应变、力检测

1、第七章 应变(yngbin)、力检测广州铁路(til)职业技术学院机电系 制作共八十九页第七章 应变(yngbin)、力检测 本章内容包括四个项目和两个拓展实训，通过项目和拓展实训掌握应变和力的自动检测技术基本知识。以电子秤制作项目为引导，学习(xux)常用测力传感器工作原理和测量线路，形成测量仪器并对其进行标定。 拓展实训是对本章基本知识的补充应用，以高分子材料的应用和压电加速度传感器测振动为拓展实训，学会应用测力传感器组成实际测量系统，加深传感器特性参数的理解。广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页项目七 应变(yngbin)、力检测1. 项目(xingm)说明2. 基本知识3. 项目

2、计划4. 项目方案5. 项目实施过程6. 项目检查与评估广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页1. 项目目的1）掌握应变(yngbin)、力检测传感器的种类。2）掌握应变片式力传感器的工作原理、应用场 合、使用及选用。3）掌握压电传感器的工作原理、应用场合、使用及选用。4）掌握传感器的标定方法。 一. 项目(xingm)介绍项目七 应变、力检测广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页一. 项目(xingm)介绍2. 项目条件 各类测力传感器及显示装置，应变、力发生装置。 3. 项目内容及要求 通过设计和连接组成应变、力检测系统，学会查阅学习资料(zlio)，合理选择应变、力传感器，并掌握

3、电阻应变式传感器的工作原理、测量电路、粘贴要领、补偿方式，应用电阻应变式传感器电子秤的连接方式和调试，压电传感器的工作原理、应用场合、使用及选用。 项目七 应变、力检测广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页项目细分为四个工作任务(rn wu)，任务(rn wu)要求具体见表项目七 应变(yngbin)、力检测序号任务名称任务内容要 求考核和评估任务一认识应变、力传感器查阅资料了解测力传感器的种类、形状、测温范围、测量精度，应用场合。能识别各类测量传感器，会根据不同测量要求正确选择传感器选择信息准确；会做选择题目任务二学习应变片测量力的原理及测量线路观察电阻在不同力作用下的阻值；查阅资料学习

4、应变片测量力的原理及测量线路。了解应变片测量力的原理；掌握电阻应变式传感器的测量转换电路的原理、补偿方式。选择代表上台讲述应变片测量力的原理及测量线路的测量原理、补偿方式广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页项目七 应变(yngbin)、力检测项目细分为四个工作任务，任务要求(yoqi)具体见表序号任务名称任务内容要 求考核和评估任务三应用应变片制作电子秤查阅资料，设计并制作成电子秤。学会应变片的粘接方法，掌握测量桥路、放大电路及显示仪表的实际连接方法。线路连接正确。任务四对电子秤进行标定对电子秤进行标定并计算其误差和线性度。掌握测量设备标定方法，会对电子秤及其它测量设备进行标定。电子秤标

5、定成功，误差和线性度计算正确。广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页1. 应变、力测量的基本概念 力是物质之间的一种相互作用。物体之间相互作用的结果是：使物体产生变形，在物体内产生应力、应变；同时也可以改变物体的机械运动状态(zhungti)，或改变物体所具有的动能和势能。力是一种非电物理量。 力的计量单位为牛顿： 力学量包括：力、力矩、应力、加速度、振动、质量和称重、转速等。 将力学量转换成电量的装置称为力传感器，力传感器包括称重传感器、拉力传感器、荷重传感器、气压传感器、力矩传感器等。检测力的传感器按其原理分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

6、等。 项目七 应变(yngbin)、力检测二、应变、力基本知识 广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页2. 力传感器的组成(z chn) 力是一种非电物理量，不能用电工仪表直接(zhji)测量，需要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力传感器。力传感器主要由力敏感元件、转换元件和测量电路组成。如图所示。力传感器组成示意图项目七 应变、力检测二、应变、力基本知识 广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页力的测量(cling)的原理力的静力效应(xioyng)力的动力效应指弹性物体受力后产生变形的一种物理现象。由胡克定律知：如在弹性范围内,弹性物体在力的作用下产生的变

7、形（x），与所受的力F成正比(k为弹性元件的刚度系数)。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，其动量将发生变化，从而产生相应加速度的物理现象。由牛顿第二定律可知：当物体质量（m）确定后，物体受到的力（F）与所产生的加速度（a）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。3. 测量力的方法项目七 应变、力检测二、应变、力基本知识 广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页3. 测量(cling)力的方法 其中大多需要弹性(tnxng)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

8、应变片式）电感式（自感、互感、电涡流）电容式压电式压磁式压阻式返回本章目录项目七 应变、力检测二、应变、力基本知识 广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页返回(fnhu)本章目录项目七 应变(yngbin)、力检测三、应变、力检测项目实施 （一）工作计划 在项目实施过程中，小组协同编制计划，并协作解决难题、相互之间监督计划执行与完成情况，以养成“组织管理”、“准确遵守”等职业素养。广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页（二）方案分析 本任务主要只要求制作成功一个电子秤并标定成功，能直接计量重量即可。 根据任务要求，分析测量力值的传感器种类，其中测力使用的传感器大多是选择应变片作为(zu

9、wi)传感器，并以全桥电路输出以增加测量灵敏度，降低温度误差。 按照项目各任务具体要求要求分步操作和选择。 三、应变、力检测项目(xingm)实施 项目七 应变、力检测广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页（三）操作(cozu)分析 三、应变(yngbin)、力检测项目实施 项目七 应变、力检测 根据任务要求，小组成员分工查阅资料了解测力传感器的种类、形状、测量范围、测量精度、应用场合，并指定人员汇总。任务一、认识应变、力传感器 广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页 三、应变、力检测项目(xingm)实施 项目七 应变(yngbin)、力检测任务一、认识应变、力传感器 广州铁路职业技

10、术学院 刘丽华制作共八十九页 三、应变、力检测(jin c)项目实施 项目(xingm)七 应变、力检测任务一、认识应变、力传感器 应变式荷重传感器外形广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页 三、应变(yngbin)、力检测项目实施 项目(xingm)七 应变、力检测任务一、认识应变、力传感器 应变式力传感器 广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页 项目七 应变(yngbin)、力检测任务(rn wu)一、认识应变、力传感器 广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页 项目(xingm)七 应变、力检测任务一、认识(rn shi)应变、力传感器 广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九

11、页 项目(xingm)七 应变、力检测任务二、学习应变(yngbin)片测量力的原理及测量线路 电阻应变式传感器 称重传感器在整个传感器大家庭中是历史最长，应用最广，技术相对成熟。目前市场上的力传感器大都是应变式力传感器。它可将拉力、压力、扭矩、加速度、振动、频率等非电量转 换成电量。在应变式传感器中敏感元件一般为各种弹性元件，传感元件就是应变片，其非线性可以在0.05%以内。如果与其配用的电子测量仪表也具有相当高的精度和稳定性，则总的测量精度可达0.1%以内。 广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页 项目七 应变(yngbin)、力检测任务二、学习应变片测量力的原理(yunl)及测量线路

12、 测量金属丝受拉时电阻变化的情况，理解应变效应，学习应变片测力的原理。 活动1：研究金属的应变效应 广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页 项目(xingm)七 应变、力检测任务二、学习应变片测量(cling)力的原理及测量(cling)线路 1电阻应变片基础知识 电阻应变片是能将被测试件的应变量转换成电阻变化量的敏感元件。它是基于电阻应变效应而制成的。依据应变效应，而构建出导体的电阻变化与变形之间的量值关系，即求取电阻应变片的应变灵敏度的数学表达式。2. 电阻应变效应：导体、半导体材料在外力作用下发生机械形变，导致其电阻值发生变化的物理现象称为电阻应变效应。导电材料的电阻和它的电阻率、几

13、何尺寸（长度与截面积）有关，当在外力作用下会发生机械变形，从而会引起该导电材料的电阻值发生变化。 广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页 项目(xingm)七 应变、力检测任务(rn wu)二、学习应变片测量力的原理及测量线路 设一根长度为l，截面积为A，电阻率为的金属丝，其电阻R的阻值为： 当轴向应力作用于金属丝时，其长度变化，面积变化，电阻率变化时，则电阻值为： 根据数学知识，可得：（、）经整理变形后得：广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页 项目(xingm)七 应变、力检测任务二、学习应变片测量(cling)力的原理及测量(cling)线路 由力学知识可得： 为应变，因此 ：材

14、料的电阻率 随应变所引起的变化“压阻效应”。这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生了变化的缘故 材料的轴向应变 电阻丝几何尺寸形变所引起的变化几何效应 金属材料的灵敏度系数，表示单位应变所引起的电阻相对变化，主要取决于其几何效应，取1.73.6广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页 项目七 应变(yngbin)、力检测任务(rn wu)二、学习应变片测量力的原理及测量线路 3电阻应变片的种类、结构与类型 电阻应变片（简称应变片）的基本结构如图所示。图中L为敏感栅沿轴向测量变形的有效长度（即应变片的标距），b为敏感栅的宽度（即应变片的基宽）。 1-基底 2-敏感栅 3-引线

15、 4-覆盖层广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页 项目(xingm)七 应变、力检测任务二、学习应变片测量力的原理(yunl)及测量线路 应变片主要有金属应变片和半导体应变片两类。金属片有丝式、箔式、薄膜式三种，其结构如图所示。其中金属丝式应变片使用得最早，有纸基型、胶基型两种。金属丝式应变片蠕变较大，金属丝易脱落，但其价格便宜，广泛用于应变、应力的大批量、一次性低精度的实验。 金属丝式应变片 金属箔式应变片 半导体应变片广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页 项目(xingm)七 应变、力检测任务二、学习应变片测量力的原理(yunl)及测量线路 4 应变片的粘贴技术 应变片在使用时

16、通常是用粘合剂粘贴在弹性元件或试件上，正确的粘贴工艺对保证粘贴质量、提高测试精度起着重要的作用。因此应变片在粘贴时，应严格按粘贴工艺要求进行。基本步骤如下：（1）应变片的检查 对所选用的应变片进行外观和电阻的检查。观察线栅或箔栅的排列是否整齐、均匀，是否有锈蚀以及短路、断路和折弯现象。测量应变片的电阻值，检查阻值、精度是否符合要求，对桥臂配对用的应变片，电阻值要尽量一致。（2）试件的表面处理 为了保证一定的粘合强度，必须将试件表面处理干净，清除杂质、油污及表面氧化层等。粘贴表面应保持平整，表面光滑。最好在表面打光后，采用喷砂处理，面积约为应变片的35倍。（3）确定贴片位置 在应变片上标出敏感栅

17、的纵、横向中心线，粘贴时应使应变片的中心线与试件的定位线对准。 广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页 项目(xingm)七 应变、力检测任务二、学习应变片测量力的原理(yunl)及测量线路 （4）粘贴应变片 用甲苯、四氢化碳等溶剂清洗试件表面和应变片表面，然后在试件表面和应变片表面上各涂一层薄而均匀的树脂，将应变片粘贴到试件的表面上。同时在应变片上加一层玻璃纸或透明的塑料薄膜，并用手轻轻滚动压挤，将多余的胶水和气泡排出。（5）固化处理 根据所使用的粘合剂的固化工艺要求进行固化处理和时效处理。（6）粘贴质量检查 检查粘贴位置是否正确，粘合层是否有气泡和漏贴，有无短路、断路现象，应变片的电阻

18、值有无较大的变化。应变片与被测物体之间的绝缘电阻进行检查，一般应大于200M。（7）引出线的固定与保护 将粘贴好的应变片引出线用导线焊接好，为防止应变片电阻丝和引出线被拉断，需用胶布将导线固定在被测物表面，且要处理好导线与被测物体之间的绝缘问题。（8）防潮防蚀处理 为防止因潮湿引起绝缘电阻，粘合强度下降，因腐蚀而损坏应变片，应在应变片上涂一层凡士林、石蜡、蜂蜡、环氧树脂、清漆等，厚度一般为12mm。广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页 项目七 应变(yngbin)、力检测任务(rn wu)二、学习应变片测量力的原理及测量线路 5应变片参数应变片的参数主要有以下几项：（1）标准电阻值（R0

19、） 标准电阻值指的是在无应变（即无应力）的情况下的电阻值，电位为，主要规格有60，90，120，150，350，600，1000等。（2）绝缘电阻（RG） 绝缘电阻是指敏感栅与基片之间的电阻值，一般应大于10M。（3）灵敏度系数（K） 灵敏度是指应变片安装到被测物体表面后，在其轴线方向上的单向应力作用下，应变片阻值的相对变化与被测物表面上安装应变片区域的轴向应变之比。 广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页 项目七 应变(yngbin)、力检测任务二、学习应变片测量(cling)力的原理及测量(cling)线路 （4）应变极限（max） 应变极限是指恒温时的指示应变值与真实应变值的相对差值

20、不超过一定数值的最大真实应变值。这种差值一般规定在10%以内，当示值大于真实应变10%时，真实应变值就称为应变片的应变极限。（5）允许电流（Ie） 允许电流是指应变片允许通过的最大电流。（6）机械滞后，蠕变及零漂 机械滞后是指所粘贴的应变片在温度一定时，在增加或减少机械应变过程中真实应变与约定应变（即同一机械应变量下所指示的应变）之间的最大差值。蠕变是指已粘贴好的应变片，在温度一定并承受一定机械应变时，指示应变值随时间变化而产生变化。零漂是指已粘贴好的应变片，在温度一定且又无机械应变时，指示应变值发生变化。 广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页 项目七 应变(yngbin)、力检测任务(

21、rn wu)二、学习应变片测量力的原理及测量线路 活动2：通过测量比较单臂电桥、差动电桥和差动全桥三种测量电路的测量特性 电阻应变片传感器输出电阻的变化较小，一般为 ，要精确的测量出这些微小电阻的变化，常采用桥式测量电路。 根据电桥电源的不同，电桥可分为直流电桥和交流电桥。可采用恒压源或恒流源供电。 广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页 右图为直流电桥测量电路。其特点(tdin)是，当被测量无变化时，电桥平衡时输出为零。当被测量发生变化时，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例。电桥的输出电压为: 项目七 应变(yngbin)、力检测任务二、学习应变片测量力的原理及测

22、量线路 广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页当输出电压(diny)为零时，电桥平衡，因此 或 为电桥平衡条件。为了获得最大的电桥输出，在设计时常使 （称为等臂电桥）。当四个桥臂电阻都发生变化时，电桥的输出为项目(xingm)七 应变、力检测任务二、学习应变片测量力的原理及测量线路 广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页 实际应用时， 不可能严格成比例关系，所以即使(jsh)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调零装置，如图2-11b所示。调节RP可使电桥达到平衡，输出为零。图中 是用于减小调节范围的限流电阻。项目七 应变(yngbin)、力检测任务二、学习应变片测

23、量力的原理及测量线路 广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页1单臂电桥(din qio)的工作原理与输出得出(d ch)单臂电桥输出：电桥总输出根据电桥输出公式:项目七 应变、力检测任务二、学习应变片测量力的原理及测量线路 广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页在试件上安装两个工作应变片，一片受拉，一片受压，它们的阻值变化大小相等、符号相反，接入电桥相邻臂, 这时输出电压Uo与R1/ R1成严格的线性关系，没有非线性误差，而且电桥灵敏度比单臂提高一倍，还具有温度(wnd)误差补偿作用.设初始(ch sh)时R1=R2=R3=R4R1=R2 则项目七 应变、力检测任务二、学习应变片测量力

24、的原理及测量线路 2差动电桥的工作原理与输出广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页差动全桥 设初始(ch sh)时R1 = R2 = R3 = R4R1 =R2 =R3 =R4 双臂电桥输出灵敏度是单臂电桥的两倍，全桥输出是双臂电桥的两倍。并且采用双臂和全桥测量，可以补偿由于(yuy)温度变化引起的测量误差。 则项目七 应变、力检测任务二、学习应变片测量力的原理及测量线路 3差动电桥的工作原理与输出广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页 项目七 应变(yngbin)、力检测任务二、学习应变片测量(cling)力的原理及测量(cling)线路 FR1R2 R4广州铁路职业技术学院 刘丽华

25、制作共八十九页4. 应变片的温度(wnd)误差及补偿1) 应变片的温度误差 电阻应变片传感器是靠电阻值来度量应变的，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的铜、康铜温度系数很小(大约在=(2.55.0)10-5/)， 但与所测应变电阻的变化比较，仍属同一量级。如不补偿(bchng)，会引起很大误差。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。项目七 应变、力检测任务二、学习应变片测量力的原理及测量线路 广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页2) 电阻应变(yngbin)片的温度补偿方法 应变片的温度补偿(bchng)方

26、法通常有两种，即线路补偿和应变片自补偿。温度变化后电路仍呈平衡 应变片自补偿利用自身具有补偿作用的应变片（称之为温度自补偿应变片）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。 线路补偿可采用差动电桥或差动全桥电路实现温度补偿，也可采用接补偿电阻的方法。当电阻由于温度变化由电阻变为 (由于与温度效应相同，即 +) 在不测应变时电路呈平衡，即 +变为()时， 项目七 应变、力检测广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页 项目七 应变(yngbin)、力检测任务三、应用(yngyng)应变片制作电子秤 查阅资料，设计并制作成电子秤

27、。掌握测量桥路、放大电路及显示仪表的实际连接方法。 应变片应变片广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页 项目(xingm)七 应变、力检测任务四、对电子秤进行(jnxng)标定 对电子秤进行标定并计算其误差和线性度。掌握测量设备标定方法，学会对电子秤及其它测量设备进行标定。 对新制测量设备传感器进行全面的技术检定称为标定，测量设备的标定是指在明确其的输出与输入关系的前提下，利用某种标准器具对测量设备进行标度。 广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页 项目(xingm)七 应变、力检测任务(rn wu)四、对电子秤进行标定 1. 标定的基本方法。利用标准仪器产生已知的非电量（如压力、位移

28、等）作为输入量，输入到待标定的测量设备中，然后将测量设备的输出显示量与输入的标准量相比较，获得一系列校准数据或曲线。有时输入的标准量是利用一个标准仪器检测而得，这时的标定实质上是待标定测量设备与标准传感器之间的比较。广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页 项目七 应变(yngbin)、力检测任务(rn wu)四、对电子秤进行标定 2.标定过程及步骤。（1）利用标准仪器分别给出测量设备量程的起始值和满量程值，反复调试测量设备使其输出显示量与标准量一致；（2）将测量设备传感器全量程（测量范围）分成若干个等间隔点；按照等间隔点，由起始值到满量程值逐一输入标准量值，并记录下与各输入值相对应的输出值

29、；（3）再由满量程值到起始值逐一输入标准量值，同时记录对应的各输出值；（4）按（2）、（3）所述过程，对测量设备进行正、反行程反复循环多次测试，将得到的输出、输入测试数据用表格列出或画成曲线；（5）对测试数据进行必要的处理，根据处理结果，可以确定传感器的线性度、灵敏度、滞后和重复性等静态特性指标。 广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页 项目(xingm)七 应变、力检测任务四、对电子秤进行(jnxng)标定 如：利用应变片传感器连接制作一个02000g的电子秤完成时，电子秤的标定和校准过程如下： （1）电子秤不加任何东西，调节测量电桥平衡电阻，使电子秤输出为零；（2）再给电子秤加上200

30、0g砝码，调节放大器放大倍数，使电子秤输出显示为2000g；（3）重复（1）、（2）过程，一直到两种输出显示均符合为止；广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页 项目(xingm)七 应变、力检测任务四、对电子秤进行(jnxng)标定 （4）将砝码从0开始，每次加200g，直至2000g，再依次拿出200 g，至0。 分别记录每次砝码及对应电子秤读数值于下表中。 砝码重量（g）0200400600800100012001400160018002000上升读数（g）下降读数（g）平均读数（g）（5）对上述测试数据进行必要的处理，计算误差和线性度；（6）若需精确测量或将信号接入计算机时，可利用误

31、差数据进行修正。广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页 项目(xingm)七 应变、力检测知识(zh shi)补充：压电式传感器1压电式传感器的工作原理 压电式传感器是一种典型的自发电式传感器。它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质表面将产生电荷，从而实现非电量电测的目的。压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最终可以变换为力的非电物理量，例如力、压力、加速度、力矩等，但不能用于静态参数的测量。 压电式传感器具有灵敏度高、频带宽、质量小、信噪比大、结构简单、工作可靠等优点。 广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页 项目七 应变(yngbin)、力检测压电式传感器 压电效应

32、：某些电介质在沿一定方向受到外力的作用变形时，由于内部电荷的极化现象，相应地在其表面产生极性相反的电荷；当外力作用消失时，又恢复到不带电状态。当外力方向改变时，电荷极性也随之改变，这种现象就称为压电效应。 反之，在电介质的极化方向上施加交变电场时它会产生机械(jxi)变形，当去掉外加电场电介质变形随之消失，这种现象称为逆压电效应(电致伸缩效应)。 实验表明，压电材料的线应变、剪应变、体积应变都可以引起压电效应，利用这些效应可以制造出感受各种外力的传感元件。用压电材料制造的传感元件称作压电元件。 具有压电效应的物质很多，如石英晶体、压电陶瓷、高分子压电材料等。 广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共

33、八十九页F石英晶体压电效应(y din xio yng)演示力的方向改变时，电荷的符号(fho)也随之改变，外力去掉后，电荷消失。项目七 应变、力检测压电式传感器广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页1) 石英(shyng)晶体的压电效应 石英晶体是一种应用广泛的压电晶体。它是二氧化硅单晶，属于规则的正六角棱柱体 。图2-21是天然石英晶体的外形图。石英晶体有三个相互垂直的晶轴： Z轴-光轴，它与晶体的纵轴线方向一致； X轴-电轴，它通过(tnggu)六面体相对的两个棱线并垂直于光轴； y轴-机械轴，它垂直于两个相对的晶柱棱面。 项目七 应变、力检测压电式传感器广州铁路职业技术学院 刘丽华

34、制作共八十九页石英晶体压电效应产生(chnshng)的过程在正常情况下，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(dn jio)上，当无外力作用时，正、负电荷中心重合，对外不显电性。当在X轴向施加压力时，各晶格上的带电粒子均产生相对位移，氧离子挤入两个硅离子之间，而硅离子也挤入两个氧离子之间，正电荷中心向B面移动，负电荷中心向A面移动，因而B面呈现正电荷，A面呈现负电荷。当在X轴向施加拉力时，各晶格上的带电粒子均沿X轴向外产生位移，因而A面呈现正电荷， B面呈现负电荷。在Y方向施加压力时，晶格沿y轴被向内压缩，A面呈现正电荷， B面呈现负电荷在Y方向施

35、加拉力时，晶格在y向被拉长，X向缩短，B面呈现正电荷，A面呈现负电荷。若沿Z 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，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产生的过程。广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页压电效应结论:无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）与电荷（或电场强度(qingd)）之间呈线性关系；晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆压电效应；石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的。通常把沿电轴XX方向的力作用下产生电荷的压电效应(y din xio yng)称为“纵向压电效应”，而把沿机械轴YY方向的力作用下产生电荷的压电

36、效应称为“横向压电效应”，沿光轴ZZ方向受力则不产生压电效应。项目七 应变、力检测压电式传感器广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页 项目(xingm)七 应变、力检测压电式传感器2压电材料 应用(yngyng)于压电式传感器中的压电元件材料一般有三类：压电晶体、经过极化处理的压电陶瓷、高分子压电材料。 （1）石英晶体 石英晶体是一种性能良好的压电晶体，它的突出优点是性能非常稳定，介电常数与压电系数的温度稳定性特别好，具有很大的机械强度和稳定的机械性能，绝缘性能好、动态响应快、线性范围宽、迟滞小等优点。但石英晶体的压电常数小（d/ = 2.3110-12C/N）,灵敏度低，且价格较贵，所以

37、只在标准传感器、高精度传感器或高温环境下工作的传感器中作为压电元件使用。 广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页项目七 应变(yngbin)、力检测压电式传感器广州铁路职业技术(jsh)学院 刘丽华制作共八十九页石英晶体(jngt)切片及封装石英(shyng)晶体薄片双面镀银及封装项目七 应变、力检测压电式传感器广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页 项目(xingm)七 应变、力检测压电式传感器 （2）压电陶瓷 压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料，与石英晶体相比，压电陶瓷的压电系数很高，具有烧制方便、耐湿、耐高温、易于成型等特点，制造成本很低。因此，在实际应用中的压电传感器，大多采用

38、压电陶瓷材料。压电陶瓷的弱点(rudin)是性能没有石英晶体稳定。但随着材料科学的发展，压电陶瓷的性能正在逐步提高。 常用的压电陶瓷材料有：钛酸钡压电陶瓷（BaTiO3） 、锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT） 、铌酸盐系列压电陶瓷 、铌镁酸铅压电陶瓷（PMN） 等，应用最广泛的是锆钛酸铅（PZT） 。广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页项目七 应变(yngbin)、力检测压电式传感器广州铁路(til)职业技术学院 刘丽华制作共八十九页无铅压电陶瓷(toc)及其换能器外形项目(xingm)七 应变、力检测压电式传感器广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页 项目七 应变(yngbin)、力检

39、测压电式传感器 （3）高分子压电材料 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，这类薄膜称为高分子压电薄膜。目前出现的压电薄膜有聚二氟乙烯PVF2、聚氟乙烯PVF、聚氯乙烯PVC等。这些是柔软的压电材料，不易破碎，可以大量(dling)生产和制成较大的面积。 如果将压电陶瓷粉末加入到高分子压电化合物中，制成高分子压电陶瓷薄膜，这种复合材料保持了高分子压电薄膜的柔韧性，又具有压电陶瓷材料的优点，是一种发展前途很大的材料。 在选用压电材料应考虑其转换特性、机械特性、电气特性、温度特性等几方面的问题，以便获得最好的效果。 广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页项目(xi

40、ngm)七 应变、力检测压电式传感器广州铁路职业技术(jsh)学院 刘丽华制作共八十九页项目(xingm)七 应变、力检测压电式传感器3压电式传感器的测量转换(zhunhun)电路（1）压电元件的等效电路 将压电晶片产生电荷的两个晶面封装上金属电极后，就构成了压电元件。当压电元件受力时，就会在两个电极上产生电荷，因此，压电元件相当于一个电荷源；两个电极之间是绝缘的压电介质，因此它又相当于一个以压电材料为介质的电容器，其电容值为： Ca = r0A / 广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页项目(xingm)七 应变、力检测压电式传感器 因此，可以把压电元件等效为一个电荷源与一个电容(din

41、rng)相并联的等效电路，如下左图所示。压电元件也可以等效为一个电荷源与一个电容(dinrng)相串联的等效电路。 U = Q /Ca 压电传感器与检测仪表连接时，还必须考虑电缆电容CC，放大器的输入电阻Ri和输入电容Ci，以及传感器的泄漏电阻Ra，上右图为压电传感器完整的等效电路。 广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页项目七 应变(yngbin)、力检测压电式传感器（2）压电式传感器测量电路 压电式传感器的内阻很高，而输出的信号微弱，因此一般不能直接显示和记录。它要求与高输入阻抗的前置放大电路配合，然后再与一般的放大、检波、显示、记录电路连接，这样，才能防止电荷的迅速泄漏而使测量误差减

42、少。 压电式传感器的前置放大器的作用有两个：一是把传感器的高阻抗输出变为低阻抗输出；二是把传感器的微弱信号进行放大。 根据压电式传感器的工作原理及等效电路，它的输出可以是电荷信号，也可以是电压信号，因此与之配套的前置放大器也有电荷放大器和电压放大器两种形式。由于电压前置放大器的输出电压与电缆电容有关(yugun)，故目前多采用电荷放大器。广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页电荷(dinh)放大器外形项目七 应变(yngbin)、力检测压电式传感器广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页电荷(dinh)放大器外形项目(xingm)七 应变、力检测压电式传感器广州铁路职业技术学院 刘丽华制

43、作共八十九页4. 压电传感器只能(zh nn)应用于动态测量 由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，因此压电式传感器不能用于静态测量。压电元件在交变力的作用下，电荷可以不断补充，可以供给测量回路以一定的电流，故只适用(shyng)于动态测量（一般必须高于100Hz，但在50kHz以上时，灵敏度下降）。 项目七 应变、力检测压电式传感器广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页5. 压电传感器的应用(yngyng) 压电式传感器主要用于动态作用力、压力、加速度的测量。 压电效应是某些介质在力的作用下产生形变时，在介

44、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(qjin)；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，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(qjin)。项目七 应变、力检测压电式传感器广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页点火器晶体(jng

45、t)项目七 应变(yngbin)、力检测压电式传感器广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页压电式步态(b ti)分析跑台压电式纵跳 训练分析(fnx)装置压电传感器测量双腿跳的动态力项目七 应变、力检测压电式传感器广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页横向(hn xin)振动测振器纵向(zn xin)振动测振器广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页项目七 应变(yngbin)、力检测四、 应变、力检测(jin c)项目检测(jin c)与评估 1 检查方法 按照项目内容和要求，检查项目完成情况。 （1）认识应变、力传感器等信息准确；会做选择题。 （2）每组选择代表上台讲述应变片测量

46、力的原理及测量线路的测量原理、补偿方式线路连接是否正确。 （3）线路连接正确。 （4）电子秤标定成功，误差和线性度计算正确。2 评估 评估内容见表7-4，小组互评和指导教师评议，填写在评估表中。 广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页项目(xingm)七 应变、力检测五、拓展实训1：观察了解高分子压电材料(cilio)的应用 实训目的：了解高分子压电材料的应用实训要点：了解高分子压电材料特点，外形，掌握它在玻璃打碎报警装置和周界报警系统、汽车数据检测系统中的应用。预习要求：典型的高分子压电材料种类和特点 典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯

47、乙烯（PVC）等。其特点是压电常数高, 输出脉冲有的可直接驱动CMOS集成门电路. 广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页项目(xingm)七 应变、力检测五、拓展实训1：观察了解(lioji)高分子压电材料的应用 高分子压电材料是一种柔软的压电材料，可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。它不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较宽，测量动态范围可达80dB，机械强度不高，易老化。 高分子压电材料一般制作的压电薄膜和电缆形式，如图所示。 广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页可用于波形(b xn)分析及报警的高分子压电踏脚板项目七 应变(

48、yngbin)、力检测五、拓展实训1：观察了解高分子压电材料的应用广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页项目(xingm)七 应变、力检测五、拓展实训1：观察了解(lioji)高分子压电材料的应用广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页项目七 应变(yngbin)、力检测五、拓展(tu zhn)实训1：观察了解高分子压电材料的应用广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页项目(xingm)七 应变、力检测五、拓展实训1：观察了解高分子压电材料(cilio)的应用 1. 玻璃打碎报警装置 将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到玻璃破碎时会发出的振动，并将电压信号传送给集中报警系统。

49、将厚约0.2mm左右的PVDF薄膜裁制成1020mm大小。在它的正反两面各喷涂透明的二氧化锡导电电极，再用超声波焊接上两根柔软的电极引线。并用保护膜覆盖。 使用时，用瞬干胶将其粘贴在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎的瞬间，压电薄膜感受到剧烈振动，表面产生电荷Q ，在两个输出引脚之间产生窄脉冲报警信号。广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页 2压电式周界报警系统(xtng)（用于重要位置出入口、周界安全防护等） 将长的压电电缆埋在泥土的浅表层，可起分布式地下麦克风或听音器的作用，可在几十米范围内探测人的步行, 对轮式或履带式车辆也可以通过信号处理(xn ho ch l)系统分辨出来。右图为测量系统的输出波形。项目七 应变、力检测五、拓展实训1：观察了解高分子压电材料的应用 广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页项目(xingm)七 应变、力检测五、拓展实训1：观察了解(lioji)高分子压电材料的应用 广州铁路职业技术学院 刘丽华制作共八十九页项目七 应变(yngbin)、力检测五、拓展(tu zhn)实训2：压电加速度传