1、第第3章章 机械量检测技术机械量检测技术 o3.1 3.1 机械量及其检测技术概述机械量及其检测技术概述o3.2 3.2 力的检测力的检测 o3.3 3.3 压力的检测压力的检测 o3.4 3.4 力矩的检测力矩的检测 o3.5 3.5 位移的检测位移的检测 o3.6 3.6 物位的检测物位的检测 o3.7 3.7 速度、加速度及振动检测速度、加速度及振动检测 o3.8 3.8 流量的检测流量的检测 o3.9 3.9 无损探伤无损探伤 3.1 3.1 机械量及其检测技术概述机械量及其检测技术概述o机械量是表征机械运动的基本物理量。机械量是表征机械运动的基本物理量。o物理学中把物体（固体和流体）
2、位置的变物理学中把物体（固体和流体）位置的变化称为机械运动。化称为机械运动。o广义的机械量包括广义的机械量包括几何量几何量（位移、转角、（位移、转角、厚度、物位、尺寸等）、厚度、物位、尺寸等）、力学量力学量（力、重（力、重量、压力、力矩等）及量、压力、力矩等）及运动量运动量（速度、加（速度、加速度、振动、流量等）等参数。速度、振动、流量等）等参数。机械量检测方法机械量检测方法o按检测原理分类按检测原理分类:o机械式机械式o光学式光学式o电磁式电磁式o辐射式辐射式(1)(1)机械式检测方法机械式检测方法 o是以弹性元件作为传感器的敏感是以弹性元件作为传感器的敏感元件，把被测量的变化转化为弹元件，
3、把被测量的变化转化为弹性元件的形变，即位移的变化，性元件的形变，即位移的变化，这种弹性形变经驱动机构带动表这种弹性形变经驱动机构带动表盘指针偏转，借助刻度指示被测盘指针偏转，借助刻度指示被测量的大小。量的大小。(2)(2)电磁式检测方法电磁式检测方法o是通过传感器敏感元件把被测量是通过传感器敏感元件把被测量的变化直接或间接转化为电路参的变化直接或间接转化为电路参数的变化，经测量电路转化为电数的变化，经测量电路转化为电信号输出。信号输出。o例如：电阻应变传感器、电容传例如：电阻应变传感器、电容传感器感器 、电感传感器、压电传感、电感传感器、压电传感器等。器等。(3)(3)光学式检测方法光学式检测
4、方法 o是将被测量的变化转换成光信号是将被测量的变化转换成光信号的变化，再通过光电转换元件或的变化，再通过光电转换元件或装置转换为电信号进行测量。装置转换为电信号进行测量。o例如光纤传感器测位移是基于位例如光纤传感器测位移是基于位移移-光通量变换原理，光纤光栅光通量变换原理，光纤光栅传感器测应力是基于应力传感器测应力是基于应力-光谱光谱波长变换原理。波长变换原理。(4)(4)辐射式检测方法辐射式检测方法 o是通过传感器将被测量的变化转是通过传感器将被测量的变化转化成辐射能变化，再通过探测元化成辐射能变化，再通过探测元件转化成电量。件转化成电量。o例如利用超声波、例如利用超声波、x x、射线射线
5、测厚及探伤，核辐射传感器测量测厚及探伤，核辐射传感器测量重量、流量、物位等。重量、流量、物位等。3.2 3.2 力的检测力的检测 o力的基本概念力的基本概念o常用检测方法常用检测方法 o应变式力的检测应变式力的检测o压电式力的检测压电式力的检测 3.2.13.2.1力的基本概念力的基本概念o力是物体与物体之间的相互作用，力是物体与物体之间的相互作用，凡是能使物体具有动力效应或静凡是能使物体具有动力效应或静力效应的作用都称为力。力效应的作用都称为力。o动力效应：在外力作用下使受力动力效应：在外力作用下使受力物获得加速度，改变物体的运动物获得加速度，改变物体的运动状态；静力效应：在外力作用下状态；
6、静力效应：在外力作用下使受力物发生弹性形变，在物体使受力物发生弹性形变，在物体内部产生应力。内部产生应力。力的分类力的分类 o按照力产生的性质分按照力产生的性质分 ：重力、应力、电磁力、弹性力、惯重力、应力、电磁力、弹性力、惯性力、膨胀力、摩擦力等等性力、膨胀力、摩擦力等等 。o按照力作用效果分按照力作用效果分 ：拉力、压力、动力、阻力等。拉力、压力、动力、阻力等。o按随时间的变化性质可分：按随时间的变化性质可分：静态力和动态力静态力和动态力 常用力的测量方法常用力的测量方法检测方法检测方法测量原理测量原理力平衡力平衡法法机械式力平衡法装置机械式力平衡法装置用一个已知力来平衡待测的未知力（杠杆
7、原理）用一个已知力来平衡待测的未知力（杠杆原理）磁电式力平衡装置磁电式力平衡装置位移法位移法电容电容式式力力-位移位移-电容电容测量未知力所引起的弹性元件产生位移（变测量未知力所引起的弹性元件产生位移（变形），从而间接地测得未知力值形），从而间接地测得未知力值电感电感式式力力-位移位移-电感电感频率式频率式振弦振弦式式力力-振动振动-频率频率利用机械振动系统，通过测量振弦弹性体的频利用机械振动系统，通过测量振弦弹性体的频率变化测待测力率变化测待测力物理效物理效应法应法电阻应变效应电阻应变效应力力弹性体应变弹性体应变-电阻变化电阻变化压电效应压电效应力力压电材料压电材料产生电荷产生电荷压磁效应压
8、磁效应力力-铁磁材料铁磁材料导磁率变化导磁率变化霍尔效应霍尔效应力力-半导体材料半导体材料电动势电动势光纤效应光纤效应力力-光纤材料光纤材料光特性变化光特性变化3.2.2 3.2.2 应变式力的检测应变式力的检测o应变式力传感器应变式力传感器-是基于电阻应变是基于电阻应变效应，将被测量的变化转换成传感元效应，将被测量的变化转换成传感元件电阻值的变化，再经过转换电路变件电阻值的变化，再经过转换电路变成电信号输出的测力装置。成电信号输出的测力装置。o主要由应变片、弹性元件和测量电路主要由应变片、弹性元件和测量电路组成。视弹性元件结构形式和受载性组成。视弹性元件结构形式和受载性质不同有许多种类。应变
9、式力传感器质不同有许多种类。应变式力传感器主要用来测量荷重和力。主要用来测量荷重和力。弹性元件弹性元件弹性元件：压力作用下产生弹性变形，弹性元件：压力作用下产生弹性变形，变形大小与被测压变形大小与被测压力有关。力有关。是弹性式压力计的测压敏感元件。是弹性式压力计的测压敏感元件。常用弹性压力计弹性元件：常用弹性压力计弹性元件：主要内容主要内容o电阻应变效应电阻应变效应o应变片结构及分类应变片结构及分类o测量转换电路测量转换电路 o应变式力传感器应变式力传感器 o应变式力传感器应用应变式力传感器应用 （一）电阻应变效应（一）电阻应变效应 o导体或半导体材料在外界力的作导体或半导体材料在外界力的作用
10、下，产生机械变形导致其阻值用下，产生机械变形导致其阻值变化，这种因形变而使阻值发生变化，这种因形变而使阻值发生变化的现象称为应变效应。变化的现象称为应变效应。金属丝拉伸应变效应金属丝拉伸应变效应设有一长为设有一长为L L、横截面积为、横截面积为A A、电阻率为、电阻率为 的金属的金属丝，受拉力丝，受拉力F F作用形变如图：作用形变如图：LRA没有外力作用时没有外力作用时：有外力作用时：有外力作用时：、L、A变化变化 2 LLdRdLddAAAA电阻绝对变化量：o电阻相对变化量为：dRdLddARLAA=r ，dA=2r dr 2 dRdLdrdRLr xydLdrLr令金属丝的轴向应变，金属丝
11、的径向应变yx 为金属材料的泊松比 (12)xdRdR 整理式子得：金属丝的灵敏系数金属丝的灵敏系数 o表示单位应变所引起的电阻的相对变化的大小。表示单位应变所引起的电阻的相对变化的大小。o金属丝的灵敏系数受材料几何尺寸变化和材料电阻率变两金属丝的灵敏系数受材料几何尺寸变化和材料电阻率变两部分因素影响。部分因素影响。o对金属材料，对金属材料，K K值主要由几何尺寸变化（应变效应）所决值主要由几何尺寸变化（应变效应）所决定；定；o对半导体材料，对半导体材料，K K值主要由电阻率相对变化（压阻效应）值主要由电阻率相对变化（压阻效应）所决定。所决定。o实验表明，在金属丝拉伸弹性范围内，电阻相对变化与
12、轴实验表明，在金属丝拉伸弹性范围内，电阻相对变化与轴向应变成正比。向应变成正比。(12)xxdR RdK 令电阻应变测力原理电阻应变测力原理o如果应变片的灵敏度如果应变片的灵敏度K K 和试件的和试件的横截面积横截面积A A以及以及弹性模弹性模量量均为已知，则只要设法测出均为已知，则只要设法测出dR/RdR/R的数值，即可获的数值，即可获知试件受力的大小。知试件受力的大小。o测量时，应变片通过特定工艺粘贴在弹性体或被测试件测量时，应变片通过特定工艺粘贴在弹性体或被测试件上，受力形变，使应变片的阻值变化。上，受力形变，使应变片的阻值变化。xxd RRd RKKR，或由材料力学可知：由材料力学可知
13、：=F/F/（AEAE）所以所以dR/RdR/R又可表示为：又可表示为：而：而：d RFKKRA E（二）应变片结构及分类（二）应变片结构及分类 o常用种类：金属电阻应变片和半导体应变片。常用种类：金属电阻应变片和半导体应变片。o应变片结构：一般主要由敏感栅、基底、覆盖层、引线、应变片结构：一般主要由敏感栅、基底、覆盖层、引线、粘贴剂等组成。粘贴剂等组成。1-引线 2-覆盖层 3-基底 4-电阻丝（敏感栅）分类分类敏感栅工艺敏感栅工艺特点特点金金属属电电阻阻应应变变片片金属丝应变金属丝应变片片敏 感 栅 由 直 径 约 为敏 感 栅 由 直 径 约 为0.025mm0.025mm具有高电阻率具
14、有高电阻率的金属丝绕制成的金属丝绕制成结构简单，价格低，强度高，结构简单，价格低，强度高，但允许通过的电流较小，测但允许通过的电流较小，测量精度较低，适用于测量要量精度较低，适用于测量要求不很高的场合使用。求不很高的场合使用。金属箔应变金属箔应变片片敏感栅是金属箔通过敏感栅是金属箔通过光刻、腐蚀等工艺制光刻、腐蚀等工艺制成。箔栅厚度一般在成。箔栅厚度一般在0.003-0.01mm0.003-0.01mm之间之间接触面积大，接触面积大，散热性好，允散热性好，允许通过较大的电流。由于它许通过较大的电流。由于它的厚度薄，应力传递性能好，的厚度薄，应力传递性能好，灵敏度系数较高，灵敏度系数较高，目前广
15、泛目前广泛用于各种应变式传感器中。用于各种应变式传感器中。金属薄膜应金属薄膜应变片变片采用真空蒸镀等扩散采用真空蒸镀等扩散等方法，在基底上形等方法，在基底上形成金属电阻材料薄膜成金属电阻材料薄膜这种应变片有较高的灵敏度这种应变片有较高的灵敏度系数，允许电流密度大，工系数，允许电流密度大，工作温度范围较广作温度范围较广半半导导体体电电阻阻应应变变片片体型应变体型应变片片将半导体材料硅或锗将半导体材料硅或锗晶体按一定方向切割晶体按一定方向切割成的片状小条，经腐成的片状小条，经腐蚀压焊粘贴在基片上蚀压焊粘贴在基片上而成的应变片而成的应变片扩散型应扩散型应变片变片将将P P型杂质扩散到型杂质扩散到N
16、N型型硅单晶基底上，形成硅单晶基底上，形成一层极薄的一层极薄的P P型导电型导电层，再通过超声波和层，再通过超声波和热压焊法接上引出线热压焊法接上引出线就形成了扩散型半导就形成了扩散型半导体应变片。体应变片。薄膜型应薄膜型应变片变片利用真空沉积技术将利用真空沉积技术将半导体材料沉积在带半导体材料沉积在带有绝缘层的试件上而有绝缘层的试件上而制成制成半导体应变片结构半导体应变片结构 优点：应变灵灵敏系数大，体积小优点：应变灵灵敏系数大，体积小;，机械滞后小，机械滞后小，阻值范围大，横向效应小等特点，主要用于测量应阻值范围大，横向效应小等特点，主要用于测量应力分布。力分布。缺点：温度稳定性和可重复性
17、不如金属应变片。缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。（三）测量转换电路（三）测量转换电路 o测量时，为了将电阻应变式传感测量时，为了将电阻应变式传感器的微小电阻变化转换成电压或器的微小电阻变化转换成电压或电流信号，在应用中一般采用电电流信号，在应用中一般采用电桥电路作为其测量电路，并通过桥电路作为其测量电路，并通过后续的放大器仪表进行放大，再后续的放大器仪表进行放大，再传输给处理电路（通常是传输给处理电路（通常是A/DA/D转转换和换和CPUCPU）显示或执行机构。）显示或执行机构。（1 1）基本测量电桥）基本测量电桥 o电桥的输出表达式：32413212341234oiiRR RR R
18、RUUURRRRRRRR测量前：测量前：o电桥投入测量之前：Ri=0o满足电桥的平衡条件：R1R3=R2R4o此时电桥输出电压：UO=0测量时：测量时：o电桥投入测量之后，Ri0，Ri=Ri+Ri。o此时电桥输出电压为：22441133011223344()()()()iRRRRRRRRUURRRRRRRR把把R1R3=R2R4代入式代入式整理得整理得：3211240211234/()(1)2(1/)iRRRRRRUn URRRRRR21314221412311/1()nRRRRRRRRRRRR因RiRi，所以n0。o可见，测量电桥能将R/R的变化转化为电压信号，电桥输出电压U0的大小与各桥臂
19、电阻的变化近似为线性关系。o若相邻两桥臂电阻变化同向，则所产生的电桥输出电压的变化相互抵消；o若相邻两桥臂电阻变化反向，则所产生的电桥输出电压的变化相互迭加。3211240211234/()2(1/)iRRRRRRUURRRRRR当R1=R2=R3=R4（初始值）时，则：3124012341()4iRRRRUURRRR（2 2）应变测量电桥）应变测量电桥 单臂桥工作单臂桥工作半桥工作（双臂桥）半桥工作（双臂桥）全桥工作（四臂桥）全桥工作（四臂桥）011.44iiRUUk UR（a a）单臂桥）单臂桥 （b b）半桥）半桥 （c c）全桥）全桥为了便于分析，一般都取为了便于分析，一般都取R1=R
20、2=R3=R4=RR1=R2=R3=R4=R，称之为等臂桥，称之为等臂桥 011.22iiRUUk UR0.iiRUUk UR结论：结论：单臂工作输出信号最小，单臂工作输出信号最小，双臂输出是单臂的两倍，双臂输出是单臂的两倍，全桥工作时的输出是单臂全桥工作时的输出是单臂时的四倍。因此，为了得时的四倍。因此，为了得到较大灵敏度一般都采用到较大灵敏度一般都采用双臂或全桥工作双臂或全桥工作。o应变片的布片要尽量接成差动测量电桥，即相应变片的布片要尽量接成差动测量电桥，即相邻桥臂所接的应变片承受相反应变，相对桥臂邻桥臂所接的应变片承受相反应变，相对桥臂所接的应变片承受相同应变。所接的应变片承受相同应变
21、。o采用双臂或全桥另一个好处是能实现温度自动采用双臂或全桥另一个好处是能实现温度自动补偿功能，当工作环境温度变化时，桥臂上应补偿功能，当工作环境温度变化时，桥臂上应变片温度同时变化，温度引起的电阻值变化一变片温度同时变化，温度引起的电阻值变化一致，可以相互抵消，输出电压信号不受温度影致，可以相互抵消，输出电压信号不受温度影响，只反映被测力的大小响，只反映被测力的大小。（四）应变式力传感器（四）应变式力传感器 o应变式传感器中，敏感元件一般为各种弹性体，应变式传感器中，敏感元件一般为各种弹性体，传感元件就是应变片。传感元件就是应变片。o根据所用的弹性元件结构不同根据所用的弹性元件结构不同,主要有
22、柱式力传主要有柱式力传感器、环式力传感器、悬臂梁式传感器。测力感器、环式力传感器、悬臂梁式传感器。测力范围为范围为1010-3-310108 8N N，精度可达，精度可达0.03%0.03%。o应变式压力传感器有明显的温漂和时漂，但是应变式压力传感器有明显的温漂和时漂，但是它的优点是相应速度快，一般用于动态压力检它的优点是相应速度快，一般用于动态压力检测测应变片布片与组桥原则应变片布片与组桥原则1)应有相同数目的应变片布置在弹性元应有相同数目的应变片布置在弹性元件上具有正、负极性的应变区；件上具有正、负极性的应变区；2)2)应变片应布置在弹性元件上应力最大应变片应布置在弹性元件上应力最大的位置
23、，同时注意该处不受非待测力的位置，同时注意该处不受非待测力的干扰和影响；的干扰和影响；3 3）利用电桥和差特性选择适当的接桥）利用电桥和差特性选择适当的接桥方式，使电桥输出最大及具有温度补方式，使电桥输出最大及具有温度补偿能力。偿能力。(1)(1)柱式力传感器柱式力传感器 0(1)2ikUFAEU特点：结构紧凑，承载力大，特点：结构紧凑，承载力大，适合测量中等荷载压力适合测量中等荷载压力（2 2）梁式力传感器）梁式力传感器 （a a）等强度梁力传感器等强度梁力传感器 2006Eb h UFK L U弹性元件为一种特殊形式的弹性元件为一种特殊形式的悬臂梁，梁的宽度沿长度悬臂梁，梁的宽度沿长度L方
24、方向变化，当力向变化，当力F作用于梁端三作用于梁端三角形顶点时，梁内各断面产角形顶点时，梁内各断面产生的应力相等。等臂梁上下生的应力相等。等臂梁上下两表面黏贴应变片，上表面两表面黏贴应变片，上表面为拉应变，下表面为压应变。为拉应变，下表面为压应变。此传感器结构简单，贴片容易，适合测量此传感器结构简单，贴片容易，适合测量小量程负载小量程负载（b b）等截面悬臂梁）等截面悬臂梁 026lUkUkUFEb h沿沿L L方向的黏贴位置误差会直接影响测量结果方向的黏贴位置误差会直接影响测量结果（c c）两端固定梁力传感器）两端固定梁力传感器 0234lUkUkUFEbh（3 3）环式力传感器）环式力传感
25、器 021.092RUkUkUFbE应变片贴在弯矩较大处的内外表应变片贴在弯矩较大处的内外表面，当圆环受压时，外表面为正面，当圆环受压时，外表面为正（拉）应变，内表面为负（压）（拉）应变，内表面为负（压）应变应变在相同的情况下，环式弹性元件比在相同的情况下，环式弹性元件比柱式弹性元件抗载偏心能力强，且柱式弹性元件抗载偏心能力强，且测力范围大，但制作负载，常用于测力范围大，但制作负载，常用于检测检测500N以上的载荷。以上的载荷。柱式、环式力传感器适用于大载荷柱式、环式力传感器适用于大载荷力的测量；悬臂梁式力传感器适合力的测量；悬臂梁式力传感器适合小载荷力的测量，且具有较高的灵小载荷力的测量，且
26、具有较高的灵敏度。敏度。（五）应变式力传感器应用（五）应变式力传感器应用 o应变式力传感器以其优越的性能价格比应变式力传感器以其优越的性能价格比和抗干扰能力在机械量测量技术领域得和抗干扰能力在机械量测量技术领域得到广泛应用，如建筑、地质、石油开采、到广泛应用，如建筑、地质、石油开采、机械加工、航空航天、机器人领域，体机械加工、航空航天、机器人领域，体育、医疗方等。育、医疗方等。o应变式力传感器主要用来测量荷重及外应变式力传感器主要用来测量荷重及外作用力，例如各种电子秤（汽车衡、轨作用力，例如各种电子秤（汽车衡、轨道衡、皮带称秤、配料秤等），材料试道衡、皮带称秤、配料秤等），材料试验机的测力元件
27、、发动机的推力测试、验机的测力元件、发动机的推力测试、水坝坝体承载状况监测等。水坝坝体承载状况监测等。（1 1）电子皮带秤）电子皮带秤o皮带秤就是专门针对散装物料的连续计量而设计的，电子皮带秤是由称重架(有效长度为L)、称重传感器、测速传感器和微处理机所组成。在连续运行的皮带下面安装称重框架，承载面是几个滚筒装置，用来满足皮带在上面走过时减小皮带与承载面的磨擦而造成的计量误差。在有效称量区间长度L内，皮带单位长度上的物料重量：()/tg tWLWt：为L区间的物料重量 皮带在时间 t 内总输送物料重量：皮带在单位时间的瞬时输送物料重量：W(t)=g(t).v(t)W(t)=g(t).v(t)v
28、(t)：为皮带传送速度12000()()()tttWw t dtg t v t dtkU U dt11()Uk g t测力传感器输出电压测力传感器输出电压22()Uk v t测速传感器经测速传感器经f/v转换输出电压转换输出电压 121/kk k比例系数比例系数o当皮带输送物料时当皮带输送物料时,称重传感器感受区间称重传感器感受区间L L的物料重量，的物料重量，并转换成电压信号并转换成电压信号(mv(mv级级)，送入运算器，经过放大、滤，送入运算器，经过放大、滤波、波、/转换变换成数字信号；转换变换成数字信号；o同时装在回程皮带上的测速传感器把皮带运行的速度信同时装在回程皮带上的测速传感器把皮
29、带运行的速度信号转换成脉冲信号，经号转换成脉冲信号，经f/vf/v变换为电压信号送入运算器；变换为电压信号送入运算器；运算器将两个信号进行积分运算，得出物料的重量累计运算器将两个信号进行积分运算，得出物料的重量累计值并显示。值并显示。3.2.3 3.2.3 压电式力的检测压电式力的检测 o压电式传感器是一种典型的有源传感器。它以某些电介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效应为基础，在外力作用下，在电介质表面产质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。生电荷，从而实现非电量电测的目的。o特点特点:具有很好的静态（灵敏度高、线性度好、滞
30、后小）和具有很好的静态（灵敏度高、线性度好、滞后小）和动态特性（固有频率高、工作频带宽、瞬态响应快），动态特性（固有频率高、工作频带宽、瞬态响应快），且体积小、质量轻等特点。且体积小、质量轻等特点。o应用 压电传感元件是力敏感元件，特别适合于测量动态力压电传感元件是力敏感元件，特别适合于测量动态力和瞬态冲击力。由于它没有运动部件，因此结构坚固、和瞬态冲击力。由于它没有运动部件，因此结构坚固、可靠性、稳定性高。可靠性、稳定性高。(一一)、压电效应、压电效应o某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的变形时，其内部会产生
31、极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。电荷的极性也随之改变。o相反，当在电介质的极化方向上施加电场时，相反，当在电介质的极化方向上施加电场时，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。或称为电致伸缩现象。(1)(1)
32、常用压电材料常用压电材料 o具压电效应的介质称为压电材料具压电效应的介质称为压电材料.常用的压电材料一般有三类：常用的压电材料一般有三类：o压电单晶体压电单晶体 o压电陶瓷压电陶瓷 o高分子压电材料高分子压电材料 o压电单晶体压电单晶体 包括天然石英和人造石英等。石英晶体的突出优点是性能非常稳包括天然石英和人造石英等。石英晶体的突出优点是性能非常稳定，介电常数和压电系数在常温范围内几乎不随温度变化，机械定，介电常数和压电系数在常温范围内几乎不随温度变化，机械强度高。但石英材料价格昂贵，且压电系数比压电陶瓷低得多。强度高。但石英材料价格昂贵，且压电系数比压电陶瓷低得多。因此一般仅用于标准仪器或要
33、求较高的传感器中。因此一般仅用于标准仪器或要求较高的传感器中。o压电陶瓷压电陶瓷 压电陶瓷是人工制造的经过极化处理的多晶压电材料，它比石英压电陶瓷是人工制造的经过极化处理的多晶压电材料，它比石英晶体的压电灵敏度高几十倍，具有很高的灵敏度，而制造成本却晶体的压电灵敏度高几十倍，具有很高的灵敏度，而制造成本却较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷。较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZTPZT）及非铅系压）及非铅系压电陶瓷（如电陶瓷（如BaTiO3BaTiO3等）等）。o高
34、分子压电材料高分子压电材料 是把合成的高分子聚和物经延展拉伸和电极化处理后具有了压电特是把合成的高分子聚和物经延展拉伸和电极化处理后具有了压电特性的薄膜，典型的有聚偏二氟乙烯、聚氟乙烯、聚氯乙烯（性的薄膜，典型的有聚偏二氟乙烯、聚氟乙烯、聚氯乙烯（PVCPVC）等。特点是材料质地柔软，不易破碎，价格便宜，频率响应范围等。特点是材料质地柔软，不易破碎，价格便宜，频率响应范围较宽，濡变小，耐冲击，便于制成大面积阵列传感器较宽，濡变小，耐冲击，便于制成大面积阵列传感器。纵向轴纵向轴Z Z轴称为光轴；轴称为光轴；经过正六面体棱线，并垂直于光轴的经过正六面体棱线，并垂直于光轴的X X轴称为电轴；轴称为电
35、轴；与与X X轴和轴和Z Z轴同时垂直的轴同时垂直的Y Y轴（垂直于正六面体的棱面）称为机械轴。轴（垂直于正六面体的棱面）称为机械轴。以石英晶体为例以石英晶体为例 天然结构石英天然结构石英晶体的理想外形是晶体的理想外形是一个正六面体，是一个正六面体，是各向异性体，即在各向异性体，即在各个方向晶体的性各个方向晶体的性质是不同，在晶体质是不同，在晶体学中用三根互相垂学中用三根互相垂直的轴来表示直的轴来表示.（2）压电材料的压电特性）压电材料的压电特性o石英晶体具有压电效应，是由其内部分子结构决定的石英晶体具有压电效应，是由其内部分子结构决定的.一个单元体中构成石英晶体的硅离子和氧离子，在垂直于一个
36、单元体中构成石英晶体的硅离子和氧离子，在垂直于Z轴的轴的xy平平面投影，等效一个正六边形排列。图中面投影，等效一个正六边形排列。图中“+”代表代表Si4+，“-”代表代表O2-o当晶体未受外力作用时：当晶体未受外力作用时：电偶极矩的矢量和等于零电偶极矩的矢量和等于零 即即 P1+P2+P30 p所以晶体表面不产生电荷，呈电中性。当所以晶体表面不产生电荷，呈电中性。当晶体受到沿晶体受到沿x方向外力作用时：方向外力作用时：（P1+P2+P3)x 0、(P1+P2+P3)y=0，(P1+P2+P3)z=0。所以在与所以在与x轴垂直于的平面（称为轴垂直于的平面（称为x面）产面）产生电荷，在生电荷，在y
37、、z方向不出现电荷。若在方向不出现电荷。若在x面两侧表面镀银电极就可测出产生电荷的面两侧表面镀银电极就可测出产生电荷的大小大小。o当晶体在当晶体在y轴方向外力作用时：轴方向外力作用时：（P1+P2+P3)x 0、(P1+P2+P3)y=0，(P1+P2+P3)z=0。由此可见，晶体在由此可见，晶体在y（即机械轴）方向的力（即机械轴）方向的力作用下，产生的电荷仍然出现在作用下，产生的电荷仍然出现在x面，在面，在y、z方向同样不产生压电效应。方向同样不产生压电效应。结论：结论：无论晶体受到沿无论晶体受到沿x方向方向(电轴电轴)还是还是y方向方向（机械轴）作用的力，电荷只产生在（机械轴）作用的力，电
38、荷只产生在x面，面，而而y、z面则不产生压电效应。当外力沿面则不产生压电效应。当外力沿Z方方向（光轴）作用时，由于晶格离子对称平移，向（光轴）作用时，由于晶格离子对称平移，表面不产生电荷，没有压电效应。表面不产生电荷，没有压电效应。（3）作用力与电荷的关系）作用力与电荷的关系o当沿机电轴当沿机电轴x方向施加作用力方向施加作用力Fx时，在时，在x方向所产生的电方向所产生的电荷荷qx与作用力与作用力Fx成正比。成正比。dij为压电系数为压电系数o沿沿x轴方向施加作用力时，产生电荷的大小与切片几何尺轴方向施加作用力时，产生电荷的大小与切片几何尺寸无关。寸无关。o若在同一切片上若在同一切片上,沿机械轴
39、沿机械轴y方向施加作用力方向施加作用力Fy,则仍在与则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷轴垂直的平面上产生电荷qy,但极性相反。但极性相反。沿沿y轴方向施加作用力时，产生电荷的大小与切片几何轴方向施加作用力时，产生电荷的大小与切片几何尺寸有关。尺寸有关。xxFdq1112yylqdFh压电系数表征压电性能强弱的参数。压电系数表征压电性能强弱的参数。不同材料具有不同压电系数，即使不同材料具有不同压电系数，即使同一材料，当受力方向和变形不同同一材料，当受力方向和变形不同时，压电系数也不同。时，压电系数也不同。dij下标的意义为产生电荷的面的轴下标的意义为产生电荷的面的轴向及施加作用力的轴向；向及施加作
40、用力的轴向；i=1、2、3分别表示在垂直于分别表示在垂直于x、y、z轴的晶体片表面即轴的晶体片表面即x、y、z面面上产生的电荷。；上产生的电荷。；j=1，2，3分别表示晶体沿分别表示晶体沿x、y、z轴方向所受的外力；轴方向所受的外力；o晶片上产生的电荷极性与受力方向的关晶片上产生的电荷极性与受力方向的关系系 o电容量为：电容量为：S:压电极板面积压电极板面积：压电元件厚度：压电元件厚度o电压为电压为（二）、测量转换电路（二）、测量转换电路（1 1）压电传感器等效电路）压电传感器等效电路o把压电传感器看成一个电荷发把压电传感器看成一个电荷发生器。生器。0raSSC aaqUC压电传感器的实际等效
41、电路oCc：和二次仪表相连电缆的分布等效电容oRi：前置放大器的输入电阻oCi：输入电容oRa：压电元件的绝缘电阻压电传感器为何适宜作动态力测量？压电传感器为何适宜作动态力测量？o传感器内部信号电荷无传感器内部信号电荷无“漏损漏损”，外电路负载，外电路负载无穷大时，压电传感器受力后产生的电荷才能无穷大时，压电传感器受力后产生的电荷才能长期保存，否则电路将以某时间常数按指数规长期保存，否则电路将以某时间常数按指数规律放电。律放电。o事实上，传感器内部不可能没有泄漏，外电路事实上，传感器内部不可能没有泄漏，外电路负载也不可能无穷大，只有外力以较高频率不负载也不可能无穷大，只有外力以较高频率不断地作
42、用，传感器的电荷才能得以不断补充，断地作用，传感器的电荷才能得以不断补充，因此，故压电传感器适宜作动态力测量因此，故压电传感器适宜作动态力测量,这对这对于静态以及低频准静态测量极为不利，必然带于静态以及低频准静态测量极为不利，必然带来误差。来误差。（2）压电传感器测量电路）压电传感器测量电路 o压电传感器是有源电容器，其特点是高内阻、输出信号压电传感器是有源电容器，其特点是高内阻、输出信号功率很低，不能直接显示、记录，因此常在压电传感器功率很低，不能直接显示、记录，因此常在压电传感器的输出端后，先接一个高输入阻抗的前置放大器，经阻的输出端后，先接一个高输入阻抗的前置放大器，经阻抗变换后再接入一
43、般的放大电路及其它信号处理、输出抗变换后再接入一般的放大电路及其它信号处理、输出电路。电路。o前置放大器的作用：一是将传感器的高阻抗输出变换为前置放大器的作用：一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出，二是放大传感器输出的微弱电信号。低阻抗输出，二是放大传感器输出的微弱电信号。o前置放大器电路的两种形式：前置放大器电路的两种形式：电压放大器电压放大器 电荷放大器电荷放大器 电压放大器测量电路电压放大器测量电路o电压放大器又称阻抗变换器，其作用是把传感器的高电压放大器又称阻抗变换器，其作用是把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出，并使输出电压与输入电阻抗输出变换为低阻抗输出，并使输出电压与输入电压
44、压(即传感器的输出即传感器的输出)成正比成正比。11111111()iaaaRRj Rj Cj CUUd Fj R CCRRj Cj Cj Co设压电元件受正弦力 的作用时，则其电压输出为：11sinsinmamaad FqUtUtCCsinmFFt压电元件输出电压幅值：11mmaFUdC 11111111()iaaaRRj Rj Cj CUUd Fj R CCRRj Cj Cj C112221()mimaid FRUR CCC111120()1()mmimaid FRd FUCCC压电传感器灵敏度u为：3-1111imumaiUdKFCCC当电缆长度改变时，当电缆长度改变时，Cc也将改变，因
45、而也将改变，因而Uim也随之变化，将已标定也随之变化，将已标定的灵敏度改变，因此，压电传感器与前置放大器之间连接电缆不能的灵敏度改变，因此，压电传感器与前置放大器之间连接电缆不能随意更换，否则将引入测量误差。随意更换，否则将引入测量误差。电荷放大器测量电路电荷放大器测量电路o电荷放大器是一个具有深度负反馈的高增益放大器。电荷放大器是一个具有深度负反馈的高增益放大器。FscCFquuC 若放大器开环增益若放大器开环增益A足够大，足够大，且放大器输入阻抗很高且放大器输入阻抗很高电荷放大器的输出电压仅与输入电荷量电荷放大器的输出电压仅与输入电荷量q和反馈电容有关，与电缆和反馈电容有关，与电缆电容电容
46、Cc无关，因此，采用电荷放大器时，即使输入连接长电缆，其无关，因此，采用电荷放大器时，即使输入连接长电缆，其灵敏度也无明显变化，不影响测量精度，这是电荷放大器的最大特灵敏度也无明显变化，不影响测量精度，这是电荷放大器的最大特点。调节反馈电容点。调节反馈电容CF可以改变电荷放大器的灵敏度。可以改变电荷放大器的灵敏度。（3）压电式力传感器）压电式力传感器 o 压电元件的串并联压电元件的串并联 o并联特点：电压相等，电容相加、电荷相加。传感器输出电荷大，时间常数大，响应较慢，故适合测量变化缓慢的信号和以电荷为输出的场合；o串联特点：电荷相等，电压相加，电容减小。传感器输出电压大，时间常数小，响应快，适合于高频信号测量及要求电压输出、高阻抗输入的场合。+压电式单向力传感器压电式单向力传感器 压电式双向力传感器压电式双向力传感器 o晶体盒内有两个单元晶组：xy切型和yx切型单元晶组，xy单元晶组测垂直的力FZ，yx单元晶组测切向力Fx。压电式三向力传感器压电式三向力传感器 o传感器中有三个石英晶体组，中间一对晶体片是利用石英晶体的纵向压电效应，它只感受Z方向的作用力Fz，而上下两对石英晶体片是利用晶体的横向压电效应，分别感受X方向作用力Fx和Y方向作用力Fy。
