第四章力敏传感器A

1、第第4 4章章 力敏传感器力敏传感器4.0 4.0 概概 念念4.1 4.1 应变式电阻传感器应变式电阻传感器4.2 4.2 压电式力传感器压电式力传感器4.3 4.3 电容式力传感器电容式力传感器主要内容主要内容4.0 4.0 概概 念念 弹性形变弹性形变 当外力去掉后能完全恢复原来的尺寸或形状的形变当外力去掉后能完全恢复原来的尺寸或形状的形变 弹性元件弹性元件 具有弹性形变特性的物体具有弹性形变特性的物体 弹性特性弹性特性 作用在弹性敏感元件上的外力与其引起的相应变形作用在弹性敏感元件上的外力与其引起的相应变形（应变、位移或转角）之间的关系称为弹性元件的弹（应变、位移或转角）之间的关系称为

2、弹性元件的弹性特性。弹性特性可用刚度或灵敏度来表示。性特性。弹性特性可用刚度或灵敏度来表示。 弹性特性可能是线性的，也可能是非线性的弹性特性可能是线性的，也可能是非线性的图41 弹性特性 刚度 弹性敏感元件在外力作用下抵抗变形的能力，一般用k表示。0limFxxFdFkxdx 式中： 作用在弹性元件上的外力；弹性元件产生的变形。 从弹性特性曲线求得刚度的方法 如果弹性元件的弹性特性是线性的，则其刚度为常数tandFkdx 灵敏度 灵敏度就是单位力产生变形的大小。 灵敏度是刚度的倒数，一般用Sn表示。 关于刚度和灵敏度的理解 刚度与灵敏度是从不同的侧面对同一特性的描述 刚度描述的是抵抗变形的能力

3、 灵敏度描述的是变形的能力ndxSdF 弹性滞后 弹性元件在弹性变形范围内，弹性特性的加载曲线与卸载曲线不重合的现象 弹性变形之差x叫做弹性敏感元件的滞后误差 曲线1和曲线2所包围的范围称为滞环 弹性后效弹性后效 弹性敏感元件所加载弹性敏感元件所加载荷改变后，不是立即荷改变后，不是立即完成相应的变形，而完成相应的变形，而是在一定时间间隔中是在一定时间间隔中逐渐完成变形的现象逐渐完成变形的现象 弹性后效体现的是时弹性后效体现的是时间因素的影响，对传间因素的影响，对传感器的动态特性影响感器的动态特性影响尤其明显尤其明显应力应力 stressstress 物体由于外因（载荷、温度变化等）而变形时物体

4、由于外因（载荷、温度变化等）而变形时，在它内部任一截面的两方出现的相互作用力，称，在它内部任一截面的两方出现的相互作用力，称为为“内力内力”。内力的集度，即单位面积上的内力称。内力的集度，即单位面积上的内力称为为“应力应力”。 应力可分解为垂直于截面的分量，称为应力可分解为垂直于截面的分量，称为“正应正应力力”或或“法向应力法向应力”（用符号（用符号表示）；相切于截表示）；相切于截面的分量称为面的分量称为“剪应力或切应力剪应力或切应力”（用符号（用符号表示表示）。应力的单位为）。应力的单位为PaPa。 应变应变 strainstrain 应变又称应变又称“相对变形相对变形”。物体由于外因。物体

5、由于外因( (载载荷、温度变化等）使它的荷、温度变化等）使它的几何形状和尺寸发生相几何形状和尺寸发生相对改变对改变的物理量。的物理量。 弹性模量弹性模量定义：材料在弹性变形阶段，其应力和定义：材料在弹性变形阶段，其应力和应变成正比例关系（即符合胡克定律），其应变成正比例关系（即符合胡克定律），其比例系数称为弹性模量。比例系数称为弹性模量。单位：单位：用牛用牛/ /米米22表示表示 意义：弹性模量可视为衡量材料产生弹意义：弹性模量可视为衡量材料产生弹性变形难易程度的指标，其值越大，使材料性变形难易程度的指标，其值越大，使材料发生一定弹性变形的应力也越大，即材料刚发生一定弹性变形的应力也越大，即材

6、料刚度越大，亦即在一定应力作用下，发生弹性度越大，亦即在一定应力作用下，发生弹性变形越小变形越小 泊松系数泊松系数 在固体力学中，材料的横向应变与纵向应在固体力学中，材料的横向应变与纵向应变之比就是泊松比，又称泊松系数变之比就是泊松比，又称泊松系数 。挠挠 度度 挠度挠度弯曲变形时横截面形心沿与轴线垂直方向的弯曲变形时横截面形心沿与轴线垂直方向的线位移称为挠度，用线位移称为挠度，用 y表示。简言之就是指梁、桁架等受表示。简言之就是指梁、桁架等受弯构件荷载作用下的最大变形弯构件荷载作用下的最大变形.挠曲线挠曲线如图，平面弯曲时，梁的轴线将变为一条如图，平面弯曲时，梁的轴线将变为一条在梁的纵对称面

7、内的平面曲线，该曲线称为梁的挠曲线。在梁的纵对称面内的平面曲线，该曲线称为梁的挠曲线。 电阻应变式传感器是一种由电阻应变片和电阻应变式传感器是一种由电阻应变片和弹性敏感元件组合起来的传感器。弹性敏感元件组合起来的传感器。其中：其中：1. 1. 弹性敏感元件感受被测量，产生变形弹性敏感元件感受被测量，产生变形2. 2. 电阻应变片是传感器组成中的转换元件，电阻应变片是传感器组成中的转换元件， 它将应变转换为电阻值的变化它将应变转换为电阻值的变化优点：优点： 精度高，测量范围广精度高，测量范围广 频率响应特性较好频率响应特性较好 结构简单，尺寸小，重量轻结构简单，尺寸小，重量轻 易于实现小型化、固

8、态化易于实现小型化、固态化 价格低廉，品种多样，便于选择价格低廉，品种多样，便于选择 一、一、 金属应变片式传感器金属应变片式传感器 金属应变片式传感器的核心元件是金属应变片，金属应变片式传感器的核心元件是金属应变片，它可将试件上的应变变化转换成电阻变化。它可将试件上的应变变化转换成电阻变化。 缺点：具有非线性，输出信号微弱，抗干扰能力较差，缺点：具有非线性，输出信号微弱，抗干扰能力较差，因此信号线需要采取屏蔽措施；因此信号线需要采取屏蔽措施；）（14 SLR）（24 2dSSLdSLdLSdR）（34 SdSdLdLRdR 44 222）（ rdrrrdrSdSll+ dl2r2(r-dr)

9、F图图4-2 金属丝的应变效应金属丝的应变效应金属的径向应变金属的轴向应变令rrdrLdL r (12 ) 46 C()C(1-2 ) 47dRdRddVdLdSCVLS （）或（）将（将（4-44-4）式、（）式、（4-54-5）代入（）代入（4-34-3）式得：）式得： (12 )C(1-2 ) 48SK令（） 49SSdRdRRKKR，或（）2 2 金属金属应变片分类及结构应变片分类及结构基片基片覆盖层覆盖层金属丝金属丝引线引线图图4-4 4-4 箔式应变片箔式应变片金属应变丝电阻的相对变化与它所感受的应变之金属应变丝电阻的相对变化与它所感受的应变之间具有线性关系，用灵敏度系数间具有线性

10、关系，用灵敏度系数K KS S表示。当金属表示。当金属丝做成丝做成应变片应变片后，其电阻后，其电阻应变特性与应变特性与金属单丝金属单丝情况不同。实验表明，金属应变片的电阻相对变情况不同。实验表明，金属应变片的电阻相对变化与应变化与应变在很宽的范围内均为线性关系。在很宽的范围内均为线性关系。K K 为金属应变片的灵敏系数。为金属应变片的灵敏系数。 测量结果表明，应变片的灵敏系数测量结果表明，应变片的灵敏系数K K恒小于线材恒小于线材的灵敏系数的灵敏系数K KS S。原因主要是胶层传递变形失真及横向。原因主要是胶层传递变形失真及横向效应。效应。 KRR 41 0RKR或（）金属丝式应变片由于敏感栅

11、的两端为半圆弧形的横栅，金属丝式应变片由于敏感栅的两端为半圆弧形的横栅，测量应变时，构件的轴向应变测量应变时，构件的轴向应变 使敏感栅电阻发生变使敏感栅电阻发生变化，而其横向应变化，而其横向应变r r 也使敏感栅半圆弧部分的电阻发也使敏感栅半圆弧部分的电阻发生变化。生变化。 bOlrdld0r应变片的这种既受轴应变片的这种既受轴向应变影响，又受横向应变影响，又受横向应变影响而引起电向应变影响而引起电阻变化的现象称为阻变化的现象称为。应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加载应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加载特性与卸载特性不重合，即为特性与卸载特性不重合，即为。 1 1机械应变机械应

12、变 R R卸载卸载加载加载指指示示应应变变 i i 机械滞后值还与应变片所机械滞后值还与应变片所承受的应变量有关承受的应变量有关，加加载时的机械应变愈大，卸载时的滞后也愈大载时的机械应变愈大，卸载时的滞后也愈大。所以，。所以，通常在实验之前应将试件预先加、卸载若干次，以通常在实验之前应将试件预先加、卸载若干次，以减少因机械滞后所产生的实验误差。减少因机械滞后所产生的实验误差。 产生原因产生原因：应变片在承受机械应变后的：应变片在承受机械应变后的残余变形残余变形，使敏感栅电阻发生少量使敏感栅电阻发生少量不可逆变化不可逆变化；在制造或粘贴；在制造或粘贴应变片时，敏感栅受到的应变片时，敏感栅受到的不

13、适当的变形或粘结剂固不适当的变形或粘结剂固化不充分化不充分等。等。 对于粘贴好的应变片，当温度恒定时，不承受应变对于粘贴好的应变片，当温度恒定时，不承受应变时，其电阻值随时间增加而变化的特性，称为应变片的时，其电阻值随时间增加而变化的特性，称为应变片的。 产生的原因产生的原因：敏感栅通电后的温度效应；应变片的敏感栅通电后的温度效应；应变片的内应力逐渐变化；粘结剂固化不充分等。内应力逐渐变化；粘结剂固化不充分等。 如果在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应变，如果在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应变，其电阻值随时间增加而变化的特性称为其电阻值随时间增加而变化的特性称为。一般蠕变。一般蠕变的方

14、向与原应变量的方向相反。的方向与原应变量的方向相反。由于胶层之间发生由于胶层之间发生“滑动滑动”，使力传到，使力传到敏感栅的应变量逐渐减少。敏感栅的应变量逐渐减少。其它其它: : 应变片电阻值（应变片电阻值（R R0 0）指未安装的应变片，在不受外力的情况下，指未安装的应变片，在不受外力的情况下，于室温条件测定的电阻值，也称原始阻值。于室温条件测定的电阻值，也称原始阻值。应变片电阻值趋于标准化应变片电阻值趋于标准化 绝缘电阻绝缘电阻敏感栅与基底间的电阻值，一般应大于敏感栅与基底间的电阻值，一般应大于10G10G。 允许电流允许电流指不因电流产生热量影响测量精度，应变片指不因电流产生热量影响测量

15、精度，应变片允许通过的最大电流。允许通过的最大电流。 由于环境温度变化引起的电阻变化与而产生很由于环境温度变化引起的电阻变化与而产生很大的测量误差，称为应变片的大的测量误差，称为应变片的，又称，又称。5 5 温度误差及其补偿温度误差及其补偿 因环境温度改变而引起电阻变化的两个主要因素：因环境温度改变而引起电阻变化的两个主要因素：应变片的电阻丝应变片的电阻丝( (敏感栅敏感栅) )具有一定温度系数；具有一定温度系数；电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。 1 411tRtR（） 由于敏感栅材料和被测构件材料两者线膨胀系数由于敏感栅材料和被测构件材料两者线膨胀

16、系数不同，当不同，当t t 存在时，引起应变片的附加应变，相应存在时，引起应变片的附加应变，相应的电阻相对变化为的电阻相对变化为: :K K应变片灵敏系数应变片灵敏系数; ; e e试件试件材料线膨胀系数；材料线膨胀系数； g g敏感栅敏感栅材料线膨胀系数。材料线膨胀系数。2 412egRKtR（）温度变化温度变化 t t形成的总电阻相对变化：形成的总电阻相对变化：12 413tegtRRRtKtRRR （）ttKKRRgettt相应的虚假应变为相应的虚假应变为: :可见，应变片热输出的大小不仅与应变计敏感栅材可见，应变片热输出的大小不仅与应变计敏感栅材料的性能料的性能( ( t t, , g

17、 g) )有关，而且与被测试件材料的线膨有关，而且与被测试件材料的线膨胀系数胀系数( ( e e) )有关。有关。 由由(4-13)(4-13)式知，若使应变片在温度变化式知，若使应变片在温度变化 t t时的热输出时的热输出值为零，必须使值为零，必须使0getK 4 14tgeK（） 单丝自补偿应变片的优点是结构简单，制造和使用单丝自补偿应变片的优点是结构简单，制造和使用都比较方便，但它必须在具有一定线膨胀系数材料的都比较方便，但它必须在具有一定线膨胀系数材料的试件上使用，否则不能达到温度自补偿的目的。试件上使用，否则不能达到温度自补偿的目的。(Ra) t= (Rb) t焊点焊点RaRb这种应

18、变片的自补偿条件要求粘贴在某种试件上的这种应变片的自补偿条件要求粘贴在某种试件上的两段敏感栅，随温度变化而产生的电阻增量大小相两段敏感栅，随温度变化而产生的电阻增量大小相等，符号相反，即：等，符号相反，即： 测量应变时，使用两个应变片，一片贴在被测试件测量应变时，使用两个应变片，一片贴在被测试件的表面的表面, ,称为工作应变片称为工作应变片R R1 1 。另一片贴在与被测试件材。另一片贴在与被测试件材料相同的补偿块上，称为补偿应变片料相同的补偿块上，称为补偿应变片R R2 2。在工作过程。在工作过程中补偿块不承受应变，仅随温度发生变形。中补偿块不承受应变，仅随温度发生变形。R1R2补偿块补偿块

19、试件试件把把R R1 1与与R R2 2接入电桥相邻桥臂上，接入电桥相邻桥臂上，当被测试件不承受应变时，当被测试件不承受应变时，R R1 1和和R R2 2处于同一温度场，调整电处于同一温度场，调整电桥参数，可使电桥输出电压为桥参数，可使电桥输出电压为零，即：零，即：014230UK RRR R1324()()EKRRRR 选择选择R R1 1= =R R2 2= =R R 及及 R R3 3= =R R4 4= =r r。 当温度升高或降低当温度升高或降低t t 时，若时，若R R1t1t=R R2t2t，即两个，即两个应变片的热输出相等，则电桥的输出电压为：应变片的热输出相等，则电桥的输出

20、电压为：011142231121121120ttttttttUKRRRRRRKRRrRRrKRrr RRrr RK rRR 1113224()()ttEKRRRRRR 若被测试件受应变作用时，工作片若被测试件受应变作用时，工作片R R1 1感受应变，感受应变，阻值变化阻值变化R R1 1 ；补偿片；补偿片R R2 2不承受应变，阻值不变。此不承受应变，阻值不变。此时电桥输出电压为时电桥输出电压为021114223212 ttUKRRR RRRRK r RK rRK考虑到，考虑到，RR1, RR2由上式可知，电桥输由上式可知，电桥输出电压出电压U U0 0只与应变只与应变有关，与温度无关。有关，

21、与温度无关。21113224()()ttEKRRRRRRR电桥补偿法要达到全补偿，需满足下列三个条件：电桥补偿法要达到全补偿，需满足下列三个条件： R R1 1和和R R2 2须属于同一批号的，即它们的电阻温度须属于同一批号的，即它们的电阻温度系数系数、线膨胀系数、线膨胀系数、应变灵敏系数、应变灵敏系数K K都相同，两都相同，两片的初始电阻值也要求相同；片的初始电阻值也要求相同； 用于粘贴补偿片的构件和粘贴工作片的试件二用于粘贴补偿片的构件和粘贴工作片的试件二者材料必须相同，即要求两者线膨胀系数相等；者材料必须相同，即要求两者线膨胀系数相等； 两应变片处于同一温度环境中。两应变片处于同一温度环

22、境中。 此方法简单易行，能在较大温度范围内进行补此方法简单易行，能在较大温度范围内进行补偿。缺点是条件不易满足，尤其是条件偿。缺点是条件不易满足，尤其是条件。在某些。在某些测试条件下，温度场梯度较大，测试条件下，温度场梯度较大，R R1 1和和R R2 2很难处于相很难处于相同温度点。同温度点。 根据被测试件承受应变的情况，可以不另加根据被测试件承受应变的情况，可以不另加专门的补偿块，而是将补偿片贴在被测试件上，专门的补偿块，而是将补偿片贴在被测试件上，这样既能起到温度补偿作用，又能提高输出的灵这样既能起到温度补偿作用，又能提高输出的灵敏度。敏度。 梁受弯曲应变时，应变片梁受弯曲应变时，应变片

23、R R1 1和和R R2 2的变形方向相反，上面的变形方向相反，上面受拉，下面受压，应变绝对值相等，符号相反，将它们受拉，下面受压，应变绝对值相等，符号相反，将它们接入电桥的相邻臂后，可使输出电压增加一倍。当温度接入电桥的相邻臂后，可使输出电压增加一倍。当温度变化时，应变片变化时，应变片R R1 1和和R R2 2阻值变化的符号相同，大小相等，阻值变化的符号相同，大小相等，电桥不产生输出，达到了补偿的目的。电桥不产生输出，达到了补偿的目的。 构件受单向应力时，将工作应变片构件受单向应力时，将工作应变片R R2 2的轴线顺着应的轴线顺着应变方向，补偿应变片变方向，补偿应变片R R1 1的轴线和应

24、变方向垂直，的轴线和应变方向垂直，R R1 1和和R R2 2接入电桥相邻臂，其输出为接入电桥相邻臂，其输出为1210KRIRU构件受弯构件受弯曲应力曲应力构件受单向应力构件受单向应力 热敏电阻补偿法热敏电阻补偿法热敏电阻热敏电阻Rt与应变片处与应变片处在相同的温度下，当应在相同的温度下，当应变片的灵敏度随温度升变片的灵敏度随温度升高而下降时，热敏电阻高而下降时，热敏电阻Rt的阻值下降，使电桥的阻值下降，使电桥的输入电压增加，从而的输入电压增加，从而提高了电桥的输出电压。提高了电桥的输出电压。选择分流电阻选择分流电阻R的值，的值，可以使应变片灵敏度下可以使应变片灵敏度下降对电桥输出的影响得降对

25、电桥输出的影响得到很好的补偿。到很好的补偿。 1 2 ) 4 16RR （） 4 17E （）12) 4 18RER（） 4 19BRRKE（）3101234 420RRUERRRR（）ERRRRRRRRRRERRRRRRRRRRRRRRRRRRERRRRRRRREU)1)(1()()()(3412113411 43211414321143241433211110 10021U 423 1RnUERn（）0211 4241VUnSERnR（）0)1(1042 nnnSV1011111 4251412RUERRR（）1011 4264RUER（）1 4274VSE（）（1 1）非线性误差）非线性

26、误差 实际的非线性特性曲线与理想的线性特实际的非线性特性曲线与理想的线性特性曲线的偏差称为性曲线的偏差称为；绝对非线性误差与理想的线性特性曲线绝对非线性误差与理想的线性特性曲线的比称为的比称为，用，用r r 表示。表示。 1211113412113434121111340000011)1)(1 ()()1 ()()(1)(1RRRRRRRRRRERRRRRRRRRRERRRRUUUUUr3110112234 429RRRUERRRRRR（）1011 4302RUER（）432121RRRRRR，110RREU I = I + IIRRRRRRRRRIRIU4321324132110IRRRRR

27、RIIRRRRRRI43212124321431011 4314414R RUII RRRRR（）001 4324UI RU（）0041 4 334414IRURRRrRURRRR （） RRRRRRRRrE221121121114 4 交流电桥电路交流电桥电路 交流电桥的工作原理交流电桥的工作原理（a a）交流电桥）交流电桥 （b b）等效电路）等效电路 交流电桥也称为不平衡电桥，是利用电桥输出电流或电压与电桥各参数间的关系进行工作的。 交流电桥的输出电压为交流电桥的输出电压为则交流电桥的平衡条件为则交流电桥的平衡条件为 将桥臂上的复阻抗代入式上式可得将桥臂上的复阻抗代入式上式可得 可见，应

28、变片构成的交流电桥，除了满足电阻平可见，应变片构成的交流电桥，除了满足电阻平衡条件外，还必须满足电容平衡条件。为此，交衡条件外，还必须满足电容平衡条件。为此，交流电桥上设置有电阻平衡调节和电容平衡调节。流电桥上设置有电阻平衡调节和电容平衡调节。 交流电桥平衡调节电路交流电桥平衡调节电路 (a，b)可变电阻调节 (c，d)电容调节 柱（筒）式力传感器柱（筒）式力传感器图图 4 4 13 13 柱（筒）式力传感柱（筒）式力传感器器四四 电阻应变式传感器应用电阻应变式传感器应用 环式力传感器环式弹性原件环式弹性原件 悬臂梁式力传感器是一种结构简单、高精度、应变片容易黏贴、抗偏、抗侧性能优越的称重测力

29、传感器。最小可以测几十克，最大可以测几十吨的质量，精度可达到0.02%FS。 悬臂梁有两种：一种为等截面梁，另一种为等强度梁 悬臂梁式力传感器（a a）等截面梁）等截面梁 （b b）等强度梁）等强度梁图图 4 14 悬臂梁悬臂梁图图 4 4 1515应变式加速度应变式加速度 传感器传感器当被测点的加速度沿图中当被测点的加速度沿图中箭头箭头a所示方向时，悬臂梁自由端受惯性力v 应变式加速度传感器应变式加速度传感器的作用，质量块向箭头相反的方向相对于基座运动相反的方向相对于基座运动，使梁发生弯曲变形，应变，使梁发生弯曲变形，应变片电阻发生变化，产生输出片电阻发生变化，产生输出信号，输出信号大小与加

30、速信号，输出信号大小与加速度成正比。度成正比。 什么是压电式传感器？什么是压电式传感器？ 压电式传感器是一种有源传感器，它是以某些物质的压电效应为基础实现能量转换。它可以用于力、加速度、速度、振动以及流量等参数的测量。 压电式传感器的特点压电式传感器的特点 灵敏度高 结构简单 工作可靠 信噪比高4.2 4.2 压电式传感器压电式传感器 某些物质沿某一方向受到外力作用时，会某些物质沿某一方向受到外力作用时，会产生变形，同时其内部产生极化现象，此时在产生变形，同时其内部产生极化现象，此时在这种材料的两个表面产生符号相反的电荷，当这种材料的两个表面产生符号相反的电荷，当外力去掉后，它又重新恢复到不带

31、电的状态，外力去掉后，它又重新恢复到不带电的状态，这种现象被称为这种现象被称为压电效应压电效应。当作用力方向改变。当作用力方向改变时，电荷极性也随之改变。这种机械能转化为时，电荷极性也随之改变。这种机械能转化为电能的现象称为电能的现象称为“正压电效应正压电效应”或或“顺压电效顺压电效应应”。反之，当在某些物质的极化方向上施加电场，反之，当在某些物质的极化方向上施加电场，这些材料在某一方向上产生机械变形或机械压这些材料在某一方向上产生机械变形或机械压力；当外加电场撤去时，这些变形或应力也随力；当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失。这种电能转化为机械能的现象称为之消失。这种电能转化为机械能的

32、现象称为“逆压电效应逆压电效应”或或“电致伸缩效应电致伸缩效应”。 常见的压电材料可分为两类，即压电单晶体常见的压电材料可分为两类，即压电单晶体和多晶体压电陶瓷。和多晶体压电陶瓷。 压电单晶体有石英压电单晶体有石英( (包括天然石英和人造石包括天然石英和人造石英英) )、水溶性压电晶体、水溶性压电晶体( (包括酒石酸钾钠、酒石酸包括酒石酸钾钠、酒石酸乙烯二铵、酒石酸二钾、硫酸锤等乙烯二铵、酒石酸二钾、硫酸锤等) )；多晶体压；多晶体压电陶瓷有钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷、电陶瓷有钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷和铌镁酸铅压电陶瓷等。铌酸盐系压电陶瓷和铌镁酸铅压电陶瓷等

33、。 如图所示为天然石英晶体，其结构形状为一如图所示为天然石英晶体，其结构形状为一个六角形晶柱，两端为一对称棱锥。个六角形晶柱，两端为一对称棱锥。图图 4 18 石英晶体石英晶体在晶体学中，可以把将其用三根互相垂直在晶体学中，可以把将其用三根互相垂直的轴表示，其中，纵轴的轴表示，其中，纵轴Z Z称为称为光轴光轴，通过六，通过六棱线而垂直于光铀的棱线而垂直于光铀的X X铀称为铀称为电轴电轴，与，与X-XX-X轴和轴和Z-ZZ-Z轴垂直的轴垂直的Y-YY-Y轴轴 ( (垂直于六棱柱体垂直于六棱柱体的棱面的棱面) )称为称为机械轴。机械轴。 如果从石英晶体中切下一个平行六面体并使如果从石英晶体中切下一

34、个平行六面体并使其晶面分别平行于其晶面分别平行于Z-ZZ-Z、Y-YY-Y、X-XX-X轴线。晶片轴线。晶片在正常情况下呈现电性。通常把沿电轴在正常情况下呈现电性。通常把沿电轴(X(X轴轴) )方向的作用力产生的压电效应称为方向的作用力产生的压电效应称为“纵向压纵向压电效应电效应”，把沿机械轴，把沿机械轴(Y(Y轴轴) )方向的作用力产方向的作用力产生的压电效应称为生的压电效应称为“横向压电效应横向压电效应”，沿光，沿光轴轴(Z(Z轴轴) )方向的作用力不产生压电效应。压电方向的作用力不产生压电效应。压电式传感器主要是利用式传感器主要是利用纵向压电效应。纵向压电效应。 图图 4 4 19 19

35、 石英压电效应石英压电效应图图 4 20 石英晶体压电效应机理示意图石英晶体压电效应机理示意图图图4-21 4-21 石英晶体受力方向与电荷极性关系石英晶体受力方向与电荷极性关系 压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。材压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴料内部的晶粒有许多自发极化的电畴( (带电单位带电单位) )，它有一定的极化方向，从而存在电场。它有一定的极化方向，从而存在电场。 在无外在无外电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们各自电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们各自的极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为的极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为

36、零。因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性零。因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。质。在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，在陶瓷上施加外电场时，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。趋向于按外电场方向的排列，从而使材料得到极化。外电场愈强，就有更多的电畴更完全地转向外电场外电场愈强，就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的方向。让外电场强度大到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程度，即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时，当外电场去掉后，电畴的极化方向基本变一致时，当外电场

37、去掉后，电畴的极化方向基本变化，即剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电化，即剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性。特性。 图图 4 4 22 22 钛酸钡钛酸钡BaTiO_3BaTiO_3的压电效应的压电效应陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩的形式表陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩的形式表现现出来，即在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一出来，即在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚电荷。由于束缚电荷的作用，在陶端出现负束缚电荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷。瓷片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷。这这些自由电荷与陶瓷片内些自由电荷与陶瓷片内的束

38、缚电荷符号相反而的束缚电荷符号相反而数量相等，它屏蔽和抵数量相等，它屏蔽和抵消了陶瓷片内极化强度消了陶瓷片内极化强度对外界的作用。对外界的作用。如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F F，陶瓷片将产生压缩形变。片内的正、负束缚电荷陶瓷片将产生压缩形变。片内的正、负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。释放部分吸之间的距离变小，极化强度也变小。释放部分吸附在电极上的自由电荷，而出现放电现象。当压附在电极上的自由电荷，而出现放电现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状，极化强度也变大，力撤消后，陶瓷片恢复原状，极化强度也变大，因此电极上又吸附一部因此电极上又

39、吸附一部分自由电荷而出现充电分自由电荷而出现充电现象。现象。正压电效应。正压电效应。 若在片上加一个与极化方向相同的电场，电场的作用若在片上加一个与极化方向相同的电场，电场的作用使极化强度增大。陶瓷片内的正、负束缚电荷之间距使极化强度增大。陶瓷片内的正、负束缚电荷之间距离也增大，即陶瓷片沿极化方向产生伸长形变。同理，离也增大，即陶瓷片沿极化方向产生伸长形变。同理，如果外加电场的方向与极化方向相反，则陶瓷片沿极如果外加电场的方向与极化方向相反，则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变。化方向产生缩短形变。这种由于电效应而转变为机这种由于电效应而转变为机械效应，或者由电能转械效应，或者由电能转变为机械能的现

40、象，就变为机械能的现象，就是压电陶瓷的逆压电效应。是压电陶瓷的逆压电效应。 压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多，压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多，所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。极化处理后的压电陶瓷材料的剩余极度较高。极化处理后的压电陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温度有关，它的参数也随时间化强度和特性与温度有关，它的参数也随时间变化，从而使其压电特性减弱。变化，从而使其压电特性减弱。 压电材料应具备以下几个主要特性：压电材料应具备以下几个主要特性：转换性能。要求具有较大的压电常数。转换性能。要求具有较大的压电常数。机械性能。机械强度

41、高、刚度大。机械性能。机械强度高、刚度大。电性能。高电阻率和大介电常数。电性能。高电阻率和大介电常数。环境适应性。温度和湿度稳定性要好，要求具有环境适应性。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。时间稳定性。要求压电性能不随时间变化时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。 在几百摄氏度的温度范围内，其介电常数在几百摄氏度的温度范围内，其介电常数和压电系数几乎不随温度而变化。但是当温度和压电系数几乎不随温度而变化。但是当温度升高到升高到573573时，石英晶体将完全丧去压电特时，石英晶体将完全丧去压电特性，这就是它的居里点。性，这就

42、是它的居里点。 石英晶体的突出优点是性能非常稳定，它石英晶体的突出优点是性能非常稳定，它有很大的机械强度和稳定的机械性能。但石英有很大的机械强度和稳定的机械性能。但石英材料价格昂贵，且压电系数比压电陶瓷低得多。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求较高的传感器因此一般仅用于标准仪器或要求较高的传感器中。中。压电陶瓷主要有以下几种：压电陶瓷主要有以下几种：1) 1) 钛酸钡压电陶瓷钛酸钡压电陶瓷 它具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为它具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为石英晶体的石英晶体的5050倍）。不足之处是居里点温度低倍）。不足之处是居里点温度低（

43、120120），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。 锆钛酸铅是由锆钛酸铅是由PbTiO3PbTiO3和和PbZrO3PbZrO3组成的固溶体组成的固溶体PbPb（ZrZr、TiTi）O3O3。 它与钛酸钡相比，压电系数更大，居里点温它与钛酸钡相比，压电系数更大，居里点温度在度在300300以上，各项机电参数受温度影响小，以上，各项机电参数受温度影响小，时间稳定性好。时间稳定性好。 压电半导体材料有压电半导体材料有ZnOZnO、CdS CdS 、CdTeCdTe等，等，这种力敏器件具有灵敏度高，响应时间短等这种力敏器件具有灵敏度高，响应时间短等优点。此外用优

44、点。此外用ZnOZnO作为表面声波振荡器的压作为表面声波振荡器的压电材料，可检测力和温度等参数。电材料，可检测力和温度等参数。 某些合成高分子聚合物薄膜经延展拉伸和某些合成高分子聚合物薄膜经延展拉伸和电场极化后，具有一定的压电性能，这类薄膜电场极化后，具有一定的压电性能，这类薄膜称为高分子压电薄膜。称为高分子压电薄膜。 目前出现的压电薄膜有聚二氟乙烯目前出现的压电薄膜有聚二氟乙烯PVF2、聚氟乙烯聚氟乙烯PVF、聚氯乙烯、聚氯乙烯PVC、聚、聚甲基甲基-L谷氨谷氨酸脂酸脂PMG等。等。 高分子压电材料是一种柔软的压电材料，高分子压电材料是一种柔软的压电材料，不易破碎，可以大量生产和制成较大的面

45、积。不易破碎，可以大量生产和制成较大的面积。CCUUqq22；CCUUqq212； 在上述两种接法中，并联接法输出电荷大，在上述两种接法中，并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，适宜用在测量慢变本身电容大，时间常数大，适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的场合。信号并且以电荷作为输出量的场合。 而串联而串联接法输出电压大，本身电容小，适宜用于以电接法输出电压大，本身电容小，适宜用于以电压作输出信号，并且测量电路输入阻抗很高的压作输出信号，并且测量电路输入阻抗很高的场合。场合。 当压电晶体承受应力作用时，在它的两个极面上当压电晶体承受应力作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的

46、电荷。故可把压电传出现极性相反但电量相等的电荷。故可把压电传感器看成一个电荷源与一个电容并联的电荷发生感器看成一个电荷源与一个电容并联的电荷发生器。器。SSCra0其电容量为：其电容量为：当两极板聚集异性电荷时，板间就呈现出一定的当两极板聚集异性电荷时，板间就呈现出一定的电压，其大小为电压，其大小为 aaCqU 因此，压电传感器还可因此，压电传感器还可以等效为电压源以等效为电压源U Ua a和一个和一个电容器电容器C Ca a的串联电路，如的串联电路，如图图 (b)(b)。实际使用时，压电传感器通过导线与测量实际使用时，压电传感器通过导线与测量仪器相连接，连接导线的等效电容仪器相连接，连接导线

47、的等效电容C CC C、前、前置放大器的输入电阻置放大器的输入电阻R Ri i、输入电容、输入电容C Ci i对电对电路的影响就必须一起考虑进去。当考虑了路的影响就必须一起考虑进去。当考虑了压电元件的绝缘电阻压电元件的绝缘电阻R Ra a以后，压电传感器以后，压电传感器完整的等效电路可表示成图完整的等效电路可表示成图4-264-26所示的电所示的电压等效电路（压等效电路（a a）和电荷等效电路（）和电荷等效电路（b b）。）。这两种等效电路是完全等效的。这两种等效电路是完全等效的。图图4-26 4-26 压电传感器的完整等效电路压电传感器的完整等效电路 （a a） 电压源电压源; ; （b b

48、） 电荷源电荷源 UaCaRaCcRiCiqRaCcRiCiCe(a)(b)利用压电式传感器测量静态或准静态量值时，利用压电式传感器测量静态或准静态量值时，必须采取一定的措施，使电荷从压电晶片上经必须采取一定的措施，使电荷从压电晶片上经测量电路的漏失减小到足够小程度。而在动态测量电路的漏失减小到足够小程度。而在动态力作用下，电荷可以得到不断补充，可以供给力作用下，电荷可以得到不断补充，可以供给测量电路一定的电流，故压电传感器适宜作动测量电路一定的电流，故压电传感器适宜作动态测量。态测量。由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通常由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通常先把传感器信号先输入到高输入

49、阻抗的前置放先把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗交换以后，方可用一般的放大器中，经过阻抗交换以后，方可用一般的放大检波电路再将信号输入到指示仪表或记录器大检波电路再将信号输入到指示仪表或记录器中。中。( (其中，测量电路的关键在于高阻抗输入其中，测量电路的关键在于高阻抗输入的前置放大器。）的前置放大器。）前置放大器的作用：一是将传感器的高阻抗输出前置放大器的作用：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变换为低阻抗输出；二是放大传感器输出的微弱电信号。电信号。 前置放大器电路有两种形式：一是用电阻反前置放大器电路有两种形式：一是用电阻反馈的馈的电压

50、放大器电压放大器，其输出电压与输入电压，其输出电压与输入电压( (即传即传感器的输出感器的输出) )成正比；另一种是用带电容板反馈成正比；另一种是用带电容板反馈的的电荷放大器电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。，其输出电压与输入电荷成正比。由于电荷放大器电路的电缆长度变化的影响不大，由于电荷放大器电路的电缆长度变化的影响不大，几乎可以忽略不计，故而电荷放大器应用日益广几乎可以忽略不计，故而电荷放大器应用日益广泛。泛。a 传感器与电压放大器连接的等效电路 等效电阻 等效电容aiaiR RRRRciCCCaiciRRCC式中：传感器绝缘电阻；前置放大器输入电阻；电缆电容；前置放大器输入电容。 若作用在压电元件上的力F为 则在压电元件表面产生的电荷Q与电压Ua均按正弦变化 压电系数为d11， 为压电元件输出 电压放大器的输入电压sinmFFt11sinsinamscmaaQtUtCCd dU U = = =F F11/ / /)aciaCcaZZR RjjR RU = U= d FU = U= d FZ+ R1+ jZ+