《传感器技术及应用》 项目三 力和压力的测量

1、项目三 力和压力的测量 任务一 使用电阻应变式传感器测量力任务导入取一段细电阻丝，两端接上一台三位半数字欧姆表（分辨率为1/2000以上），测量其初始值并记录下来，然后将电阻丝均匀拉长，再测量其阻值，会发现其阻值略有增加。验证应变效应 任务一 使用电阻应变式传感器测量力一、电阻应变片的分类与结构1. 电阻应变片的分类按电阻应变片敏感栅材料的不同，可分为金属应变片和半导体应变片两大类。 电阻丝应变片结构形式 任务一 使用电阻应变式传感器测量力一、电阻应变片的分类与结构2. 电阻应变片的结构电阻应变片的结构简图 任务一 使用电阻应变式传感器测量力一、电阻应变片的分类与结构3. 电阻应变片的测量电路

2、按照电路的电源性质不同，桥式电路可分为直流电桥和交流电桥，一般多采用直流电桥。直流电桥及其三种工作电路如图所示。 直流电桥及其三种工作电路任务一 使用电阻应变式传感器测量力一、电阻应变片的分类与结构（1）单臂半桥电路)(4332110RRRRRREU当电桥平衡时，U0=0，则有4321RRRR任务一 使用电阻应变式传感器测量力一、电阻应变片的分类与结构（2）双臂半桥电路1102RREU初始时4321,RRRR，则输出电压为U0 任务一 使用电阻应变式传感器测量力一、电阻应变片的分类与结构（3）四臂全桥电路110RREU任务一 使用电阻应变式传感器测量力二、电阻应变式传感器组件电阻应变式传感器由

3、弹性敏感元件、电阻应变片（计）、补偿电阻和外壳组成，常用的电阻应变式传感器有应变式测力传感器、应变式压力传感器、应变式扭矩传感器、应变式位移传感器、应变式加速度传感器和测温应变计等 任务一 使用电阻应变式传感器测量力二、电阻应变式传感器组件1. 筒式压力传感器 没有压力作用时，这四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或更高的范围。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。任务一 使用电阻应变式传感器测量力二、电阻应变式传感器组件2. 膜片压力式传感器 当气体

4、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失去平衡，产生输出电压。任务一 使用电阻应变式传感器测量力二、电阻应变式传感器组件3. 组合式压力传感器 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。任务一 使用电阻应变式传感器测量力二、电阻应变式传感器组件4. 力和转矩传感器 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（a）、（b）所示。测量时都可以在轴向布置一个或几个应变片，在圆周方向上布置同样数目的

5、应变片。后者测量符号相反的横向应变，从而构成差动式。另一种弯曲梁和扭转轴上的应变片也均可构成差动式，如图（c）、（d）所示。此外，用环状弹性敏感元件测拉（压）力也是较普遍的，如图（e）所示。任务一 使用电阻应变式传感器测量力二、电阻应变式传感器组件5. 应变式加速度传感器 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。任务一 使用电阻应变式传感器测量力实

6、践操作简易电子秤的制作左边相邻臂R1、R3分别为刮胡刀片上、下面粘贴的金属应变片，当刮胡刀片在向下拉力作用下发生弯曲时，凸面粘贴的应变片被拉长，电阻值增加，凹面应变片则被压缩，电阻值减小，这种应变片使用方法不仅使电桥输出电压增加一倍，还具有温度补偿作用。电桥测量电路右边的两个相邻臂分别为电阻器R2和电桥平衡零点调节电路，后者由电阻器R4、R5、R6和零点调节电位器RP2混联而成。调节RP2时，其等效电阻值变化范围减小到125160，可以实现电桥平衡精密调节。电桥检测部分由数字微安表PA和灵敏度调节电位器RP1串联而成。电桥电路采用直流电源E供电，电压为3V，电桥输出小于9mV时，传感器称重线性

7、良好。任务一 使用电阻应变式传感器测量力实践操作简易电子秤的制作主要实验器材任务一 使用电阻应变式传感器测量力实践操作简易电子秤的制作制作步骤1）应变片选用如上图3-2所示的金属箔状应变片，其两条金属引出线分别套上细塑料套管，用502胶水把两片应变片分别贴在刮胡刀片（1/2片）正、反面的中心位置上，要求胶水要涂得均匀且薄，多用反而不好。注意防止将电阻片的引线也粘在刀片上。敏感栅的纵轴应与刀片纵向一致。称重传感器的装配侧视图如图所示。任务一 使用电阻应变式传感器测量力实践操作简易电子秤的制作制作步骤2）安装好铁架台，并用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，吊挂好用棉纱线及塑料

8、水杯制成的“吊斗”。3）按图连接好电路。4）接通电源E并稳定一段时间后，将灵敏度调节电位器RP1的电阻值逐渐调至最小，此时电桥检测灵敏度最高。5）再仔细调节零点电位器RP2，使数字微安表PA的读数恰好为零，此时电桥平衡。6）在“吊斗”中轻轻放入20g砝码，调节灵敏度电位器RP1，使检测面板微安表读数为一个整数值，如2.0A，灵敏度标定为0.1A/g。任务一 使用电阻应变式传感器测量力实践操作简易电子秤的制作制作步骤7）检测电子秤的称量线性，在“吊斗”内继续放入多个20g砝码，检测面板表分别显示4.0A、6.0A、8.0A，说明传感器测力线性好。将称重砝码总质量与电流的关系填入下表。8）若电子秤

9、实验电路灵敏度达不到0.1A/g，则将电桥的供电电压提升到4.56V，可大大增加其灵敏度。任务二 使用压电式传感器测量压力任务导入认识身边的压电式传感器任务二 使用压电式传感器测量压力 一、压电式传感器的分类任务二 使用压电式传感器测量压力二、压电效应及压电材料 某些晶体受一定方向外力作用而发生机械变形时，相应地在一定的晶体表面产生符号相反的电荷，外力去掉后，电荷消失。力的方向改变时，电荷的符号也随之改变，这种现象称为压电效应（正压电效应）。 具有压电效应的晶体称为压电晶体，又称压电材料或压电元件。 压电材料还具有与此效应相反的效应，即当晶体带电或处于电场中时，晶体的体积将产生伸长或缩短变化，

10、这种现象称为电致伸缩效应或逆压电效应。因此，压电效应属于可逆效应。 用于传感器的压电材料或元件一般有压电晶体（如石英晶体）、压电陶瓷（如钛酸钡）和高分子压电材料三类。任务二 使用压电式传感器测量压力二、压电效应及压电材料1. 石英晶体的压电效应 天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，如图所示，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，其断面为正六面形。z轴是晶体的对称轴，称它为光轴。在该轴方向没有压电效应，x轴称为电轴，垂直于x轴晶面上的压电效应最显著；y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。任务二 使用压电式传感器测量压力二、压电效应及压电材料1. 石英晶体的压电效

11、应 如果从石英晶体上切割出一个平行六面体，如图（b）右图所示，称为压电晶片，在垂直于光轴的力（FY或FX）作用下，晶体会发生极化现象，并且其极化矢量是沿着电轴。即电荷出现在垂直于电轴的平面上。任务二 使用压电式传感器测量压力二、压电效应及压电材料1. 石英晶体的压电效应 若沿晶片的X轴施加压力FX，则在加压的两表面上分别出现正负电荷，如图（a）所示。若沿晶片的Y轴施加压力FY时，则在加压的表面上不出现电荷，电荷仍出现在垂直X轴的表面上，只是电荷的极性相反。如图（c）所示，若将X 、Y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。如图（b）、（d）所示。值得注意的是纵向压电

12、效应与元件尺寸无关，而横向压电效应与元件尺寸有关。任务二 使用压电式传感器测量压力二、压电效应及压电材料2. 压电陶瓷 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。如图（a）所示，一旦在陶瓷上施加外电场，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场方向的排列，从而使材料得到极化。外电场越强，就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。当外电场强大到致使材料的极化达到饱和的程度，即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时，去掉外电场，电畴的极化方向基本不变化，即剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性，如图（b）所示。任务二 使用压电式传感器测量压力二、压电效应及压电材料2. 压电陶瓷 极化

13、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。如图所示，即极化面上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。任务二 使用压电式传感器测量压力二、压电效应及压电材料3. 高分子压电材料的压电效应 典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氟乙烯（PVC）等。高分子压电材料有很强的压电特性，同时还具有类似铁电晶体的迟滞特性和热释电特性

14、，因此广泛应用于压力、加速度、温度和无损检测等测量场合。如图将高分子压电电缆埋在公路上，即可获取车型的分类信息（包括轴数、轴距、轮距）、车速监测、收费站地磅、交通数据信息采集等。任务二 使用压电式传感器测量压力三、压电式传感器的结构压电元件有串联和并联两种接法任务二 使用压电式传感器测量压力三、压电式传感器的结构如图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（a）所示，和并联如图3-25（f）（i）所示。任务二 使用压电式传感器测量压力四、压电式传感器的应用压电式传感器的主要应用

15、类型任务二 使用压电式传感器测量压力四、压电式传感器的应用1. 压电式测力传感器 压电式测力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、电极以及引出插座等组成。如图所示的是一种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。任务二 使用压电式传感器测量压力四、压电式传感器的应用2. 压电式加速度传感器 当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时，压电元件受质量块惯性力的作用，根据牛顿第二定律，此惯性力是加速度的函数，即F=ma，此惯性力F作用于压电元件上，因而产生电荷q，当传感器选定后，m为常数，则传感器

16、输出电荷为q=F=ma，电荷q与加速度a成正比。因此，测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。任务二 使用压电式传感器测量压力四、压电式传感器的应用3. 压电式金属加工切削力的测量 右图所示是利用压电陶瓷传感器测量刀具切削力的示意图。由于压电陶瓷元件的自振动频率高，特别适合测量变化剧烈的载荷。图中压电传感器位于车刀前部的下方，当进行切削加工时，切削力通过刀具传给压电传感器，压电传感器将切削力转换为电信号输出，记录下电信号的变化可测得切削力的变化。任务二 使用压电式传感器测量压力四、压电式传感器的应用4. 压电式玻璃破碎报警器 BS-D2压电式传感器是专门用于检测玻璃破碎的一种传感器，它利

17、用压电元件对振动敏感的特性来感知玻璃受撞击和破碎时产生的振动波。传感器把震动波转换成电压输出，输出电压经过放大、滤波、比较等处理后提供给报警系统。BS-D2压电式玻璃破碎传感器的外形及内部电路如图所示。传感器的最小输出电压为100mV，最大输出电压为100V，内阻抗为1520k。任务二 使用压电式传感器测量压力四、压电式传感器的应用5. 压电式雨滴传感器 压电式雨滴传感器由振动板、压电元件、放大电器、壳体及阻尼橡胶构成，如图所示。任务二 使用压电式传感器测量压力四、压电式传感器的应用5. 压电式雨滴传感器 当雨滴落到振动板上时，压电元件产生电压大小与加到振动板上的雨滴能量成正比，一般为5mV至

18、300mV。放大电路将压电元件上产生的电压信号放大后再输入到刮水器的放大器中，驱动刮水器工作。任务二 使用压电式传感器测量压力四、压电式传感器的应用6. 集成压电传感器 产品采用压电薄膜作为换能材料，动态压力信号通过薄膜变成电荷量，再经传感器内部放大电路转换成电压输出。该传感器具有灵敏度高，抗过载及冲击力强、抗干扰性好、操作简便、体积小、重量轻、成本低等特点、广泛应用于医疗、工业控制、交通、安全防卫等领域。任务二 使用压电式传感器测量压力实践操作简易压电式传感器的制作 本实验采用基本的单管共发射极放大电路，由传感器SP、限流电阻R、可调电阻RP充当分压电路，当VT的基极电流Ib变化，且Ube 0.7V时，控制VT导通，驱动发光二极管VL发光。VT的基极上接有4.7k电阻，用来保护晶体管的发