料而言，當它受力之后所產(chǎn)生的軸向應(yīng)變最好不要大于1 10-3，即，即1000 m/m，否則有可能超過材料的極限強度而導(dǎo)致斷裂。，否則有可能超過材料的極限強度而導(dǎo)致斷裂。

8、力傳感器力傳感器彈性敏感元件彈性敏感元件常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院傳知萬物傳知萬物 感創(chuàng)未來感創(chuàng)未來力傳感器力傳感器 壓電式傳感器壓電式傳感器 壓阻式傳感器壓阻式傳感器 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器 壓阻式傳感器壓阻式傳感器 彈性敏感元件彈性敏感元件v 金屬應(yīng)變式傳感器的金屬應(yīng)變式傳感器的主要特性主要特性v 電阻應(yīng)變式傳感器的電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理工作原理v 應(yīng)變片的應(yīng)變片的種類與結(jié)構(gòu)種類與結(jié)構(gòu)v 電阻應(yīng)變式傳感器的電阻應(yīng)變式傳感器的測量電路測量電路v電阻應(yīng)變式傳感器的電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用應(yīng)用力傳感器力傳感器應(yīng)變式應(yīng)變式一、金屬應(yīng)變式傳感器的主要特性一、金屬應(yīng)變式傳感器的主要特

9、性 金屬應(yīng)變片式傳感器的核心元件是金屬應(yīng)變片，它可金屬應(yīng)變片式傳感器的核心元件是金屬應(yīng)變片，它可將試件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成電阻變化。將試件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成電阻變化。 主要優(yōu)點：主要優(yōu)點： 精度高，測量范圍廣精度高，測量范圍廣 頻率響應(yīng)特性較好頻率響應(yīng)特性較好 結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，重量輕結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，重量輕 可在高可在高( (低低) )溫、高速、高壓、強烈振動、強磁場及核溫、高速、高壓、強烈振動、強磁場及核輻射和化學(xué)腐蝕等惡劣條件下正常工作輻射和化學(xué)腐蝕等惡劣條件下正常工作 易于實現(xiàn)小型化、固態(tài)化易于實現(xiàn)小型化、固態(tài)化 價格低廉，品種多樣，便于選擇價格低廉，品種多樣，便于選擇力傳感器力傳感器應(yīng)

10、變式應(yīng)變式 主要缺點：主要缺點： 具有非線性；輸出信號微弱；具有非線性；輸出信號微弱；抗干擾能力較抗干擾能力較差，因此信號線需要采取屏蔽措施；只能測量一差，因此信號線需要采取屏蔽措施；只能測量一點或應(yīng)變柵范圍內(nèi)的平均應(yīng)變，不能顯示應(yīng)力場點或應(yīng)變柵范圍內(nèi)的平均應(yīng)變，不能顯示應(yīng)力場中應(yīng)力梯度的變化等；不能用于過高溫度場合下中應(yīng)力梯度的變化等；不能用于過高溫度場合下的測量。的測量。 力傳感器力傳感器應(yīng)變式應(yīng)變式二、電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理二、電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理 導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下，會產(chǎn)導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下，會產(chǎn)生生機械變形機械變形，其，其電阻值電阻值也將隨著發(fā)生也

11、將隨著發(fā)生變化變化，這種，這種現(xiàn)象稱為現(xiàn)象稱為應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng)。 電阻應(yīng)變式傳感器主要由電阻應(yīng)變式傳感器主要由電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片及及測量測量轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路等組成。等組成。力傳感器力傳感器應(yīng)變式應(yīng)變式 2llRAr金屬絲受拉時，金屬絲受拉時，l變長、變長、r變小，導(dǎo)致變小，導(dǎo)致R變大變大 。力傳感器力傳感器應(yīng)變式應(yīng)變式 設(shè)有一長度為設(shè)有一長度為l、截面積為、截面積為A、半徑為、半徑為r、電阻率、電阻率為為 的金屬單絲，它的電阻值的金屬單絲，它的電阻值R可表示為可表示為 當沿金屬絲的長度方向作用均勻拉力（或壓力）當沿金屬絲的長度方向作用均勻拉力（或壓力）時，上式中時，上式中 、r、l都將發(fā)生變

12、化，從而導(dǎo)致電阻值都將發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電阻值R發(fā)生變化。發(fā)生變化。2llRAr 2 -1xRKRK電阻應(yīng)變片的靈敏度電阻應(yīng)變片的靈敏度力傳感器力傳感器應(yīng)變式應(yīng)變式 對于不同的金屬材料，對于不同的金屬材料，K K 略微不同，一般為略微不同，一般為2 2左右。而對半導(dǎo)體材料而言，由于其感受到應(yīng)變時左右。而對半導(dǎo)體材料而言，由于其感受到應(yīng)變時，電阻率，電阻率 會產(chǎn)生很大的變化，所以靈敏度比金屬會產(chǎn)生很大的變化，所以靈敏度比金屬材料大幾十倍。材料大幾十倍。 在材料力學(xué)中，在材料力學(xué)中， x= l/l 稱為電阻絲的軸向應(yīng)變，稱為電阻絲的軸向應(yīng)變，也稱縱向應(yīng)變，是量綱為也稱縱向應(yīng)變，是量綱為1的數(shù)。的數(shù)

13、。 x通常很小，常用通常很小，常用10-6表示之。例如，當表示之。例如，當 x為為0.000001時，在工程中常時，在工程中常表示為表示為1 10-6或或 m/m。在應(yīng)變測量中，也常將之稱。在應(yīng)變測量中，也常將之稱為微應(yīng)變?yōu)槲?yīng)變()。力傳感器力傳感器應(yīng)變式應(yīng)變式 R = (/ r)R +R= ( + ) (+)/ (r - r)金屬：金屬： l l ，r r變化變化 幾何尺寸變化是主要的幾何尺寸變化是主要的半導(dǎo)體半導(dǎo)體: : 變化變化 壓阻效應(yīng)是主要的壓阻效應(yīng)是主要的+ + 2(r-r) 2r力傳感器力傳感器應(yīng)變式應(yīng)變式 為金屬電阻絲的應(yīng)變靈敏度系數(shù)，它表示單位應(yīng)為金屬電阻絲的應(yīng)變靈敏度系數(shù)

14、，它表示單位應(yīng)變所引起的電阻相對變化。變所引起的電阻相對變化。 大小由兩個因素引起：大小由兩個因素引起： 由幾何尺寸的改變所引起的變化；由幾何尺寸的改變所引起的變化； 材料的電阻率隨應(yīng)變所引起的變化（壓阻效應(yīng)）。材料的電阻率隨應(yīng)變所引起的變化（壓阻效應(yīng)）。 實驗表明，在金屬絲拉伸比例極限內(nèi)，電阻相實驗表明，在金屬絲拉伸比例極限內(nèi)，電阻相對變化與軸向應(yīng)變成正比。通常在對變化與軸向應(yīng)變成正比。通常在1.81.83.63.6范圍內(nèi)范圍內(nèi)。0K0)21 ()21 (KllllllRR力傳感器力傳感器應(yīng)變式應(yīng)變式三、應(yīng)變片的種類與結(jié)構(gòu)三、應(yīng)變片的種類與結(jié)構(gòu) 應(yīng)變片可分為應(yīng)變片可分為金屬應(yīng)變金屬應(yīng)變片片及

15、及半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片兩大類。前兩大類。前者可分成者可分成金屬絲式、箔式、薄金屬絲式、箔式、薄膜式膜式三種。目前箔式應(yīng)變片應(yīng)三種。目前箔式應(yīng)變片應(yīng)用較多。金屬絲式應(yīng)變片使用用較多。金屬絲式應(yīng)變片使用最早，有紙基、膠基之分。由最早，有紙基、膠基之分。由于金屬絲式應(yīng)變片蠕變較大，于金屬絲式應(yīng)變片蠕變較大，金屬絲易脫膠，有逐漸被箔式金屬絲易脫膠，有逐漸被箔式所取代的趨勢。但其價格便宜所取代的趨勢。但其價格便宜，多用于應(yīng)變、應(yīng)力的大批量，多用于應(yīng)變、應(yīng)力的大批量、一次性試驗。、一次性試驗。金屬絲式金屬絲式金屬薄膜式金屬薄膜式金屬箔式金屬箔式力傳感器力傳感器應(yīng)變式應(yīng)變式 箔式應(yīng)變片中的箔柵是金屬箔通

16、過光刻、腐蝕箔式應(yīng)變片中的箔柵是金屬箔通過光刻、腐蝕等工藝制成的。箔的材料多為電阻率高、熱穩(wěn)定性等工藝制成的。箔的材料多為電阻率高、熱穩(wěn)定性好的銅鎳合金。箔式應(yīng)變片與片基的接觸面積大得好的銅鎳合金。箔式應(yīng)變片與片基的接觸面積大得多，散熱條件較好，在長時間測量時的蠕變較小，多，散熱條件較好，在長時間測量時的蠕變較小，一致性較好，適合于大批量生產(chǎn)。還可以對金屬箔一致性較好，適合于大批量生產(chǎn)。還可以對金屬箔式應(yīng)變片進行適當?shù)臒崽幚?，使其線脹系數(shù)、電阻式應(yīng)變片進行適當?shù)臒崽幚恚蛊渚€脹系數(shù)、電阻溫度系數(shù)以及被粘貼的試件的線脹系數(shù)三者相互抵溫度系數(shù)以及被粘貼的試件的線脹系數(shù)三者相互抵消，從而將溫度影響減

17、小到最小的程度，目前廣泛消，從而將溫度影響減小到最小的程度，目前廣泛用于各種應(yīng)變式傳感器中。用于各種應(yīng)變式傳感器中。力傳感器力傳感器應(yīng)變式應(yīng)變式箔式應(yīng)變片的外形箔式應(yīng)變片的外形力傳感器力傳感器應(yīng)變式應(yīng)變式半導(dǎo)體應(yīng)變半導(dǎo)體應(yīng)變片外形片外形金屬絲式應(yīng)變片的金屬絲式應(yīng)變片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)力傳感器力傳感器應(yīng)變式應(yīng)變式 1-基底基底 2-敏感柵（敏感柵（電阻絲）電阻絲） 3-覆蓋層覆蓋層 4 -引出線引出線 1電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)示意圖電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)示意圖342Lb力傳感器力傳感器應(yīng)變式應(yīng)變式 上表中，哪幾個型號是半導(dǎo)體應(yīng)變片？上表中，哪幾個型號是半導(dǎo)體應(yīng)變片？依據(jù)是什么？依據(jù)是什么？ 力傳感器力傳感器

18、應(yīng)變式應(yīng)變式應(yīng)變片的粘貼：應(yīng)變片的粘貼：1. 去污：采用手持去污：采用手持砂輪工具除去構(gòu)件砂輪工具除去構(gòu)件表面的油污、漆、表面的油污、漆、銹斑等，并用細紗銹斑等，并用細紗布交叉打磨出細紋布交叉打磨出細紋以增加粘貼力以增加粘貼力 ，用浸有酒精或丙酮用浸有酒精或丙酮的紗布片或脫脂棉的紗布片或脫脂棉球擦洗。球擦洗。 力傳感器力傳感器應(yīng)變式應(yīng)變式 2.2.貼片：在應(yīng)變片的貼片：在應(yīng)變片的表面和處理過的粘貼表面和處理過的粘貼表面上，各涂一層均表面上，各涂一層均勻的粘貼膠勻的粘貼膠 ，用鑷子，用鑷子將應(yīng)變片放上去，并將應(yīng)變片放上去，并調(diào)好位置，然后蓋上調(diào)好位置，然后蓋上塑料薄膜，用手指揉塑料薄膜，用手指揉

19、和滾壓，排出下面的和滾壓，排出下面的氣泡氣泡 。力傳感器力傳感器應(yīng)變式應(yīng)變式 3.測量測量 ：從分開的：從分開的端子處，預(yù)先用萬端子處，預(yù)先用萬用表測量應(yīng)變片的用表測量應(yīng)變片的電阻，發(fā)現(xiàn)端子折電阻，發(fā)現(xiàn)端子折斷和壞的應(yīng)變片。斷和壞的應(yīng)變片。力傳感器力傳感器應(yīng)變式應(yīng)變式4.焊接：將引線和焊接：將引線和端子用烙鐵焊接起端子用烙鐵焊接起來，注意不要把端來，注意不要把端子扯斷。子扯斷。 力傳感器力傳感器應(yīng)變式應(yīng)變式5.固定：固定： 焊接焊接后用膠布將引后用膠布將引線和被測對象線和被測對象固定在一起，固定在一起，防止損壞引線防止損壞引線和應(yīng)變片。和應(yīng)變片。 力傳感器力傳感器應(yīng)變式應(yīng)變式四、電阻應(yīng)變式傳感

20、器的測量電路四、電阻應(yīng)變式傳感器的測量電路 金屬應(yīng)變片的電阻變化范圍很小，如果直接用歐金屬應(yīng)變片的電阻變化范圍很小，如果直接用歐姆表測量其電阻值的變化將十分困難，且誤差很大。姆表測量其電阻值的變化將十分困難，且誤差很大。 例例如：如：某傳感器彈性元件在額定載荷下產(chǎn)生的應(yīng)某傳感器彈性元件在額定載荷下產(chǎn)生的應(yīng)變是變是100010-6，應(yīng)變片的阻值為，應(yīng)變片的阻值為120，應(yīng)變靈敏度，應(yīng)變靈敏度系數(shù)是系數(shù)是2，則電阻相對變化量為？，則電阻相對變化量為？力傳感器力傳感器應(yīng)變式應(yīng)變式1 1、電橋電路的分類、電橋電路的分類 按照電源分類：按照電源分類：直流電橋、交流電橋直流電橋、交流電橋 按照輸出分類：按

21、照輸出分類：電流輸出、電壓輸出電流輸出、電壓輸出 電流輸出：當電橋的輸出信號較大，輸出端又接電流輸出：當電橋的輸出信號較大，輸出端又接入電阻值較小的負載時，電橋以電流形式輸出。入電阻值較小的負載時，電橋以電流形式輸出。 電壓輸出：當電橋輸出端接放大器時，由于放大電壓輸出：當電橋輸出端接放大器時，由于放大器輸入阻抗很高，認為電橋的負載電阻無窮大，器輸入阻抗很高，認為電橋的負載電阻無窮大，這時電橋以電壓形式輸出。這時電橋以電壓形式輸出。力傳感器力傳感器應(yīng)變式應(yīng)變式按照電阻分類：按照電阻分類：等臂、電源對稱、輸出對稱等臂、電源對稱、輸出對稱等臂電橋：等臂電橋： R1=R2=R3=R4=R電源對稱電橋

22、：電源對稱電橋： R1=R4=R R2=R3=R輸出對稱電橋：輸出對稱電橋： R1=R2=R R3=R4=R按照應(yīng)變片分類：按照應(yīng)變片分類：單臂、雙臂、四臂單臂、雙臂、四臂力傳感器力傳感器應(yīng)變式應(yīng)變式 力傳感器力傳感器應(yīng)變式應(yīng)變式2 2、電橋電路的分析、電橋電路的分析 調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)RPRP，最終可以，最終可以使使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并聯(lián)并聯(lián)RPRP后的后的等效電阻）等效電阻），電橋趨于，電橋趨于平衡，平衡，U Uo o被預(yù)調(diào)到零位被預(yù)調(diào)到零位，這一過程稱為調(diào)零。，這一過程稱為調(diào)零。圖中

23、的圖中的R R5 5是用于減小調(diào)是用于減小調(diào)節(jié)范圍的限流電阻。節(jié)范圍的限流電阻。 電橋平衡的條件電橋平衡的條件 ：R1/R2=R4/R3 力傳感器力傳感器應(yīng)變式應(yīng)變式單臂電橋單臂電橋 全橋四臂工作全橋四臂工作方式的靈敏度最方式的靈敏度最高，雙臂半橋次高，雙臂半橋次之，單臂半橋靈之，單臂半橋靈敏度最低。敏度最低。力傳感器力傳感器應(yīng)變式應(yīng)變式雙臂電橋雙臂電橋 R1、 R2為應(yīng)變片，為應(yīng)變片， R3、R4為固定電阻為固定電阻 。應(yīng)變片應(yīng)變片R1 、R2 感受到感受到的應(yīng)變的應(yīng)變 1 2以及產(chǎn)生以及產(chǎn)生的電阻增量正負號相的電阻增量正負號相間，可以使輸出電壓間，可以使輸出電壓Uo成倍地增大。成倍地增大。

24、力傳感器力傳感器應(yīng)變式應(yīng)變式四臂全橋四臂全橋 全橋的四個橋臂都為應(yīng)變片，如全橋的四個橋臂都為應(yīng)變片，如果設(shè)法使試件受力后，應(yīng)變片果設(shè)法使試件受力后，應(yīng)變片R1 R4產(chǎn)生的電阻增量（或感受到產(chǎn)生的電阻增量（或感受到的應(yīng)變的應(yīng)變 1 4）正負號相間，就可）正負號相間，就可以使輸出電壓以使輸出電壓Uo成倍地增大。上成倍地增大。上述三種工作方式中，全橋四臂工述三種工作方式中，全橋四臂工作方式的靈敏度最高，雙臂半橋作方式的靈敏度最高，雙臂半橋次之，單臂半橋靈敏度最低。采次之，單臂半橋靈敏度最低。采用全橋（或雙臂半橋）還能實現(xiàn)用全橋（或雙臂半橋）還能實現(xiàn)溫度自補償。溫度自補償。力傳感器力傳感器應(yīng)變式應(yīng)變式

25、 當環(huán)境溫度升高當環(huán)境溫度升高時，橋臂上的應(yīng)變片時，橋臂上的應(yīng)變片溫度同時升高，溫度溫度同時升高，溫度引起的電阻值漂移數(shù)引起的電阻值漂移數(shù)值一致，可以相互抵值一致，可以相互抵消，所以全橋的溫漂消，所以全橋的溫漂較小；半橋也同樣能較小；半橋也同樣能克服溫漂?？朔仄?全橋的溫度補償原理全橋的溫度補償原理力傳感器力傳感器應(yīng)變式應(yīng)變式五、應(yīng)變效應(yīng)的應(yīng)用五、應(yīng)變效應(yīng)的應(yīng)用 應(yīng)變效應(yīng)的應(yīng)用十分廣泛。它可以測量應(yīng)變應(yīng)力、彎矩應(yīng)變效應(yīng)的應(yīng)用十分廣泛。它可以測量應(yīng)變應(yīng)力、彎矩、扭矩、加速度、位移等物理量。、扭矩、加速度、位移等物理量。 電阻應(yīng)變片的應(yīng)用可分為兩大類：電阻應(yīng)變片的應(yīng)用可分為兩大類： 1 1、是

26、將應(yīng)變片粘貼于某些彈性體上，并將其接到測量轉(zhuǎn)換、是將應(yīng)變片粘貼于某些彈性體上，并將其接到測量轉(zhuǎn)換電路，這樣就構(gòu)成測量各種物理量的專用應(yīng)變式傳感器電路，這樣就構(gòu)成測量各種物理量的專用應(yīng)變式傳感器。應(yīng)變式傳感器中，敏感元件一般為各種彈性體，傳感。應(yīng)變式傳感器中，敏感元件一般為各種彈性體，傳感元件就是應(yīng)變片，測量轉(zhuǎn)換電路一般為橋路；元件就是應(yīng)變片，測量轉(zhuǎn)換電路一般為橋路； 2 2、是將應(yīng)變片貼于被測試件上，然后將其接到應(yīng)變儀上就、是將應(yīng)變片貼于被測試件上，然后將其接到應(yīng)變儀上就可直接從應(yīng)變儀上讀取被測試件的應(yīng)變量?？芍苯訌膽?yīng)變儀上讀取被測試件的應(yīng)變量。力傳感器力傳感器應(yīng)變式應(yīng)變式應(yīng)變式力傳感器應(yīng)變式

27、力傳感器 FFFF力傳感器力傳感器應(yīng)變式應(yīng)變式各種懸臂梁各種懸臂梁 力傳感器力傳感器應(yīng)變式應(yīng)變式 FF固定點固定點固定點固定點電纜力傳感器力傳感器應(yīng)變式應(yīng)變式應(yīng)變片在懸臂梁應(yīng)變片在懸臂梁上的粘貼及變形上的粘貼及變形力傳感器力傳感器應(yīng)變式應(yīng)變式工業(yè)電子秤形變情況工業(yè)電子秤形變情況力傳感器力傳感器應(yīng)變式應(yīng)變式應(yīng)變式荷重傳感器的外形應(yīng)變式荷重傳感器的外形及應(yīng)變片的粘貼位置及應(yīng)變片的粘貼位置FR1R2 R4力傳感器力傳感器應(yīng)變式應(yīng)變式FF應(yīng)變式荷重傳感器外形及受力位置應(yīng)變式荷重傳感器外形及受力位置力傳感器力傳感器應(yīng)變式應(yīng)變式FF力傳感器力傳感器應(yīng)變式應(yīng)變式 荷重傳荷重傳感器上的應(yīng)感器上的應(yīng)變片在重力變

28、片在重力作用下產(chǎn)生作用下產(chǎn)生變形。軸向變形。軸向變短，徑向變短，徑向變長。變長。荷重傳感器荷重傳感器原理演示原理演示力傳感器力傳感器應(yīng)變式應(yīng)變式汽車衡汽車衡力傳感器力傳感器應(yīng)變式應(yīng)變式汽車衡汽車衡力傳感器力傳感器應(yīng)變式應(yīng)變式汽車衡汽車衡稱重系統(tǒng)稱重系統(tǒng)荷重傳感器荷重傳感器用于構(gòu)件的稱重用于構(gòu)件的稱重 荷重傳感器荷重傳感器（共（共 3個，個，120度分布，度分布，以達到均衡目的）以達到均衡目的）底座底座墊塊墊塊電纜電纜電子秤電子秤 磅秤磅秤超市打印秤超市打印秤遠距離遠距離顯示顯示力傳感器力傳感器應(yīng)變式應(yīng)變式電子天平電子天平電子天平的精度可電子天平的精度可達十萬分之一達十萬分之一力傳感器力傳感器應(yīng)

29、變式應(yīng)變式人體秤人體秤 力傳感器力傳感器應(yīng)變式應(yīng)變式吊鉤秤吊鉤秤 便攜式便攜式力傳感器力傳感器應(yīng)變式應(yīng)變式應(yīng)變式數(shù)顯扭矩扳手應(yīng)變式數(shù)顯扭矩扳手 可用于汽車、摩托車、飛機、內(nèi)燃機、機械制造和可用于汽車、摩托車、飛機、內(nèi)燃機、機械制造和家用電器等領(lǐng)域，準確控制緊固螺紋的裝配扭矩。量家用電器等領(lǐng)域，準確控制緊固螺紋的裝配扭矩。量程程2500N.m，耗電量，耗電量10mA，有公制，有公制/英制單位轉(zhuǎn)換、英制單位轉(zhuǎn)換、峰值保持、自動斷電等功能。峰值保持、自動斷電等功能。力傳感器力傳感器應(yīng)變式應(yīng)變式常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院傳知萬物傳知萬物 感創(chuàng)未來感創(chuàng)未來力傳感器力傳感器 壓電式傳感器壓電

30、式傳感器 壓阻式傳感器壓阻式傳感器 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器 壓阻式傳感器壓阻式傳感器 彈性敏感元件彈性敏感元件 壓阻式固態(tài)壓力傳感器壓阻式固態(tài)壓力傳感器 利用擴散工藝制作的四個半導(dǎo)體應(yīng)變電阻處于利用擴散工藝制作的四個半導(dǎo)體應(yīng)變電阻處于同一硅片上，工藝一致性好，靈敏度相等，漂移抵同一硅片上，工藝一致性好，靈敏度相等，漂移抵消，遲滯、蠕變非常小，動態(tài)響應(yīng)快。消，遲滯、蠕變非常小，動態(tài)響應(yīng)快。 力傳感器力傳感器壓阻式壓阻式 隔離、承壓膜片隔離、承壓膜片可以將腐蝕性的可以將腐蝕性的氣體、液體與硅氣體、液體與硅膜片膜片 隔離開來。隔離開來。壓阻式固態(tài)壓力傳感器的隔離、承壓膜片壓阻式固態(tài)壓力傳感器的隔離

31、、承壓膜片力傳感器力傳感器壓阻式壓阻式壓阻式固態(tài)壓阻式固態(tài) 壓力壓力傳感器傳感器 內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)信號處理電路信號處理電路力傳感器力傳感器壓阻式壓阻式小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器高壓進氣口高壓進氣口低壓進氣口低壓進氣口絕對壓力傳感器絕對壓力傳感器呼吸、透析和注射泵設(shè)備中用的壓力傳感器呼吸、透析和注射泵設(shè)備中用的壓力傳感器p1進氣管進氣管p2進氣管進氣管固態(tài)壓力固態(tài)壓力傳感器傳感器力傳感器力傳感器壓阻式壓阻式表壓壓力傳感器表壓壓力傳感器p1進氣管進氣管力傳感器力傳感器壓阻式壓阻式投入式液位計投入式液位計 壓阻式固態(tài)壓力傳感器用于投入式液位計：壓阻式固態(tài)壓力傳感器用于投入式液位

32、計：p p1 1的的進氣孔用柔性不銹鋼隔離膜片隔離，并用硅油傳導(dǎo)壓進氣孔用柔性不銹鋼隔離膜片隔離，并用硅油傳導(dǎo)壓力而與液體相通。力而與液體相通。 投入式液位傳感器安投入式液位傳感器安裝方便，適應(yīng)于深度為裝方便，適應(yīng)于深度為 幾米幾米 至至 幾十米，且混有幾十米，且混有 大大 量量 污物、雜質(zhì)的水或污物、雜質(zhì)的水或其他液體的液位測量。其他液體的液位測量。 力傳感器力傳感器壓阻式壓阻式投入式液位計外形投入式液位計外形 壓阻式固態(tài)壓阻式固態(tài)壓力傳感器壓力傳感器 光柱光柱 顯示器顯示器 橡膠橡膠 背壓管背壓管 材料應(yīng)變的測量材料應(yīng)變的測量斜拉橋上的斜拉斜拉橋上的斜拉繩應(yīng)變測試繩應(yīng)變測試 常州信息職業(yè)技

33、術(shù)學(xué)院常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院傳知萬物傳知萬物 感創(chuàng)未來感創(chuàng)未來力傳感器力傳感器 壓電式傳感器壓電式傳感器 壓阻式傳感器壓阻式傳感器 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器 壓阻式傳感器壓阻式傳感器 彈性敏感元件彈性敏感元件v 壓電式傳感器的壓電式傳感器的主要特性主要特性v 壓電式傳感器的壓電式傳感器的工作原理工作原理v 壓電式傳感器的壓電式傳感器的種類與結(jié)構(gòu)種類與結(jié)構(gòu)v 壓電式傳感器的壓電式傳感器的測量電路測量電路v 壓電式傳感器的壓電式傳感器的應(yīng)用應(yīng)用力傳感器力傳感器壓電式壓電式一、壓電式傳感器的主要特性一、壓電式傳感器的主要特性v 壓電式傳感器是一種典型的壓電式傳感器是一種典型的自發(fā)電式傳感器自發(fā)電式傳感

34、器。它以。它以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用外力作用下，在電介下，在電介質(zhì)表面質(zhì)表面產(chǎn)生電荷產(chǎn)生電荷，從而實現(xiàn)非電量電測的目的。，從而實現(xiàn)非電量電測的目的。v 壓電式傳感元件是力敏感元件，它可以測量最終能壓電式傳感元件是力敏感元件，它可以測量最終能變換為力的非電物理量，例如動態(tài)力、動態(tài)壓力、振動變換為力的非電物理量，例如動態(tài)力、動態(tài)壓力、振動、加速度等，但不能用于靜態(tài)參數(shù)的測量。、加速度等，但不能用于靜態(tài)參數(shù)的測量。v 壓電式傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、頻率響應(yīng)高、壓電式傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、頻率響應(yīng)高、信噪比大等特點。由于它沒有運動部件，因此結(jié)構(gòu)堅固信

35、噪比大等特點。由于它沒有運動部件，因此結(jié)構(gòu)堅固、可靠性、穩(wěn)定性高。、可靠性、穩(wěn)定性高。壓電傳感器壓電傳感器主要特性主要特性二、壓電式傳感器的工作原理二、壓電式傳感器的工作原理壓電效應(yīng)壓電效應(yīng) 某些晶體，在一定方向某些晶體，在一定方向受到外力作用受到外力作用時，內(nèi)時，內(nèi)部將產(chǎn)生極化現(xiàn)象，相應(yīng)地在晶體的兩個表面部將產(chǎn)生極化現(xiàn)象，相應(yīng)地在晶體的兩個表面產(chǎn)產(chǎn)生符號相反的電荷生符號相反的電荷；當外力作用除去時，又恢復(fù)；當外力作用除去時，又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)。當作用力方向改變時，電荷的極到不帶電狀態(tài)。當作用力方向改變時，電荷的極性也隨著改變，這種現(xiàn)象稱為性也隨著改變，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)。 反之，在

36、電介質(zhì)的極化方向上施加交變電場反之，在電介質(zhì)的極化方向上施加交變電場或電壓，它會產(chǎn)生機械變形，當去掉外加電場時或電壓，它會產(chǎn)生機械變形，當去掉外加電場時，電介質(zhì)變形隨之消失，這種想象稱為，電介質(zhì)變形隨之消失，這種想象稱為逆壓電效逆壓電效應(yīng)應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）。（電致伸縮效應(yīng)）。壓電傳感器壓電傳感器工作原理工作原理v 具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)很多，壓電式傳感器中具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)很多，壓電式傳感器中的壓電元件材料一般有三類：的壓電元件材料一般有三類： 壓電晶體壓電晶體（單晶體）（單晶體） 經(jīng)過極化處理的經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷壓電陶瓷（多晶體）（多晶體） 高分子壓電材料高分子壓電材料壓電傳感器壓電傳感器材

37、料分類材料分類 當力的方向改變當力的方向改變時，電荷的極性隨之時，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻改變，輸出電壓的頻率與動態(tài)力的頻率相率與動態(tài)力的頻率相同；當動態(tài)力變?yōu)殪o同；當動態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時，電荷將由于態(tài)力時，電荷將由于表面漏電而很快泄漏表面漏電而很快泄漏、消失。、消失。石英晶體石英晶體壓電效應(yīng)演示壓電效應(yīng)演示1、石英晶體的壓電效應(yīng)、石英晶體的壓電效應(yīng)壓電傳感器壓電傳感器工作原理工作原理石英晶體的特點石英晶體的特點 優(yōu)點：優(yōu)點：性能非常穩(wěn)定性能非常穩(wěn)定，在，在2020200200范圍內(nèi)壓范圍內(nèi)壓電常數(shù)變化率只有電常數(shù)變化率只有-0.0001/-0.0001/。此外，具有自振頻。此外，具有自

38、振頻率高、動態(tài)響應(yīng)好、機械強度高、絕緣性能好、遲率高、動態(tài)響應(yīng)好、機械強度高、絕緣性能好、遲滯小、重復(fù)性好、線性范圍寬等優(yōu)點。滯小、重復(fù)性好、線性范圍寬等優(yōu)點。 缺點：缺點：壓電常數(shù)小壓電常數(shù)小。因此，石英晶體大多只在。因此，石英晶體大多只在標準傳感器、高精度傳感器或使用溫度較高的傳感標準傳感器、高精度傳感器或使用溫度較高的傳感器中使用，而在一般要求的測量中，基本采用壓電器中使用，而在一般要求的測量中，基本采用壓電陶瓷。陶瓷。壓電傳感器壓電傳感器工作原理工作原理石英晶體振蕩器（晶振）石英晶體振蕩器（晶振） 石英晶體在振蕩石英晶體在振蕩電路中工作時，壓電路中工作時，壓電效應(yīng)與逆壓電效電效應(yīng)與逆壓

39、電效應(yīng)交替作用，從而應(yīng)交替作用，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩輸產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩輸出頻率。出頻率。晶振晶振 天然結(jié)構(gòu)的石英晶體呈六角形晶柱天然結(jié)構(gòu)的石英晶體呈六角形晶柱天然形成的天然形成的石英晶體外形石英晶體外形壓電傳感器壓電傳感器工作原理工作原理壓電傳感器壓電傳感器工作原理工作原理v石英晶體有三個軸（課本石英晶體有三個軸（課本P64P64圖圖3-15a3-15a、圖、圖3-163-16） X X軸軸電軸電軸，通過六面體相對的兩個棱線并垂，通過六面體相對的兩個棱線并垂直于光軸直于光軸 Y Y軸軸機械軸機械軸，垂直于兩個相對的晶柱棱面，垂直于兩個相對的晶柱棱面 Z Z軸軸光軸光軸，與晶體的縱軸線方向一致，與晶

40、體的縱軸線方向一致 用金剛石刀具從晶體上沿用金剛石刀具從晶體上沿XYZXYZ軸線切割出一片軸線切割出一片平行六面體的薄片（正方形薄片）稱為晶體切片。平行六面體的薄片（正方形薄片）稱為晶體切片。當晶體薄片受到壓力時，晶格產(chǎn)生變形，表面產(chǎn)生當晶體薄片受到壓力時，晶格產(chǎn)生變形，表面產(chǎn)生正電荷，電荷正電荷，電荷Q Q與所施加的力與所施加的力F F成正比成正比 。壓電傳感器壓電傳感器工作原理工作原理v石英晶體薄片石英晶體薄片壓電傳感器壓電傳感器工作原理工作原理v 課本課本P64P64圖圖3-163-16 當沿當沿X X軸對晶片施加力時，將在垂直于軸對晶片施加力時，將在垂直于X X軸的表軸的表面產(chǎn)生電荷，

41、這種現(xiàn)象稱為面產(chǎn)生電荷，這種現(xiàn)象稱為縱向壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng)； 沿沿Y Y軸施加力的作用時，電荷仍出現(xiàn)在與軸施加力的作用時，電荷仍出現(xiàn)在與X X軸垂軸垂直的表面上，稱為直的表面上，稱為橫向壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng)； 沿沿Z Z軸方向受力時，不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。軸方向受力時，不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。壓電傳感器壓電傳感器工作原理工作原理v縱向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷：縱向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷： 沿沿X X軸施加壓力，產(chǎn)生垂直于軸施加壓力，產(chǎn)生垂直于X X軸平面的電荷軸平面的電荷 縱向壓電系數(shù)，下標的意義是產(chǎn)生電荷的面縱向壓電系數(shù)，下標的意義是產(chǎn)生電荷的面的軸向及施加作用力的軸向的軸向及施加作用力的軸向 沿晶軸沿晶軸X X

42、方向施加的壓力方向施加的壓力 當晶片受到當晶片受到X X向的壓力作用時，與作用力成正比，向的壓力作用時，與作用力成正比，而與晶片的幾何尺寸無關(guān)；而與晶片的幾何尺寸無關(guān)； 若作用力改為拉力時，則在垂直于若作用力改為拉力時，則在垂直于X X軸的平面上軸的平面上仍出現(xiàn)等量電荷，但極性相反。仍出現(xiàn)等量電荷，但極性相反。XXXXXFdqXXqXXdXF壓電傳感器壓電傳感器工作原理工作原理v橫向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷：橫向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷： 沿沿Y Y軸向施加壓力，產(chǎn)生垂直于軸向施加壓力，產(chǎn)生垂直于X X軸平面的軸平面的電荷電荷 橫向壓電系數(shù)橫向壓電系數(shù) 沿晶軸沿晶軸Y Y方向施加的壓力方向施加的壓力根據(jù)石

43、英晶體的對稱條件：根據(jù)石英晶體的對稱條件： =- =- ， 得：得： =-=-YXYXYFbadqXYqXYdYFXYdXXdXYqXXdYFba沿機械軸方向給晶片施加壓力，產(chǎn)生的電荷與幾何尺寸有關(guān)，沿機械軸方向給晶片施加壓力，產(chǎn)生的電荷與幾何尺寸有關(guān)，沿沿Y Y軸的壓力產(chǎn)生的電荷與沿軸的壓力產(chǎn)生的電荷與沿X X軸的壓力產(chǎn)生的電荷極性相反。軸的壓力產(chǎn)生的電荷極性相反。垂直于垂直于X X軸向面軸向面積越大、晶片積越大、晶片越薄，橫向壓越薄，橫向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷越多電荷越多 壓電傳感器壓電傳感器工作原理工作原理v石英晶片受壓力或拉力時，電荷的極性石英晶片受壓力或拉力時，電荷的極性F+

44、-yxF-+yxxF+-yxF-+y壓電傳感器壓電傳感器工作原理工作原理v石英晶體在機械力的作用下在其表面產(chǎn)生電荷的原石英晶體在機械力的作用下在其表面產(chǎn)生電荷的原因：因： 石英晶體的每一個晶體單元，有三個硅離子石英晶體的每一個晶體單元，有三個硅離子和六個氧離子，正負離子分布在正六邊形的頂角上和六個氧離子，正負離子分布在正六邊形的頂角上，當作用力為零時，正負電荷互相平衡，對外沒有，當作用力為零時，正負電荷互相平衡，對外沒有帶電現(xiàn)象。（課本帶電現(xiàn)象。（課本P64P64圖圖3-153-15） 壓電傳感器壓電傳感器工作原理工作原理2 2、壓電陶瓷的壓電效應(yīng)、壓電陶瓷的壓電效應(yīng) 壓電陶瓷是人工制造的多晶

45、壓電材料，它由無數(shù)細微的壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它由無數(shù)細微的電疇組成。電疇是分子自發(fā)形成的區(qū)域，它有一定的極化方電疇組成。電疇是分子自發(fā)形成的區(qū)域，它有一定的極化方向。在無外電場作用時，各個電疇在晶體中無規(guī)則排列，極向。在無外電場作用時，各個電疇在晶體中無規(guī)則排列，極化效應(yīng)相互抵消，因此在原始狀態(tài)下，壓電陶瓷呈中性，不化效應(yīng)相互抵消，因此在原始狀態(tài)下，壓電陶瓷呈中性，不具有壓電效應(yīng)。具有壓電效應(yīng)。 為使壓電陶瓷具有壓電效應(yīng)，必須在一定溫度下做極化為使壓電陶瓷具有壓電效應(yīng)，必須在一定溫度下做極化處理。即以強電場使電疇規(guī)則排列，這時壓電陶瓷便具有壓處理。即以強電場使電疇規(guī)則排列，這時壓

46、電陶瓷便具有壓電性。在極化電場去除后，電疇基本保持不變，留下很強的電性。在極化電場去除后，電疇基本保持不變，留下很強的剩余極化，當壓電陶瓷受外力作用時，其表面也能產(chǎn)生電荷剩余極化，當壓電陶瓷受外力作用時，其表面也能產(chǎn)生電荷，也具有壓電效應(yīng)。，也具有壓電效應(yīng)。壓電傳感器壓電傳感器工作原理工作原理三、壓電式傳感器的種類與結(jié)構(gòu)三、壓電式傳感器的種類與結(jié)構(gòu) 1 1、壓電材料、壓電材料 選取合適的壓電材料一般考慮：選取合適的壓電材料一般考慮： 轉(zhuǎn)換性能：具有較大的壓電常數(shù)轉(zhuǎn)換性能：具有較大的壓電常數(shù) 機械性能：具有較高機械強度、剛度，以獲得較高固有頻率機械性能：具有較高機械強度、剛度，以獲得較高固有頻率

47、 電性能：具有較高的電阻率和介電常數(shù)，以期減少電荷的泄電性能：具有較高的電阻率和介電常數(shù)，以期減少電荷的泄漏以及外部分布電容的影響，獲得良好的低頻特性漏以及外部分布電容的影響，獲得良好的低頻特性 溫度、濕度穩(wěn)定性能：具有較高的居里點，以期獲得較寬的溫度、濕度穩(wěn)定性能：具有較高的居里點，以期獲得較寬的工作溫度范圍（工作溫度范圍（居里點是指壓電性能破壞時的溫度轉(zhuǎn)變點居里點是指壓電性能破壞時的溫度轉(zhuǎn)變點） 時間穩(wěn)定性能：壓電材料的壓電特性不隨時間蛻變，有較好時間穩(wěn)定性能：壓電材料的壓電特性不隨時間蛻變，有較好的時間穩(wěn)定性的時間穩(wěn)定性壓電傳感器壓電傳感器種類結(jié)構(gòu)種類結(jié)構(gòu)石英晶體（單晶體、壓電晶體）石英

48、晶體（單晶體、壓電晶體）分類：分類：天然和人工培養(yǎng)兩種類型。天然和人工培養(yǎng)兩種類型。 特點：特點：在幾百攝氏度的溫度范圍內(nèi)，壓電系數(shù)不隨在幾百攝氏度的溫度范圍內(nèi)，壓電系數(shù)不隨溫度而變化。居里點為溫度而變化。居里點為573。有很大的機械強。有很大的機械強度和穩(wěn)定的機械性能，但靈敏度很低，介電常數(shù)度和穩(wěn)定的機械性能，但靈敏度很低，介電常數(shù)小，因此逐漸被其他壓電材料替代。小，因此逐漸被其他壓電材料替代。 性能穩(wěn)定、性能穩(wěn)定、精度高、居里點高精度高、居里點高、靈敏度低、靈敏度低壓電傳感器壓電傳感器種類結(jié)構(gòu)種類結(jié)構(gòu) 壓電陶瓷（多晶體）壓電陶瓷（多晶體） 壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，比石英晶壓電陶瓷

49、是人工制造的多晶壓電材料，比石英晶體的壓電靈敏度高得多，制造成本卻較低，目前體的壓電靈敏度高得多，制造成本卻較低，目前國內(nèi)外生產(chǎn)的壓電元件絕大多數(shù)采用壓電陶瓷，國內(nèi)外生產(chǎn)的壓電元件絕大多數(shù)采用壓電陶瓷，燒制方便、耐濕、耐高溫、易于成形。燒制方便、耐濕、耐高溫、易于成形。 鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷（鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷（PZTPZT）壓電陶瓷主要壓電陶瓷主要研究對象，具有較高壓電系數(shù)和居里點（研究對象，具有較高壓電系數(shù)和居里點（300以上）以上） 鈦酸鋇壓電陶瓷、鈦酸鋇壓電陶瓷、鈮酸鹽系壓電陶瓷、鈮鎂酸鉛鈮酸鹽系壓電陶瓷、鈮鎂酸鉛壓電陶瓷壓電陶瓷壓電傳感器壓電傳感器種類結(jié)構(gòu)種類結(jié)構(gòu)壓電陶瓷外形壓電陶瓷外

50、形壓電傳感器壓電傳感器種類結(jié)構(gòu)種類結(jié)構(gòu)無鉛壓電陶瓷及其換能器外形無鉛壓電陶瓷及其換能器外形（上海硅酸鹽研究所研制）（上海硅酸鹽研究所研制）壓電傳感器壓電傳感器種類結(jié)構(gòu)種類結(jié)構(gòu) 高分子壓電材料高分子壓電材料 某些合成高分子聚合物薄膜經(jīng)延展拉伸和電場某些合成高分子聚合物薄膜經(jīng)延展拉伸和電場極化后，具有一定的壓電性能，這類薄膜稱為高分極化后，具有一定的壓電性能，這類薄膜稱為高分子壓電薄膜。是一種柔軟的壓電材料，不易破碎，子壓電薄膜。是一種柔軟的壓電材料，不易破碎，可以大量生產(chǎn)和制成較大面積?？梢源罅可a(chǎn)和制成較大面積。 如果將壓電陶瓷的粉末加入高分子化合物中，如果將壓電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- -壓電陶瓷薄膜，既保持了高分子壓電陶瓷薄膜，既保持了高分子壓電薄膜的柔軟性，又具有較高壓電系數(shù)，是一種壓電薄膜的柔軟性，又具有較高壓電系數(shù)，是一種很有希望的壓電材料。很有希望的壓電材料。壓電傳感器壓電傳感器種類結(jié)構(gòu)種類結(jié)構(gòu)高分子壓電薄膜及拉制高分子壓電薄膜及拉制 壓電傳感器壓電傳感器種類結(jié)構(gòu)種類結(jié)構(gòu)高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜壓電傳感器壓電傳感器種類結(jié)構(gòu)種類結(jié)構(gòu)可用于波形分析及報警的高分子壓電踏腳板可用于波形分析及報警的高分子壓電踏腳板壓電傳感器壓電傳感器種類結(jié)構(gòu)種類結(jié)構(gòu)壓電式壓電式腳踏報警器腳踏報警器壓電傳感器壓電傳感器

52、種類結(jié)構(gòu)種類結(jié)構(gòu)并聯(lián)并聯(lián) 串聯(lián)串聯(lián)銅片、銀片銅片、銀片+-+ + + + + + +- - - - - - -+ + + + + + +- - - - - - -+-導(dǎo)電膠導(dǎo)電膠2、壓電元件的結(jié)構(gòu)形式、壓電元件的結(jié)構(gòu)形式 在壓電式傳感器中，常將兩片或多片組合在在壓電式傳感器中，常將兩片或多片組合在一起使用，由于壓電材料有極性，故接法有兩種一起使用，由于壓電材料有極性，故接法有兩種：串聯(lián)和并聯(lián)。：串聯(lián)和并聯(lián)。壓電傳感器壓電傳感器種類結(jié)構(gòu)種類結(jié)構(gòu)v特點：特點： 并聯(lián)：并聯(lián)：輸出電荷大、電容大、時間常數(shù)大，適合輸出電荷大、電容大、時間常數(shù)大，適合測慢變信號，并以電荷量作輸出量的場合。測慢變信號，并以

53、電荷量作輸出量的場合。 串聯(lián)：串聯(lián)：輸出電壓高、電容小，適合以電壓作為輸輸出電壓高、電容小，適合以電壓作為輸出量，以及測量電路輸入阻抗很高的場合。出量，以及測量電路輸入阻抗很高的場合。壓電傳感器壓電傳感器種類結(jié)構(gòu)種類結(jié)構(gòu)1 1、等效電路、等效電路QCaRaCcRiCiUiCaRaCcRiCiUiUa 電荷源等效電荷源等效 電壓源等電壓源等效效四、壓電式傳感器的測量電路四、壓電式傳感器的測量電路壓電傳感器壓電傳感器測量電路測量電路 壓電傳感器內(nèi)阻抗很高，而輸出信號微弱，測壓電傳感器內(nèi)阻抗很高，而輸出信號微弱，測量電路要求有一個量電路要求有一個高輸入阻抗的前置放大器作阻抗高輸入阻抗的前置放大器作阻

54、抗匹配匹配，才能防止電荷迅速泄漏而使測量誤差減小。，才能防止電荷迅速泄漏而使測量誤差減小。 前置放大器作用：前置放大器作用： （1 1）將高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；）將高阻抗輸出變換為低阻抗輸出； （2 2）將輸出的微弱信號進行放大。）將輸出的微弱信號進行放大。 前置放大器兩種形式：前置放大器兩種形式： （1 1）電壓放大器：輸出電壓與輸入電壓成正比）電壓放大器：輸出電壓與輸入電壓成正比 （2 2）電荷放大器：輸出電壓與輸入電荷成正比）電荷放大器：輸出電壓與輸入電荷成正比壓電傳感器壓電傳感器測量電路測量電路fiCACiCcCaAQCQAAUU10QCaRaCcRiCiUi+ - ACfRfU

55、o= - AUiffCQCAAQU10壓電傳感器壓電傳感器測量電路測量電路2 2、電荷放大器測量電路、電荷放大器測量電路 電荷放大器的輸出電壓僅與輸入電荷和反饋電荷放大器的輸出電壓僅與輸入電荷和反饋電容有關(guān)，電纜長度等因素的影響很?。弘娙萦嘘P(guān)，電纜長度等因素的影響很?。?電荷放大器能將壓電傳感器輸出的電荷轉(zhuǎn)換電荷放大器能將壓電傳感器輸出的電荷轉(zhuǎn)換為電壓（為電壓（Q/U轉(zhuǎn)換器），但并無放大電荷的作用，轉(zhuǎn)換器），但并無放大電荷的作用，只是一種習慣叫法。只是一種習慣叫法。壓電傳感器壓電傳感器測量電路測量電路四通道電荷放大器外形四通道電荷放大器外形 .壓電傳感器壓電傳感器測量電路測量電路上圖所示的四通

56、道電荷放大器指標上圖所示的四通道電荷放大器指標（參考東方振動和噪聲技術(shù)研究所資料）（參考東方振動和噪聲技術(shù)研究所資料） 靈靈 敏敏 度：度：0.11000mV/pC 頻率范圍：頻率范圍：0.3100KHz 噪聲噪聲(最大增益最大增益)：折合至輸入端小于：折合至輸入端小于5V 準準 確確 度：度：1% 最大輸出：最大輸出：10V/10mA 電電 源：源：220V/50Hz 控制方式：控制方式： 計算機或手動計算機或手動焊接式焊接式 電荷放大器電荷放大器壓電傳感器壓電傳感器測量電路測量電路超小型電荷放大器模塊超小型電荷放大器模塊 主要指標主要指標: 靈靈 敏敏 度：度：1、10、100mV/pC(任選一檔任選一檔) 頻率范圍：頻率范圍：0.3100KHz(上、下限可選上、下限可選) 噪聲噪聲(最大靈敏度最大靈敏度)：輸出端小于：輸出端小于1mV 歸歸 一一 化：外接電阻調(diào)整化：外接電阻調(diào)整 線性誤差：線性誤差：1% 最大輸出：最大輸出：5V或或10V 電電 源：源：6V15V 特點：可組成經(jīng)濟的多點測試系統(tǒng)特點：可組成經(jīng)