傳感器及檢測技術(shù)課件-第3章

第3章力敏傳感器及檢測

3.1力學傳感器中的彈性元件3.2電阻應變式傳感器3.3壓阻式壓力傳感器3.4壓電式傳感器3.5電容式傳感器3.6力敏傳感器的應用實例 3.1力學傳感器中的彈性元件

3.1.1變換力的彈性元件

這類彈性元件大都采用等截面柱式、圓環(huán)式、等截面薄板、懸臂粱及軸狀等結(jié)構(gòu)。圖3－1示出了幾種常見的變換力的彈性元件的形狀。圖3－1一些變換力的彈性元件的形狀

(a)實心柱形;(b)空心圓柱形;(c)等截面圓環(huán)形;

(d)變截面圓環(huán)形;(e)等截面薄板;(f)等截面懸臂梁;

(g)等強度懸臂梁;(h)扭轉(zhuǎn)軸

1.等截面圓柱式彈性元件

等截面圓柱式彈性元件根據(jù)截面形狀可分為實心圓截面形狀彈性元件及空心圓截面形狀彈性元件,如圖3－1(a)、(b)所示。它們的結(jié)構(gòu)簡單,可承受較大的載荷,便于加工。實心圓柱形的彈性元件可測量大于10kN的力,而空心圓柱形的彈性元件只能測量1～10kN的中等力。

2.圓環(huán)式彈性元件

圓環(huán)式彈性元件比圓柱式彈性元件輸出的位移量大,因而具有較高的靈敏度,適用于測量較小的力。但它的工藝性較差,加工時不易得到較高的精度。由于圓環(huán)式彈性元件各變形部位應力不均勻,采用應變片測力時,應將應變片貼在應變最大的位置上。圓環(huán)式彈性元件的形狀如圖3－1(c)、(d)所示。

3.等截面薄板式彈性元件

圖3－1(e)就是等截面薄板彈性元件。由于它的厚度比較小,因此又稱它為膜片。當膜片邊緣固定,膜片的一面受力時,膜片產(chǎn)生彎曲變形,因而產(chǎn)生徑向和切向應變。在應變處貼上應變片,就可以測出應變量,從而可測得作用力F的大小。也可以利用它變形產(chǎn)生的撓度組成電容式或電感式力或壓力傳感器。

4.懸臂梁式彈性元件

懸臂梁式彈性元件是一個一端固定,一端自由的彈性元件,如圖3－1(f)、(g)所示。它的結(jié)構(gòu)簡單,加工方便,應變和位移較大,適用于測量l～5kN的力。

圖3－1(f)是一端固定的等截面懸臂梁,當它的自由端加有作用力時,梁產(chǎn)生彎曲,梁的上表面拉伸,下表面壓縮。由于它的表面各部位的應變不同,因此應變片要貼在合適的部位,否則將影響測量的精度。

5.扭轉(zhuǎn)軸彈性元件

扭轉(zhuǎn)軸彈性元件是專門用來測量扭矩的彈性元件,如圖3－1(h)所示。扭矩是一種力矩,其大小用轉(zhuǎn)軸與力作用點的距離和力的乘積來表示。扭轉(zhuǎn)軸彈性元件主要用來制作扭矩傳感器,它利用扭轉(zhuǎn)軸彈性體把扭矩變換為角位移,再把角位移轉(zhuǎn)換為電信號輸出。3.1.2變換壓力的彈性元件

1.彈簧管

彈簧管又叫布爾登管,它是彎成各種形狀的空心管。使用最多的是C型薄壁空心管,管子的截面形狀有很多種,如圖3－2所示。C型彈簧管的一端封閉但不固定,稱為自由端;另一端連接在管接頭上且被固定。當流體壓力通過管接頭進入彈簧管后,在壓力P的作用下,彈簧管橫截面變成圓形截面,截面的短軸力圖伸長。這種截面形狀的改變導致彈簧管趨向伸直,一直伸展到管彈力與壓力的作用相平衡為止,這樣彈簧管自由端便產(chǎn)生了位移。彈簧管的靈敏度取決于管的幾何尺寸和管子材料的彈性模量。和其他壓力彈性元件相比,彈簧管的靈敏度要低些,因此常用作測量較大壓力的彈性元件。C型彈簧管往往和其他彈性元件組成壓力彈性敏感元件。

圖3－2彈簧管的結(jié)構(gòu)

(a)C型彈簧管的外形;(b)一些彈簧管的截面形狀

使用彈簧管時,必須注意以下幾點:

(1)靜止壓力測量時,被測壓力不得高于最高標稱壓力的2／3,變動壓力測量時,被測壓力要低于最高標稱壓力的1／2。

(2)對于腐蝕性流體等特殊的測定對象,需要了解彈簧管使用的材料能否滿足使用的要求。

2.波紋管

波紋管是一個有許多同心環(huán)狀波形皺紋的薄壁圓管,如圖3－3所示。波紋管的軸向在流體壓力作用下極易變形,有較高的靈敏度。在形變允許范圍內(nèi),管內(nèi)壓力與波紋管的伸縮力成正比,利用這一特性,可以將壓力轉(zhuǎn)換成位移量。圖3－3波紋管的外形

3.波紋膜片和膜盒

簡單的平膜片在壓力或力的作用下,它的位移量較小。為了提高膜片的輸出位移量,常把平膜片經(jīng)過加工制成具有環(huán)狀同心波紋的圓形薄膜,這就是波紋膜片。波紋膜片的波紋形狀有正弦形、梯形和鋸齒形,如圖3－4所示。膜片的厚度一般在0.05～0.3mm之間,高度在0.7～1mm之間。

為了便于與其他部件連接,在波紋膜片中心部留有一個平面,可以焊上一塊金屬片。當膜片兩面受到不同的壓力作用時,膜片將彎向壓力低的一面,其中心部位產(chǎn)生位移。為了增加波紋膜片的位移,可以把兩個波紋膜片焊接在一起組成膜盒,它的撓度是單個膜片的兩倍。波紋膜片和膜盒多用作動態(tài)壓力測量的彈性元件。圖3－4波紋膜片波紋的形狀

4.薄壁圓筒

薄壁圓筒的結(jié)構(gòu)如圖3－5所示,圓筒的壁厚一般小于圓筒直徑的二十分之一。當筒內(nèi)腔與被測壓力相通時,筒壁均勻受力,并均勻地向外擴張,所以在筒壁的軸線方向產(chǎn)生拉伸力和應變。薄壁圓筒彈性元件的靈敏度取決于圓筒的半徑及壁厚,與圓筒的長度無關。圖3－5薄壁圓筒彈性元件的結(jié)構(gòu) 3.2電阻應變式傳感器

3.2.1電阻應變片的工作原理

取一段金屬絲,如圖3－6所示,當金屬絲未受力時,原始電阻值為(3－1)式中:R——金屬絲的電阻;

ρ——金屬絲的電阻率;

L——金屬絲的長度;

S——金屬絲的截面積。圖3－6金屬電阻絲力變形情況當金屬絲受到拉力F作用時,將伸長ΔL,橫截面積相應減少ΔS,電阻率因金屬晶格發(fā)生變形等因素的影響也將改變Δρ,從而引起金屬絲電阻的改變。

對式(3－1)作全微分,有(3－2)用式(3－2)除以式(3－1),得(3－3)若電阻絲的截面是圓形的,則S=πr2(r為電阻絲的半徑)。對S微分,得(3－4)令金屬絲的軸向應變?yōu)?3－5)金屬絲的徑向應變?yōu)?3－6)則由材料力學可知,在彈性范圍內(nèi),金屬絲受拉力時,沿軸向伸長,沿徑向縮短,那么軸向應變和徑向應變之間的關系可表示為(3－7)式中:μ——金屬絲材料的泊松系數(shù),負號表示應變方向相反。將式(3－4)、式(3－5)、式(3－6)、式(3－7)代入式(3－3),得(3－8)令(3－9)3.2.2電阻應變片的結(jié)構(gòu)和特性

1.電阻應變片的結(jié)構(gòu)

電阻應變片(簡稱應變片或應變計)種類繁多,形式多樣,但其基本構(gòu)造大體相似?，F(xiàn)以常見的絲繞式應變片為例進行說明。

圖3－7為絲繞式應變片的結(jié)構(gòu)示意圖。它是由敏感柵、基底、覆蓋層和引線等部分組成的。圖中,l稱為應變片的標距或基長,它是敏感柵沿軸向測量變形的有效長度;寬度b指最外兩敏感柵外側(cè)之間的距離。圖3－7電阻絲應變片的基本結(jié)構(gòu)敏感柵是以直徑為0.01～0.05mm左右的高電阻率的合金電阻絲繞成的。敏感柵是應變片的核心部分,其作用是敏感應變的大小。敏感柵粘貼在絕緣的基底上,其上再粘貼起保護作用的覆蓋層,兩端焊接引出導線。敏感柵常用的材料有銅鎳合金(俗稱康銅)、鎳鉻合金及鎳鉻改良性合金、鐵鉻鋁合金、鎳鉻鐵合金及鉑金。

基底的作用是固定敏感柵,并使敏感柵與彈性元件相互絕緣。基底要將被測體的應變準確地傳遞到敏感柵上,因此它很薄,一般為0.03～0.06mm,使它與被測體及敏感柵能牢固地粘接在一起。對基底材料的要求是撓性好,具有一定的機械強度,粘接性能和絕緣性能好,蠕變和滯后小,不吸潮,熱穩(wěn)定性能好等。常用的基底材料有紙、膠膜和玻璃纖維布等。覆蓋層的作用是保護敏感柵,使其避免受到機械損傷或防止高溫氧化及防潮、防蝕、防損等。保護片的材料常采用做基底的膠膜或浸含有機液(例如環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂等)的玻璃纖維布,也可以用在敏感柵上涂覆制片時所用的膠黏劑作為保護層。

引線是連接敏感柵和測量電路的絲狀或帶狀的金屬導線。一般要求引線具有低的、穩(wěn)定的電阻率及小的電阻溫度系數(shù)。一般采用焊接方便的鍍錫軟銅線。

2.電阻應變片的種類

下面介紹幾種常用的應變片及其特點。

1)絲式應變片

絲式應變片又分為回線式和短接式兩類。

(1回線式應變片是一種常用的應變片,它是將電阻絲繞成敏感柵粘接在各種絕緣基底上而制成的。它制作簡單、性能穩(wěn)定、價格便宜、易于粘貼。敏感柵直徑為0.012～0.05mm,以0.025mm為常用?；缀鼙?一般在0.03mm左右)。引線多用直徑為0.15～0.30mm的鍍錫銅線與敏感柵連接。圖3－8(a)所示為常見的回線式應變片的構(gòu)造圖。

(2)短接式應變片是將敏感柵平行安放,兩端用直徑比柵徑直徑大5～10倍的鍍銀絲短接而構(gòu)成的,如圖3－8(b)所示。這種應變片突出優(yōu)點是克服了回線式應變片的橫向效應。但由于焊點多,在沖擊、振動條件下,易在焊接點處出現(xiàn)疲勞破壞的現(xiàn)象,對制造工藝的要求高。圖3－8絲式應變片

(a)回線式;(b)短接式

2)箔式應變片

這類應變片是利用照相制板或光刻腐蝕的方法,將電阻箔材在絕緣基底上制成各種圖形而成的應變片,箔材厚度多為0.001～0.01mm,所用材料以康銅和鎳鉻合金為主?；卓捎铆h(huán)氧樹酯、酚醛或酚醛樹酯等。利用光刻技術(shù),可以制成適用各種需要的、形狀美觀的稱為應變花的應變片。圖3－9所示為常見的幾種箔式應變片的構(gòu)造形式。

箔式應變片有較多的優(yōu)點,例如,可根據(jù)需要制成任意形狀的敏感柵;表面積大、散熱性能好,可以通過較大的工作電流;敏感柵彎頭橫向效應可以忽略;蠕變、機械滯后較小,疲勞壽命高等。圖3－9箔式應變片

3)薄膜應變片

在一定基底材料上用各種物理、化學方法制出導電或介質(zhì)材料的薄膜,稱為薄膜應變片。薄膜應變片是采用諸如真空蒸發(fā)、濺射、等離子化學氣相淀積等方法制作而成的。薄膜應變片可以同彈性體結(jié)合在一起,構(gòu)成整體式薄膜傳感器;也可以制成單一的薄膜應變片,再粘貼在彈性體上構(gòu)成傳感器。前者使用較多,它可避免后者因貼片工藝所帶來的誤差因素(蠕變、滯后等)。用薄膜技術(shù)制成的合金型應變片和傳感器,其穩(wěn)定性高,電阻溫度系數(shù)很小(一般為10-5～10-6℃數(shù)量級),因此,在航天、航空工業(yè),以及對穩(wěn)定性要求較高的測控系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。

3.電阻應變片的橫向效應

直線金屬絲被拉伸時,在任一微段上所感受的應變都是相同的。等分多段時,每段產(chǎn)生的電阻增量相同,各段電阻增量之和構(gòu)成總的電阻增量。但是,將同樣長度的金屬絲繞成敏感柵做成應變片之后,其彎曲部分的應變與直線部分就不相同了。如圖3－10所示,敏感柵是由n條長度為l的直線段和直線段端部的n-1個半徑為r的半圓圓弧組成的,若該應變片承受軸向應力而產(chǎn)生縱向拉應變時,各直線段的電阻將增加,但在半圓弧段則受到+μεx～-μεx變化的應變,其電阻的變化將小于沿軸向安放的同樣長度電阻絲電阻的變化。圖3－10應變片的橫向效應因此,將直的金屬絲繞成敏感柵之后,雖然長度相同,但應變片敏感柵的電阻變化較直的金屬絲小,從而其靈敏系數(shù)K較直的金屬絲靈敏系數(shù)Ks小,這種現(xiàn)象稱為應變片的橫向效應。3.2.3電阻應變式傳感器的信號調(diào)理電路

應變片將應變轉(zhuǎn)換為電阻的變化,由于電阻的變化在數(shù)量上很小,既難以直接精確測量,又不便直接處理,因此,必須通過信號調(diào)理電路將應變片電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化,其方法一般是采用測量電橋。

應變式傳感器多采用不平衡電橋電路。電橋的供電采用直流電源供電或交流電源供電,分別稱為直流電橋和交流電橋。下面主要介紹直流電橋。

直流電橋的基本形式如圖3－11所示。R1、R2、R3和R4為電橋的4個橋臂,RL為其負載(可以是測量儀表內(nèi)阻或其他負載)。圖3－11直流電橋

1.電橋平衡狀態(tài)

當RL→∞時,電橋的輸出電壓Uo應為(3－10)當電橋平衡時,Uo=0,則有(3－11)式(3—11)為電橋平衡條件。應變片測量電橋在工作前應使電橋平衡，稱為預調(diào)平衡。式(3－11)為電橋平衡條件。應變片測量電橋在工作前應使電橋平衡,稱為預調(diào)平衡。

當選取R1=R2=R3=R4=R時,稱為全等臂電橋,這種情況下靈敏度最大,也是應變式傳感器常采用的形式。

通常,測量電橋有單臂、半橋、全橋三種方式。

2.單臂電橋

單臂電橋是指電橋中只有一個臂接入應變片。如圖3—12所示，設R1為接入的應變片，工作時R1→R1+ΔR1。圖3—10中R1=R2=R3=R4=R，ΔR1=ΔR，根據(jù)式(3—12)可得(3－12)通常情況下ΔR/R<<1，所以(3－13)由以上分析可見,在單臂電橋測量電路中:

(1)應變片的靈敏度為電源激勵的1/4。

(2)輸出特性為非線性,要獲得線性輸出則要犧牲精度。圖3－12單臂電橋

3.雙臂半橋(差動電橋)

雙臂半橋是指電橋中只有在相鄰的兩個臂中接入工作應變片,且對同一被測量表現(xiàn)出大小相等、圖3－13雙臂半橋

性質(zhì)相反的響應,如圖3－13所示。設R1、R2為接入的應變片,它們接入電橋的相鄰兩個臂,工作時R1→R1+ΔR1,R2→R2-ΔR2,表示R1臂若受拉應變時,R2臂則受壓應變。圖3－13中,

R1=R2=R3=R4=R,ΔR1=ΔR2=ΔR

根據(jù)式(3－10)可得(3－14)圖3－13雙臂半橋

4.全橋

電橋中4個臂均接入應變片即為全橋,如圖3－14所示。工作時,R1→R1+ΔR1，R2→R2-ΔR2，R3→R3-ΔR3，R4→R4+ΔR4表示R1、R4臂若受拉應變時，R2、R3臂則受壓應變。圖3—14中R1=R2=R3=R4=R，ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4=ΔR根據(jù)式(3—12)可得(3－15)可見全橋式的輸出電壓特性也是呈線性關系，且靈敏度是單臂電橋的4倍。圖3－14全橋3.2.4電阻應變片的溫度誤差及補償方法

1.溫度誤差及其產(chǎn)生的原因

由于測量現(xiàn)場環(huán)境溫度的改變而給測量帶來的附加誤差,稱為應變片的溫度誤差。溫度變化所引起的應變片電阻變化與測量應變時應變片電阻的變化幾乎有相同的數(shù)量級,如果不采取必要的措施,克服溫度的影響,測量精度將無法保障。

2.溫度補償?shù)姆椒?/p>

溫度補償?shù)姆椒ㄍǔＳ袠蚵费a償法和應變片自補償法兩大類。

1)橋路補償法

應變片通常是作為平衡電橋的一個臂測量應變的。圖3－15中,R1為工作應變片,它粘貼在被測試件表面上;R2為補償應變片,它粘貼在與被測試件材料完全相同的補償塊上。在工作過程中,補償塊不承受應變。當溫度變化時,R1和R2的阻值都發(fā)生變化,由于它們感受到相同的溫度變化,R1與R2又為同類應變片,且粘貼在相同的材料上,因而溫度變化引起的電阻變化ΔR1=ΔR2,在橋路中相互抵消,這樣就起到了溫度補償?shù)淖饔?。圖3－15橋路補償法2)應變片自補償法

(1)選擇式自補償應變片。實現(xiàn)溫度自補償?shù)臈l件是:當溫度變化時,產(chǎn)生的附加應變?yōu)榱慊蛳嗷サ窒?。所?被測試件的材料選定后,只要選擇合適的應變片敏感柵材料,使其溫度系數(shù)α與試件材料及敏感柵材料的線膨脹系數(shù)匹配,就可達到溫度自補償?shù)哪康?。這種方法的缺點是一種α值的應變片只能在一種材料上使用,因此局限性較大。

(2)雙金屬敏感柵自補償應變片。即制作應變片時,敏感柵采用兩種金屬材料,它們的溫度系數(shù)不同,一個為正,一個為負,將二者串聯(lián)繞制,如圖3－16所示。R1、R2為兩段不同材料的敏感柵,這樣,當溫度變化時,產(chǎn)生的電阻變化一個為正,另一個為負,若使其大小相等,則相互抵消。圖3－16雙金屬敏感柵自補償應變片3.2.5應變式傳感器的用途

應變式傳感器按其用途不同,可分為應變式力傳感器、應變式壓力傳感器等。

1.應變式力傳感器

應變式力傳感器主要用來測量荷重及力。它在電子自動秤中的應用非常普遍,例如電子軌道衡、電子吊車衡、電子配料秤、商用電子秤、自動灌包定量秤、電子皮帶秤等。在工業(yè)及國防上使用應變式力傳感器的地方也很多,例如各種機械零件受力狀態(tài)、材料試驗設備、發(fā)動機推力測試等。應變式力傳感器要求有較高的靈敏度和穩(wěn)定性,當傳感器在受副側(cè)向力作用或力的作用點做少量變化時,不應對輸出有明顯的影響。應變式力傳感器上的應變片要盡量粘貼在彈性元件較平的地方,彈性元件在結(jié)構(gòu)上最好能有相同的正負應變區(qū)。如果使用柱式彈性元件,要盡可能消除偏心和彎矩的影響,應變片應對稱地粘貼在應力均勻的柱表面中間部位。

2.應變式壓力傳感器

應變式壓力傳感器主要用來測量流動介質(zhì)的動態(tài)或靜態(tài)壓力,例如動力管道設備的進出口氣體或液體的壓力、發(fā)動機內(nèi)部的壓力變化、槍管及炮管內(nèi)部的壓力、內(nèi)燃機管道壓力等。

應變式壓力傳感器多采用膜片式或筒式彈性元件。 3.3壓阻式壓力傳感器

3.3.1壓阻式壓力傳感器的工作原理與主要特點

1.工作原理

壓阻式壓力傳感器的工作原理是基于半導體材料的壓阻效應的。壓阻效應是指當半導體材料某一軸向受外力作用時,其電阻率ρ發(fā)生變化的現(xiàn)象。能產(chǎn)生明顯的壓阻效應的材料很多,但半導體材料的這種效應特別顯著,能直接反映出很微小的應變。常見的半導體應變片是用鍺和硅等半導體材料作為敏感柵的,一般為單根狀,如圖3－17所示。圖3－17半導體應變片的結(jié)構(gòu)形式

2.主要特點

(1)壓阻式壓力傳感器的靈敏系數(shù)比金屬應變式壓力傳感器的靈敏度系數(shù)要大50～100倍。有時壓阻式壓力傳感器的輸出不需要放大器就可直接進行測量。

(2)由于它采用集成電路工藝加工,因而結(jié)構(gòu)尺寸小,重量輕。

(3)壓力分辨率高,它可以檢測出像血壓那么小的微壓。

(4)頻率響應好,它可以測量幾十千赫茲的脈動壓力。

(5)由于傳感器的力敏元件及檢測元件制在同一塊硅片上,因此它的工作可靠,綜合精度高,且使用壽命長。

(6)由于它采用半導體材料硅制成,對溫度較敏感,再加上不采用溫度補償,因而溫度誤差較大。3.3.2溫度補償

為了解決溫度漂移問題,在電橋的供電方式上,一般都采用恒流源供電方式,使電橋的輸出與溫度無關。但實際上,由于工藝的原因,兩支電路的阻值是不相等的,有零位輸出。所以即使采用恒流源供電方式仍會有一定的溫度誤差。壓阻式壓力傳感器有零位輸出,就有零位溫度漂移,而且它的靈敏度也隨溫度變化而變化。傳感器的零位溫漂可采用在電橋電路中串聯(lián)、并聯(lián)補償電阻的方法來解決,如圖3－18所示。其中Rt為負溫度系數(shù)的熱敏電阻,主要用來補償零位溫度漂移;RP用來調(diào)節(jié)零位輸出。傳感器靈敏度溫漂一般是采用改變電源電壓的方法進行補償?shù)?。隨著半導體技術(shù)的發(fā)展,目前已出現(xiàn)了集成化壓阻式壓力傳感器,它是將四個檢測電阻組成的橋路、電壓放大器和溫度補償電路集成在一起的單塊集成化壓力傳感器。圖3－18溫度漂移補償電路集成壓力傳感器由于采用了溫補電路和差動放大電路,它的靈敏度溫度系數(shù)幾乎為零。這種壓力傳感器精度高、工作可靠、容易實現(xiàn)數(shù)字化,比應變式壓力傳感器的體積小而輸出信號大。它的缺點是:受溫度的影響大,制造工藝復雜。它是目前壓力測量中使用最多的一種傳感器。3.3.3壓阻式壓力傳感器的應用

由于壓阻式壓力傳感器的獨特優(yōu)點,在航天、航海、石油化工、生物醫(yī)學、氣象、地震等領域得到了廣泛的應用。

1)航空工業(yè)中的應用

在航空工業(yè)中,壓力是一個關鍵參數(shù),需要測量靜壓、動壓、穩(wěn)態(tài)壓力、脈動壓力、局部壓力和整個壓力場,因而需要體積小、質(zhì)量輕、精度高、響應快、工作可靠的壓力傳感器。這些正是壓阻式壓力傳感器的理想應用。例如,在20世紀60年代,用硅壓力傳感器測量直升機機翼的氣流壓力分布;20世紀70年代,用它來測量發(fā)動機進口處的動壓、葉柵的脈動壓力和機翼的抖動等。

2)生物醫(yī)學上的應用

壓阻式壓力傳感器是生物醫(yī)學上應用的理想傳感器。例如,用一厚度僅為10μm、外徑為0.5mm的硅膜片做成壓力傳感器,可裝入一支注射管中插入生物體內(nèi),做體內(nèi)壓力測試。其結(jié)構(gòu)示意如圖3－19所示。圖3－19注射型壓阻式壓力傳感器圖3－20心內(nèi)導管中壓阻式壓力傳感器3)兵器上的應用

由于固有頻率高、動態(tài)響應快、體積小等特點,壓阻式壓力傳感器適合測量槍炮膛內(nèi)的壓力。測量時,傳感器安裝在槍炮的身管上或裝在藥筒底部。另外,壓阻式傳感器也用來測試武器發(fā)射時產(chǎn)生的沖擊波。 3.4壓電式傳感器

3.4.1壓電效應

一些晶體結(jié)構(gòu)的材料,當沿著一定方向受到外力作用時,內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象,同時在某兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷;而當外力去掉后,又恢復到不帶電狀態(tài);當作用力方向改變時,電荷的方向也隨著改變。晶體受作用力產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比關系:Q=d·F式中:Q——電荷量;

F——外力大小;

d——壓電常數(shù)3.4.2壓電材料

壓電材料基本上可分為三大類,即壓電晶體、壓電陶瓷和有機壓電材料。壓電晶體是一種單晶休,例如石英晶體、酒石酸鉀鈉等;壓電陶瓷是一種人工制造的多晶體,例如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛、鈮酸鍶等;有機壓電材料屬于新一代的壓電材料,其中較為重要的有壓電半導體和高分子壓電材料。

用于力學壓電傳感器的壓電材料主要是石英晶體和鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛壓電陶瓷。

1.石英晶體

根據(jù)結(jié)構(gòu)分析,石英晶體結(jié)構(gòu)是結(jié)晶六邊形體系,棱柱體是它的基本組織,在它上面有三個直角坐標軸,如圖3－21(a)、(b)所示。其中，圖(b)是石英晶體中間棱柱斷面的下半部分,其斷面為正六邊形。

石英晶體是各向異性的,并不能在每個方向產(chǎn)生相同的特性。如圖3－21(b)所示,Z軸是晶體的對稱軸,也稱光軸,該軸方向上沒有壓電效應;X軸稱為電軸,垂直于X軸晶面上的壓電效應最顯著;Y軸稱為機械軸,在電場的作用下,沿此軸方向的機械變形最顯著。圖3－21石英晶體在晶體切片上,產(chǎn)生電荷的極性與受力的方向有關。圖3－22給出了電荷極性與受力方向的關系。若沿晶片的X軸施加壓力Fx,則在加壓的兩表面上分別出現(xiàn)正、負電荷,如圖3－22(a)所示。若沿晶片的Y軸施加壓力Fy,則在加壓的表面上不出現(xiàn)電荷,電荷仍出現(xiàn)在垂直于X軸的表面上,只是電荷的極性相反,如圖3－22(c)所示。若將X、Y軸方向施加的壓力改為拉力,則產(chǎn)生電荷的位置變,只是電荷的極性相反,如圖3－22(b)、(d)所示。圖3－22晶片電荷極性與受力方向的關系石英晶體不但絕緣性能好,機械強度高,而且它的壓電溫度系數(shù)很小,在20～200℃的溫度范圍內(nèi),溫度每升高1℃,壓電系數(shù)僅減小0.016％。除此之外,它的居里溫度為575℃,也就是說,當溫度達到575℃時才會失去壓電特性。石英晶體資源較少,價格較貴,而且它的壓電系數(shù)比壓電陶瓷的壓電系數(shù)低得多。鑒于上述優(yōu)缺點,石英晶體只是在校準用的標準傳感器或精度要求很高的傳感器中才得以采用,而大多數(shù)壓電傳感器采用壓電陶瓷作為壓電元件。

2.壓電陶瓷

壓電陶瓷是一種人工制造的多晶壓電材料,它是由無數(shù)個細微的單晶組成的。在壓電式傳感器中多采用鈦酸鋇及鋯鈦酸鉛。原始的壓電陶瓷并不具有壓電性能,其內(nèi)部形成的單晶自發(fā)極化,電疇是無規(guī)則排列的,極性相互抵消。因而要使其具有壓電性,就必須在一定溫度下做極化處理,以強電場使電疇規(guī)則排列,取向一致,從而呈現(xiàn)出壓電特性。極化后的壓電陶瓷仍不呈現(xiàn)極化現(xiàn)象,這是因為它的表面極性被由空氣中或由晶體內(nèi)部沉積出的自由離子中和了。當壓電陶瓷受到沿極化方向力的作用時,陶瓷的變形使電疇偏轉(zhuǎn),從而在垂直于極化方向的平面上得到被釋放的電荷。

目前使用較多的是鋯鈦酸鉛(PlT系列),它具有較高的壓電系數(shù),工作溫度可達200℃。它的壓電性能和溫度穩(wěn)定性都優(yōu)于鈦酸鋇。圖3－23壓電元件的等效電路3.4.3壓電元件的應用特點

壓電式傳感器中的壓電元件無論是石英切片還是壓電陶瓷,它的內(nèi)阻都很高,而輸出的信號功率很小。因此一般不能直接顯示、記錄和使用,而需要經(jīng)過阻抗變換和信號放大。壓電元件的等效電路如圖3－23所示。其中,Q是壓電元件受力后產(chǎn)生的電荷;兩電極板間有電位差Uo;壓電材料是電介質(zhì),因而在兩極板間存在電容Ca;Rd為極板之間的絕緣電阻。根據(jù)壓電元件的等效電路,它的輸出可以是電壓,也可以是電荷。為了便于應用,在壓件輸出和測量電路之間配接一個放大器,其作用一是把壓電元件微弱的信號放大;另一是把壓電元件的高阻抗輸入變?yōu)榈妥杩馆敵觥７糯笃饔袃煞N形式:一種是電壓放大器,另一種是電荷放大器。目前使用較多的是電荷放大器。電荷放大器是一種利用電容進行負反饋的高放大倍數(shù)運算放大器,它的等效電路如圖3－24所示。圖3－24壓電元件與電荷放大器的等效電路電荷放大器的輸出電壓與輸入電荷量成正比關系,即式中:Uo——電荷放大器的輸出電壓;

Q——壓電元件產(chǎn)生的電荷;

K——運算放大器開環(huán)差模放大倍數(shù);

Ca——壓電元件的電容;

Co——壓電元件輸出與電荷放大器之間連接電纜的分布電容;

Ci——電荷放大器的輸入電容;

Cf——反饋電容。由于K值很大,因此(1+K)Cf>>Ca+Co+Ci，上式可簡化為由上式還可以看出,電荷放大器的輸出電壓只與壓電元件產(chǎn)生的電荷和反饋電容有關,而與連接電纜的分布電容無關。這是電荷放大器的一個突出優(yōu)點,它為遠距離測試提供了很大的方便。為了提高靈敏度,在使用中常把幾片同型號的壓電元件疊在一起,圖3－25是兩個壓電元件的組合形式。其中,圖(a)是兩個壓電元件的負極相連的并聯(lián)接法,此時,在外力作用下電荷量可增加一倍,電容量也增加一倍,輸出電壓與單個壓電元件相同;圖(b)是兩個壓電元件的串聯(lián)形式,其輸出的電荷量與單個壓電元件相同,總的電容量為單個壓電元件電容量的一半,輸出電壓增大一倍。在實際的壓電式傳感器中,可根據(jù)需要對壓電元件進行串、并聯(lián)的組合。圖3－25壓電元件的連接方式

(a)并聯(lián);(b)串聯(lián)3.4.4壓電式傳感器的應用

1.壓電式單向測力傳感器

圖3－26是壓電式單向測力傳感器的結(jié)構(gòu)圖,它主要由石英晶片、絕緣套、電極、上蓋及基座等組成。傳感器的上蓋為傳力元件。它的外緣壁厚為0.1～05mm,當外力作用時,它將產(chǎn)生彈性變形,將力傳遞到石英晶片上。石英晶片的尺寸為8×1mm,它被絕緣套定位。石英晶片及內(nèi)部元件裝配前均要進行嚴格的清洗,然后用電子束進行封焊,以保證傳感器具有高的絕緣阻抗。該傳感器的測力范圍為0～50N,最小分辨率為0.01N,固有頻率為50～60kHz。整個傳感器重10g。圖3－26壓電式單向測力傳感器結(jié)構(gòu)圖圖3－27玻璃破碎傳感器的外形圖

2.玻璃破碎報警器

Bs－02壓電式傳感器是專門用于檢測玻璃破碎的一種傳感器。它利用壓電元件對振動敏感的特性來感知玻璃受撞擊和破碎時產(chǎn)生的振動波,傳感器把振動波轉(zhuǎn)換成電壓輸出,輸出電壓經(jīng)放大、濾波、比較等處理后提供給報警系統(tǒng)。玻璃破碎報警器可廣泛應用于文物保管、貴重商品保管及其他商品柜臺等場臺。

Bs－02壓電式玻璃破碎傳感器的外形如圖3－27所示。傳感器的最小輸出電壓為100mV,最大輸出電壓為100V,內(nèi)阻阻抗為15～20kΩ,工作溫度為-10～60℃。

報警器的電路框圖如圖3－28所示。使用時傳感器用膠粘貼在玻璃上,然后通過電纜和報警電路相連。為了提高報警器的靈敏度,信號經(jīng)放大后,需經(jīng)帶通濾波器進行濾波,要求它對選定的頻譜通帶的衰耗要小,而帶外衰耗要盡量大。由于玻璃振動的波長在音頻和超聲波的范圍內(nèi),這就使濾波器成為電路中的關鍵。為提高報警的可靠性,電路中設置有比較器,只有在傳感器信號高于設定的閾位時,它才會輸出報警信號,驅(qū)動報警執(zhí)行機構(gòu)工作。圖3－28玻璃破碎報警器電路框圖壓電式 3.5電容式傳感器

電容式傳感器的特點:

(1)結(jié)構(gòu)簡單,性能穩(wěn)定,可在惡劣環(huán)境下工作。

(2)阻抗高,功率小。

(3)動態(tài)響應好,靈敏度高,分辨力強。

(4)沒有由于振動引起的漂移。

(5)測試導線分布電容對測量誤差影響較大。

(6)電容量的變化與極板間距離變化為非線性。3.5.1電容式傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)形式

電容式傳感器是一個可變參數(shù)的電容器,其基本工作原理可用圖3－29所示的平板電容器加以說明。當忽略邊緣效應時,平板電容器的電容為(3－16)式中:A——極板面積;

d——極板間距離;

εr——相對介電常數(shù);

ε0——真空介電常數(shù),ε0=8.85×10-12F／Cm;

ε——電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。圖3－29平板電容器當被測參數(shù)使式(3－16)中的d、A或ε發(fā)生變化時,電容量也隨之變化。如果保持其中兩個參數(shù)不變,僅改變另一個參數(shù),就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化。根據(jù)電容器變化的參數(shù)不同,電容式傳感器可以分為三種類型:變間隙式、變面積式和變介電常式。表3－1列出了電容式傳感器三種類型的結(jié)構(gòu)形式。變間隙式一般用來測量微小的線位移(0.01μm到零點幾毫米);變面積式一般用于測量角位移(1″至幾十度)或較大的線位移;變介電常數(shù)式常用于固體或液體的物位測量以及各種介質(zhì)的濕度、密度的測量等。表3－1電容式傳感器三種類型的結(jié)構(gòu)形式3.5.2變間隙式電容式傳感器

圖3－30所示為變間隙式電容式傳感器原理圖。圖中2為靜止極板(一般稱為定極板),而1為與被測體相連的動極板。當極板1因被測參數(shù)改變而移動時,就改變了兩極板間的距離d,從而改變了兩極板間的電容C。圖3－30變間隙式電容式傳感器圖3－31

C－d特性曲線極板面積為A,初始間隙為d0,介質(zhì)為空氣(εr=1)的電容器的電容值為當間隙d0減少了Δd時(設Δd<<d0)，則電容增加ΔC即(3－17)電容的相對變化為(3－18)由Δd/d0<1得近似的線性關系式,即(3－19)從而電容式傳感器的靈敏度為(3－20)由式(3－20)可知,要提高靈敏度,應減小起始間隙d0,但d0過小,容易引起電容器擊穿或短路。為此,極板間可采用高介電常數(shù)的材料(云母、塑料膜等)作介質(zhì),如圖3－32所示。圖3－32具有固體介質(zhì)的變間隙式電容式傳感器云母的介電常數(shù)為空氣的7倍,其擊穿電壓不小于1000kV/mm,而空氣的擊穿電壓為3kV/mm,因此有了云母片,極板間起始距離可大大的減小。

一般電容式傳感器的起始電容為20～30pF,極板間距在25～200μm的范圍內(nèi),最大位移應該小于間距的1／10。所以,在實際應用中,為了提高靈敏度,減小非線性,大多采用差動式的結(jié)構(gòu)。在差動式電容式傳感器中,其中一個電容器的電容C1隨位移Δd增加時,另一個電容器的電容C2則減少,如圖3－33所示。圖3－33差動式電容式傳感器電容器的初始電容C1、C2為(3－21)當動片向上移動Δd時,電容器C1的間隙減小Δd的同時,電容器C2的間隙增大Δd,利用式(3－19)可得和因此，當實現(xiàn)差動輸出（△C=△C1-△C2）時，就有(3－22)因而傳感器的靈敏度為(3-23)可知:電容式傳感器做成差動結(jié)構(gòu)以后,靈敏度提高1倍;非線性誤差也大大降低了;同時,差動式電容式傳感器還能減小由引力給測量帶來的影響,并有效地改善由于溫度等環(huán)境影響所造成的誤差。3.5.3變面積式電容式傳感器

變面積式電容式傳感器有很多結(jié)構(gòu)形式,圖3－34(a)、(b)所示是兩種較常見的變面積式電容式傳感器。

圖3－34(a)是角位移式結(jié)構(gòu),其動、定極板分別是兩個半圓片,當動極板有一角位移θ時,與定極板間的有效覆蓋面積A就改變,從而改變了兩極板間的電容量。當θ=0時,有 ;當θ≠0時,有可以看出,傳感器的電容量C與角位移θ成線性關系。圖3－34變面積式電容式傳感器

(a)角位移式;(b)直線位移式圖3－34(b)是直線位移式結(jié)構(gòu),當動極板移動Δx之后,面積A就改變,則電容也隨之改變,其值為(忽略邊緣效應)靈敏度為由此可知,變面積式電容式傳感器的輸出特性是線性的。增大極板邊長b,減小間隙d,可以提高靈敏度。但極板的邊長a不宜過小,否則會因邊緣電場影響的增加而影響線性特性。3.5.4變介電常數(shù)式電容式傳感器

1.電容式液位傳感器

圖3－35所示是一種變極板間介質(zhì)的電容式傳感器測量液位高低的結(jié)構(gòu)原理圖。設被測介質(zhì)的介電常數(shù)為ε1,液面高度為h,變換器總高度為H,內(nèi)筒外徑為d,外筒內(nèi)徑為D,則此時變換器電容值為(3－24)式中:ε——空氣介電常數(shù);

C0——由變換器的基本尺寸決定的初始電容值,即由式(3－24)可見,此變換器的電容增量正比于被測液位高度h。圖3－35電容式液位傳感器結(jié)構(gòu)原理圖

2.電容式位移傳感器

圖3—36是一種常用的結(jié)構(gòu)形式。圖中兩平行電極固定不動，極距為d，相對介電常數(shù)為εr2：的電介質(zhì)以不同深度插人電容器中，從而改變兩種介質(zhì)的極板覆蓋面積。傳感器總電容量式中:L0和b0——極板的長度和寬度;

L——第2種介質(zhì)進入極板間的長度。圖3—36變介電常數(shù)式電容傳感器若電介質(zhì)εr1=1,則當L=0時,傳感器的初始電容為當被測介質(zhì)εr2進入極板間L深度后,引起的電容相對變化量為可見,電容量的變化與電介質(zhì)εr2的移動量L成線性關系。3.5.5電容式傳感器的信號調(diào)理電路

電容式壓力傳感器在結(jié)構(gòu)上有單端式和差動式兩種形式,因為差動式的靈敏度較高,非線性誤差也小,所以電容式壓力傳感器大都采用差動形式。

差動式電容壓力傳感器主要由一個膜式動電極和兩個在凹形玻璃上電鍍成的固定電極組成差動電容器。當被測壓力或壓力差作用于膜片并產(chǎn)生位移時,形成的兩個電容器的電容量,一個增大,一個減小。該電容值的變化經(jīng)測量電路轉(zhuǎn)換成與壓力或壓力差相對應的電流或電壓的變化。差動式電容壓力傳感器的測量電路常采用雙T型電橋電路。雙T型電橋電路如圖3－37所示。其中,e為對稱方波的高頻信號源;C1和C2為差動式電容傳感器的一對電容;RL為測量儀表的內(nèi)阻;VD1和VD2為性能相同的兩個二極管;R1、R2(R1=R2)為固定電阻。圖3－37雙T電橋電路當e為正半周時,VD1導通,VD2截止,電容C1充電至電壓E,電流經(jīng)R1流向RL,與此同時,C2通過R2向RL放電。當e為負半周時,VD2導通、VD1截止,電容C2充電至電壓E,電流經(jīng)R2流向RL,與此同時,C1通過R1向RL放電。

當C1=C2,亦即沒有壓力輸給傳感器時,在e的一個周期內(nèi)流過負載RL的平均值為零,RL上無信號輸出。當有壓力作用在膜片上時,C1≠C2,在負載電阻上的平均電流不為零,RL上有信號輸出。

雙T電橋電路具有結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)響應快、靈敏度高等優(yōu)點。3.5.6電容式傳感器的應用

1.電容式荷重傳感器

圖3－38所示為電容式荷重傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。它是在鎳鉻鉬鋼塊上,加工出一排尺寸相同且等距的圓孔,在圓孔內(nèi)壁上粘接有帶絕緣支架的平板式電容器,然后將每個圓孔內(nèi)的電容器并聯(lián)。當鋼塊端面承受重量F作用時,圓孔將產(chǎn)生變形,從而使每個電容器的極板間距變小,電容量增大。電容器容量的增值正比于被測載荷F。圖3－38電容式荷重傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖

2.硅電容式加速度傳感器

圖3－39所示為一零位平衡式(伺服式)硅電容式加速度傳感器的原理框圖。傳感器由玻璃—Si—玻璃結(jié)構(gòu)構(gòu)成。硅懸臂梁的自由端設置有敏感加速度的質(zhì)量塊,并在其上、下兩側(cè)淀積有金屬電極,形成電容的活動極板。把它安裝在固定電極板之間,組成一個差動式平板電容器,如圖3－39(a)所示。當有加速度(慣性力)施加在加速度傳感器上時,活動極板(質(zhì)量塊)將產(chǎn)生微小的位移,引起電容變化,電容變化量ΔC由開關電容電路檢測并放大。兩路脈寬調(diào)制信UE和UE由脈寬調(diào)制器產(chǎn)生,并分別加在兩對電極上,如圖3－39(b)所示。通過這兩路脈寬調(diào)制信號產(chǎn)生的靜電力去控制活動極板的位置。對任何加速度值,只要檢測出合成電容ΔC并用之控制脈沖寬度,便能夠?qū)⒒顒訕O板準確地保持在兩固定電極之間位置處(即保持在非常接近零位移的位置上)。因為這種脈寬調(diào)制產(chǎn)生的靜電力總是阻止活動電極偏離零位,且與加速度g成正比,所以通過低通濾波器的脈寬信號,即為該加速度傳感器輸出的電壓信號。圖3－39零位平衡式硅電容式加速度傳感器

(a)微型硅電容式加速度傳感器芯片;

(b)脈寬調(diào)制伺服式硅電容式加速度傳感器

3.6力敏傳感器的應用實例

3.6.1壓電引信

壓電引信是利用鈦酸鋇或鋯鈦酸鉛壓電陶瓷的正壓電效應制成的一種彈丸起爆裝置。它具有瞬發(fā)度高、靈敏度低、不需配置電源等特點,常應用在破甲彈上,對提高彈丸的破甲能力起著非常重要的作用。壓電引信由壓電晶體和起爆裝置兩部分組成,壓電晶體放在彈丸的頭部,起爆裝置設置在彈丸的尾部,如圖3－40所示。圖3－40使用壓電引信的破甲彈壓電引信的電路如圖3－41所示。平時電雷管E處于短路保險狀態(tài),壓電晶體產(chǎn)生的電荷將從電阻R泄放掉,不會使電雷管動作。彈丸發(fā)射后,引信起爆裝置解除保險狀態(tài),開關S從a處斷開,與b接通,處于待發(fā)狀態(tài)。當彈丸與裝甲目標相遇時,碰撞力使壓電晶體產(chǎn)生電荷,經(jīng)導線傳給電雷管使其起爆,并引起彈丸的爆炸,錐孔炸藥爆炸形成的能量使藥形罩熔化,形成高溫高速的金屬流,將鋼甲穿透,起到殺傷作用。圖3－41壓電引信的電路3.6.2泥漿材料測重儀

在石油開采過程中,常使用水泥漿、拌土漿、重晶石粉漿等材料實施固井作業(yè)。這些泥漿材料放在很大的密封罐內(nèi),在作業(yè)時,需要隨時監(jiān)測罐內(nèi)材料的重量。泥漿材料測重儀能夠測量并顯示密封罐內(nèi)泥漿材料的重量,測量范圍為1～120噸,可同時對4個密封罐進行監(jiān)測。圖3－42泥漿材料測重儀電路3.6.3電子皮帶秤

電子皮帶秤是一種能連續(xù)稱量散狀顆粒物料重量的裝置,它不但可以對某一瞬間在輸送帶上的輸送物料重量進行秤重,而且還可以為某段時間內(nèi)輸送的物料總重進行秤重。因此,電子皮帶秤在煤礦、水泥廠、礦山和糧倉碼頭得到了普遍的應用。

電子皮帶秤的工作原理如圖3－43所示。皮帶稈上使用著兩個傳感器,一個是測力傳感器,它通過皮帶下的稱架感受稱量區(qū)間L的物料重量;另一個為測速傳感器,它和皮帶導輪同軸,當皮帶傳動時,通過導輪隨動檢測皮帶的運行速度。在某一稱量區(qū)間的物料重量有如下的關系式:W(t)=q(t)·L

式中:W(t)——L區(qū)間的物料重量;

q(t)——皮帶單位長度上的物料重量;

L——區(qū)間長度,與皮帶的運行速度有關。對于皮帶在單位時間里的輸送量,有如下的關系式:Q(t)=Lq(t)v(t)式中:Q(t)——單位時間里輸送的物料重量;

v(t)——皮帶速度。這樣,只要將測力傳感器輸出后放大的信號v1和測速傳感器測得的速度信號v2,經(jīng)乘法器相乘,便可得知皮帶在單位時間內(nèi)的輸送量。將此值經(jīng)積分器積分,即可得到0～t段時間內(nèi)的物料總重量,該重量可直接在顯示器上顯示出來。圖3－43電子皮帶秤工作原理圖3.6.4千斤頂荷重測試

液壓千斤頂是采用液壓原理設計的一種頂舉裝置,額定起重量是它的一項主要技術(shù)指標,在生產(chǎn)中需要對這一技術(shù)指標進行100％的驗證。圖3－44是檢驗千斤頂荷重量的測試圖。試驗裝置采用應變式測力傳感器,傳感器被固定在由四個支柱支承的頂板上,千斤頂荷重輸出端和它相接觸。當上下搬