传感器应用技术（微课版）-课件 项目5 力学量及其相关参量的检测

5力学量及其相关参量的检测力敏传感器指对力学量敏感的一类器件或装置。按工作原理分：①应变式力敏传感器②压阻式力敏传感器③电感式力敏传感器④电容式力敏传感器⑤压电式力敏传感器⑥谐振式力敏传感器5.1电阻应变式传感器及其应用原理：将受力试件上的力/压力变化转变成阻值变化。（电阻式力敏传感器）⑴金属应变式传感器

⑵半导体压阻式传感器

金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大。1、应变效应

当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化，这种现象称为金属的电阻应变效应。设有一根长度为l、截面积为A、电阻率为ρ的金属丝，其电阻为R3.2.1电阻应变式传感器的工作原理图1导体受拉伸后的参数变化A=πr2dA/A=2πrdr/(πr2)=2dr/rdr/r为金属丝半径的相对变化，即径向应变为εr，εr=–με将微分dR、dρ改写成增量ΔR、Δρ，则泊松比轴向应变ε-2με物理意义：单位应变引起的电阻相对变化。KS由两部分组成：(1)前一部分是（1+2μ），由材料的几何尺寸变化引起（即“应变效应”），一般金属μ≈0.3，因此（1+2μ）≈1.6；(2)后一部分为，电阻率随应变而引起的（称“压阻效应”）。应变效应：对金属材料，以前者为主，则KS≈1+2μ；实验表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与轴向应变ε成正比。通常KS在1.6～4.8范围内。压阻效应：对半导体，KS值主要由电阻率相对变化所决定。3.2.2应变片的结构与分类应变片可分为金属应变片及半导体应变片两大类。前者可分成金属丝式、箔式、薄膜式三种。目前箔式应变片应用较多。1.金属丝式应变片使用最早，有纸基、胶基之分。由于金属丝式应变片蠕变较大，金属丝易脱胶，有逐渐被箔式所取代的趋势。但其价格便宜，多用于应变、应力的大批量、一次性试验。

2341电阻应变片结构示意图bl

应变片的结构与材料由敏感栅1、基底2、盖片3、引线4和粘结剂等组成。这些部分所选用的材料将直接影响应变片的性能。因此，应根据使用条件和要求合理地加以选择。

（1）敏感栅由金属细丝绕成栅形。电阻应变片的电阻值为60Ω、120Ω、200Ω等多种规格，以120Ω最为常用。应变片栅长大小关系到所测应变的准确度，应变片测得的应变大小是应变片栅长和栅宽所在面积内的平均轴向应变量。栅长栅宽对敏感栅的材料的要求：①应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数；②电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片；③电阻温度系数要小；④抗氧化能力高，耐腐蚀性能强；⑤在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度；⑥加工性能良好,易于拉制成丝或轧压成箔材；⑦易于焊接，对引线材料的热电势小。对应变片要求必须根据实际使用情况，合理选择。（2）基底和盖片

基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置，盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保护敏感栅。基底的全长称为基底长，其宽度称为基底宽。（3）引线是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。对引线材料的性能要求：电阻率低、电阻温度系数小、抗氧化性能好、易于焊接。大多数敏感栅材料都可制作引线。（4）粘结剂用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在一起。使用金属应变片时，也需用粘结剂将应变片基底粘贴在构件表面某个方向和位置上。以便将构件受力后的表面应变传递给应变计的基底和敏感栅。常用的粘结剂分为有机和无机两大类。有机粘结剂用于低温、常温和中温。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛树脂、有机硅树脂，聚酰亚胺等。无机粘结剂用于高温，常用的有磷酸盐、硅酸、硼酸盐等。2.金属箔式应变片金属箔式应变片箔式应变片的工作原理基本和电阻丝式应变片相同。它的电阻敏感元件不是金属丝栅，而是通过光刻、腐蚀等工序制成的薄金属箔栅，故称箔式电阻应变片，如图。金属箔的厚度—般为(0.003～0.010)mm，它的基片和盖片多为胶质膜，基片厚度一般为(0.03～0.05)mm。特点:①金属箔栅很薄，因而它所感受的应力状态与试件表面的应力状态更为接近。其次，当箔材和丝材具有同样的截面积时，箔材与粘接层的接触面积比丝材大，使它能更好地和试件共同工作。第三，箔栅的端部较宽，横向效应较小，因而提高了应变测量的精度。②箔材表面积大，散热条件好，故允许通过较大电流，因而可以输出较大信号，提高了测量灵敏度。③箔栅的尺寸准确、均匀，且能制成任意形状，特别是为制造应变花和小标距应变片提供了条件，从而扩大了应变片的使用范围。④便于成批生产。⑤缺点：电阻值分散性大，有的相差几十Ω，故需要作阻值调整；生产工序较为复杂，因引出线的焊点采用锡焊，因此不适于高温环境下测量；此外价格较贵。金属薄膜式应变片3.金属薄膜式应变片特点：电阻值比箔式应变片高，形状和尺寸也比箔式应变的更小更精确；它没有箔式应变片腐蚀所引入的瑕疵；制成的结构散热好，对有较宽的温度范围也可达到较完善的补偿；特别是近年由于激光调组技术的发展，提高了电阻值的精度，可达到0.01%。尤其突出的是：陶瓷绝缘代替了胶接，既避免了复杂的分选和粘贴技术，而且对胶接法所引入的漂移、蠕变、疲劳等弱点都有很大的克服。工艺：采用真空蒸或真空沉积法等在薄的绝缘基片上形成0.1μm以下的金属电阻材料薄膜敏感栅，最后加上保护层应变片主要性能指标举例上表中，哪几个型号是半导体应变片？依据是什么？

1.桥式测量转换电路

金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接用欧姆表测量其电阻值的变化将十分困难，且误差很大。例如，有一金属箔式应变片，标称阻值R0为100

，灵敏度K=2，粘贴在横截面积为9.8mm2的钢质圆柱体上，钢的弹性模量E=2

1011N/m2，所受拉力F=0.2t，受拉后应变片的阻值R的变化量仅为0.2

，所以必须使用不平衡电桥来测量这一微小的变化量。下面分析该桥式测量转换电路是如何将R/R转换为输出电压Uo的。

3.2.3应变片的组桥和布片

应变片布片和组桥方法在应变仪中，电桥将被测应变转化为电压输出，再经过放大、相敏检波、A/D转换等处理，最后显示被测应变数值。uiR2R3R1R4uo桥臂电阻R1、R2、R3、R4在力作用下所产生的阻值变化分别为

R1、

R2、

R3、

R4，若R1=R2=R3=R4

，且只考虑微应变，则：如果各桥臂应变片的灵敏度Sg相同，则有：力的测量(3/23)abdc表中符号说明：Sg—应变片的灵敏度；ui—供桥电压；

—被测件的泊松比；

r—应交仪读数，即指示应变；

—所要测量的机械应变值。

拉伸（压缩）应变测量序号受力状态简图应变片数量电桥组合形式温度补偿情况电桥输出电压测量项目及应变值特点电桥形式电桥接法12半桥式R1与R2同温拉(压)应变

＝

r

不能消除弯矩的影响22互为补偿拉(压)应变

输出电压提高到(1+

)倍，不能消除弯矩的影响FFR1R2FFR1R2abcR1R2力的测量(4/23)表中符号说明：Sg—应变片的灵敏度；ui—供桥电压；

—被测件的泊松比；

r—应交仪读数，即指示应变；

—所要测量的机械应变值。序号受力状态简图应变片数量电桥组合形式温度补偿情况电桥输出电压测量项目及应变值特点电桥形式电桥接法34全桥式R1R2

R'1

R'2四片同温拉(压)应变

＝

r/2输出电压提高一倍，且可消除弯矩的影响FFR1R2R'1R'2abcR1R2R'1R'2abcdR1R2R'1R'2（续）力的测量(5/23)表中符号说明：Sg—应变片的灵敏度；ui—供桥电压；

—被测件的泊松比；

r—应交仪读数，即指示应变；

—所要测量的机械应变值。序号受力状态简图应变片数量电桥组合形式温度补偿情况电桥输出电压测量项目及应变值特点电桥形式电桥接法44全桥式互为补偿拉(压)应变

输出电压提高到2(1+

)倍，且可消除弯矩的影响abcR1R3R2R4abcdR1R3R2R4（续）FFR1R3R2(R4)R2R4FFR1(R3)力的测量(6/23)

弯曲应变测量表中符号说明：Sg—应变片的灵敏度；ui—供桥电压；

—被测件的泊松比；

r—应交仪读数，即指示应变；

—所要测量的机械应变值。序号受力状态简图应变片数量电桥组合形式温度补偿情况电桥输出电压测量项目及应变值特点电桥形式电桥接法12半桥式R1与R2同温弯曲最大应变

＝

r

不能消除拉伸的影响22互为补偿弯曲最大应变

输出电压提高到(1+

)倍，不能消除拉伸的影响abcR1R2MMR1R2R1R2MMR2R1力的测量(7/23)表中符号说明：Sg—应变片的灵敏度；ui—供桥电压；

—被测件的泊松比；

r—应交仪读数，即指示应变；

—所要测量的机械应变值。序号受力状态简图应变片数量电桥组合形式温度补偿情况电桥输出电压测量项目及应变值特点电桥形式电桥接法32半桥式互为补偿弯曲最大应变

输出电压提高一倍，且可消除拉伸的影响44全桥式弯曲最大应变

输出电压提高到2(1+

)倍，且可消除拉伸的影响abcR1R2abcdR1R4R3R2（续）MMR1R1R2(R2)R1R3R2(R4)R2R4R1(R3)MM力的测量(8/23)

扭转应变测量MMR1R245°45°(a)45°45°

1

3(b)abR1R2RRcd(c)力的测量(9/23)变形形式需测应变应变片粘贴位置电桥连接方法测量应变

与仪器读数应变

r间的关系备注拉︵压︶扭组合扭转主应变R1和R2均为工作片拉︵压︶R1、R2、R3、R4均为工作片

其他复杂受力状况下应变测量TTFFR1R2TTFFR1R2R3R4abcR1R2abcR2R1R3R4abcR1R3R4R2d力的测量(10/23)变形形式需测应变应变片粘贴位置电桥连接方法测量应变

与仪器读数应变

r间的关系备注扭弯组合扭转主应变R1、R2、R3、R4均为工作片弯曲R1、R2均为工作片abcR1R2abcR1R2R3R4d（续）TTMMR1R2R3R4TTMMR2R1力的测量(11/23)（1）灵敏度系数实验表明，金属应变片的电阻相对变化与应变ε在很宽的范围内均为线性关系。即

K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K恒小于线材的灵敏系数KS。原因：胶层传递变形失真，横向效应也是一个不可忽视的因素。3.2.4电阻应变片的主要特性参数敏感栅的栅长一般为0.2～100毫米；电阻为60～1000欧（最常用的为120欧和350欧）；测量范围为几微应变至数万微应变（）。丝绕式应变片敏感栅半圆弧形部分bOlεrrdldθθε0ε（2）横向效应金属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ε使敏感栅电阻发生变化，其横向应变εr也将使敏感栅半圆弧部分的电阻发生变化(除了ε起作用外)，应变片的这种既受轴向应变影响，又受横向应变影响而引起电阻变化的现象称为横向效应。图为应变片敏感栅半圆弧部分的形状。沿轴向应变为ε，沿横向应变为εr

。敏感栅栅丝的总长为L，敏感栅的灵敏系数为KS，则电阻相对变化为令

则

可见，敏感栅电阻的相对变化分别是ε和εr作用的结果。横向灵敏系数与轴向灵敏系数之比值，称为横向效应系数H。由上式可见，r愈小，l(L)愈大，则H愈小。即敏感栅越窄、基长越长的应变片，其横向效应引起的误差越小。（3）机械滞后

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，即为机械滞后。产生原因：应变片在承受机械应变后，其内部会产生残余变形，使敏感栅电阻发生少量不可逆变化；在制造或粘贴应变片时，如果敏感栅受到不适当的变形或者粘结剂固化不充分。ΔεΔε1机械应变ε卸载加载指示应变εi应变片的机械滞后机械滞后值还与应变片所承受的应变量有关，加载时的机械应变愈大，卸载时的滞后也愈大。所以，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。

（4）零点漂移和蠕变

零点漂移：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，称为应变片的零点漂移。产生原因：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。

蠕变：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蠕变。一般蠕变的方向与原应变量的方向相反。产生原因：由于胶层之间发生“滑动”，使力传到敏感栅的应变量逐渐减少。这是两项衡量应变片特性对时间稳定性的指标，在长时间测量中其意义更为突出。实际上，蠕变中包含零漂，它是一个特例。（5）应变极限在一定温度下，应变片的指示应变对测试值的真实应变的相对误差不超过规定范围（一般为10%）时的最大真实应变值。在图中，真实应变是由于工作温度变化或承受机械载荷，在被测试件内产生应力(包括机械应力和热应力)时所引起的表面应变。εlim真实应变εz指示应变εi应变片的应变极限±10%主要因素：粘结剂和基底材料传递变形的性能及应变片的安装质量。制造与安装应变片时，应选用抗剪强度较高的粘结剂和基底材料。基底和粘结剂的厚度不宜过大，并应经过适当的固化处理，才能获得较高的应变极限。（1）温度漂移用作测量应变的金属应变片，希望其阻值仅随应变变化，而不受其它因素的影响。实际上应变片的阻值受环境温度(包括被测试件的温度)影响很大。由于环境温度变化引起的电阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，从而产生很大的测量误差，称为应变片的温度误差，又称热输出。因环境温度改变而引起电阻变化的两个主要因素：3.2.5

温度漂移及其补偿应变片的电阻丝(敏感栅)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。设环境引起的构件温度变化为Δt（℃）时，粘贴在试件表面的应变片敏感栅材料的电阻温度系数为αt

，则应变片产生的电阻相对变化为

由于敏感栅材料和被测构件材料两者线膨胀系数不同，当Δt存在时，引起应变片的附加应变，其值为

βe—试件材料线膨胀系数；βg—敏感栅材料线膨胀系数相应的电阻相对变化为K——应变片灵敏系数。温度变化形成的总电阻相对变化：

相应的虚假应变为上式为应变片粘贴在试件表面上，当试件不受外力作用，在温度变化Δt时，应变片的温度效应。用应变形式表现出来，称之为热输出。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(αt和βg)有关，而且与被测试件材料的线膨胀系数(βe)有关。（2）温度补偿（自补偿法和线路补偿法）①

单丝自补偿应变片由前式知，若使应变片在温度变化Δt时的热输出值为零，必须使即每一种材料的被测试件，其线膨胀系数都为确定值，可以在有关的材料手册中查到。在选择应变片时，若应变片的敏感栅是用单一的合金丝制成，并使其电阻温度系数和线膨胀系数满足上式的条件，即可实现温度自补偿。具有这种敏感栅的应变片称为单丝自补偿应变片。

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试件上使用，否则不能达到温度自补偿的目的。②双丝组合式自补偿应变片是由两种不同电阻温度系数（一种为正值，一种为负值）的材料串联组成敏感栅，以达到一定的温度范围内在一定材料的试件上实现温度补偿的，如图。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等，符号相反，即焊点RaRb补偿效果可达±0.45με／℃。③

电路补偿法如图，电桥输出电压与桥臂参数的关系为

式中A——由桥臂电阻和电源电压决定的常数。USCR2R4R1R3E桥路补偿法由上式可知，当R3、R4为常数时，Rl和R2对输出电压的作用方向相反。利用这个基本特性可实现对温度的补偿，并且补偿效果较好，这是最常用的补偿方法之一。测量应变时，使用两个应变片，一片贴在被测试件的表面，图中R1称为工作应变片。另一片贴在与被测试件材料相同的补偿块上，图中R2，称为补偿应变片。在工作过程中补偿块不承受应变，仅随温度发生变形。由于R1与R2接入电桥相邻臂上，造成ΔR1t与ΔR2t相同，根据电桥理论可知，其输出电压USC与温度无关。当工作应变片感受应变时，电桥将产生相应输出电压。补偿应变片粘贴示意图R1R2当被测试件不承受应变时，R1和R2处于同一温度场，调整电桥参数，可使电桥输出电压为零，即上式中可以选择R1=R2=R及R3=R4=R′。当温度升高或降低时，若ΔR1t=ΔR2t，即两个应变片的热输出相等，由上式可知电桥的输出电压为零，即若此时有应变作用，只会引起电阻R1发生变化，R2不承受应变。故由前式可得输出电压为由上式可知，电桥输出电压只与应变ε有关，与温度无关。为达到完全补偿，需满足下列三个条件：①R1和R2须属于同一批号的，即它们的电阻温度系数α、线膨胀系数β、应变灵敏系数K都相同，两片的初始电阻值也要求相同；②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；③两应变片处于同一温度环境中。

此方法简单易行，能在较大温度范围内进行补偿。缺点是三个条件不易满足，尤其是条件③。在某些测试条件下，温度场梯度较大，R1和R2很难处于相同温度点。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，这样既能起到温度补偿作用，又能提高输出的灵敏度，如图所示的贴法。R1R2FFR1R2（b）（a）F图(a)为一个梁受弯曲应变时，应变片R1和R2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R1和R2的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。(b)图是受单向应力的构件，将工作应变片R2的轴线顺着应变方向，补偿应变片R1的轴线和应变方向垂直，R1和R2接入电桥相邻臂，其输出为构件受弯曲应力构件受单向应力四臂全桥

全桥的四个桥臂都为应变片，如果设法使试件受力后，应变片R1~

R4产生的电阻增量（或感受到的应变

1~

4）正负号相间，就可以使输出电压Uo成倍地增大。上述三种工作方式中，全桥四臂工作方式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最低。采用全桥（或双臂半桥）还能实现温度自补偿。另外也可以采用热敏电阻进行补偿。如图所示，热敏电阻Rt与应变片处在相同的温度下，当应变片的灵敏度随温度升高而下降时，热敏电阻Rt的阻值下降，使电桥的输入电压随温度升高而增加，从而提高电桥输出电压。选择分流电阻R5的值，可以使应变片灵敏度下降对电桥输出的影响得到很好的补偿。USCR2R4R1R3ERtR54.线路补偿3.2.6应变片的选择与粘贴

仔细观察电阻应变片的样品，区别纸基、胶基等应变片及其结构，特别注意应变片在粘贴时的正反面区别。（一）应变片的选择与准备(1)根据试件大小、工作温度和受力情况，选取合适的应变片；(2)用5～10倍的放大镜和万用表等选择没有短路、断路、汽泡等缺陷，并且要求表面平整、丝栅排列均匀的应变片；(3)量出所选取应变片的阻值，使阻值相近的应变片放在一起，应保证同组各应变片的阻值差不超过0.5Ω（0.1Ω），这样在测量时容易调整平衡（1）预清洗:根据试件的表面状况进行预清洗，一般采用有机溶剂脱脂除渍；（2）除锈、粗化:采用手持砂轮工具除去构件表面的油污、漆、锈斑等，并用细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力，用浸有酒精或丙酮的纱布片或脱脂棉球擦洗。一般多采用砂布打磨法，除掉试件表面的锈渍使其露出新鲜的金属表层，以便使胶液充分浸润以提高粘贴强度，打磨面要大于应变片的面积（图2—1）；（二）试件的表面处理与划线图2-1试件的打磨与定位图2-2粘贴应变片后的试件（3）划定位基准线根据应变片尺寸，利用钢板尺、高度尺、划线针或硬质铅笔划出确定应变片粘贴位置的定位基准线。划线时，不要划到应变片覆盖范围内；（4）清洗一般采用纯度较高的无水乙醇、丙酮等，用尖镊子夹持脱脂棉球蘸少量的丙酮粗略地洗去打磨粉粒，然后用无污染的脱脂棉球蘸丙酮仔细地从里向外擦拭粘贴表面，擦一次转换一个侧面再擦，棉球四面都用过，更换新棉球用同样的方法擦洗，直到没有污物和油渍为止。应变片背面也要轻轻擦拭干净，干燥后待用。（三）粘贴在无灰尘的条件下，用清洗过的小螺丝刀蘸取少量KH—501（或502）胶液，在清洗好的试件粘贴表面和应变片背面单方向涂上薄而均匀的一层胶液(单方向涂抹，以防产生汽泡)，放置少许时间，将应变片涂胶一面与试件表面贴合，并注意应变片的定位标应与试件上的定位基准线对齐。在贴好的应变片上覆盖一层聚四氟乙烯薄膜用手指单方向轻轻按压，将余胶和气泡挤出压平。手指按压时不要相对试件错动，按压3～5分钟后，放在室温下固化待用。（四）接桥１.将干燥固化后的应变片用数字万用表检查有无短路、断路现象，并测出应变片与试件之间的绝缘电阻；２.检查无误后，按图2—3焊接成半桥或全桥；３．用万用表检查绝缘及通路；４．用惠斯顿电桥或数字万用表测量两臂（半桥：AB、BC）或两对角（全桥：AC、BD），检查其阻值是否大致相等，最好不超过0.5Ω，否则应变仪不易调平衡。图2—3（a）串联半桥(b)半桥(C)全桥(五)密封、防潮密封、防潮措施是为了保护粘贴后的应变片避免受到机械损坏，在使用过程中不受环境温度变化的影响，保持良好的绝缘性能。3.2.7电阻式力敏传感器应用

第一类是将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量转换电路，这样就构成测量各种物理量的专用应变式传感器。应变式传感器中，敏感元件一般为各种弹性体（参见3.1x-2），传感元件就是应变片，测量转换电路一般为桥路；

第二类是将应变片贴于被测试件上，然后将其接到应变仪上就可直接从应变仪上读取被测试件的应变量。

应变/压阻效应的应用十分广泛。它可以测量应变、应力、弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。电阻应变/压阻片的应用可分为两大类：(一)应变式传感器

应变式力传感器

FFFF各种弹性元件

各种悬臂梁

FF固定点固定点电缆应变片在悬臂梁上的粘贴及变形

应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置FR1R2

R4荷重传感器原理演示荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形。轴向变短，径向变长。

汽车衡荷重传感器应用估算

在上面介绍过的汽车衡示意图中，共使用了4个荷重传感器，量程Fm=20t，灵敏度KF=2.5mV/V，使用4个独立的桥路电源，每一个电源电压均相等，Ui=12V，四个荷重传感器的输出串联，总的输出电压Uo=24mV，请估算汽车的质量。

汽车在钢板上有少许的前、后、左、右偏位，是否会影响测量结果？为什么？电子秤

磅秤超市打印秤远距离显示电子天平电子天平的精度可达十万分之一吊钩秤

便携式应变式数显扭矩扳手应变式扭矩传感器1.集流环2.应变片3.旋转轴4.电刷应变式加速度传感器

3.2.16应变式加速度传感器1.壳体2.质量块3.悬臂梁4.应变片5.阻尼油应变式压力传感器电阻应变仪（续）

技术指标量程：1±10000με频率范围：0-150kHz平衡方式：手动准确度（精度）：0.3%零点飘移：

-/℃：±0.1με

-/24小时：±0.5με灵敏度变化：

-/℃：±0.05%

-/24小时：±0.3%信噪比：52dB（参考东方振动和噪声技术研究所资料）电阻应变仪（续）接线端子600MPa级高强钢筋及其混凝土构件试验研究（中建八局）材料应变的测量斜拉桥上的斜拉绳应变测试重庆东水门大桥骨骼应变测量镜片应变测量压阻式固态压力传感器

利用扩散工艺制作的四个半导体应变电阻处于同一硅片上，工艺一致性好，灵敏度相等，漂移抵消，迟滞、蠕变非常小，动态响应快。

（二）压阻式传感器压阻式固态压力传感器的隔离、承压膜片隔离、承压膜片可以将腐蚀性的气体、液体与硅膜片隔离开来。小型压阻式固态压力传感器（续）呼吸、透析和注射泵设备中用的压力传感器p1进气管p2进气管固态压力传感器投入式液位计

压阻式固态压力传感器用于投入式液位计：p1的进气孔用柔性不锈钢隔离膜片隔离，并用硅油传导压力而与液体相通。

投入式液位计外形（续）压阻式固态压力传感器

光柱显示器

橡胶背压管

投入式液位传感器

投入式液位传感器安装方便，适应于深度为几米至几十米，且混有大量污物、杂质的水或其他液体的液位测量。

投入式液位计液位的计算：

安装高度h0处水的表压 : p1-p2=

gh1

h=h0+h1=h0+p1/（

g）5力学量及其相关参量的检测力敏传感器指对力学量敏感的一类器件或装置。按工作原理分：①应变式力敏传感器②压阻式力敏传感器③压电式力敏传感器④电感式力敏传感器⑤电容式力敏传感器⑥谐振式力敏传感器2026/8/2578

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，这种现象称为正压电效应。

若在电介质的极化方向上施加交变电压，它就会产生机械变形。当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）。

依据电介质压电效应研制的一类传感器称为压电传感器。5.2压电式传感器及其应用3.4.1压电传感器的工作原理压电效应2026/8/25793.4.2压电材料

无机压电材料有机压电材料

换能器压电材料1.压电晶体石英晶体是单晶结构，为六角形晶柱，两端呈六棱锥形状，石英晶体为六棱形。它有三个互相垂直的轴。其中x轴称为电气轴，y轴称为机械轴，z轴称为光学轴。石英晶体外形石英晶体薄片常用的压电单晶有石英（SiO2）、铌酸锂（LiNbO3）、α碘酸锂（α-LiIO3）、硫酸锂（Li2SO4）等双面镀银并封装2026/8/2581天然形成的石英晶体外形（续）

电气轴机械轴光轴•“纵向压电效应”

沿电轴x方向施加作用力产生的压电效应称为纵向压电效应•“横向压电效应”

沿机械轴y方向施加作用力产生的压电效应称为横向压电效应；•沿光轴Z方向施加作用力则不产生压电效应。

图3.4.2石英晶体•石英晶体的压电效应具有各向异性——

电荷的符号由受拉力还是受压力作用所决定。电荷量的大小：

Qx与晶片几何尺寸无关，而Qy则与晶片几何尺寸有关。2026/8/2583石英晶体振荡器（晶振）晶振石英等压电单晶压电系数小，介电常数很低，受切型限制存在尺寸局限，但机械强度和品质因素高，稳定性好，机械品质因子高，多用来作标准频率控制的振子、高选择性（多属高频狭带通）的滤波器以及高频、高温超声换能器等。2026/8/2584（2）压电陶瓷

压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比石英晶体的压电灵敏度高得多，工艺性好，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。

常用的压电陶瓷材料有：钛酸钡BT(BaTiO3)、锆钛酸铅PZT、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸铅钡锂PBLN、改性钛酸铅PT等。锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及非铅系压电陶瓷（如BaTiO3等）。

不足：机械品质因子较低、电损耗较大、稳定性差，因而适合于大功率换能器和宽带滤波器等应用，但对高频、高稳定应用不理想。自发极化电畴极化强度为零，无压电效应施加高压电场极化，电畴转向，有一定的极化强度电场撤销后，有剩余极化强度陶瓷片两端出现束缚电荷电场强度：1-4kV/mm•压电陶瓷极化过程直流电场E剩余极化强度剩余伸长电场作用下的伸长(a)极化处理前(b)极化处理中(c)极化处理后

＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋

极化方向正压电效应示意图（实线代表形变前的情况，虚线代表形变后的情况）F－＋

正压电效应将机械能转换为电能2026/8/2587压电陶瓷外形

2026/8/2588无铅压电陶瓷及其换能器外形

（上海硅酸盐研究所研制）

2026/8/2589（3）有机聚合物

又称压电聚合物，典型的高分子压电材料有聚偏氟乙烯（PVDF）、偏聚二氟乙烯（PVF2）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。这类材料具其材质柔韧，低密度，低阻抗和高压电电压常数(g)等优点。高分子压电薄膜及拉制2026/8/2590高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆

2026/8/2591又称复合型高分子压电材料，这类材料是在有机聚合物基底材料中嵌入片状、棒状、杆状或粉末状压电材料构成的。兼有无机压电材料优良压电性和高分子压电材料的优良加工性能，而且不需要进行拉伸等处理，即可获得压电性。而这种压电性在薄膜内无各向异性，故在任何方向上都显示出相同的压电性。至今已在水声、电声、超声、医学等领域得到广泛的应用。如果它制成水声换能器，不仅具有高的静水压响应速率，而且耐冲击，不易受损且可用与不同的深度。

(4)压电复合材料F+

最简单的压电式传感器的结构及工作原理如图所示。在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，构成两个电极。当压电晶片受到压力F的作用时，分别在两个极板上积聚数量相等而极性相反的电荷，形成电场。

因此，压电传感器可以看作是一个电荷发生器，也可以看成是一个电容器。1.结构形式3.4.3压电元件的常用结构形式及转换电路压电元件的等效电路＋＋＋＋――――qq电极压电晶体Ca(b)(a)2.压电传感器的等效电路当压电传感器的压电元件受到外力作用时，就会在受力纵向或横向表面上出现电荷。在一个极板上聚集正电荷，而在另一个极板上聚集负电荷。因此压电传感器可以看成是一个电荷发生器。同时，它也是一个电容器，其电容值为：＋＋＋＋――――qq电极压电晶体Ca(b)(a)

压电传感器的等效电路

压电元件可以等效成一个与电容相并联的电荷源——电荷等效电路；也可以等效为一个电压源与电容串联——电压等效电路（1）

压电元件等效电路qq＝UaCaCaCaUaUa＝q/Ca（a）电荷等效电路（b）电压等效电路

传感器内部信号电荷无“漏损”，外电路负载无穷大时，压电传感器受力后产生的电压或电荷才能长期保存，否则电路将以某时间常数按指数规律放电。这对于静态标定以及低频准静态测量极为不利，必然带来误差。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断地作用，传感器的电荷才能得以补充，因此，压电晶体不适合于静态测量。2026/8/2595石英晶体的压电效应演示

当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。

压电传感器与测量仪表联接时，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RaCaRaCcRiCiqRaCcRiCiCaUa压电传感器的完整等效电路Ca传感器的固有电容Ci

前置放大器输入电容

Cc

连线电容Ra传感器的漏电阻Ri前置放大器输入电阻

压电传感器的绝缘电阻Ra与前置放大器的输入电阻Ri相并联。为保证传感器和测试系统有一定的低频或准静态响应，要求压电传感器绝缘电阻应保待在1013Ω以上，才能使内部电荷泄漏减少到满足一般测试精度的要求。与上相适应，测试系统则应有较大的时间常数，亦即前置放大器要有相当高的输入阻抗，否则传感器的信号电荷将通过输入电路泄漏，即产生测量误差。

（2）测量等效电路

压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗变换后，方可输入到后续显示仪表中。

压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，因此前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。前置放大器的作用：一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；二是放大传感器输出的微弱信号。电压放大器－A－ACaCaRaRiCiCcCRUiUSCUSCUa(a)(b)UaC=Cc+Ci压电元件所受作用力：压电元件产生的电压值为：放大器输入端的电压Ui：电荷放大器

其低频响应优于电压放大器，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泛；但电路较复杂，调整困难，价格较高。

－A0CaU∑USCiRaqCFRF输出电压：当A0足够大时,传感器本身的电容和电缆长短将不影响电荷放大器的输出。因此输出电压USC只决定于输入电荷q及反馈回路的参数CF和RF。由于1／RF<<ωCF,则可见当A0足够大时，输出电压与A0无关，只取决于输入电荷q和反馈电容CF，改变CF的大小便可得到所需的电压输出。

CF一般取值100-104pF。

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，故只适用于动态测量（一般必须高于100Hz，但在50kHz以上时，灵敏度下降）。3.4.4压电传感器及其应用压电元件的串联和并联a)b)

在实际应用中，由于单片的输出电荷很小，因此，常常将两片或两片以上的晶片粘结在一起（即并联和串联），组成压电式传感器。由于压电材料是有极性的，因此连接方法有两种。+并联+串联并联和串联：

并联时（2C,2Q,U），传感器的电容量大、输出电荷量大、时间常数也大，故适用于测量缓变信号及电荷量输出信号。

串联时（C/2，Q,2U），传感器本身的电容量小、响应快、输出电压大，故适用于测量以电压作输出的信号和频率较高的信号。+-++-+-+-+-+-+--+-+-+-+-

并联

串联3.4.4压电传感器及其应用1．压电加速度传感器

压电加速度传感器是一种常用的加速度计。因其固有频率高，高频(几千赫至十几千赫范围)响应好，如配以电荷放大器，低频特性也很好(可低至0.3Hz)。压电加速度传感器的优点是体积小、重量轻，缺点是要经常校正灵敏度。基座压电片质量块m压簧壳体压电加速度传感器结构：压电片用高压电系数的压电陶瓷制成。两个压电片并联。质量块用高比重的金属块，对压电元件施加预载荷。测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。F=ma,F∝a又q∝F∴q∝a基座压电片质量块m压簧壳体压电加速器传感器的另一种结构形式是利用压电元件的切变效应。2．压电式压力传感器

压电压力传感器主要用于发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量，它既可用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。压电式压力传感器１－压电晶片２－膜片弹簧３－薄壁圆筒４－外壳５－引线预压圆筒壳体绝缘体引线电极压电堆片膜片弹簧

压电式