1、传感器力和压力的检测传感器力和压力的检测项目三、力与压力的检测项目三、力与压力的检测项目描述 力普遍存在于日常生活中。在科学研究和工农业生产中，力更是起着重要的作用。在生产过程中，压力检测与调节控制系统的应用非常广泛，例如锅炉蒸汽和水的压力监控；炼油厂减压蒸馏需要的低于大气的真空压力检测;在航空发动机试验研究中，为了研究发动机性能，必须测量过渡态的压力变化；电力系统中油路压力的测量和控制等。对压力监控是保证工艺要求、生产设备和人身安全，实现经济运行所必须的。检测力的传感器主要有电阻应变式传感器、压电式传感器、电容式传感器、压阻式传感器、电感式传感器等，本项目主要介绍电阻应变式和压电式测力传感器
2、。技能要点技能要点 学会识别一般的电阻应变式传感器、压电式传学会识别一般的电阻应变式传感器、压电式传感器，了解电阻应变式传感器和压电式传感器的基感器，了解电阻应变式传感器和压电式传感器的基本结构和材料，通过实验掌握电阻应变式传感器的本结构和材料，通过实验掌握电阻应变式传感器的使用方法，掌握电阻应变式传感器测量电路的调试使用方法，掌握电阻应变式传感器测量电路的调试方法。方法。知识要点知识要点 了解电阻应变式传感器、压电式传感器的基本了解电阻应变式传感器、压电式传感器的基本结构、材料，掌握直流电桥的平衡条件及电压灵敏结构、材料，掌握直流电桥的平衡条件及电压灵敏度，熟悉电阻应变片的温度补偿方法。学习
3、电阻应度，熟悉电阻应变片的温度补偿方法。学习电阻应变式、压电式传感器在相关领域的应用。变式、压电式传感器在相关领域的应用。单元一单元一 电阻应变片测力电阻应变片测力单元目标：通过本训练熟悉电阻应变片的结单元目标：通过本训练熟悉电阻应变片的结构和种类，掌握应变片测量力的工作原理，掌构和种类，掌握应变片测量力的工作原理，掌握直流电桥的工作原理和有关特性，熟悉电阻握直流电桥的工作原理和有关特性，熟悉电阻 应变式传感器测量电路应变式传感器测量电路 的工作调零和调节的工作调零和调节 灵敏度的方法。灵敏度的方法。任务一任务一：认识应变片及弹性敏感元件认识应变片及弹性敏感元件 电阻应变片（也称应变计或应变片
4、）是电阻应变电阻应变片（也称应变计或应变片）是电阻应变式传感器的核心元件，它是一种电阻传感器，主要由式传感器的核心元件，它是一种电阻传感器，主要由弹性敏感元件或试件、电阻应变片和测量转换电路组弹性敏感元件或试件、电阻应变片和测量转换电路组成。它是把应变转换为电阻变化，再用相应的测量电成。它是把应变转换为电阻变化，再用相应的测量电路将电阻转换成电压输出的传感器。利用电阻应变式路将电阻转换成电压输出的传感器。利用电阻应变式传感器可以直接测量力，也可以间接测量位移、形变、传感器可以直接测量力，也可以间接测量位移、形变、加速度等参数。常用的电阻应变片有电阻丝应变片和加速度等参数。常用的电阻应变片有电阻
5、丝应变片和半导体应变片两种。半导体应变片两种。一、应变效应一、应变效应 电阻应变片的工作原理是基于应变效应，即电阻应变片的工作原理是基于应变效应，即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械形导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械形变时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为变时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为“应变效应应变效应”。由电工学可知，金属丝电阻由电工学可知，金属丝电阻R可用下式表示：可用下式表示：式中式中 电阻率，电阻率，m；l电阻丝长度，电阻丝长度，m；A电阻丝截面积，电阻丝截面积，m2。（31）当沿金属丝的长度方向施加均匀力时，当沿金属丝的长度方向施加均匀力时，上式中上式中、r
6、、l 都将发生变化，导致电阻值都将发生变化，导致电阻值发生变化。即得到以下结论：金属丝受外力发生变化。即得到以下结论：金属丝受外力作用而伸长时，长度增加，而截面积减少，作用而伸长时，长度增加，而截面积减少，电阻值会增大；当金属丝受外力作用而压缩电阻值会增大；当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小，而截面增加，电阻值会减小。时，长度减小，而截面增加，电阻值会减小。阻值变化通常较小。阻值变化通常较小。活动活动1:1:理解应变效应理解应变效应 取一根细电阻丝，两端接上一台取一根细电阻丝，两端接上一台3 1/2位数位数字式欧姆表（分辨率为字式欧姆表（分辨率为1/2000），记下其初），记下其初始阻值（始
7、阻值（）。当我们用力将该电阻丝）。当我们用力将该电阻丝拉长时，会发现其阻值略有增加为拉长时，会发现其阻值略有增加为（）。测量应力、应变、力的传感器）。测量应力、应变、力的传感器就是利用类似的原理制作的。就是利用类似的原理制作的。实验证明，电阻应变片的电阻应变实验证明，电阻应变片的电阻应变R=R/R与电阻应变片的纵向应变与电阻应变片的纵向应变x的关系的关系在很大范围内是线性的，即在很大范围内是线性的，即（32）式中式中 R/R 电阻应变片的电阻应变；电阻应变片的电阻应变；K 电阻丝的灵敏度。电阻丝的灵敏度。式（式（3-2）中的）中的R代表了被测件在应变片代表了被测件在应变片的应变。严格来讲，由于
8、试件与应变片之间的应变。严格来讲，由于试件与应变片之间存在蠕变等影响，所以应变片与试件这两者存在蠕变等影响，所以应变片与试件这两者的应变是有差异的，但差异并不很大，工程的应变是有差异的，但差异并不很大，工程上允许忽略，但却存在一大弱点，就是灵敏上允许忽略，但却存在一大弱点，就是灵敏度低度低,一般为一般为 2.03.6。图3-1 电阻应变片的结构简图 电阻应变片的典电阻应变片的典型结构如图型结构如图3-1所示，所示，由敏感栅、基底、覆由敏感栅、基底、覆盖层和引线等部分组盖层和引线等部分组成。成。二、电阻应变片的结构、材料二、电阻应变片的结构、材料 电阻应变片的典电阻应变片的典型结构如图型结构如图
9、3-1所示，所示，由敏感栅、基底、覆由敏感栅、基底、覆盖层和引线等部分组盖层和引线等部分组成。成。无论哪种形式的金属应变片，对敏感栅的无论哪种形式的金属应变片，对敏感栅的金属材料都有以下基本要求：金属材料都有以下基本要求：1.灵敏系数要大，且在所测应变范围内保持灵敏系数要大，且在所测应变范围内保持不变；不变；2.要大而稳定，以便于缩短敏感栅长度；要大而稳定，以便于缩短敏感栅长度；3.抗氧化、耐腐蚀性好，具有良好的焊接性抗氧化、耐腐蚀性好，具有良好的焊接性能；能；4.电阻温度系数要小；电阻温度系数要小；5.机械强度高，具有优良的机械加工性能。机械强度高，具有优良的机械加工性能。三、电阻应变片的分
10、类 按电阻应变片敏感栅材料不同，可分为金属应变片按电阻应变片敏感栅材料不同，可分为金属应变片和半导体应变片两大类。如图和半导体应变片两大类。如图3-2为为 几种不同类型的电阻几种不同类型的电阻应变片。应变片。图图3-2 电阻丝应变片结构形式电阻丝应变片结构形式.（a)丝式应变片；丝式应变片；(b)箔式应变片；箔式应变片；(c)半导体应变片半导体应变片1基底；基底；2应变丝或半导体；应变丝或半导体；3引出线；引出线；4焊接电极；焊接电极；5外引线外引线四、电阻应变片的测量电路（一）（一）直流电桥平衡条件直流电桥平衡条件当RL时，电桥输出电压为（二）（二）电压灵敏度电压灵敏度 R1为电阻应变片，为
11、电阻应变片，R2、R3、R4为电桥固为电桥固定电阻，这就构成了单臂电桥。定电阻，这就构成了单臂电桥。(3-5)n=1时，为最大值时，为最大值 当电源电压当电源电压E和电阻相对变化量一定时，电桥的输出电压也是和电阻相对变化量一定时，电桥的输出电压也是定值，与各桥臂电阻阻值大小无关。定值，与各桥臂电阻阻值大小无关。(3-6)(3-7)v（三）（三）非线性误差及其补偿方法非线性误差及其补偿方法 图3-4 差动电桥(a)半桥;(b)全桥2、如图3-4(b)所示，全桥差动电路1、如图34（a)半桥电桥输出电压为(3-10)(3-9)（3-8）（四）（四）电阻应变片的温度补偿方法电阻应变片的温度补偿方法1
12、.补偿块补偿法图3-5 补偿块补偿法图3-5(a)电桥输出电压Uo与桥臂参数的关系为(3-11)(3-12)工程上，一般按R1=RB=R3=R4选取桥臂电阻。当温度升高或降低t=t-to时，两个应变片因温度相同而引起的电阻变化量相等，电桥仍处于平衡状态，即 若此时被测试件有应变的作用，则工作应变片电阻R1有新的增量R1，而补偿片不承受应变，故不产生新的增量，此时电桥输出电压为 由上式可知，电桥的输出电压Uo仅与被测试件的应变电阻有关，而与环境温度无关。(3-13)(3-14)若要实现完全补偿，上述分析过程必须满足以若要实现完全补偿，上述分析过程必须满足以下下4个条件：个条件：（1）在应变片工作
13、过程中，保证）在应变片工作过程中，保证R3=R4。（2）R1和和RB两个应变片应具有相同的电阻温度系两个应变片应具有相同的电阻温度系数数、线膨胀系数、线膨胀系数、应变灵敏系数、应变灵敏系数K和初始电阻值和初始电阻值Ro。（3）粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测）粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测试件材料必须一样，两者线膨胀系数相同；粘贴工试件材料必须一样，两者线膨胀系数相同；粘贴工作应变片和补偿应变片的粘结剂必须相同。作应变片和补偿应变片的粘结剂必须相同。（4）两应变片应处于同一温度场。）两应变片应处于同一温度场。2桥路自补偿法桥路自补偿法 当测量桥路处于双臂半桥和全桥工作方式时，
14、电桥相邻两臂受温度影响，同时产生大小相等，符号相同的电阻增量而互相抵消，从而达到桥路温度自补偿的目的。五、弹性敏感元件的五、弹性敏感元件的基本特性基本特性 物体因外力作用而改变原来的尺寸或形状物体因外力作用而改变原来的尺寸或形状称为变形，如果在外力去掉后能完全恢复其原称为变形，如果在外力去掉后能完全恢复其原来的尺寸和形状，那么这种变形称为弹性变形，来的尺寸和形状，那么这种变形称为弹性变形，具有这种特性的物体称为弹性元件。在传感器具有这种特性的物体称为弹性元件。在传感器中用于测量的弹性元件称为弹性敏感元件。中用于测量的弹性元件称为弹性敏感元件。弹性敏感元件的输入量与输出量之间的关系称弹性敏感元件
15、的输入量与输出量之间的关系称为弹性敏感元件的基本特性。弹性敏感元件的基本为弹性敏感元件的基本特性。弹性敏感元件的基本特性包括刚度、灵敏度、弹性滞后和弹性后效等。特性包括刚度、灵敏度、弹性滞后和弹性后效等。1.刚度刚度 刚度是使弹性敏感元件产生单位变形所需要的刚度是使弹性敏感元件产生单位变形所需要的外部作用力。外部作用力。(或压力或压力)其表达式为其表达式为 2.灵敏度灵敏度 灵敏度是刚度的倒数，它表示弹性敏感元件在承受单位输入量(力、压力等)时所产生的变形大小，一般用K表示，即(3-16)3常见的弹性敏感元件的类型常见的弹性敏感元件的类型（1）弹簧管）弹簧管常见的压力弹簧管有单圈弹簧管（又称包
16、端管、波登管或C型管）、多圈（螺旋）弹簧管和S型弹簧管。弹簧管的结构通常是一种弯成圆弧形的空心扁管，其横截面为椭圆形或扁圆形，其开口端与接口焊接在一起，其自由端封闭。当被测压力的介质进入弹簧管内腔时，其自由端产生位移，此位移通过传动放大机构带动指针，从而指示出压力。螺旋弹簧管能产生特别大的位移，故多用于压力记录式仪表，而S形弹簧管其端部能产生直线位移，所以多用于较高压力的测量。（2）膜片及膜盒）膜片及膜盒膜片是一种沿外缘固定的片形测压弹性敏感元件，按剖面形状分为平膜片和波纹膜片。平膜片是具有一定厚度的扁平面圆形薄片，多用于测量变动压力，在远传压力表和差压变送器上常见到这种位移很小的膜片。波纹膜
17、片是一种压有环状同心波纹的圆形薄膜，其波纹的数目、形状、尺寸及分布视膜片用途与测量范围而定。膜盒是将两个金属膜片对合，并将其外缘焊接而成的测压弹性敏感元件。膜盒按内腔与大气是否连通分为开口、闭口两类，并可根据不同需要，以不同方式将多个膜盒串联在一起，组成膜盒组。（3）波纹管）波纹管波纹管是一种具有轴对称、圆筒形、等间距环状波纹、能沿轴向伸缩的测压弹性敏感元件。它在轴向力、横向力和弯矩作用下都能产生相应的位移，因此在许多技术领域中都能得到应用。活动活动2 2：认识几个弹性敏感元件认识几个弹性敏感元件图3-7 金属波纹管 活动活动3 3：认识减压阀认识减压阀图3-10 减压阀结构图六、电阻应变式传
18、感器的应用六、电阻应变式传感器的应用 图3-11 电阻应变式纱线张力测试装置 1、电阻应变式纱线张力测量、电阻应变式纱线张力测量 在纱线加工过程中，随着纱线张力变化，悬臂梁相应地产生与张力成比例的应变，而使电阻应变片产生相应的变形，并输出相应的R/R，因而破坏了电桥平衡，由此输出放大的电压信号。此电压信号再经动态电阻应变仪放大、检波、滤波后，输出一个放大的并与应变成比例的电压信号，最终由函数记录仪在感光纸上描绘成脉冲图形。图3-12 筒式压力传感器 2、筒式压力传感器、筒式压力传感器 当被测压力与应变管的内腔相通时，应变管部分产生应变，在薄壁筒上贴2片应变计做工作片，实心部分贴2片应变计做温度
19、补偿应变片。没有压力作用时，这4片应变片构成的全桥处于平衡；当外部压力作用于应变管内腔时，圆管发生形变，使全桥失去平衡。这种压力传感器测量范围在106Pa107Pa或更高的压力。其结构简单，制作方便，使用面宽，在测量火炮、炮弹、火箭的动态压力方面得到了广泛应用。3、膜片压力式传感器、膜片压力式传感器 测量气体或液体压力的膜片式压力传感器如图3-12所示。圆形膜片的固定方式，可采用如图3-12 所示嵌固形式，也可以采用与外壳做成一体的形式。膜片压力传感器的工作原理是，当气体或液体压力作用在弹性元件膜片的承压面上时，膜片变形，使粘贴在膜片另一面的电阻应变片随之形变，并改变阻值。这时测量电路中的电桥
20、失去平衡，产生输出电压。图3-11中所示贴在圆筒内壁上的应变片为温度补偿应变片。图3-14组合式压力式传感器 4、组合式压力传感、组合式压力传感 组合式压力传感器用于测量小压力，结构图如图3-14所示，由波纹膜片、膜盒、波纹管等弹性敏感元件构成。电阻应变计粘贴在梁的跟部感受应变。当元件感受压力后，推动推杆使梁变形，从而使电阻应变片随之变形，并改变阻值。悬臂梁的刚性较大，用于组合式压力传感器，可以提高测量的稳定性，减小机械滞后。5、力和扭矩传感器、力和扭矩传感器 下下图所示列出了几种力和扭矩传感器的弹性敏感元件。拉伸应力作用下的细长杆和压缩应力作用下的短粗圆柱体如图所示。测量时都可以在轴向布置一
21、个或几个应变片，在圆周方向上布置同样数目的应变片。后者拾取符号相反的横向应变，从而构成差动式。弯曲梁和扭转轴上的应变片也均可购成差分式，如图c、d 所示。另外用环状弹性敏感元件测拉(压)力也是较普遍的，如右图所示。图3-16 应变式加速度传感器 6、应变式加速度传感器、应变式加速度传感器 应变式加速度传感器如图3-16所示。它由端部固定并带有惯性质量块m的悬臂梁及贴在梁跟部的应变片、基座及外壳等组成。应变式加速度传感器是一种惯性式传感器。测量时，根据所测振动体的方向，将传感器粘贴在被测部位。当被测点的加速度沿图中所示箭头方向时，悬臂梁自由端受惯性力F=ma的作用，质量块m向加速度a相反的方向相
22、对于基座运动，使梁发生弯曲变形，应变片电阻发生变化，产生输出信号，输出信号大小与加速度成正比。活动活动4 4：认识几种应变式传感器认识几种应变式传感器任务二：任务二：了解应变片的应用了解应变片的应用活动活动1 1：模拟电子称实验电路模拟电子称实验电路 电子称是将转换成电信号的称重传感器。电子台秤不电子称是将转换成电信号的称重传感器。电子台秤不仅能快速、准确地称出商品的重量，用数码显示出来，而且仅能快速、准确地称出商品的重量，用数码显示出来，而且具有计算器的功能，使用起来更加方便。下面的实验为模拟具有计算器的功能，使用起来更加方便。下面的实验为模拟电子称实验。电子称实验。一、实验目的一、实验目的
23、1、了解电阻应变式传感器的基本结构。、了解电阻应变式传感器的基本结构。2、掌握电阻应变式传感器的使用方法。、掌握电阻应变式传感器的使用方法。3、掌握电阻应变式传感器测量电路的调试方法。、掌握电阻应变式传感器测量电路的调试方法。金属应变片传感器实验电路金属应变片传感器实验电路二、实验器材二、实验器材1、铁架台、铁架台2、烧瓶夹、烧瓶夹3、刮胡刀、刮胡刀片片4、透明塑料杯、透明塑料杯 5、502胶水胶水 6、如图、如图3-17所示金属箔式应变所示金属箔式应变片，标称电阻值为片，标称电阻值为120 2只只7、细塑料套管、细塑料套管 8、棉纱线、棉纱线9、检测面板表、检测面板表PA(量程量程199.9
24、A)10、砝码、砝码 11、3V和和6V直流电直流电源源12、150电阻电阻 1只只 100电阻电阻 2只只47电阻电阻 1只只13、电位器、电位器 1.5K 1只只 电位器电位器 10014、导线若干、导线若干金属应变片传感器的结构图金属应变片传感器的结构图 三、实验原理及电路三、实验原理及电路 1、金属应变片传感器如图、金属应变片传感器如图3-17所示所示 2、测量电路如图、测量电路如图3-18所示所示 四、实验步骤四、实验步骤 1、金属箔式应变片的两条金属引出线分别套上细塑、金属箔式应变片的两条金属引出线分别套上细塑料套管后，用料套管后，用502胶水把两片应变片分别粘贴在刮胡刀片胶水把两
25、片应变片分别粘贴在刮胡刀片(1/2片片)正反中心位置上，敏感栅的纵轴与刀片纵向一致。正反中心位置上，敏感栅的纵轴与刀片纵向一致。2、用铁架台上的烧瓶夹固定住刮胡刀片传感头根部、用铁架台上的烧瓶夹固定住刮胡刀片传感头根部及上面的引线，另一端悬空，吊挂好棉纱线的及上面的引线，另一端悬空，吊挂好棉纱线的“吊斗吊斗”。3、按图、按图3-18连接好电路。连接好电路。4、接通电源、接通电源E稳定一段时间后，先将灵敏度调节电稳定一段时间后，先将灵敏度调节电位器位器RP1的电阻值调至最小，此时电桥检测灵敏度最高。的电阻值调至最小，此时电桥检测灵敏度最高。5、再仔细调节零点电位器、再仔细调节零点电位器RP2，使
26、检测面板表，使检测面板表PA的的读数恰好为零，电桥平衡。读数恰好为零，电桥平衡。6、在、在“吊斗吊斗”中轻轻放入中轻轻放入20g砝码，调节灵敏度电位器砝码，调节灵敏度电位器RP1，使面板表读数为一个整数值，例如，使面板表读数为一个整数值，例如2.0A，灵敏度标，灵敏度标定为定为0.1A/g。7、最后，检测电子秤称量的线性，在、最后，检测电子秤称量的线性，在“吊斗吊斗”内继续放内继续放入多个入多个20g砝码，检测面板表分别显示砝码，检测面板表分别显示4.0、6.0、8.0A，说，说明传感器测力线性好。明传感器测力线性好。8、如果电子秤实验电路灵敏度达不到、如果电子秤实验电路灵敏度达不到0.1A/
27、g，可将，可将电桥供电电压提升到电桥供电电压提升到6V，灵敏度倍增。，灵敏度倍增。知识巩固知识巩固一、填空一、填空 1.导体、半导体应变片在应力作用下电阻值发生变化，这种现导体、半导体应变片在应力作用下电阻值发生变化，这种现象称为（象称为（）效应。）效应。2.电阻应变片在实际应用中，常用的两种补偿方法是（电阻应变片在实际应用中，常用的两种补偿方法是（）和（和（）。）。3.如图如图3-3所示，电桥平衡条件为（所示，电桥平衡条件为（）。）。二、选择二、选择 1.通常用应变式传感器测量（通常用应变式传感器测量（）。）。A.温度温度 B.密度密度 C.加速度加速度 D.电阻电阻 2.电桥测量电路的作用
28、是把传感器的参数变化转化为（电桥测量电路的作用是把传感器的参数变化转化为（）的输出。的输出。A.电阻电阻 B.电容电容 C.电压电压 3.根据工作桥臂不同，电桥可分为（根据工作桥臂不同，电桥可分为（）。）。A.半桥单臂半桥单臂 B.半桥双臂半桥双臂 C.全桥输入全桥输入 D.全选全选三、判断三、判断 1.电阻应变片主要有金属应变片和半导体应变片两类。电阻应变片主要有金属应变片和半导体应变片两类。（）2.按供桥电源性质不同，桥式电路可分为交流电桥按供桥电源性质不同，桥式电路可分为交流电桥和直流电桥电路。（和直流电桥电路。（）四四、简答题、简答题1.什么是应变效应？什么是应变效应？2.何谓电阻应变
29、传感器？何谓电阻应变传感器？3.应变片为什么要进行温度补偿？应变片为什么要进行温度补偿？五、计算题五、计算题 如图如图3-19为一直流应变电桥。图中为一直流应变电桥。图中E=4V，R1=R2=R3=R4=120，试求：，试求：（1）R1为金属应变片，其余为外接电阻，当为金属应变片，其余为外接电阻，当R1的增量为的增量为R1=1.2时，电桥输出电压时，电桥输出电压Uo=？（2）R1、R2都是应变片，且批号相同，感应应变的极性和大都是应变片，且批号相同，感应应变的极性和大小相同，其余为外接电阻，电桥输出电压小相同，其余为外接电阻，电桥输出电压Uo=？（3）题（）题（2）中，如果）中，如果R2与与R
30、1感受应变的极性相反，且感受应变的极性相反，且R1=R2=1.2，电桥输出电压，电桥输出电压Uo=？图3-19直流应变电桥v单元二：单元二：压电传感器测力压电传感器测力v单元目标：通过本单元的训练，了解压电元单元目标：通过本单元的训练，了解压电元件的材料，熟悉压电元件的基本工作原理，件的材料，熟悉压电元件的基本工作原理，掌握压电元件的连接方法，掌握压电元件掌握压电元件的连接方法，掌握压电元件的应用。的应用。v任务一：任务一：压电传感器测力应用训练压电传感器测力应用训练v 压电传感器的工作原理是基于某些电介质材料的压电压电传感器的工作原理是基于某些电介质材料的压电效应，是典型的无源传感器。当介质
31、材料受力作用而变形时，效应，是典型的无源传感器。当介质材料受力作用而变形时，其表面会产生电荷，由此而实现非电量测量。压电传感器体其表面会产生电荷，由此而实现非电量测量。压电传感器体积小，重量轻，工作频带宽，是一种力敏传感器件，它可测积小，重量轻，工作频带宽，是一种力敏传感器件，它可测量各种动态力，也可测量最终能变换为力的那些非电物理量，量各种动态力，也可测量最终能变换为力的那些非电物理量，如压力、加速度、机械冲击与振动等。本章除介绍晶体的压如压力、加速度、机械冲击与振动等。本章除介绍晶体的压电效应与压电材料，压电传感器测量电路外，重点介绍压电电效应与压电材料，压电传感器测量电路外，重点介绍压电
32、传感器的应用。传感器的应用。一、基本工作原理一、基本工作原理 （一）、压电效应（一）、压电效应 压电现象是压电现象是100多年前居里兄弟研究石英时发现的。多年前居里兄弟研究石英时发现的。某些电介质，当沿着一定方向对其施加力而使其变形时，某些电介质，当沿着一定方向对其施加力而使其变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上会产生异号内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上会产生异号电荷，当外力消失后，又重新恢复到不带电状态，这种现电荷，当外力消失后，又重新恢复到不带电状态，这种现象称为象称为压电效应压电效应。当作用力的方向改变时，电荷极性也随。当作用力的方向改变时，电荷极性也随之改变。当在电
33、介质极化方向施加电场，这些电介质也会之改变。当在电介质极化方向施加电场，这些电介质也会发生变形，这种现象称为发生变形，这种现象称为逆压电效应（逆压电效应（或电致伸缩效应）。或电致伸缩效应）。压电式力传感器都是利用压电材料的正压电效应。压电式力传感器都是利用压电材料的正压电效应。（二）、压电材料（二）、压电材料 自然界中的大多数晶体具有压电效应，但压电效应十分自然界中的大多数晶体具有压电效应，但压电效应十分明显的并不多。天然形成的石英晶体、人工制造的压电陶瓷、明显的并不多。天然形成的石英晶体、人工制造的压电陶瓷、锆钛酸铅、钛酸钡等材料是压电效应性能优良的压电材料。锆钛酸铅、钛酸钡等材料是压电效应
34、性能优良的压电材料。压电材料基本上可分为三大类：压电晶体、压电陶瓷和有机压电材料基本上可分为三大类：压电晶体、压电陶瓷和有机压电材料。压电晶体是一种单晶体，例如，石英晶体、酒石酸压电材料。压电晶体是一种单晶体，例如，石英晶体、酒石酸钾钠等；压电陶瓷是一种人工制造的多晶体，例如：锆钛酸铅、钾钠等；压电陶瓷是一种人工制造的多晶体，例如：锆钛酸铅、钛酸钡、铌酸锶等；有机压电材料属于新一代的压电材料，其钛酸钡、铌酸锶等；有机压电材料属于新一代的压电材料，其中较为重要的有半导体和高分子压电材料。压电半导体有氧化中较为重要的有半导体和高分子压电材料。压电半导体有氧化锌（锌（ZnO）、硫化锌（）、硫化锌（Z
35、nS）、碲化镉（）、碲化镉（CdTe）、硫化镉）、硫化镉（CdS）、碲化锌（）、碲化锌（ZnTe）和砷化镓（）和砷化镓（GaAs）等。）等。图3-20 天然石英晶体 1.石英晶体石英晶体 天然石英天然石英(SiO2)晶体如图所示，它是一个正六面体，在晶体如图所示，它是一个正六面体，在它上面有三个坐标轴。石英晶体中间棱柱断面的下半部分，它上面有三个坐标轴。石英晶体中间棱柱断面的下半部分，其断面为正六面形。其断面为正六面形。z轴是晶体的对称轴，称它为光轴。在轴是晶体的对称轴，称它为光轴。在该轴方向没有压电效应，该轴方向没有压电效应，x轴称为电轴，垂直于轴称为电轴，垂直于x轴晶面上的轴晶面上的压电效
36、应最显著；压电效应最显著；y轴称为机械轴，在电场的作用下，沿此轴称为机械轴，在电场的作用下，沿此轴方向的机械变形最显著。如果从石英晶体上切割出一个平轴方向的机械变形最显著。如果从石英晶体上切割出一个平行六面体，如图所示，称为压电晶片，在垂直于光轴的力行六面体，如图所示，称为压电晶片，在垂直于光轴的力（Fy或或Fx）作用下，晶体）作用下，晶体会发生极化现象，并且其会发生极化现象，并且其极化矢量是沿着电轴。即极化矢量是沿着电轴。即电荷出现在垂直于电轴的电荷出现在垂直于电轴的平面上。平面上。图3-21晶片电荷极性与受力方向的关系 在沿着电轴在沿着电轴x方向力的作用下，产生电荷的现象称为纵向方向力的作
37、用下，产生电荷的现象称为纵向压电效应；而把沿机械轴压电效应；而把沿机械轴 y方向力的作用下，产生电荷的现象方向力的作用下，产生电荷的现象称为横向压电效应。当沿光轴称为横向压电效应。当沿光轴z 方向受力时，晶体不会产生压方向受力时，晶体不会产生压电效应。在压电晶片上，产生电荷的极性与受力的方向有关系。电效应。在压电晶片上，产生电荷的极性与受力的方向有关系。图图3-20给出了电荷极性与受力方向的关系。若沿晶片的给出了电荷极性与受力方向的关系。若沿晶片的x轴施轴施加压力加压力Fx，则在加压的两表面上分别出现正负电荷，如图，则在加压的两表面上分别出现正负电荷，如图3-21（a）所示。若沿晶片的）所示。
38、若沿晶片的y轴施加压力轴施加压力Fy时，则在加压的表时，则在加压的表面上不出现电荷，电荷仍出现在垂直面上不出现电荷，电荷仍出现在垂直x轴的表面上，只是电荷轴的表面上，只是电荷的极性相反。如图的极性相反。如图3-21（c）所示，若将）所示，若将x、y轴方向施加的压轴方向施加的压力改为拉力，则产生电荷的位置不变，只是电荷的极性相反。力改为拉力，则产生电荷的位置不变，只是电荷的极性相反。如图如图3-21（b）、（）、（d）所示。值得注意的是纵向压电效应与）所示。值得注意的是纵向压电效应与元件尺寸无关，而横向压电效应与元件尺寸有关。元件尺寸无关，而横向压电效应与元件尺寸有关。2.压电陶瓷压电陶瓷 与石
39、英晶体不同，压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材与石英晶体不同，压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料，属于铁电体一类的物质。压电陶瓷内部的晶体有有一定料，属于铁电体一类的物质。压电陶瓷内部的晶体有有一定的极化方向，从而存在一定电场。在无外电场作用时，原始的极化方向，从而存在一定电场。在无外电场作用时，原始的压电陶瓷内极化强度为零，呈电中性，不具有压电特性。的压电陶瓷内极化强度为零，呈电中性，不具有压电特性。在陶瓷上施加外电场时，材料得到极化。外电场越强，在陶瓷上施加外电场时，材料得到极化。外电场越强，就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。当外电场去掉时，就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。当外电场
40、去掉时，剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性，剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性，图3-22钛酸钡压电陶瓷的电畴结构 图3-23 压电陶瓷压电原理 极化处理后陶瓷材料内部存在有很强的剩余极化，极化处理后陶瓷材料内部存在有很强的剩余极化，当陶瓷材料受到外力作用时。电畴的界限发生移动，电当陶瓷材料受到外力作用时。电畴的界限发生移动，电畴发生偏转，从而引起剩余极化强度的变化，因而在垂畴发生偏转，从而引起剩余极化强度的变化，因而在垂直于极化方向的平面上将出现极化电荷的变化。如图直于极化方向的平面上将出现极化电荷的变化。如图3-23所示，即极化面上将出现极化电荷的变化。这种所示，即极化面上
41、将出现极化电荷的变化。这种因受力而产生的由机械效应转变为电效应，将机械能转因受力而产生的由机械效应转变为电效应，将机械能转变为电能的现象，就是压电陶瓷的正压电效应。电荷量变为电能的现象，就是压电陶瓷的正压电效应。电荷量的大小与外力成正比关系。的大小与外力成正比关系。（三）、压电材料的主要特性指标（三）、压电材料的主要特性指标 1.压电系数压电系数d：它表示压电材料产生电荷与作用力的关系。它是衡：它表示压电材料产生电荷与作用力的关系。它是衡量材料压电效应强弱的参数，它直接关系到压电元件的输出灵敏度。一量材料压电效应强弱的参数，它直接关系到压电元件的输出灵敏度。一般用单位作用力产生电荷的多少来表示
42、，单位为般用单位作用力产生电荷的多少来表示，单位为C/N(库仑库仑/牛顿牛顿)2.弹性常数：压电材料的弹性常数、刚度是决定其固有频率和动弹性常数：压电材料的弹性常数、刚度是决定其固有频率和动态的重要参数。态的重要参数。3.介电常数：这是决定压电晶体固有电容的主要参数，而固有电介电常数：这是决定压电晶体固有电容的主要参数，而固有电容影响传感器工作频率的下限值。容影响传感器工作频率的下限值。4.机械耦合系数：衡量压电材料机电能量转换效率的重要参数，机械耦合系数：衡量压电材料机电能量转换效率的重要参数，其值等于转换输出能量（如电能）与输入能量（如机械能）之比的平方其值等于转换输出能量（如电能）与输入
43、能量（如机械能）之比的平方根。根。5.电阻电阻R：它是压电晶体的内阻，它的大小决定其泄露电流。：它是压电晶体的内阻，它的大小决定其泄露电流。6.居里点：压电材料的温度达到某一值时，便开始失去压电特性，居里点：压电材料的温度达到某一值时，便开始失去压电特性，这一温度称为居里点或居里温度。这一温度称为居里点或居里温度。（317）二压电式传感器的测量电路二压电式传感器的测量电路 1压电式传感器的等效电路压电式传感器的等效电路 由压电元件的工作原理可知，压电式传感器可以看作由压电元件的工作原理可知，压电式传感器可以看作一个电荷发生器。同时，它也是一个电容器，晶体上聚集正一个电荷发生器。同时，它也是一个
44、电容器，晶体上聚集正负的电荷的两表面相当于电容的两个极板，极板间物质等效负的电荷的两表面相当于电容的两个极板，极板间物质等效于一种介质，则其电容量为于一种介质，则其电容量为（318）因此，压电传感器可以等效为一个与电容器因此，压电传感器可以等效为一个与电容器Ca串联的串联的电压源电压源Ua，如图，如图3-24（a）所示；也可以等效为一个与电容）所示；也可以等效为一个与电容器并联的电荷源器并联的电荷源q，如图，如图3-24（b）所示。电压）所示。电压Ua，电荷量，电荷量q和电容量和电容量Ca这三者的关系为这三者的关系为压电传感器的开路压电传感器的开路U与其产生的电荷与其产生的电荷q和其本身的电容
45、量和其本身的电容量C有关，即有关，即 在理想情况下，传感器的绝缘电阻在理想情况下，传感器的绝缘电阻Ra与前置放大起的输入与前置放大起的输入Ri为无穷大，为无穷大，即即 时，放大器输入电压幅值为时，放大器输入电压幅值为式中，式中，Uim为输入电压的最大值；为输入电压的最大值；Fm为作用力的最大值。为作用力的最大值。(3-20)(3-19)2压电式传感器的测量电路压电式传感器的测量电路常用的前置放大器主要有电压放大器和电荷放大器两种类型。常用的前置放大器主要有电压放大器和电荷放大器两种类型。（1）电压放大器电压放大器 一般情况下，电压源要求前置放大器的电压灵敏度不随一般情况下，电压源要求前置放大器
46、的电压灵敏度不随工作频率降低，将工作频率降低，将Ra与与Ri，Ca与与Ci并联，得出并联，得出(3-21)由式（3-21）可见，电荷放大器的输出电压仅与输入电荷量和反馈电容有关，电缆电容等其他因素可忽略不计，这是电荷放大器的特点。图3-26 电荷放大器等效电路 （2）电荷放大器电荷放大器如图如图3-26电荷放大器等效电路所示，电荷放大器实际上是电荷放大器等效电路所示，电荷放大器实际上是一个具有反馈一个具有反馈Cf的高增益运算放大器电路。当放大器的电的高增益运算放大器电路。当放大器的电压放大倍数压放大倍数A远远大于远远大于1时，经推导可得时，经推导可得三、压电式传感器及其应用三、压电式传感器及其
47、应用v压电元件结构及组合形式 压电传感器中，为了提高灵敏度，压电材料通常采用两片或两片以上黏合在一起。因为电荷的极性关系，电元件有串联和并联两种接法，如图3-27所示，图(a)为并联，适用于测量缓慢变化的信号，并以电荷为输出量；图(b)为串联，适用于测量电路有高输入阻抗，并以电压为输出量。图3-27 压电元件的两种接法v如图3-28所示给出了压电元件的结构与组合形式。按压电元件形状分，有圆形、长方形、片状形、柱形和球壳形；按元件数分，有单晶片、双晶片和多晶片；按极性连接方式分，有串联如图3-28(a)所示，和并联如图3-28(f)(i)所示。图3-28压电元件的结构与组合形式。v压电式传感器主
48、要应用类型压电式传感器主要应用类型 表中列给出了压电传感器的主要应用类型。目前它们已经在工业、民用和军事方面得到广泛应用,但其中用得最多的还是力敏类型。3.压电式传感器应用压电式传感器应用 压电效应是某些介质在力的作用下产生形变时，在介质表面出现异种电荷的现象。实验表明，这种束缚电荷的电量与作用力成正比，而电量越多，相对应的两表面电势差（电压）也越大。例如用压电陶瓷将外力转换成电能的特性，可以生产出不用火石的压电打火机、煤气灶打火开关、炮弹触发引信等。此外，压电陶瓷还可以作为敏感材料，应用于扩音器、电唱头等电声器件；用于压电地震仪，可以对人类不能感知的细微振动进行监测，并精确测出震源方位和强度
49、，从而预测地震，减少损失。利用压电效应制作的压电驱动器具有精确控制的功能，是精密机械、微电子和生物工程等领域的重要器件。(1)压电式力传感器压电式力传感器 压电式传感器是以压电元件为转换元件，输出电荷压电式传感器是以压电元件为转换元件，输出电荷与作用力成正比的力与作用力成正比的力 电转换装置。常用的形式为荷重电转换装置。常用的形式为荷重垫圈式，它由基座、盖板、石英晶片、电极以及引出插座垫圈式，它由基座、盖板、石英晶片、电极以及引出插座等组成。如示的是等组成。如示的是YDS-78型压电式单向力传感器的结构，型压电式单向力传感器的结构，它主要用于频率变化不太高的动态力的测量。它主要用于频率变化不太
50、高的动态力的测量。被测力通过传力上被测力通过传力上盖使压电元件受压力作用盖使压电元件受压力作用而产生电荷。由于传力上而产生电荷。由于传力上盖的弹性形变部分的厚度盖的弹性形变部分的厚度很薄，只有很薄，只有0.10.5mm，因此灵敏度很高。因此灵敏度很高。(2)压电式加速度传感器压电式加速度传感器 图图3-30是一种压电式加速度传感器的结构图，他主要是一种压电式加速度传感器的结构图，他主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳组成。整个由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳组成。整个部件装在外壳内，并由螺栓加以固定。部件装在外壳内，并由螺栓加以固定。当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时，压
