1、1 应变式传感器应变式传感器 电感式传感器电感式传感器 电容式传感器电容式传感器 压电式传感器压电式传感器 压磁式传感器压磁式传感器项目项目3 力学传感器及其应用力学传感器及其应用23.1 3.1 测力传感器测力传感器 力是物理基本量之一，因此测量各种动态、力是物理基本量之一，因此测量各种动态、静态力的大小是十分重要的。静态力的大小是十分重要的。 力的测量需要通过力传感器间接完成，力传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。感器是将各种力学量转换为电信号的器件。3力传感器示例力传感器示例4 电气式电气式测力测力传感器的分类有：传感器的分类有： 参量型测力传感
2、器：参量型测力传感器： 将被测物理量转化为电参数。如电阻、电容或电感等。将被测物理量转化为电参数。如电阻、电容或电感等。 发电型测力传感器：发电型测力传感器： 将被测物理量转换为电源性参量。如电动势、电荷等。将被测物理量转换为电源性参量。如电动势、电荷等。1 1、测力传感器的分类方式、测力传感器的分类方式 5 电气式电气式测力测力传感器传感器 参量型测力传感器参量型测力传感器 发电型测力传感器发电型测力传感器 电阻应变式电阻应变式 压电式压电式 电容式电容式 测力传感器测力传感器 测力传感器测力传感器 电感式电感式 压磁式压磁式 2 2、测力传感器的种类、测力传感器的种类 6 由弹性元件、电阻
3、应变片及外壳等组装成的用来进由弹性元件、电阻应变片及外壳等组装成的用来进行测量的装置，称为行测量的装置，称为应变式传感器。应变式传感器。 3.1.1 3.1.1 电阻应变式测力传感器电阻应变式测力传感器 71 1、应变式测力传感器的工作原理、应变式测力传感器的工作原理 电阻应变式测力传感器的工作原理是在一定形状的弹电阻应变式测力传感器的工作原理是在一定形状的弹性元件上粘贴或用其它方法安装电阻应变敏感元件。当接性元件上粘贴或用其它方法安装电阻应变敏感元件。当接触力作用在弹性元件上时，弹性元件产生变形，电阻应变触力作用在弹性元件上时，弹性元件产生变形，电阻应变敏感元件的阻值随之发生变化。敏感元件的
4、阻值随之发生变化。 我们可用变换电路将阻值的变化我们可用变换电路将阻值的变化变成变成电压（或电流）电压（或电流）的变化，并将其信号输出到测量电路，根据电压变化量即的变化，并将其信号输出到测量电路，根据电压变化量即可得知接触力的大小与作用位置。可得知接触力的大小与作用位置。8柱型应变式测力传感器结构柱型应变式测力传感器结构9柱型弹性元件力与应变的关系柱型弹性元件力与应变的关系 柱型传感器特点：柱型传感器特点：结构简单，紧凑，可设计成压式或结构简单，紧凑，可设计成压式或拉压式，可承受大载荷，强度计算简单。拉压式，可承受大载荷，强度计算简单。 纵向应力：纵向应力： F/SF/SEE 其应变为：其应变
5、为： = L/L = L/L =/E=F/SE/E=F/SE 式中式中 弹性元件的纵向应力（弹性元件的纵向应力（PaPa）；）； 纵向应变；纵向应变； F F 受力（受力（N N）；）； S S 弹性元件的横断面积（弹性元件的横断面积（m m2 2） E E 元件材料的弹性模量（元件材料的弹性模量（PaPa）10薄壁环型应变式测力传感器结构薄壁环型应变式测力传感器结构11 薄壁环式应变弹性元件，其应变片在薄壁式弹性元件上薄壁环式应变弹性元件，其应变片在薄壁式弹性元件上的位置如图所示。其应变公式为：的位置如图所示。其应变公式为：式中：式中：A A一一A A处的应变值处的应变值 B B一一B B处
6、的应变值处的应变值 h h一电桥输出的应变值；一电桥输出的应变值； R R0 0一薄壁环平均半径一薄壁环平均半径(m)(m)； R R一薄壁环内圆半径一薄壁环内圆半径(m)(m)； bb薄壁环的宽度薄壁环的宽度(m)(m)； h h一薄壁环的厚度一薄壁环的厚度(mm)(mm)。 FF受力（受力（N N）；）； EE元件材料的弹性模量（元件材料的弹性模量（P Pa a）薄壁环型弹性元件力与应变的关系薄壁环型弹性元件力与应变的关系 EbhFRA20908. 1EbhFRB20092. 1EbhFRh235. 412梁型应变式测力传感器结构（梁型应变式测力传感器结构（1）13梁型应变式测力传感器结构
7、（梁型应变式测力传感器结构（2）14 悬臂梁式应变弹性元件，其应变片的位置如前图所示。悬臂梁式应变弹性元件，其应变片的位置如前图所示。其上下表面的应变值为：其上下表面的应变值为：式中：式中：ll悬臂外端距应变片中心的长度悬臂外端距应变片中心的长度(m)(m)； bb悬臂宽度悬臂宽度(m)(m)； hh悬臂厚度悬臂厚度(m)(m)； FF受力（受力（N N）；）； EE元件材料的弹性模量（元件材料的弹性模量（PaPa）悬臂梁式弹性元件力与应变的关系悬臂梁式弹性元件力与应变的关系 EbhFl22415 等强度悬臂梁式应变弹性元件，其应变片的位置如图所等强度悬臂梁式应变弹性元件，其应变片的位置如图所
8、示。其上下表面的应变值为：示。其上下表面的应变值为：式中：式中：ll梁的长度梁的长度(m)(m)； bb梁的宽度梁的宽度(m)(m)； hh梁的厚度梁的厚度(m)(m)； FF受力（受力（N N）；）； EE元件材料的弹性模量（元件材料的弹性模量（PaPa）等强度悬臂梁式弹性元件力与应变的关系等强度悬臂梁式弹性元件力与应变的关系 EbhFl2616 两端固定梁式应变弹性元件，应变片的位置如图所示。两端固定梁式应变弹性元件，应变片的位置如图所示。其上下表面的应变值为：其上下表面的应变值为：式中：式中：ll梁的长度梁的长度(m)(m)； bb梁的宽度梁的宽度(m)(m)； hh梁的厚度梁的厚度(m
9、)(m)； FF受力（受力（N N）；）； EE元件材料的弹性模量（元件材料的弹性模量（PaPa）两端固定梁式弹性元件力与应变的关系两端固定梁式弹性元件力与应变的关系 EbhFl243172、弹性元件力与应变关系的结论、弹性元件力与应变关系的结论 在电阻应变式测力传感器中，当弹性元件的在电阻应变式测力传感器中，当弹性元件的尺寸和材料确定后，弹性元件在外力作用下所产尺寸和材料确定后，弹性元件在外力作用下所产生的应变与外力成正比。生的应变与外力成正比。183 3应变片应变片 电阻应变片电阻应变片( (简称应变片简称应变片) )的作用是把导体的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。
10、机械应变转换成电阻应变，以便进一步电测。 实际的应变片根据敏感元件材料的不同，主实际的应变片根据敏感元件材料的不同，主要分为金属电阻应变片和半导体应变片两类。要分为金属电阻应变片和半导体应变片两类。 金属电阻应变片金属电阻应变片分为体型和薄膜型。分为体型和薄膜型。 半导体应变片半导体应变片常见的有体型、薄膜型、扩散常见的有体型、薄膜型、扩散型、外延型、型、外延型、PNPN结及其他形式。结及其他形式。19 设金属电阻丝长度为设金属电阻丝长度为L L，截面积为，截面积为S S，电阻率为，电阻率为，则，则电阻值电阻值R R为：为： 如图所示，当电阻丝受到拉力如图所示，当电阻丝受到拉力F F时，其阻值
11、发生变化。时，其阻值发生变化。材料电阻值的变化，一是受力后材料几何尺寸变化；二是材料电阻值的变化，一是受力后材料几何尺寸变化；二是受力后材料的电阻率也发生了变化。受力后材料的电阻率也发生了变化。 大量实验表明，在电阻丝拉伸极限内，电阻的相对变大量实验表明，在电阻丝拉伸极限内，电阻的相对变化与应变成正比，而应变与应力也成正比。化与应变成正比，而应变与应力也成正比。金属电阻应变片的工作原理金属电阻应变片的工作原理SLR20 当电阻丝受到拉力当电阻丝受到拉力F作用时作用时, 将伸长将伸长L, 横截面积相横截面积相应减小应减小S, 电阻率将因晶格发生变形等因素而改变电阻率将因晶格发生变形等因素而改变,
12、 故引起电阻值相对变化量为故引起电阻值相对变化量为 式中式中L/L是长度相对变化量是长度相对变化量, 用应变用应变表示：表示： S/S为圆形电阻丝的截面积相对变化量为圆形电阻丝的截面积相对变化量, 即即 电阻应变式传感器工作原理电阻应变式传感器工作原理2SSLLRRLLrrSS221 由材料力学可知由材料力学可知, 在弹性范围内在弹性范围内, 金属丝受拉力时金属丝受拉力时, 沿轴向伸长沿轴向伸长, 沿径向缩短沿径向缩短, 那么轴向应变和径向应变的关那么轴向应变和径向应变的关系可表示为系可表示为 式中式中: 电阻丝材料的泊松比电阻丝材料的泊松比, 负号表示应变方向相负号表示应变方向相反。反。 将
13、上将上2式带入前式，得：式带入前式，得：电阻应变式传感器工作原理电阻应变式传感器工作原理3LLrr)21 (RR22电阻应变式传感器工作原理电阻应变式传感器工作原理4 通常把单位应变能引起的电阻值变化称为金属电阻丝的通常把单位应变能引起的电阻值变化称为金属电阻丝的灵敏系数。其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化灵敏系数。其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量量, , 其表达式为：其表达式为： 因此：因此： dR/R受两个因素影响受两个因素影响: 受力后材料几何尺寸的变化受力后材料几何尺寸的变化, 即即(1+2); 受力后材料压阻效应产生的变化受力后材料压阻效应产生的变化, 即即L LE
14、E。KERdRl2121K23应变片的受力应变片的受力24 用应变片测量时，将其用应变片测量时，将其贴在被测对象表面上。当被贴在被测对象表面上。当被测对象受力变形时，应变片测对象受力变形时，应变片的敏感栅也随同变形，其电的敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化，通过转阻值发生相应变化，通过转换电路转换为电压或电流的换电路转换为电压或电流的变化，这是用来直接测量应变化，这是用来直接测量应变。变。 通过弹性敏感元件将位移、通过弹性敏感元件将位移、力、力矩、加速度、压力等力、力矩、加速度、压力等物理量转换为应变，则可用物理量转换为应变，则可用应变片测量上述各量，而做应变片测量上述各量，而做成各种应变
15、式传感器。成各种应变式传感器。 应变片的基本结构应变片的基本结构25应变片的基本结构应变片的基本结构2 2 （1 1）敏感栅）敏感栅 感受应变，并将应变转换为电阻的变化。敏感栅有丝式、感受应变，并将应变转换为电阻的变化。敏感栅有丝式、 箔式和薄膜式三种。箔式和薄膜式三种。 （2 2）底基）底基 绝缘及传递应变。要求底基准确地把试件应变传递给敏感栅绝缘及传递应变。要求底基准确地把试件应变传递给敏感栅, ,同时基片绝缘性能要好，否则应变片微小电信号就要漏掉。由纸同时基片绝缘性能要好，否则应变片微小电信号就要漏掉。由纸薄、胶质膜等制成。薄、胶质膜等制成。 （3 3）粘结剂）粘结剂 敏感栅与底基、底基
16、与试件、底基与覆盖层之间的粘结。敏感栅与底基、底基与试件、底基与覆盖层之间的粘结。 （4 4）覆盖层）覆盖层 保护作用。防湿、蚀、尘。保护作用。防湿、蚀、尘。 （5 5）引线）引线 连接电阻丝与测量电路，输出电参量。连接电阻丝与测量电路，输出电参量。26对敏感栅材料的要求对敏感栅材料的要求应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数；应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数；电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片；电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片；电阻温度系数要小；电阻温度系数要小；抗氧化能力高，耐腐蚀性能强；抗氧化能力高，耐腐蚀性能强；在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度；在工
17、作温度范围内能保持足够的抗拉强度；加工性能良好加工性能良好, ,易于拉制成丝或轧压成箔材；易于拉制成丝或轧压成箔材；易于焊接，对引线材料的热电势小。易于焊接，对引线材料的热电势小。对应变片要求必须根据实际使用情况，合理选择。对应变片要求必须根据实际使用情况，合理选择。27金属丝式应变片金属丝式应变片 回线式：横向效应较大回线式：横向效应较大 短接式：克服横向效应短接式：克服横向效应28金属箔式应变片金属箔式应变片 箔式应变片箔式应变片是在绝缘基底上，将厚度为是在绝缘基底上，将厚度为0.0030.0030.01mm0.01mm电阻电阻箔材，箔材，利用照相制版或光刻技术，制成各种需要的形状。利用照
18、相制版或光刻技术，制成各种需要的形状。 优点：优点： 可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅；可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅；与被测件与被测件粘结面积大；粘结面积大；散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏度；度；横向效应小；横向效应小；蠕变和机械滞后小，寿命长。蠕变和机械滞后小，寿命长。 缺点：工序复杂、不适于在高温环境中测量，价格高。缺点：工序复杂、不适于在高温环境中测量，价格高。29金属薄膜应变片金属薄膜应变片 采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上形成采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上形成厚度在厚度在0.10.1微米以下的金属电阻材料
19、薄膜的敏感栅，最后再微米以下的金属电阻材料薄膜的敏感栅，最后再加上保护层。加上保护层。 优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大。优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大。 存在问题：温度稳定性差存在问题：温度稳定性差 应变片的粘贴：应变片的粘贴： 应变片是用粘合剂粘贴到被测件上的。粘合剂形成的胶应变片是用粘合剂粘贴到被测件上的。粘合剂形成的胶层必须准确迅速地将披测件应变传进到敏感栅上。粘合剂层必须准确迅速地将披测件应变传进到敏感栅上。粘合剂的性能及粘贴工艺的质量直接影响着应变片的工作特性，的性能及粘贴工艺的质量直接影响着应变片的工作特性，如零漂、蠕变、滞后、灵敏系数，线性以及它们受温度变如零漂、蠕变
20、、滞后、灵敏系数，线性以及它们受温度变化影响的程度。对粘合剂和粘贴工艺有严格要求。化影响的程度。对粘合剂和粘贴工艺有严格要求。30半导体应变片半导体应变片 压阻效应：固体受到作用力后，电阻率就要压阻效应：固体受到作用力后，电阻率就要发生变化，这种现象叫压阻效应。发生变化，这种现象叫压阻效应。 半导体材料的压阻效应特别强。半导体材料的压阻效应特别强。 半导体应变片半导体应变片的分类：的分类： 粘贴式应变片粘贴式应变片 扩散硅型压阻传感器扩散硅型压阻传感器 31 半导体应变片的制作材料用单晶硅、锗。半导体应变片的制作材料用单晶硅、锗。P P型单晶硅结型单晶硅结构如图。在直角坐标系中它有许多晶轴方向
21、，实验发现沿不构如图。在直角坐标系中它有许多晶轴方向，实验发现沿不同晶轴方向压阻系数相差很大（电阻率变化相差很大）。同晶轴方向压阻系数相差很大（电阻率变化相差很大）。半导体应变片结构半导体应变片结构32 半导体应变式传感器常用硅、锗等材料作成半导体应变式传感器常用硅、锗等材料作成单根状的敏感栅，其使用方法与金属丝应变片相单根状的敏感栅，其使用方法与金属丝应变片相同。因为：同。因为： 半导体应变片的灵敏系数为：半导体应变片的灵敏系数为：半导体应变片的灵敏系数半导体应变片的灵敏系数33半导体应变片的特点半导体应变片的特点 半导体应变片的突出优点是灵敏系数很大，半导体应变片的突出优点是灵敏系数很大，
22、分辨率分辨率高，高，可测微小应变。此外，可测微小应变。此外，频率影响高，体积小频率影响高，体积小、横向、横向效应和机械滞后也小。效应和机械滞后也小。主要用于测量压力、加速度和载主要用于测量压力、加速度和载荷等。荷等。 主要缺点是主要缺点是应变灵敏系数的离散性大，应变灵敏系数的离散性大，温度稳定性温度稳定性差和测量较大应变时非线性严重，差和测量较大应变时非线性严重，机械强度低，非线性机械强度低，非线性误差大，温度系数大，误差大，温度系数大，必须采取补偿措施。此外，灵敏必须采取补偿措施。此外，灵敏系数随拉伸或压缩而变。系数随拉伸或压缩而变。34 应变式传感器与应变仪配套使用进行力的测量。应变式传感
23、器与应变仪配套使用进行力的测量。 应变仪测量电路的作用：应变仪测量电路的作用：将电阻的变化量转换为电压输将电阻的变化量转换为电压输出。出。 应变仪的测量电路多采用电桥，这种电桥称之为应变仪的测量电路多采用电桥，这种电桥称之为电阻应电阻应变片桥路。变片桥路。 根据所用电源的不同，电桥可分为直流电桥和交流电桥，根据所用电源的不同，电桥可分为直流电桥和交流电桥，四个桥臂均为纯电阻时，用直流电桥精确度高；若有桥臂四个桥臂均为纯电阻时，用直流电桥精确度高；若有桥臂为阻抗时，必须用交流电桥。为阻抗时，必须用交流电桥。4 应变片的布置和接桥方式应变片的布置和接桥方式 35应变仪各部分的作用应变仪各部分的作用
24、 a a、电桥：将片电阻变化转换为电压信号。、电桥：将片电阻变化转换为电压信号。 b b、振荡器：供给正弦波交流电压作为电桥的载波电、振荡器：供给正弦波交流电压作为电桥的载波电压，由信号电压对它进行调幅，输出一个窄频带的调幅电压，由信号电压对它进行调幅，输出一个窄频带的调幅电压信号，送入放大器。同时为相敏检波器提供参考电压。压信号，送入放大器。同时为相敏检波器提供参考电压。 c c、放大器：电桥输出的信号非常微弱，一般在几十、放大器：电桥输出的信号非常微弱，一般在几十微伏到几毫伏之间，必须经过放大器将桥送来的调幅电压微伏到几毫伏之间，必须经过放大器将桥送来的调幅电压信号进行失真放大，输出足够的
25、功率推动指示仪表或记录信号进行失真放大，输出足够的功率推动指示仪表或记录器。器。 d d、相敏检波器：既具有检波的作用，又能完成辨别、相敏检波器：既具有检波的作用，又能完成辨别信号相位（如：应变信号的拉伸或压缩性质）的任务。信号相位（如：应变信号的拉伸或压缩性质）的任务。36 直流电桥电路如图所示，直流电桥电路如图所示，它的四个桥臂由电阻它的四个桥臂由电阻R1R2R3R4组成。组成。 AC端接直流电压端接直流电压U，BD端输出电压端输出电压U0。 一般情况桥路应接成等一般情况桥路应接成等臂电桥臂电桥,输出为零。这样无论输出为零。这样无论哪个桥臂上受到外来信号作哪个桥臂上受到外来信号作用后，桥路
26、都将失去平衡，就用后，桥路都将失去平衡，就会有信号输出。会有信号输出。（1） 直流电桥工作原理直流电桥工作原理37 电桥输出端接入输入阻抗很高的指示仪表或电桥输出端接入输入阻抗很高的指示仪表或放大器时，可认为电桥负载为无穷大，电桥输出放大器时，可认为电桥负载为无穷大，电桥输出端相当于开路，只能输出电压信号，称为电压输端相当于开路，只能输出电压信号，称为电压输出。此时，桥路的电流为：出。此时，桥路的电流为： AB之间和之间和CD之间的电位差分别为：之间的电位差分别为：直流电桥工作原理直流电桥工作原理2112UIRR234UIRR11ABUI R23ADUI R38直流电桥工作原理直流电桥工作原理
27、3 空载输出：空载输出： 当电桥平衡时当电桥平衡时, Uo=0, 则有则有R1R4 = R2R3 ，或，或 01123ABADUUUI RI R314231012341234()()()RR RR RRUUURRRRRRRR311234URURRRRR4321RRRR39电桥平衡条件电桥平衡条件 电桥接入的是电阻应变片时，即为应变桥。当电桥接入的是电阻应变片时，即为应变桥。当一个桥臂、两个桥臂乃至四个桥臂接入应变片时，一个桥臂、两个桥臂乃至四个桥臂接入应变片时，相应的电桥为单臂桥、半桥（双臂）和全臂桥。相应的电桥为单臂桥、半桥（双臂）和全臂桥。 电桥平衡条件：电桥平衡条件： 相邻两臂电阻的比值
28、应相等相邻两臂电阻的比值应相等, , 或相对两臂电阻或相对两臂电阻的乘积相等。的乘积相等。 R R2 2/R/R1 1= R= R4 4/R/R3 340 当电桥后面接放大器时，放大器的输入阻抗很高，比当电桥后面接放大器时，放大器的输入阻抗很高，比电桥输出电阻大很多，可把电桥输出端看成开路。电桥输出电阻大很多，可把电桥输出端看成开路。 R R1 1为电阻应变片，为电阻应变片，R RL L 。 设桥臂比设桥臂比n = Rn = R2 2/R/R1 1, , 分母中分母中RR1 1/R/R1 1可忽略。由电桥可忽略。由电桥平衡条件平衡条件R R2 2/R/R1 1= R= R4 4/R/R3 3。
29、 电桥电压灵敏度定义为：电桥电压灵敏度定义为：（2 2）不平衡直流电桥及电压灵敏度）不平衡直流电桥及电压灵敏度311401123411234()()()RRR RUUURRRRRRRRRR 0211(1)UUnKURnR1021(1)RnUUnR41 提高供电电源的电压提高供电电源的电压U U（在功耗允许的范（在功耗允许的范围内）围内） n=1 Rn=1 R1 1=R=R2 2=R=R3 3=R=R4 4 由由dKU /dndKU /dn = 0 = 0求求KUKU的最大值的最大值, , 得得 n=1n=1时时, KU, KU为最大值。为最大值。 当当R R1 1=R=R2 2=R=R3 3=
30、R=R4 4时时, , 电桥电压灵敏度最高。电桥电压灵敏度最高。 0)1 (132nndndKU 提高电桥电压灵敏度的措施提高电桥电压灵敏度的措施42 1、高稳定度直流电源易于获得。、高稳定度直流电源易于获得。 2、电桥调节平衡电路简单。、电桥调节平衡电路简单。 3、传感器及测量电路分布参数影响小等。、传感器及测量电路分布参数影响小等。直流电桥的优点直流电桥的优点43 当被测量为动态量时，应变电桥采用交流电桥。当被测量为动态量时，应变电桥采用交流电桥。 由于供桥电源为交流电源由于供桥电源为交流电源, , 引线分布电容使得二桥臂应变片引线分布电容使得二桥臂应变片呈现复阻抗特性呈现复阻抗特性, ,
31、 相当于二只应变片各并联了一个电容相当于二只应变片各并联了一个电容, , 则每一则每一桥臂上复阻抗分别为：桥臂上复阻抗分别为： 11111CjwRRRZ22222CjwRRRZ33RZ 44RZ （3 3）交流电桥交流电桥44交流电桥的输出电压交流电桥的输出电压 电桥的四个桥臂电桥的四个桥臂R R1 1、R R2 2、R R3 3、R R4 4所产生的电阻变化用所产生的电阻变化用R R1 1、 R R2 2、 R R3 3、 R R4 4表示。若初始状态电桥的各表示。若初始状态电桥的各臂阻值相等，即臂阻值相等，即R R1 1R R2 2R R3 3R R4 4=R=R， 由于由于R R R R
32、，忽，忽略略R R的高次项，输出电压公式可写成：的高次项，输出电压公式可写成： 当各桥臂应变片的灵敏系数当各桥臂应变片的灵敏系数K K都相同时，公式可写为：都相同时，公式可写为：432104?KUUiRRRRRRRRUUi432104?45结结 论：论： 交流电桥除了要满足电阻平衡条件外交流电桥除了要满足电阻平衡条件外, 还必还必须满足电容平衡条件。为此在桥路上除设有电须满足电容平衡条件。为此在桥路上除设有电阻平衡调节外还设有电容平衡调节。阻平衡调节外还设有电容平衡调节。3412RRRR2112CCRR交流电桥的平衡条件交流电桥的平衡条件46 这是一种典型的（自发电式）有源传感这是一种典型的（
33、自发电式）有源传感器器,将力、压力、加速度等的变形转换成电荷，将力、压力、加速度等的变形转换成电荷，属于材料形传感器，属于材料形传感器，用的是压电材料，与前面用的是压电材料，与前面讲过的几种材料如：电阻、讲过的几种材料如：电阻、电容、磁电、电感等不同。电容、磁电、电感等不同。3.1.2 压电式力传感器压电式力传感器471. 晶体的压电效应晶体的压电效应 某些晶体在一定方向受到外力的作用而发生变形，内部某些晶体在一定方向受到外力的作用而发生变形，内部产生极化现象，同时，在其另两个相对表面产生符号相反的产生极化现象，同时，在其另两个相对表面产生符号相反的电荷，去掉外力，又回到不带电的状态，外力方向
34、改变，表电荷，去掉外力，又回到不带电的状态，外力方向改变，表面电荷极性也随之改变，这种现象称面电荷极性也随之改变，这种现象称“压电效应压电效应”。 这种将机械能转变为电能的现象称这种将机械能转变为电能的现象称“顺（正）压电顺（正）压电效应效应”。相反，在电介质的极性方向上施加电场，它会产生相反，在电介质的极性方向上施加电场，它会产生机械变形，这种将电能转换为机械能的现象称为机械变形，这种将电能转换为机械能的现象称为“逆压电效逆压电效应应”, , 如压电陶瓷，逆压电效应也称如压电陶瓷，逆压电效应也称“电致伸缩效应电致伸缩效应”。电能电能机械能机械能正压电效应正压电效应逆压电效应逆压电效应482.
35、 压电晶体及材料压电晶体及材料 具有压电效应的电介物质称为具有压电效应的电介物质称为压电材料压电材料（或压电元（或压电元件）。件）。 自然界中，大多数晶体具有压电效应，但多数该效应自然界中，大多数晶体具有压电效应，但多数该效应过于微弱，并无实用价值，能利用的不过几十种，常见的过于微弱，并无实用价值，能利用的不过几十种，常见的压电材料（元件）有单晶体，如石英，多晶体，如钛酸钡、压电材料（元件）有单晶体，如石英，多晶体，如钛酸钡、锆钛酸铅等。锆钛酸铅等。 分类：分类： 压电单晶：石英和其他单晶压电单晶：石英和其他单晶 压电多晶：压电陶瓷（压电多晶：压电陶瓷（PZTPZT） 有机压电材料有机压电材料
36、49 石英晶体（单晶）石英晶体（单晶） 石英晶体是六角形晶柱，石英晶体是六角形晶柱，透明度极好，亦称水晶，成分透明度极好，亦称水晶，成分为二氧化硅，有天然水晶与人为二氧化硅，有天然水晶与人工水晶之分，其横截面为正六工水晶之分，其横截面为正六边形。边形。 在直角坐标系中见图：在直角坐标系中见图： Z Z轴轴光轴；光轴； x x轴轴电轴；电轴； Y Y轴轴机械轴。机械轴。50 假设从石英晶体上切下一片平行六面体假设从石英晶体上切下一片平行六面体晶体切片，晶体切片，使它的晶面分别平行于使它的晶面分别平行于X X、Y Y、Z Z轴，如图。并在垂直轴，如图。并在垂直X X轴方向轴方向两面用真空镀膜或沉银
37、法得到电极面。两面用真空镀膜或沉银法得到电极面。 当晶片受到沿当晶片受到沿X X轴方向的压缩应力轴方向的压缩应力XXXX作用时，晶片将产作用时，晶片将产生厚度变形，并发生极化现象。生厚度变形，并发生极化现象。 在晶体线性弹性范围内，在晶体线性弹性范围内，极化强度极化强度P PXXXX与应力与应力XXXX成正比。成正比。 当受力方向和变形不同时，当受力方向和变形不同时，压电系数也不同。压电系数也不同。 ZYXbl石英晶体切片石英晶体切片t石英晶体切片石英晶体切片51 石英单晶硅压电效应石英单晶硅压电效应 石英单晶硅受力后带电离子位置发生相对变化，在表石英单晶硅受力后带电离子位置发生相对变化，在表
38、面呈现负电荷或正电荷。面呈现负电荷或正电荷。 a a、当沿电轴（、当沿电轴（x x轴）方向加作用力轴）方向加作用力F Fx x时，面时，面m m产生电产生电荷荷Q Qx x 。 电荷电荷Q Qx x的符号视的符号视F Fx x是拉、压而定，当面是拉、压而定，当面m m受压时，受压时，沿沿x x轴正向的面显负电荷，轴正向的面显负电荷，x x的负向面显正电荷；受拉时，的负向面显正电荷；受拉时，x x轴正向显正电荷，负向显负电荷。轴正向显正电荷，负向显负电荷。 切片上产生切片上产生Q Qx x的多少与尺寸无关。的多少与尺寸无关。52 石英单晶硅压电效应石英单晶硅压电效应2及结论及结论 b b、当沿机
39、械轴（、当沿机械轴（y y 轴）方向加作用力轴）方向加作用力FyFy时，电荷仍在时，电荷仍在m m面上产生，而极性相反。面上产生，而极性相反。 对于对于y y轴方向受压时，在轴方向受压时，在x x轴正向产生正电荷，轴正向产生正电荷，x x轴负向轴负向显负电荷；显负电荷； y y轴方向受拉时，轴方向受拉时，x x轴正向显负电荷，轴正向显负电荷，x x轴负向显正电荷。轴负向显正电荷。 结论：结论： （1）无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）与电）无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）与电荷（或电场强度）之间呈线性关系；荷（或电场强度）之间呈线性关系； （2）晶体在哪个方向上有正压电效应，则在
40、此方向上一）晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆压电效应；定存在逆压电效应； （3）石英晶体不是任何方向都存在压电效应的。）石英晶体不是任何方向都存在压电效应的。 53 压电陶瓷属于铁电体一类的物质，是人工制造的多晶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。在一定的电场。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
41、 压电陶瓷压电陶瓷（多晶）（多晶）的压电效应的压电效应54压电陶瓷（多晶）的压电效应压电陶瓷（多晶）的压电效应2 2 外电场去掉后，内部有很强的剩余极化强度，总极化外电场去掉后，内部有很强的剩余极化强度，总极化强度不为零，两端出现强度不为零，两端出现“+”+”、“-”-”束缚电荷，并吸附外界束缚电荷，并吸附外界自由电子（与束缚电荷的符号相反，数量相等所以，片对外自由电子（与束缚电荷的符号相反，数量相等所以，片对外不表现出极性）符号相反，数量相等起着屏蔽和抵消陶瓷片不表现出极性）符号相反，数量相等起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化剩余强度对外的作用。内极化剩余强度对外的作用。 极化方向加外力（压力）使电
42、畴界面发生位移（电畴极化方向加外力（压力）使电畴界面发生位移（电畴偏转），导致剩余极化强度降低，部分电荷释放，即放电。偏转），导致剩余极化强度降低，部分电荷释放，即放电。 外力撤消时，极化强度恢复升高，导致电荷吸附，即外力撤消时，极化强度恢复升高，导致电荷吸附，即充电。充电。 极化后两三个月，压电系数极化后两三个月，压电系数d d才稳定，两年后才稳定，两年后d d又降低，又降低，所以传感器要经常校验。所以传感器要经常校验。553 3压电元件及其晶片连接方法压电元件及其晶片连接方法 在压电式力与压力传感器中，压电元件既是敏感元件，在压电式力与压力传感器中，压电元件既是敏感元件，又是转换元件。它将
43、被测力或压力转换成电荷或电压输出。又是转换元件。它将被测力或压力转换成电荷或电压输出。压电元件在传感器中的布置形式有多种。如图为几种常见压电元件在传感器中的布置形式有多种。如图为几种常见形式。形式。 56 等效电路：等效电路： 当压电传感器中的压电晶体承受被测机械应力的作用时，当压电传感器中的压电晶体承受被测机械应力的作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。可把压电在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。可把压电传感器看成一个传感器看成一个静电发生器静电发生器，如图，如图( (a a) )。也可把它视为两极板。也可把它视为两极板上聚集异性电荷，中间为绝缘体的上聚集异性电荷，
44、中间为绝缘体的电容器电容器，如图，如图(b)(b)。其电容。其电容量为量为 qq电极压电晶体Ca(b)(a) 压电传感器的等效电路压电传感器的等效电路tStSCra0 当两极板聚集异性电当两极板聚集异性电荷时，则两极板呈现一定荷时，则两极板呈现一定的电压，其大小为的电压，其大小为aaCqU 4 4压电式传感器的等效电路和前置放大器压电式传感器的等效电路和前置放大器57 压电式传感器可以等效为一压电式传感器可以等效为一个电压源和一个串联电容组成的个电压源和一个串联电容组成的等效电路。等效电路。 利用压电式传感器进行测量利用压电式传感器进行测量时，它要与测量电路相连接，于时，它要与测量电路相连接，
45、于是，就得考虑电缆电容是，就得考虑电缆电容C Cc c、放大、放大器输入电阻器输入电阻R Ri i、输入电容、输入电容C Ci i、以、以及压电传感器的泄漏电阻及压电传感器的泄漏电阻R Ra a。 如果把这些因素归一考虑，如果把这些因素归一考虑，就得到了压电传感器完整的等效就得到了压电传感器完整的等效电路。电路。 一种是电荷等效电路，另一一种是电荷等效电路，另一种是电压等效电路。种是电压等效电路。压电元件的等效电路压电元件的等效电路58 压电式传感器的前置放大器有两个作用：压电式传感器的前置放大器有两个作用： 把压电式传感器的高输出阻变换成低阻抗输出；把压电式传感器的高输出阻变换成低阻抗输出；
46、 放大压电式传感器输出的弱信号。放大压电式传感器输出的弱信号。 前置放大器形式：前置放大器形式： 电压放大器，其输出电压与输入电压（传感器的输出电压放大器，其输出电压与输入电压（传感器的输出电压）成正比；电压）成正比； 电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。 （1 1）电压放大器）电压放大器 KKCaCaRaRiCiCcCRUiUSCUSCUa(a)(b)Ua压电式传感器的前置放大器压电式传感器的前置放大器59 电荷放大器是一个具有深度负反馈的高增益放大器，其基电荷放大器是一个具有深度负反馈的高增益放大器，其基本电路如图。若放大器的开环增益本电路如图。
47、若放大器的开环增益K K足够大，并且放大器的输入足够大，并且放大器的输入阻抗很高，则放大器输入端几乎没有分流，运算电流仅流入反馈阻抗很高，则放大器输入端几乎没有分流，运算电流仅流入反馈回路回路C CF F与与R RF F。 当当K K足够大时，输出电压与足够大时，输出电压与K K无关，只取决于输入电荷无关，只取决于输入电荷q q和反馈和反馈电容电容C CF F，改变，改变C CF F的大小便可得到所需的电压输出。的大小便可得到所需的电压输出。 C CF F一般取值一般取值100-10100-104 4pFpF。 压电式传感器配用电荷放大器压电式传感器配用电荷放大器 时时, ,其低频幅值误差和截
48、止频率只其低频幅值误差和截止频率只 决定于反馈电路的参数决定于反馈电路的参数R RF F和和C CF F, ,其其中中C CF F的大小可以由所需要的电压输出的大小可以由所需要的电压输出幅度决定。幅度决定。 kCaUUSC电荷放大器原理电路图电荷放大器原理电路图iRaqCFRF（2 2）电荷放大器）电荷放大器605 5、压电式力传感器、压电式力传感器(1)(1)压电式力传感器的类型及结构压电式力传感器的类型及结构 压电式力传感器利用压电晶体的纵向和剪切向压电压电式力传感器利用压电晶体的纵向和剪切向压电 效应。并以压电晶体作为敏感元件与转换元件。效应。并以压电晶体作为敏感元件与转换元件。 在工程
49、中，根据测力的具体情况，压电传感器可分为在工程中，根据测力的具体情况，压电传感器可分为单分量和多分量两大类。单分量和多分量两大类。 61(2)(2)压电传感器的性能指标及选用原则压电传感器的性能指标及选用原则 1) 1)量程和频带的选择：对被测力的大小加以估计，选择量程和频带的选择：对被测力的大小加以估计，选择量程适宜的传感器，使所测力的大小不超过额定量程。所选量程适宜的传感器，使所测力的大小不超过额定量程。所选传感器的工作频带能覆盖待测力的频带。传感器的工作频带能覆盖待测力的频带。 2)2)电荷放大器的选择：测量准静态力电荷放大器的选择：测量准静态力( (低频低频) )信号。要求信号。要求电
50、荷放大器输入阻抗高于电荷放大器输入阻抗高于10101212，低频响应为，低频响应为0.001Hz0.001Hz 3) 3)电缆选择：选用受振动、压力变化等影响所产生噪声电缆选择：选用受振动、压力变化等影响所产生噪声小的低噪声电缆。小的低噪声电缆。62(3) (3) 压电传感器和电缆的安装压电传感器和电缆的安装 压电传感器的安装：压电传感器的安装： 安装前，传感器的上、下接触面应经过精细加工以保安装前，传感器的上、下接触面应经过精细加工以保证其平行度和平面度；安装时应该保证传感器的敏感轴向证其平行度和平面度；安装时应该保证传感器的敏感轴向与受力方向一致；与受力方向一致； 安装必须牢固，否则会降低
