1、第2章 力、压力传感器2022-6-81第2章 力、压力传感器2022-6-82了解力的概念及力的测量原理。了解力的概念及力的测量原理。掌握常用力、压力传感器的测量原理。掌握常用力、压力传感器的测量原理。熟悉应变式、压电式、电容式、电感式等熟悉应变式、压电式、电容式、电感式等 传感器的应用。传感器的应用。学习要点学习要点第2章 力、压力传感器2022-6-832.1 2.1 概述概述 2.2 2.2 弹性敏感元件弹性敏感元件 2.3 2.3 电阻应变式传感器电阻应变式传感器2.4 2.4 压电式传感器压电式传感器 2.5 2.5 电容式传感器电容式传感器 2.6 2.6 电感式传感器电感式传感
2、器 2.7 2.7 压阻式压力传感器压阻式压力传感器 本章小结本章小结复习思考题复习思考题主要学习内容返回主目录第2章 力、压力传感器2022-6-842.1 概述u力是物质之间的一种相互作用力是物质之间的一种相互作用物体之间相互作用的结物体之间相互作用的结果果使物体产生变形；使物体产生变形；在物体内产生应力、应变；在物体内产生应力、应变；改变物体的机械运动状态；改变物体的机械运动状态；改变物体所具有的动能和势能。改变物体所具有的动能和势能。第2章 力、压力传感器2022-6-85力传感器的组成 u力是一种力是一种非电物理量非电物理量，不能用电工仪表直接测量，需要，不能用电工仪表直接测量，需要
3、借助某一装置将力转换为电量进行测量，能实现这一功借助某一装置将力转换为电量进行测量，能实现这一功能的装置就是能的装置就是力传感器力传感器。力传感器主要由力。力传感器主要由力敏感元件敏感元件、转换元件转换元件和和测量电路测量电路组成。如图组成。如图2-12-1所示。所示。图图2-1 2-1 力传感器测量示意图力传感器测量示意图力敏感元件转换元件测量、显示电路F第2章 力、压力传感器2022-6-86力的计量单位及测量原理u力的计量单位为力的计量单位为牛顿牛顿211/Nkg m s力的测量的原理力的测量的原理力的静力效应力的静力效应力的动力效应力的动力效应指弹性物体受力后产生指弹性物体受力后产生变
4、形的一种物理变形的一种物理现象。由现象。由胡克定律胡克定律知：如在弹性范围内知：如在弹性范围内, ,弹性物体在力的作用下产生的变形弹性物体在力的作用下产生的变形（x x），与所受的力），与所受的力F F成正比成正比(k(k为弹性元件的劲度系数为弹性元件的劲度系数) )。因此，只要通过一定的手段测出物体的弹性变形量，就可因此，只要通过一定的手段测出物体的弹性变形量，就可间接确定物体所受力的大小。间接确定物体所受力的大小。指具有一定质量的物体受到力的作用时，其指具有一定质量的物体受到力的作用时，其动量动量将发生变将发生变化，从而产生相应化，从而产生相应加速度加速度的物理现象。由的物理现象。由牛顿第
5、二定律牛顿第二定律可可知：当物体质量（知：当物体质量（m m）确定后，物体受到的力（）确定后，物体受到的力（F F）与所产）与所产生的加速度（生的加速度（a a）成单值对应关系。只要测出物体的加速度，）成单值对应关系。只要测出物体的加速度，就可间接测得物体所受到力的大小。就可间接测得物体所受到力的大小。FkxFma第2章 力、压力传感器2022-6-87测量力的方法u其中大多需要弹性敏感元件或其它敏感元件的转换。其中大多需要弹性敏感元件或其它敏感元件的转换。测量力的方法电阻式（电位器式、电阻应变片式）电阻式（电位器式、电阻应变片式）电感式（自感、互感、涡流电感式（自感、互感、涡流）电容式电容式
6、压电式压电式压磁式压磁式压阻式压阻式返回本章目录返回本章目录第2章 力、压力传感器2022-6-882.2 弹性敏感元件u弹性敏感元件把弹性敏感元件把力或压力力或压力转换成了转换成了应变或应变或位移位移, ,然后再由然后再由转换电路转换电路将应变或位移转换将应变或位移转换成成电信号电信号。u弹性敏感元件是力传感器中一个关键性的弹性敏感元件是力传感器中一个关键性的部件，应具有部件，应具有良好的弹性、足够的精度良好的弹性、足够的精度, ,应应保证长期使用和温度变化时的稳定性保证长期使用和温度变化时的稳定性。第2章 力、压力传感器2022-6-892.2.1 弹性敏感元件的特性1. 刚度刚度抵抗变形
7、的能力抵抗变形的能力刚度是弹性元件在外力做用下变形大小刚度是弹性元件在外力做用下变形大小的量度，一般用表示的量度，一般用表示式中式中 F F 作用在弹性元件上的外力作用在弹性元件上的外力x 弹性元件产生的变形弹性元件产生的变形（2-1）d Fkd x第2章 力、压力传感器2022-6-8102. 灵敏度灵敏度灵敏度弹性敏感元件在单位力作用下产生弹性敏感元件在单位力作用下产生变形的大小，在弹性力学中称为弹性元件的变形的大小，在弹性力学中称为弹性元件的柔柔度度。它是刚度的倒数。它是刚度的倒数, , 用用K K表示表示 （2-2）在测控系统中希望它是常数在测控系统中希望它是常数dxKdF第2章 力、
8、压力传感器2022-6-8113. 弹性滞后u实际的弹性元件在实际的弹性元件在加载、卸载加载、卸载的正反行程中变形曲线是不重的正反行程中变形曲线是不重合的，这种现象称为弹性滞后合的，这种现象称为弹性滞后现象，它会给测量带来误差。现象，它会给测量带来误差。如图如图2-22-2所示。所示。u原因：弹性元件在工作过程中原因：弹性元件在工作过程中分子间存在内摩擦。当比较两分子间存在内摩擦。当比较两种弹性材料时，应都用加载变种弹性材料时，应都用加载变形曲线或都用卸载变形曲线来形曲线或都用卸载变形曲线来比较，这样才有可比性。比较，这样才有可比性。图图2-2 弹性滞后弹性滞后第2章 力、压力传感器2022-
9、6-8124. 弹性后效u当载荷从某一数值变化到另当载荷从某一数值变化到另一数值时一数值时, ,弹性元件变形不弹性元件变形不是立即完成相应的变形是立即完成相应的变形，而，而是是经一定的时间间隔逐渐完经一定的时间间隔逐渐完成变形的成变形的，这种现象称为弹，这种现象称为弹性后效。性后效。图图2-3 弹性后效弹性后效弹性后效造成的结果由于弹性后效的存在，弹性敏感元件的由于弹性后效的存在，弹性敏感元件的变形始终变形始终不能迅速地跟上力的变化不能迅速地跟上力的变化，在在动态测量动态测量时将引起测量误差。时将引起测量误差。造成这一现象的原因是由于弹性敏感元件造成这一现象的原因是由于弹性敏感元件中的分子间存
10、在内摩擦。中的分子间存在内摩擦。第2章 力、压力传感器2022-6-8135. 固有振荡频率u 弹性敏感元件都有自己的固有振荡频率弹性敏感元件都有自己的固有振荡频率f f0 0 , ,它将影响传感器的动态特性。传感器它将影响传感器的动态特性。传感器的工作频率应避开弹性敏感元件的固有的工作频率应避开弹性敏感元件的固有振荡频率，往往振荡频率，往往f f0 0希望较高。在希望较高。在f f0 0会会发生发生共振共振. . 第2章 力、压力传感器2022-6-814 2.2.22.2.2 弹性敏感元件的分类弹性敏感元件的分类弹性敏感元件分类弹性敏感元件分类力转换为力转换为应变或位移应变或位移的的变换力
11、变换力的弹性敏感元件的弹性敏感元件。压力转换为压力转换为应变或位移应变或位移的的变换压力变换压力的弹性敏感元件的弹性敏感元件。第2章 力、压力传感器2022-6-8151. 变换力的弹性敏感元件图图2-4 2-4 变换力的弹性敏感元件变换力的弹性敏感元件第2章 力、压力传感器2022-6-8162. 变换压力的弹性敏感元件图图2-5 2-5 变换压力的弹性敏感元件变换压力的弹性敏感元件第2章 力、压力传感器2022-6-817 (1)(1)弹簧管弹簧管又叫布尔登管，它是弯成各种形状的空心管，弹簧管弹簧管又叫布尔登管，它是弯成各种形状的空心管，管子的截面形状有许多种，但使用最多的是管子的截面形状
12、有许多种，但使用最多的是C C形薄壁空心管。如形薄壁空心管。如图图2-5a2-5a所示。所示。 C C形弹簧管的一端密封但不固定，成为自由端，另一端连接在管形弹簧管的一端密封但不固定，成为自由端，另一端连接在管接头上且固定。当流体压力通过管接头进入弹簧管后，在压力接头上且固定。当流体压力通过管接头进入弹簧管后，在压力F F作用下，弹簧管的作用下，弹簧管的横截面力图变成圆形截面横截面力图变成圆形截面，截面的短轴力图伸截面的短轴力图伸长。使弹簧管趋向伸直，一直伸展到管弹力与压力的作用相平衡长。使弹簧管趋向伸直，一直伸展到管弹力与压力的作用相平衡为止为止。这样。这样自由端便自由端便产生了位移产生了位
13、移。通过测量位移的大小，比可得。通过测量位移的大小，比可得到压力的大小。到压力的大小。 (1) (1) 弹簧管弹簧管第2章 力、压力传感器2022-6-818第2章 力、压力传感器2022-6-819各种波纹管敏感元件的外形波纹管是有许多同心环状皱纹的薄壁圆管返回本章目录返回本章目录第2章 力、压力传感器2022-6-8202.3 电阻应变式传感器u电阻应变式传感器是一种电阻应变式传感器是一种利用电阻材料的利用电阻材料的应变效应应变效应，将工，将工程结构件的程结构件的内部内部变形变形转换为转换为电阻变化电阻变化的传感器的传感器。u此类传感器主要是在弹性元件上通过特定工艺此类传感器主要是在弹性元
14、件上通过特定工艺粘贴电阻应粘贴电阻应变片变片来组成。通过一定的机械装置将被测量转化成弹性元来组成。通过一定的机械装置将被测量转化成弹性元件的变形，然后由电阻应变片将变形转换成电阻的变化，件的变形，然后由电阻应变片将变形转换成电阻的变化，再通过测量电路进一步将电阻的改变转换成电压或电流信再通过测量电路进一步将电阻的改变转换成电压或电流信号输出。可用于能转化成变形的各种非电物理量的检测，号输出。可用于能转化成变形的各种非电物理量的检测，如力、压力、加速度、力矩、重量等，在机械加工、计量、如力、压力、加速度、力矩、重量等，在机械加工、计量、建筑测量等行业应用十分广泛。建筑测量等行业应用十分广泛。第2
15、章 力、压力传感器2022-6-8212.3.1 电阻应变片的结构u 电阻应变片的作用是把导体的机械应变转换电阻应变片的作用是把导体的机械应变转换成电阻变化。成电阻变化。u 电阻应变片的典型结构如图电阻应变片的典型结构如图2-62-6所示。由所示。由敏感敏感栅、基底、覆盖层和引线栅、基底、覆盖层和引线等部分组成。敏感等部分组成。敏感栅由直径约为栅由直径约为0.010.010.05mm0.05mm、高电阻系数的、高电阻系数的细丝弯曲而成栅状；基地的作用应能保证将细丝弯曲而成栅状；基地的作用应能保证将构件上的应变准确地传递到敏感栅上去，因构件上的应变准确地传递到敏感栅上去，因此必须做得很薄，一般为
16、此必须做得很薄，一般为0.030.030.06mm0.06mm。图中图中l l为应变片的工作基长，为应变片的工作基长，b b为应变片的基为应变片的基宽，宽，l lb b为应变片的有效使用面积。应变片为应变片的有效使用面积。应变片规格一般是以有效使用面积和敏感栅的电阻规格一般是以有效使用面积和敏感栅的电阻值来表示，如值来表示，如3 3100mm100mm2 2、120120、350350等。等。图图2-6 电阻应变片的结构电阻应变片的结构第2章 力、压力传感器2022-6-822电阻应变片测试原理u 测试时，将应变片用粘接剂测试时，将应变片用粘接剂牢固的粘贴在被测试件的表面上牢固的粘贴在被测试件
17、的表面上，随着，随着试件受力变形，应变片的敏感栅也获得同样的变形，从而使其电阻试件受力变形，应变片的敏感栅也获得同样的变形，从而使其电阻随之发生变化，而此电阻的变化是与试件应变成比例的，因此如果随之发生变化，而此电阻的变化是与试件应变成比例的，因此如果通过一定的测量线路将这种电阻的变化转换为电压或电流变化，然通过一定的测量线路将这种电阻的变化转换为电压或电流变化，然后再用显示记录仪表将其显示记录下来，就能知道被测试件应变量后再用显示记录仪表将其显示记录下来，就能知道被测试件应变量的大小。其原理图如图的大小。其原理图如图2-72-7所示。所示。试件电阻应变片测量电路显示记录仪力应变电阻电压或电流
18、图图2-7 2-7 电阻应变片测试与原理图电阻应变片测试与原理图第2章 力、压力传感器2022-6-8232.3.2 电阻应变片的分类 半导体半导体应变片应变片应应变变片片分分类类箔式箔式薄膜式薄膜式丝式丝式金属金属电阻应变片电阻应变片按其敏感栅不同按其敏感栅不同按使用温度按使用温度按用途可分为按用途可分为单向力测量应变片单向力测量应变片平面应力分析应变片（应变花）平面应力分析应变片（应变花）特殊用途应变片等特殊用途应变片等低温低温常温常温中温中温高温应变片高温应变片第2章 力、压力传感器2022-6-824应变片形状图图2-9 2-9 应变花的形状应变花的形状图图2-8 2-8 电阻应变片类
19、型电阻应变片类型第2章 力、压力传感器2022-6-825箔式应变片外形第2章 力、压力传感器2022-6-8262.3.3 电阻应变片工作原理u 电阻应变片式传感器是利用了电阻应变片式传感器是利用了金属和半导体材料的金属和半导体材料的“应变效应应变效应”u 应变效应应变效应金属和半导体材料的金属和半导体材料的电阻值电阻值随它承受的随它承受的机械变形大小机械变形大小而发生变化的现象就称为而发生变化的现象就称为“应变效应应变效应”。u 如图如图2-102-10所示，当电阻丝受到拉力所示，当电阻丝受到拉力F F时，其阻值发生变化。材料电阻时，其阻值发生变化。材料电阻值的变化，一是受力后材料值的变化
20、，一是受力后材料几何尺寸变化几何尺寸变化；二是受力后；二是受力后材料的电阻材料的电阻率率也发生了变化。也发生了变化。图图2-10 金属电阻丝应变效应金属电阻丝应变效应第2章 力、压力传感器2022-6-827 以圆柱形导体为例：电阻以圆柱形导体为例：电阻R R（根据电阻的定义式）（根据电阻的定义式）电阻丝变形过程电阻丝变形过程图图2-10 金属电阻丝应变效应金属电阻丝应变效应2llRAr电阻丝半径电阻丝半径 电阻丝电阻丝长度长度电阻丝电阻丝截面积截面积电阻丝电阻丝电阻率电阻率 第2章 力、压力传感器2022-6-828 当导体因某种原因产生应变时，其长度当导体因某种原因产生应变时，其长度L L
21、、截面积、截面积A A和电阻率和电阻率的变化为的变化为dLdL、dAdA、dd相应的电阻变化为相应的电阻变化为dRdR。对式（。对式（2-32-3）全微）全微分得电阻变化率分得电阻变化率 dRdR/R/R为：为： (2-4) 由材料力学得由材料力学得 为电阻丝材料的泊松比。即横向收缩与纵向伸长之比。即为电阻丝材料的泊松比。即横向收缩与纵向伸长之比。即 2dRdldrdRlr径向应变 轴向（纵向）应变 第2章 力、压力传感器2022-6-829012ddRkR金属材料的灵敏度系数，金属材料的灵敏度系数，表示单位应变所引起的表示单位应变所引起的电阻相对变化，主要取电阻相对变化，主要取决于其几何效应
22、，取决于其几何效应，取1.71.7 3.63.6材料的电阻率材料的电阻率 随应变所引起随应变所引起的变化的变化“压阻效应压阻效应”。这。这是由于材料发生变化时，其自是由于材料发生变化时，其自由电子的活动能力和数量均发由电子的活动能力和数量均发生了变化的缘故生了变化的缘故 电阻丝几何尺寸电阻丝几何尺寸形变所引起的变形变所引起的变化化几何效应几何效应 材料的轴材料的轴向应变向应变 第2章 力、压力传感器2022-6-830电阻应变片的灵敏系数u当我们将金属丝做成电阻应变片后，电阻当我们将金属丝做成电阻应变片后，电阻-应变特性应变特性与金属单丝是不同的。实验证明，电阻的相对变化与与金属单丝是不同的。
23、实验证明，电阻的相对变化与应变的关系在很大范围内仍然有很好的线性关系，即应变的关系在很大范围内仍然有很好的线性关系，即 RkR（2-6）k电阻应变片的灵敏系数。其值恒小于电阻应变片的灵敏系数。其值恒小于金属单丝的灵敏度系数金属单丝的灵敏度系数 。究其原。究其原因，除了应变片使用时胶体粘贴传递因，除了应变片使用时胶体粘贴传递变形失真外，另一重要原因是由于存变形失真外，另一重要原因是由于存在着所谓在着所谓横向效应的缘故。横向效应的缘故。0k第2章 力、压力传感器2022-6-8312.3.4 电阻应变片的测量电路u电阻应变片传感器输出电阻的变化较小，一般电阻应变片传感器输出电阻的变化较小，一般为为
24、 ，要精确的测量出这些微小电阻的变化，要精确的测量出这些微小电阻的变化，常采用常采用桥式测量电路桥式测量电路。u根据电桥电源的不同，电桥可分为根据电桥电源的不同，电桥可分为直流电桥直流电桥和和交流电交流电桥桥。可采用恒压源或。可采用恒压源或恒流源供电恒流源供电。u由于直流电桥比较简单，交流电桥原理与它相似，所由于直流电桥比较简单，交流电桥原理与它相似，所以我们只分析直流电桥的工作原理。以我们只分析直流电桥的工作原理。45 10110第2章 力、压力传感器2022-6-832恒压源供电的直流电桥的工作原理 u如图如图2-11a2-11a所示为恒压源供电的直所示为恒压源供电的直流电桥测量电路。其特
25、点是，当流电桥测量电路。其特点是，当被测量无变化时，电桥平衡时输被测量无变化时，电桥平衡时输出为零。当被测量发生变化时，出为零。当被测量发生变化时，电桥平衡被打破，有电压输出。电桥平衡被打破，有电压输出。输出的电压与被测量的变化成比输出的电压与被测量的变化成比例。电桥的输出电压为例。电桥的输出电压为: : 图图2-11a2-11a132401234()()badaiR RR RUUUURRRR第2章 力、压力传感器2022-6-833u当输出电压为零时，电桥平衡，因此当输出电压为零时，电桥平衡，因此 或或 为电桥平衡条件。为电桥平衡条件。u为了获得最大的电桥输出，在设计时常使为了获得最大的电桥
26、输出，在设计时常使 （称为等臂电桥）。当四个桥臂电（称为等臂电桥）。当四个桥臂电阻都发生变化时，电桥的输出为阻都发生变化时，电桥的输出为13240R RR R1234RRRRR3124012341234()44iiURkURRRURRRR1243RRRR第2章 力、压力传感器2022-6-834调零电桥 u实际应用时，实际应用时， 不不可能严格成比例关系，所以即使可能严格成比例关系，所以即使在未受力时，桥路输出也不一定在未受力时，桥路输出也不一定为零，因此一般测量电路都设有为零，因此一般测量电路都设有调零装置，如图调零装置，如图2-11b2-11b所示。调节所示。调节RPRP可使电桥达到平衡，
27、输出为零。可使电桥达到平衡，输出为零。图中图中 是用于减小调节范围的限是用于减小调节范围的限流电阻。流电阻。1234RRRR、 、5R第2章 力、压力传感器2022-6-8352. 恒流源供电的直流电桥的工作原理 如图如图2-122-12所示为恒流源供电的直流所示为恒流源供电的直流电桥测量电路。电桥输出为：电桥测量电路。电桥输出为：1324011241234R RR RUI RI RIRRRR恒压源电桥输出恒压源电桥输出图图2-12 2-12 恒流源供电的电桥恒流源供电的电桥测量电路测量电路132401234()()badaiR RR RUUUURRRR第2章 力、压力传感器2022-6-83
28、61单臂电桥的工作原理与输出在四臂电桥中，在四臂电桥中，R R1 1为工作应变片，由于应变而产生为工作应变片，由于应变而产生相应的电阻变化相应的电阻变化R R1 1。R R2 2、R R3 3及及R R4 4为固定电阻。为固定电阻。U Uo o为为电桥输出电压。初始状态下，电桥是平衡的，电桥输出电压。初始状态下，电桥是平衡的，U Uo o=0=0，从而可得到电桥从而可得到电桥平衡条件为平衡条件为:R1R3=R2R43124012341234()44iiURkURRRURRRR01144iiRUUk UR得出单臂电桥输出得出单臂电桥输出电桥总输出电桥总输出根据电桥输出公式根据电桥输出公式:132
29、401234()()badaiR RR RUUUURRRR图2-13a第2章 力、压力传感器2022-6-8372、差动电桥差动电桥消除非线性误差的方法消除非线性误差的方法 采用差动电桥采用差动电桥在试件上安装两个工作应变片，一片在试件上安装两个工作应变片，一片受拉受拉，一片，一片受压受压，它们的阻值变化，它们的阻值变化大小相等、符号相反大小相等、符号相反，接，接入电桥相邻臂入电桥相邻臂, , 这时输出电压这时输出电压UoUo与与R R1 1/ R/ R1 1成严格成严格的线性关系，没有非线性误差，而且电桥灵敏度的线性关系，没有非线性误差，而且电桥灵敏度比单臂提高一倍比单臂提高一倍，还具有温度
30、误差补偿作用，还具有温度误差补偿作用 . .设初始时R1=R2=R3=R4R1=R2 则01122iiRUUk UR图2-13b第2章 力、压力传感器2022-6-8383. 差动全桥 差动全桥 设初始时R1 = R2 = R3 = R4R1 =R2 =R3 =R4 图2-13C0iiRUUk UR双臂电桥输出灵敏度是单臂电桥的两倍，全桥输双臂电桥输出灵敏度是单臂电桥的两倍，全桥输出是出是双臂电桥的两倍双臂电桥的两倍。并且采用双臂和全桥测量，。并且采用双臂和全桥测量，可以补偿由于温度变化引起的测量误差。可以补偿由于温度变化引起的测量误差。 则则第2章 力、压力传感器2022-6-8392.3.
31、5 应变片的温度误差及补偿1. 1. 应变片的温度误差应变片的温度误差u 电阻应变片传感器是靠电阻应变片传感器是靠电阻值来度量应变的电阻值来度量应变的，所以希望它的电阻只随，所以希望它的电阻只随应变而变，不受任何其他因素影响。但实际上，虽然用作电阻丝材料应变而变，不受任何其他因素影响。但实际上，虽然用作电阻丝材料的铜、康铜温度系数很小的铜、康铜温度系数很小( (大约在大约在 =(2.5=(2.55.0)5.0)1010-5-5/)/)， 但与所但与所测应变电阻的变化比较，仍属同一量级。如不补偿，会引起很大误差。测应变电阻的变化比较，仍属同一量级。如不补偿，会引起很大误差。这种由于测量现场环境温
32、度的变化而给测量带来的误差，称之为应变这种由于测量现场环境温度的变化而给测量带来的误差，称之为应变片的温度误差。造成温度误差的原因主要有下列两个方面：片的温度误差。造成温度误差的原因主要有下列两个方面：1 1）敏感栅的金属丝电阻本身随温度变化；）敏感栅的金属丝电阻本身随温度变化；2 2）试件材料与应变片材料的线膨胀系数不一致，使应变片产生附加变形，）试件材料与应变片材料的线膨胀系数不一致，使应变片产生附加变形，从而造成电阻变化。从而造成电阻变化。u 另外，温度变化也会影响粘接剂传递变形的能力，从而对应变片的工另外，温度变化也会影响粘接剂传递变形的能力，从而对应变片的工作特性产生影响，过高的温度
33、甚至使粘接剂软化而使其完全丧失传递作特性产生影响，过高的温度甚至使粘接剂软化而使其完全丧失传递变形的能力，也会造成测量误差。但以上述两个原因为主。变形的能力，也会造成测量误差。但以上述两个原因为主。第2章 力、压力传感器2022-6-8402. 电阻应变片的温度补偿方法 应变片的温度补偿方法通常有两种，即应变片的温度补偿方法通常有两种，即线路补偿线路补偿和和应变片自补偿应变片自补偿。图2-14 电桥补偿法134BR RR R1134()()BBRR RR RR 1BRR 温度变化后电路仍呈平衡温度变化后电路仍呈平衡 （2）应变片自补偿利用自身具有补偿作用的应变片（称之为利用自身具有补偿作用的应
34、变片（称之为温度自补偿应变片）来补偿的。这种自补温度自补偿应变片）来补偿的。这种自补偿应变片制造简单，成本较低，但必须在偿应变片制造简单，成本较低，但必须在特定的构件材料上才能使用，不同材料试特定的构件材料上才能使用，不同材料试件必须用不同的应变片。件必须用不同的应变片。（1）线路补偿）线路补偿R1+R1R1当电阻由于温度变化由当电阻由于温度变化由变为变为() 时时 BR电阻电阻变为变为 (由于由于R1与与BR温度效应相同，即温度效应相同，即 +BRBR) 在不测应变时电路呈平衡，即在不测应变时电路呈平衡，即 第2章 力、压力传感器2022-6-8412.3.6 应变片的粘接剂及粘贴、固化和检
35、查1. 1. 粘接剂的种类粘接剂的种类u常用的粘接剂可分为常用的粘接剂可分为有机粘接剂有机粘接剂和和无机粘接剂无机粘接剂两大类。两大类。u有机粘接剂通常用于低温、常温和中温有机粘接剂通常用于低温、常温和中温. .u无机粘接剂用于高温。无机粘接剂用于高温。u选择时要根据基底材料、工作温度、潮湿程度、稳定性要求、选择时要根据基底材料、工作温度、潮湿程度、稳定性要求、加温加压的可能性和粘贴时间的长短等因素来考虑。加温加压的可能性和粘贴时间的长短等因素来考虑。u主要粘接剂牌号有：万能胶、主要粘接剂牌号有：万能胶、501501、502502、914914、509509、J06-2J06-2、JSF-2J
36、SF-2、17201720、J-12J-12、30-1430-14、GJ-14GJ-14、LN-3LN-3、P10-6P10-6等。等。第2章 力、压力传感器2022-6-8422. 应变片的粘贴、固化和检查（1 1）去污）去污 试件表面的处理粘贴之试件表面的处理粘贴之前，应先将试件表面清前，应先将试件表面清理干净，用细砂纸将试理干净，用细砂纸将试件表面打磨平整，再用件表面打磨平整，再用丙酮、四氯化碳或佛利丙酮、四氯化碳或佛利昂彻底清洗试件表面的昂彻底清洗试件表面的灰尘、油渍，清理面积灰尘、油渍，清理面积约为应变片的约为应变片的3 35 5倍。倍。第2章 力、压力传感器2022-6-843（2
37、）应变片的粘贴方法在清理的试件表面上在清理的试件表面上均匀涂刷一薄层粘接均匀涂刷一薄层粘接剂作为底层，待其干剂作为底层，待其干燥固化后，再在此底燥固化后，再在此底层及应变片基地的地层及应变片基地的地面上均匀涂刷一薄层面上均匀涂刷一薄层粘接剂，等粘接剂稍粘接剂，等粘接剂稍干，即将应变片贴在干，即将应变片贴在画线位置，用手指滚画线位置，用手指滚压，把气泡和多余的压，把气泡和多余的粘接剂挤出。粘接剂挤出。注意，应变片的底面注意，应变片的底面也要清理也要清理。第2章 力、压力传感器2022-6-844（3）粘贴后测量从分开的端子处，从分开的端子处，预先用万用表测量预先用万用表测量应变片的电阻，寻应变片
38、的电阻，寻找端子折断和损坏找端子折断和损坏的应变片。的应变片。第2章 力、压力传感器2022-6-845（4）焊接将引线和端子将引线和端子用烙铁焊接起用烙铁焊接起来，注意不要来，注意不要把端子扯断。把端子扯断。第2章 力、压力传感器2022-6-846（5）固定焊接后用胶焊接后用胶布将引线和布将引线和被测对象固被测对象固定在一起，定在一起，防止损坏引防止损坏引线和应变片。线和应变片。第2章 力、压力传感器2022-6-8471. 利用全桥电路测量桥梁的上下表面应变R1、R3与R2、R4感受到的应变绝对值相等、符号相反 3142RRRRR1t=R2t=R3t=R4t 因而应变片R1R4产生的电阻
39、增量合并为4倍的R，Rt则相互抵消 2.3.7 电阻应变片传感器的应用0iiRUUk UR第2章 力、压力传感器2022-6-8482.应变式力传感器制成的电子秤工作示意图 应变片应变片图图2-17 应变式力传感器制成的电子秤应变式力传感器制成的电子秤第2章 力、压力传感器2022-6-849电子秤中的各种弹性敏感元件第2章 力、压力传感器2022-6-850荷重传感器上应变片工作示意图 u荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形。荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形。轴向变短，径向变长。轴向变短，径向变长。 图图2-18 2-18 荷重传感器上应变片工作示意图荷重传感器上应变片工作示意图
40、第2章 力、压力传感器2022-6-8513. 3. 应变式压力传感器应变式压力传感器平膜式弹性元件平膜式弹性元件 在平膜片的圆心处沿切向贴在平膜片的圆心处沿切向贴R R1 1、R R4 4两个应变片，在边缘处沿径向贴两个应变片，在边缘处沿径向贴R R2 2、R R3 3两个应变，如图两个应变，如图2-192-19所示。要求所示。要求 R R2 2、R R3 3和和R R1 1、R R4 4产生的应变大小相等，产生的应变大小相等，极性相反，以便接成差动全桥测量电路。极性相反，以便接成差动全桥测量电路。图图2-19 2-19 平膜片式压力传感器测量示意图平膜片式压力传感器测量示意图第2章 力、压
41、力传感器2022-6-8524. 应变式加速度传感器传感器由质量块、应变片、弹性悬臂梁和基座组成 当振动频率小于传感器的固有振动频率时，悬臂梁的应变量与加速度成正比。图图2-20 应变式加速度传感器应变式加速度传感器第2章 力、压力传感器2022-6-853材料应变的测量斜拉桥上的斜拉绳应变的测量返回本章目录返回本章目录第2章 力、压力传感器2022-6-8542.4 压电传感器u 压电式传感器是一种典型的有源传感器，它以某些电介质的压电式传感器是一种典型的有源传感器，它以某些电介质的压电压电效应效应为基础，为基础，在外力作用下，材料受力变形时，其表面会有电荷在外力作用下，材料受力变形时，其表
42、面会有电荷产生产生，从而实现非电量检测的目的。，从而实现非电量检测的目的。u 压电传感元件是一种力敏感元件，凡是能够变换为力的物理量，压电传感元件是一种力敏感元件，凡是能够变换为力的物理量，如应力、压力、振动、加速度等，均可进行测量，但不能用于静如应力、压力、振动、加速度等，均可进行测量，但不能用于静态力测量。由于压电效应的可逆性，压电元件又常用作超声波的态力测量。由于压电效应的可逆性，压电元件又常用作超声波的发射与接收装置。发射与接收装置。u 压电传感器具有体积小、重量轻、工作频带宽、灵敏度及测量精压电传感器具有体积小、重量轻、工作频带宽、灵敏度及测量精度高等特点，又由于没有运动部件，因此结
43、构坚固、可靠性和稳度高等特点，又由于没有运动部件，因此结构坚固、可靠性和稳定性高。在各种动态力、机械冲击与振动测量，以及声学、医学、定性高。在各种动态力、机械冲击与振动测量，以及声学、医学、力学、宇航等领域得到越来越广泛的应用。力学、宇航等领域得到越来越广泛的应用。第2章 力、压力传感器2022-6-8552.4.1 压电传感器 工作原理u压电效应压电效应-某些晶体受一定方向外力作用而发生某些晶体受一定方向外力作用而发生机械机械变形变形时，相应地在一定的晶体表面产生时，相应地在一定的晶体表面产生符号符号相反相反的电的电荷荷，外力去掉后，电荷消失。力的方向改变时，电荷，外力去掉后，电荷消失。力的
44、方向改变时，电荷的符号也随之改变，这种现象称为压电效应的符号也随之改变，这种现象称为压电效应( (压电正压电正向效应向效应) )。u压电材料还具有与此效应相反的效应，即在电介质的压电材料还具有与此效应相反的效应，即在电介质的极化方向施加极化方向施加交变电场交变电场，它会产生，它会产生机械变形机械变形。当去掉。当去掉外加电场，电介质变形随之消失。这种现象称为压电外加电场，电介质变形随之消失。这种现象称为压电逆向效应（电致伸缩效应）。逆向效应（电致伸缩效应）。 第2章 力、压力传感器2022-6-856压电材料的分类高分子压电材料高分子压电材料近年来发展的新型材料。近年来发展的新型材料。 压电材料
45、或元件的分类压电材料或元件的分类单晶压电晶体单晶压电晶体( (如石英晶体如石英晶体)-)-天然存在。天然存在。极化的多晶压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸钡等极化的多晶压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸钡等人工制造。人工制造。第2章 力、压力传感器2022-6-857石英晶体石英晶体天然形成的石英晶体外形第2章 力、压力传感器2022-6-858第2章 力、压力传感器2022-6-859石英晶体切片及封装石英晶体薄片双面镀银及封装第2章 力、压力传感器2022-6-8601 . 石英晶体的压电效应u 石英晶体是一种应用广泛的石英晶体是一种应用广泛的压电晶体。它是二氧化硅单压电晶体。它是二氧化硅单晶，属于晶，属
46、于规则的规则的正六角棱柱正六角棱柱体体 。图。图2-212-21是天然石英晶体是天然石英晶体的外形图。石英晶体有三个的外形图。石英晶体有三个相互垂直的晶轴：相互垂直的晶轴：u Z Z轴轴-光轴光轴，它与晶体的纵轴，它与晶体的纵轴线方向一致；线方向一致；u X X轴轴-电轴电轴，它通过六面体相，它通过六面体相对的两个棱线并垂直于光轴；对的两个棱线并垂直于光轴；u y y轴轴-机械轴机械轴，它垂直于两个，它垂直于两个相对的晶柱棱面。相对的晶柱棱面。 图图2-21 2-21 石英晶体结构石英晶体结构第2章 力、压力传感器2022-6-861F石英晶体压电效应演示u力的方向改变时，力的方向改变时，电荷
47、的符号也随之电荷的符号也随之改变，外力去掉后，改变，外力去掉后，电荷消失。电荷消失。第2章 力、压力传感器2022-6-862石英晶体压电效应产生的过程u 在正常情况下，石英晶体的每一个晶体单元中，有三个硅离子和六个氧离子，正负离子分在正常情况下，石英晶体的每一个晶体单元中，有三个硅离子和六个氧离子，正负离子分布在正六边形的顶角上，当无外力作用时，正、负电荷中心重合，对外不显电性。布在正六边形的顶角上，当无外力作用时，正、负电荷中心重合，对外不显电性。图图2-22 2-22 石英晶体的结构及压电效应石英晶体的结构及压电效应当在当在X X轴向施加轴向施加压力压力时，时，各晶各晶格上的带电粒格上的
48、带电粒子均产生相对子均产生相对位移位移，氧离子，氧离子挤入两个硅离挤入两个硅离子之间，而硅子之间，而硅离子也挤入两离子也挤入两个氧离子之间，个氧离子之间，正电荷中心向正电荷中心向B B面移动，负电面移动，负电荷中心向荷中心向A A面移面移动，因而动，因而B B面呈面呈现正电荷，现正电荷，A A面面呈现负电荷。呈现负电荷。当在当在X X轴向施加轴向施加拉力拉力时，时，各晶格上的带电粒子均各晶格上的带电粒子均沿沿X X轴向外产生位移，轴向外产生位移，因而因而A A面呈现正电荷，面呈现正电荷， B B面呈现负电荷。面呈现负电荷。在在Y Y方向施加方向施加压力压力时，时，晶格沿晶格沿y y轴被向内压缩
49、，轴被向内压缩，A A面呈现正电荷，面呈现正电荷， B B面面呈现负电荷呈现负电荷在在Y Y方向施加方向施加拉力拉力时，时，晶格在晶格在y y向被拉长，向被拉长，X X向缩短，向缩短，B B面呈现正面呈现正电荷，电荷，A A面呈现负电面呈现负电荷。荷。若沿若沿Z Z 轴方向施加力的作用时，轴方向施加力的作用时，由于硅离子和氧离子是对称的平移，由于硅离子和氧离子是对称的平移，故在表面没有电荷出现，因而不产生故在表面没有电荷出现，因而不产生压电效应。这就是适应晶体压电效应压电效应。这就是适应晶体压电效应产生的过程。产生的过程。第2章 力、压力传感器2022-6-863u从晶体上沿从晶体上沿XYZX
50、YZ轴线切下一片轴线切下一片平行六面体的薄片称为晶体平行六面体的薄片称为晶体切片。当沿着切片。当沿着X X轴对压电晶片轴对压电晶片施加力时，将在垂直于施加力时，将在垂直于X X轴的轴的表面上产生电荷，这种现象表面上产生电荷，这种现象称为称为纵向压电效应纵向压电效应。u沿着沿着y y轴施加力的作用时，电轴施加力的作用时，电荷仍出现在与荷仍出现在与X X轴垂直的表面轴垂直的表面上，这称之为上，这称之为横向压电效应横向压电效应。当沿着当沿着Z Z轴方向受力时不产生轴方向受力时不产生压电效应。压电效应。石英晶体的纵、横向压电效应 第2章 力、压力传感器2022-6-864纵向压电效应 纵向压电效应产生
