《传感器与检测技术》课件-项目2 力检测

传感器与检测技术知功能-压电式传感器识结构-压电式传感器析原理-压电式传感器力检测-压电式传感器1、压电式传感器的功能

压电式传感器是一种典型的自发电式传感器，它是由压电传感元件和测量转换电路组成。压电传感器在各种动态力、机械冲击与振动的测量，以及声学、医学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用。

灵敏度高、频带宽、质量轻、体积小、工作可靠等优点，随着电子技术的发展，与之配套的二次仪表以及低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现。特点2、压电式传感器的结构

压电式传感器是基于某些物质具有压电效应制成的。压电效应是可逆的，因此压电传感器的典型的“双向传感器”。（1）正压电效应某些电介质在沿一定方向上受到力的作用而变形时，内部会产生极化，同时在其表面有电荷产生，当外力去掉后，表面电荷消失，这种机械能转换为电能的现象称为正压电效应。（2）逆压电效应在电介质的极化方向施加交变电场，它会产生机械变形。当去掉外加电场，电介质的变形随之消失，这种电能转换为机械能的现象称为逆压电效应。2、压电式传感器的结构压电效应压电材料

具有压电效应的电介质称为压电材料。典型的压电材料有石英晶体、压电陶瓷、钛酸钡、锆钛酸铅和高分子压电材料等。压电材料2、压电式传感器的结构

“纵向压电效应”：沿电轴(X轴)方向的力作用下产生电荷；“横向压电效应”：沿机械轴(Y轴)方向的力作用下产生电荷；在光轴(Z轴)方向时则不产生压电效应。X轴：电轴Y轴：机械轴Z轴：光轴

石英晶体的外形坐标轴2、压电式传感器的结构石英晶体的压电效应在电轴(X轴)方向受压/拉力——纵向压电效应在机械轴(Y轴)方向受压/拉力——横向压电效应2、压电式传感器的结构石英晶体的压电效应石英晶体压电效应模型2、压电式传感器的结构石英晶体的压电效应2、压电式传感器的结构压电陶瓷的压电效应陶瓷片极化自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符合相反而数值相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外的作用，因此陶瓷片对外不表现极性。2、压电式传感器的结构压电陶瓷的压电效应（1）压电式传感器的基本原理就是利用压电材料的压电效应这个特性，即当有力作用在压电元件上时，传感器就有电荷(或电压)输出。

（2）由于外力作用在压电材料上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，故需要测量回路具有无限大的输入阻抗，这实际上不可能，因此压电式传感器不能用于静态测量。如果压电材料在交变力的作用下，电荷可以不断补充，以供给测量回路一定的电流，故适用于动态测量。3、压电式传感器的工作原理由压电元件的工作原理可知，压电元件两电极间的压电陶瓷或石英作为绝缘体，故可以构成一个电容器，其电容量为：式中——极板(压电片)面积；、——压电材料的相对介电常数与空气介电常数；

——压电片厚度。3、压电式传感器的工作原理等效电路

压电传感器的等效电路

故把压电传感器可等效为一个与电容并联的电荷源或一个与电容串联的电压源。

当压电元件受外力作用时，两表面产生等量的正、负电荷Q，压电元件的开路电压U为：3、压电式传感器的工作原理压电式传感器在实际使用时，总是与二次仪表配套或与测量电路相连，因此就要考虑连接电缆电容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。

压电传感器的实际等效电路3、压电式传感器的工作原理

1．压电式传感器的功能

2．压电式传感器的结构小结

3．压电式传感器的工作原理知功能-电阻应变式传感器识结构-电阻应变式传感器析原理-电阻应变式传感器3.力检测-电阻应变式传感器1、电阻应变式传感器的功能

电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将力学量转换为电信号的传感器。

精度高、性能稳定、测量范围宽、可制成各种机械量传感器，并且结构简单、体积小、重量轻，可在超低温、强振动、强磁场等恶劣环境下工作等特点。特点图1几种电阻应变式传感器的外形图（a）箔式压力；（b）柱式；（c）悬臂梁式；（d）桥式；（e）轮辐式；（f）S形拉压式。2、电阻应变式传感器的结构（1）金属箔式压力传感器采用了箔式应变片贴在合金钢制作的弹性体上，具有精度高、温度特性好等特点，适用于电子皮带秤、配料秤。2、电阻应变式传感器的结构（2）柱式传感器柱式传感器利用箔式应变片贴在合金钢制作的圆柱弹性体终端较细的部位。这类传感器结构简单，加工容易，可拉、可压或拉压两用，能承受较大的负载，具有长期稳定性好、密封性好等特点。适用于地中衡、料斗秤、汽车衡、轨道衡等。（3）悬臂梁式传感器将箔式应变片贴在合金钢制作的弹性体的上下两面，弹性体一端固定，一端加载，拉、压均可。它具有精度高、密封性好、易安装等特点，适于电子秤、料斗秤等小量程的称重环境。（4）桥式传感器桥式传感器采用了箔式应变片贴在合金钢弹性体上，具有精度高、长期稳定性好、密封性好、抗偏载、抗扭曲、精度高等特点，适用于各种汽车衡、轨道衡、料斗秤等场合。2、电阻应变式传感器的结构（5）轮辐式传感器轮辐式传感器采用轮辐式结构，抗偏抗侧能力强，测量精度高，性能稳定可靠，安装方便，是大、中量程精度传感器中的最佳形式，广泛用于各种电子衡器和各种力值测量，如汽车衡、轨道衡、吊钩秤、料斗秤。（6）S形拉压式传感器采用S形结构，由于其荷载的作用点和支撑点在同一轴线上，称重时，利用其弯曲变形，产生信号。具有优越的抗扭、抗侧、抗偏载能力，输出对称性好，精度高，结构紧凑等特点。适用于配料秤、料斗秤、机电结合秤、吊钩秤等。2、电阻应变式传感器的结构金属电阻应变片的结构，如图所示，由敏感栅、基底、盖片、引线和粘结剂组成。电阻应变片有金属电阻应变片和半导体应变片两大类。金属电阻应变片又分丝式、箔式和薄膜式等结构形式。2、电阻应变式传感器的结构

电阻应变式传感器是目前用于测量力、力矩、压力、加速度、重量等参数最广泛的传感器之一。它是基于电阻应变效应制造的一种测量微小机械变量的传感器。3、电阻应变式传感器的工作原理

金属导体或半导体受到外力作用时，不仅产生相应的应变(伸长或缩短)，而且电阻也将随之发生变化。电阻应变效应3、电阻应变式传感器的工作原理

当导体受力作用时，其长度L、截面积S、电阻率ρ发生相应的变化，则：

式中——电阻丝轴向相对伸长，称轴向应变；——电阻丝径向相对伸长，称径向应变。

根据材料力学原理，在弹性限度范围内电阻丝的轴向应变和径向应变存在的关系，则：

式中——材料的泊松系数，μ=0∽0.5。3、电阻应变式传感器的工作原理灵敏系数当金属材料确定后，应变片的电阻变化率取决于材料的几何形状变化，其灵敏度系数为:对于金属材料，压阻效应极小，即，则：3、电阻应变式传感器的工作原理由半导体材料的压电压阻效应，得：对于半导体材料，由于则：

式中——材料的压阻系数；——材料的弹性系数。则：灵敏系数为：3、电阻应变式传感器的工作原理应变片测量应变的基本原理应变片直接感受的是应变或应力。测量时将应变片粘贴在弹性元件(试件)上，当外力作用在弹性元件(试件)上时，弹性元件被压缩(或拉伸)，即产生微小的机械变形，粘贴在弹性元件上的应变片感受到应力F的作用，即：又由应变效应可知，应变片的应变ε与电阻值的相对变化dR/R成正比，所以，实现了对微小机械变量的测量。3、电阻应变式传感器的工作原理

电阻应变片的灵敏度K=2，沿纵向粘贴于直径为0.05m的圆形钢柱表面，钢材的E=2×1011N/m2,泊松比µ=0.3。求钢柱受10t拉力作用时，应变片电阻的相对变化量。又若应变片沿钢柱圆周方向粘贴，受同样拉力作用时，应变片电阻的相对变化量为多少？课堂练习13、电阻应变式传感器的工作原理3.1测量转换电路

电阻应变式传感器是将被测量的变化转换成传感器元件电阻值的变化，再经过转换电路变成电信号输出。3、电阻应变式传感器的工作原理当电桥各桥臂电阻满足：直流电桥则电桥的输出电压为零，即电桥处于平衡状态。1.工作原理3、电阻应变式传感器的工作原理3.1测量转换电路单臂电桥2.电桥连接方式初始条件为：R1=R2=R3=R4=R初始条件：R1=R2=R3=R4=R，且ΔR1=ΔR2=ΔR。（应变片的电阻变化大小相同而且方向相反——差动工作）差动半桥

总结：差动全桥工作方式的灵敏度最高，差动半桥次之，单臂电桥灵敏度最低。采用全桥(或差动半桥)还能实现温度自补偿。初始条件：R1=R2=R3=R4=R，且ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4=ΔR。差动全桥

设电桥初始平衡，四臂工作，各臂应变电阻变化分别为ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4，全桥工作时可得输出电压：

有一直流应变电桥。其中R1=R2=R3=R4=120Ω，E=4V，试求：

(1)R1为金属应变片，其余为外接电阻。当R1的增量为ΔR1=1.2Ω时，电桥输出电压UO为多少？(2)R1，R2都是应变片，且批号相同，感应应变的极性和大小都相同，其余为外接电阻，电桥输出电压UO为多少？(3)题(2)中，如果R1与R2感应应变的极性相反，且ΔR1=ΔR2=1.2Ω，电桥输出电压UO为多少？课堂练习2

1．电阻应变式传感器的功能

2．电阻应变式传感器的结构小结

3．电阻应变式传感器的工作原理知功能-压阻式传感器识结构-压阻式传感器析原理-压阻式传感器4.力检测-压阻式传感器1、压阻式传感器的功能

压阻式传感是利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出。压阻式传感器用于压力、拉力、压力差以及可以转变为力的变化的其他物理量（如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度）的测量和控制。（1）一种是利用半导体材料的电阻制作成半导体应变计，其灵敏度比金属应变计高两个数量级。（2）一种是利用半导体集成工艺中的扩散技术，将4个半导体应变电阻制作在同一硅片上，制成扩散硅压阻式传感器。2、压阻式传感器的结构压阻式传感器的类型半导体电阻应变片由硅膜片、外壳和引线组成。核心是硅膜片（作为弹性敏感元件）。半导体电阻应变片的结构2、压阻式传感器的结构2、压阻式传感器的结构压阻式压力传感器的结构当膜片两边存在压力差时，膜片产生变形，膜片上各点产生应力。其上的四个电阻在应力作用下，阻值发生变化，电桥失去平衡，输出与膜片两边的压力差成正比的电压值。半导体材料受到外力作用变化时，其电阻率发生变化，这种现象称为压阻效应。

式中——材料的压阻系数；——材料所受的应力;——材料的灵敏系数;——材料的应变。压阻式传感器的灵敏系数大大高于金属电阻应变片的灵敏系数，大约是其50～100倍，这也是压阻式传感器的突出优点。3、压阻式传感器的工作原理压阻效应由于半导体材料的各向异性，在实际应用中，外界应力施加方向不同，其压阻系数是不同的。

式中、——纵向压阻系数和横向压阻系数，大小由所扩散的晶向决定；

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