第2章力學(xué)量傳感器及應(yīng)用

1、第第2章章 力學(xué)量傳感器及應(yīng)用力學(xué)量傳感器及應(yīng)用第2章 力學(xué)量傳感器及應(yīng)用v知識目標(biāo)知識目標(biāo)通過本課題的學(xué)習(xí)，掌握有關(guān)壓力的基本概念，掌握應(yīng)變通過本課題的學(xué)習(xí)，掌握有關(guān)壓力的基本概念，掌握應(yīng)變效應(yīng)、壓電效應(yīng)的概念，理解應(yīng)變效應(yīng)、壓電效應(yīng)原理；效應(yīng)、壓電效應(yīng)的概念，理解應(yīng)變效應(yīng)、壓電效應(yīng)原理；了解彈性敏感元件的作用和特性；熟悉電阻應(yīng)變片的主要了解彈性敏感元件的作用和特性；熟悉電阻應(yīng)變片的主要特性，了解應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)、類型、轉(zhuǎn)換電路及應(yīng)用；熟悉特性，了解應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)、類型、轉(zhuǎn)換電路及應(yīng)用；熟悉常用壓電材料特性，了解壓電傳感器測量電路轉(zhuǎn)換原理。常用壓電材料特性，了解壓電傳感器測量電路轉(zhuǎn)換原理。技能目標(biāo)

2、技能目標(biāo)通過本課題的學(xué)習(xí)，能正確給應(yīng)變片選擇相應(yīng)的彈性敏感通過本課題的學(xué)習(xí)，能正確給應(yīng)變片選擇相應(yīng)的彈性敏感元件，熟練掌握電阻應(yīng)變片的粘貼工藝，利用電阻應(yīng)變片元件，熟練掌握電阻應(yīng)變片的粘貼工藝，利用電阻應(yīng)變片構(gòu)成電橋電路；熟悉壓電元件的連接方式，了解壓電式傳構(gòu)成電橋電路；熟悉壓電元件的連接方式，了解壓電式傳感器的性能、特點(diǎn)，能分析由壓電傳感器組成檢測系統(tǒng)的感器的性能、特點(diǎn)，能分析由壓電傳感器組成檢測系統(tǒng)的工作原理，正確應(yīng)用和維護(hù)壓電傳感器。工作原理，正確應(yīng)用和維護(hù)壓電傳感器。v 2.1 壓力檢測基礎(chǔ)壓力檢測基礎(chǔ)2.1.1壓力的定義壓力的定義 壓力是垂直而均勻地作用在單位面積上的力，即物理壓力是

3、垂直而均勻地作用在單位面積上的力，即物理學(xué)中常稱的壓強(qiáng)。學(xué)中常稱的壓強(qiáng)。 2.1.2 壓力的表示方法壓力的表示方法由于參照點(diǎn)不同，在工程上壓力有幾種不同表示方法：由于參照點(diǎn)不同，在工程上壓力有幾種不同表示方法：絕對壓力、大氣壓力、表壓力、真空度絕對壓力、大氣壓力、表壓力、真空度(負(fù)壓負(fù)壓) 、差壓、差壓(壓差壓差)等，這幾種表示法的關(guān)系如圖等，這幾種表示法的關(guān)系如圖2-1所示。所示。 SFp v 2.1.3 壓力的計(jì)量單位壓力的計(jì)量單位壓力是力和面積的導(dǎo)出量。在國際單位制中，取力的單位壓力是力和面積的導(dǎo)出量。在國際單位制中，取力的單位為牛頓，面積單位為平方米，則壓力單位為牛頓為牛頓，面積單位為

4、平方米，則壓力單位為牛頓/米米2，用符號用符號N/m2表示；壓力單位又稱為帕斯卡或簡稱帕，表示；壓力單位又稱為帕斯卡或簡稱帕，符號為符號為Pa。1Pa1N/m2。因帕單位太小，工程上常。因帕單位太小，工程上常用用kPa(103Pa)和和MPa(106Pa)表示。我國已規(guī)定帕表示。我國已規(guī)定帕斯卡為壓力的法定單位。斯卡為壓力的法定單位。 v 2.1.4 壓力測量儀表的分類壓力測量儀表的分類1.柱式壓力儀表柱式壓力儀表 把被測量壓力表式成液柱高度測壓力，如把被測量壓力表式成液柱高度測壓力，如U型管壓力計(jì)、型管壓力計(jì)、單管壓力計(jì)。在工業(yè)生產(chǎn)過程中有一定使用。單管壓力計(jì)。在工業(yè)生產(chǎn)過程中有一定使用。

5、特點(diǎn)：讀數(shù)直觀、數(shù)據(jù)可靠、準(zhǔn)確度高，不僅能測表壓、特點(diǎn)：讀數(shù)直觀、數(shù)據(jù)可靠、準(zhǔn)確度高，不僅能測表壓、差壓、還能測負(fù)壓。但只能測較低的壓力或差壓。只能進(jìn)差壓、還能測負(fù)壓。但只能測較低的壓力或差壓。只能進(jìn)行現(xiàn)場指示。行現(xiàn)場指示。2.彈性式壓力儀表彈性式壓力儀表把被測壓力轉(zhuǎn)換成彈性元件受壓變形所產(chǎn)生的位移大小來把被測壓力轉(zhuǎn)換成彈性元件受壓變形所產(chǎn)生的位移大小來測量。如單圈彈簧管壓力計(jì)、多圈彈簧管壓力計(jì)、波紋管測量。如單圈彈簧管壓力計(jì)、多圈彈簧管壓力計(jì)、波紋管壓力計(jì)和簧片式壓立計(jì)等，在工業(yè)過程中較常用。壓力計(jì)和簧片式壓立計(jì)等，在工業(yè)過程中較常用。v 3.電氣式壓力儀表電氣式壓力儀表根據(jù)各種非電量測量技

6、術(shù)，把被測壓力轉(zhuǎn)換成各種電量變根據(jù)各種非電量測量技術(shù)，把被測壓力轉(zhuǎn)換成各種電量變化來測量的。如：應(yīng)變片式，電阻式，電容式，電感式，化來測量的。如：應(yīng)變片式，電阻式，電容式，電感式，霍爾片式，振頻式等，廣泛用于現(xiàn)代工業(yè)壓力測量與自控霍爾片式，振頻式等，廣泛用于現(xiàn)代工業(yè)壓力測量與自控系統(tǒng)中。系統(tǒng)中。4.活塞式壓力標(biāo)準(zhǔn)儀表活塞式壓力標(biāo)準(zhǔn)儀表把被測儀表轉(zhuǎn)換成活塞上所加平衡砝碼的重量大小來測量。把被測儀表轉(zhuǎn)換成活塞上所加平衡砝碼的重量大小來測量。 常見的有單活塞和雙活塞標(biāo)準(zhǔn)壓力表。是種高精度標(biāo)準(zhǔn)壓常見的有單活塞和雙活塞標(biāo)準(zhǔn)壓力表。是種高精度標(biāo)準(zhǔn)壓力計(jì)，常用于檢驗(yàn)其他類型壓力計(jì)。力計(jì)，常用于檢驗(yàn)其他類型壓

7、力計(jì)。v 2.2 彈性敏感元件彈性敏感元件物體在外力作用下改變原來尺寸或形狀的現(xiàn)象稱為變形。物體在外力作用下改變原來尺寸或形狀的現(xiàn)象稱為變形。若外力去掉后物體又能完全恢復(fù)其原來的尺寸或形狀，這若外力去掉后物體又能完全恢復(fù)其原來的尺寸或形狀，這種變形稱為彈性變形。具有彈性變形特性的物體稱為彈性種變形稱為彈性變形。具有彈性變形特性的物體稱為彈性元件。元件。 根據(jù)彈性元件在傳感器中的作用，可以分為兩種類型：彈根據(jù)彈性元件在傳感器中的作用，可以分為兩種類型：彈性敏感元件和彈性支承。前者感受力、力矩、壓力等被測性敏感元件和彈性支承。前者感受力、力矩、壓力等被測參數(shù)，并通過它將被測量變換為應(yīng)變、位移等，也

8、就是通參數(shù)，并通過它將被測量變換為應(yīng)變、位移等，也就是通過它把被測參數(shù)由一種物理狀態(tài)轉(zhuǎn)換為另一種所需要的物過它把被測參數(shù)由一種物理狀態(tài)轉(zhuǎn)換為另一種所需要的物理狀態(tài)，故稱為彈性敏感元件。理狀態(tài)，故稱為彈性敏感元件。v2.2.1 彈性敏感材料的彈性特性 作用在彈性敏感元件上的外力與由該外力所引起作用在彈性敏感元件上的外力與由該外力所引起的相應(yīng)變形（應(yīng)變、位移或轉(zhuǎn)角）之間的關(guān)系稱的相應(yīng)變形（應(yīng)變、位移或轉(zhuǎn)角）之間的關(guān)系稱為彈性元件的彈性特性。主要特性如下：為彈性元件的彈性特性。主要特性如下：1. 剛度 剛度是彈性敏感元件在外力作用下抵抗變形的能剛度是彈性敏感元件在外力作用下抵抗變形的能力。力。 v2

9、.靈敏度靈敏度v靈敏度就是彈性敏感元件在單位力作用下產(chǎn)生變靈敏度就是彈性敏感元件在單位力作用下產(chǎn)生變形的大小。它是剛度的倒數(shù)形的大小。它是剛度的倒數(shù)v3.彈性滯后彈性滯后實(shí)際的彈性元件在加、卸載的正、反行程中變形實(shí)際的彈性元件在加、卸載的正、反行程中變形曲線是不重合的，這種現(xiàn)象稱為彈性滯后現(xiàn)象，曲線是不重合的，這種現(xiàn)象稱為彈性滯后現(xiàn)象，如圖如圖2-3所示。所示。v4.彈性后效彈性后效 彈性敏感元件所加載荷改變后，不是立即完成相彈性敏感元件所加載荷改變后，不是立即完成相應(yīng)的變形，而是在一定時(shí)間間隔中逐漸完成變形應(yīng)的變形，而是在一定時(shí)間間隔中逐漸完成變形的現(xiàn)象稱為彈性后效現(xiàn)象。的現(xiàn)象稱為彈性后效現(xiàn)

10、象。v5.固有振動(dòng)頻率彈性敏感元件的動(dòng)態(tài)特性與它的固有振動(dòng)頻率彈性敏感元件的動(dòng)態(tài)特性與它的固有振動(dòng)頻率fo有很大的關(guān)系，固有振動(dòng)頻率通常由實(shí)驗(yàn)測得。有很大的關(guān)系，固有振動(dòng)頻率通常由實(shí)驗(yàn)測得。傳感器的工作頻率應(yīng)避開彈性敏感元件的固有振傳感器的工作頻率應(yīng)避開彈性敏感元件的固有振動(dòng)頻率。動(dòng)頻率。v2.2.2 彈性敏感元件的材料及基本要求 對彈性敏感元件的基本要求：對彈性敏感元件的基本要求：具有良好的機(jī)械特性（強(qiáng)度高、抗沖擊、韌性具有良好的機(jī)械特性（強(qiáng)度高、抗沖擊、韌性好、疲勞強(qiáng)度高等）和良好的機(jī)械加工及熱處理好、疲勞強(qiáng)度高等）和良好的機(jī)械加工及熱處理性能；性能；良好的彈性特性（彈性極限高、彈性滯后和

11、彈良好的彈性特性（彈性極限高、彈性滯后和彈性后效小等）；性后效小等）；彈性模量的溫度系數(shù)小且穩(wěn)定，材料的線膨脹彈性模量的溫度系數(shù)小且穩(wěn)定，材料的線膨脹系數(shù)小且穩(wěn)定；系數(shù)小且穩(wěn)定；抗氧化性和抗腐蝕性等化學(xué)性能良好。抗氧化性和抗腐蝕性等化學(xué)性能良好。v2.2.3 變換力的彈性敏感元件變換力的彈性敏感元件v所謂變換力的彈性敏感元件是指輸入量為力所謂變換力的彈性敏感元件是指輸入量為力F，輸出量為應(yīng)變或位移的彈性敏感元件。常用的變輸出量為應(yīng)變或位移的彈性敏感元件。常用的變換力的彈性敏感元件有實(shí)心軸、空心軸、等截面換力的彈性敏感元件有實(shí)心軸、空心軸、等截面圓環(huán)、變截面圓環(huán)、懸臂梁、扭轉(zhuǎn)軸等，如圖圓環(huán)、變截

12、面圓環(huán)、懸臂梁、扭轉(zhuǎn)軸等，如圖2-5所示。所示。v1.等截面軸等截面軸v等截面軸的特點(diǎn)是加工方便，加工精度高，但靈等截面軸的特點(diǎn)是加工方便，加工精度高，但靈敏度小，適用于載荷較大的場合。敏度小，適用于載荷較大的場合。v2.環(huán)狀彈性元件環(huán)狀彈性元件v環(huán)狀彈性元件多做成等截面圓環(huán)，如圖環(huán)狀彈性元件多做成等截面圓環(huán)，如圖2-5（c）、）、（d）所示。圓環(huán)受力后較易變形，因而它多用）所示。圓環(huán)受力后較易變形，因而它多用于測量較小的力。于測量較小的力。v 3.懸臂梁懸臂梁懸臂梁是一端固定、一端自由的彈性敏感元件。它懸臂梁是一端固定、一端自由的彈性敏感元件。它的特點(diǎn)是靈敏度高。它的輸出可以是應(yīng)變，也可的特

13、點(diǎn)是靈敏度高。它的輸出可以是應(yīng)變，也可以是撓度以是撓度(位移位移)。由于它在相同力作用下的變形。由于它在相同力作用下的變形比等截面軸及圓環(huán)都大，所以多應(yīng)用于較小力的比等截面軸及圓環(huán)都大，所以多應(yīng)用于較小力的測量。根據(jù)它的截面形狀，又可以分為等截面懸測量。根據(jù)它的截面形狀，又可以分為等截面懸臂梁和等強(qiáng)度懸臂梁。臂梁和等強(qiáng)度懸臂梁。 (1)等截面懸臂梁v圖圖2-5（h）為等截面的側(cè)視圖及俯視圖。）為等截面的側(cè)視圖及俯視圖。 FEbll20)(6等強(qiáng)度懸臂梁v由分析可知，當(dāng)梁的自由端有力由分析可知，當(dāng)梁的自由端有力F作用時(shí)，沿梁作用時(shí)，沿梁的整個(gè)長度上的應(yīng)變處處相等，即它的靈敏度與的整個(gè)長度上的應(yīng)變

14、處處相等，即它的靈敏度與梁長度方向坐標(biāo)無關(guān)，因此稱其為等強(qiáng)度懸臂梁。梁長度方向坐標(biāo)無關(guān)，因此稱其為等強(qiáng)度懸臂梁。FEbl2064.扭轉(zhuǎn)軸扭轉(zhuǎn)軸v在扭矩在扭矩T的作用下，扭轉(zhuǎn)軸的表面將產(chǎn)生拉伸或的作用下，扭轉(zhuǎn)軸的表面將產(chǎn)生拉伸或壓縮應(yīng)變。在軸表面上與軸線成壓縮應(yīng)變。在軸表面上與軸線成45方向（如圖方向（如圖2-5（k）的）的A1、B1方向）的應(yīng)變?yōu)榉较颍┑膽?yīng)變?yōu)?1 (230ErT2.2.4 變換壓力的彈性敏感元件變換壓力的彈性敏感元件 1.彈簧管彈簧管v彈簧管截面形狀多為橢圓形或更復(fù)雜的形狀，壓彈簧管截面形狀多為橢圓形或更復(fù)雜的形狀，壓力力p通過彈簧管的固定端導(dǎo)入彈簧管的內(nèi)腔，彈通過彈簧管的固

15、定端導(dǎo)入彈簧管的內(nèi)腔，彈簧管的另一端（自由端）由蓋子與傳感器的傳感簧管的另一端（自由端）由蓋子與傳感器的傳感元件相連。在壓力作用下，彈簧管的截面力圖變元件相連。在壓力作用下，彈簧管的截面力圖變成圓形，截面的短軸力圖伸長，長軸縮短。截面成圓形，截面的短軸力圖伸長，長軸縮短。截面形狀的改變導(dǎo)致彈簧管趨向伸直，一直到與壓力形狀的改變導(dǎo)致彈簧管趨向伸直，一直到與壓力的作用相平衡為止（如圖的作用相平衡為止（如圖2-6（a）中的虛線所）中的虛線所示）。由此可見，利用彈簧管可以把壓力變換為示）。由此可見，利用彈簧管可以把壓力變換為位移。位移。C形彈簧管的剛度較大，靈敏度較小，但形彈簧管的剛度較大，靈敏度較小

16、，但過載能力較強(qiáng)，因此常作為測量較大壓力的彈性過載能力較強(qiáng)，因此常作為測量較大壓力的彈性敏感元件。敏感元件。2.波紋管波紋管 v波紋管在壓力作用下將產(chǎn)生伸長或縮短，所以利波紋管在壓力作用下將產(chǎn)生伸長或縮短，所以利用波紋管可以把壓力變換成位移，它的靈敏度比用波紋管可以把壓力變換成位移，它的靈敏度比彈簧管高的多。在非電量測量中，波紋管的直徑彈簧管高的多。在非電量測量中，波紋管的直徑為為12160mm，被測壓力范圍約為，被測壓力范圍約為102106 Pa。v3.等截面薄板等截面薄板v圓心附近以及膜片的邊緣區(qū)域的應(yīng)變均較大，但圓心附近以及膜片的邊緣區(qū)域的應(yīng)變均較大，但符號相反，這一特性在壓阻傳感器中得

17、到應(yīng)用。符號相反，這一特性在壓阻傳感器中得到應(yīng)用。v平膜片中心的位移與壓力平膜片中心的位移與壓力P之間成非線性關(guān)系。之間成非線性關(guān)系。只有當(dāng)位移量比薄板的厚度小得多時(shí)才能獲得較只有當(dāng)位移量比薄板的厚度小得多時(shí)才能獲得較小的非線性誤差。小的非線性誤差。 4.波紋膜片和膜盒波紋膜片和膜盒v膜片的波紋形狀可以有很多形式，圖膜片的波紋形狀可以有很多形式，圖2-6（d）示出的是鋸齒波紋，有時(shí)也采用正弦波紋。波紋示出的是鋸齒波紋，有時(shí)也采用正弦波紋。波紋的形狀對膜片的輸出特性有影響。在一定的壓力的形狀對膜片的輸出特性有影響。在一定的壓力作用下，正弦波紋膜片給出的位移最大，但線性作用下，正弦波紋膜片給出的位

18、移最大，但線性較差；鋸齒波紋膜片給出的位移最小，但線性較較差；鋸齒波紋膜片給出的位移最小，但線性較好；梯形波紋膜片的特性介于上述兩者之間，膜好；梯形波紋膜片的特性介于上述兩者之間，膜片厚度通常為片厚度通常為0.050.5mm。v為了進(jìn)一步提高靈敏度，常把兩個(gè)膜片焊接在一為了進(jìn)一步提高靈敏度，常把兩個(gè)膜片焊接在一起，制成膜盒。如圖起，制成膜盒。如圖2-6（e）所示。它中心的）所示。它中心的位移量為單位膜片的兩倍。由于膜盒本身是一個(gè)位移量為單位膜片的兩倍。由于膜盒本身是一個(gè)封閉的整體，所以密封性好，周邊不需固定，給封閉的整體，所以密封性好，周邊不需固定，給安裝帶來方便，它的應(yīng)用比波紋膜片廣泛的多。

19、安裝帶來方便，它的應(yīng)用比波紋膜片廣泛的多。5.薄壁圓筒和薄壁半球薄壁圓筒和薄壁半球v它們的外形如圖它們的外形如圖2-6（f）、（）、（g）所示，厚度一）所示，厚度一般約為直徑的般約為直徑的1/20左右，內(nèi)腔與被測壓力相通，左右，內(nèi)腔與被測壓力相通，均勻地向外擴(kuò)張，產(chǎn)生拉伸應(yīng)力和應(yīng)變。圓筒的均勻地向外擴(kuò)張，產(chǎn)生拉伸應(yīng)力和應(yīng)變。圓筒的應(yīng)變在軸向和圓筒方向上是不相等的，而薄壁半應(yīng)變在軸向和圓筒方向上是不相等的，而薄壁半球在軸向的應(yīng)變是相同的。球在軸向的應(yīng)變是相同的。2.3 電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器v2.3.1應(yīng)變效應(yīng)與應(yīng)變片應(yīng)變效應(yīng)與應(yīng)變片v電阻應(yīng)變片是能將被測試件的應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成電阻電阻應(yīng)變

20、片是能將被測試件的應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成電阻變化量的敏感元件。它是基于電阻應(yīng)變效應(yīng)而制變化量的敏感元件。它是基于電阻應(yīng)變效應(yīng)而制成的。成的。v1.電阻應(yīng)變效應(yīng)電阻應(yīng)變效應(yīng)v導(dǎo)體、半導(dǎo)體材料在外力作用下發(fā)生機(jī)械形變，導(dǎo)體、半導(dǎo)體材料在外力作用下發(fā)生機(jī)械形變，導(dǎo)致其電阻值發(fā)生變化的物理現(xiàn)象稱為電阻應(yīng)變導(dǎo)致其電阻值發(fā)生變化的物理現(xiàn)象稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。效應(yīng)。v當(dāng)金屬絲受拉時(shí)，其長度伸長當(dāng)金屬絲受拉時(shí)，其長度伸長dl，橫截面將相應(yīng)，橫截面將相應(yīng)減小減小dS，電阻率也將改變，電阻率也將改變d，這些量的變化，這些量的變化，必然引起金屬絲電阻改變必然引起金屬絲電阻改變dR 2ddddllRlSSSSv根據(jù)材料力學(xué)原理，

21、金屬絲受拉時(shí)，沿軸向伸長，根據(jù)材料力學(xué)原理，金屬絲受拉時(shí)，沿軸向伸長，而沿徑向縮短，二者之間應(yīng)變的關(guān)系為而沿徑向縮短，二者之間應(yīng)變的關(guān)系為v實(shí)驗(yàn)證明，在金屬絲變形的彈性范圍內(nèi)，電阻的實(shí)驗(yàn)證明，在金屬絲變形的彈性范圍內(nèi)，電阻的相對變化相對變化 R/R與應(yīng)變是成正比與應(yīng)變是成正比 xyxRKR2.電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與類電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與類型型v應(yīng)變片基本結(jié)構(gòu)應(yīng)變片基本結(jié)構(gòu)v電阻應(yīng)變片由敏感柵、基片、覆蓋層和引線等部電阻應(yīng)變片由敏感柵、基片、覆蓋層和引線等部分組成。其中，敏感柵是應(yīng)變片的核心部分，它分組成。其中，敏感柵是應(yīng)變片的核心部分，它是用直徑約為是用直徑約為0.025mm的具有高電阻率的電阻的具

22、有高電阻率的電阻絲制成的，為了獲得高的電阻值，電阻絲排列成絲制成的，為了獲得高的電阻值，電阻絲排列成柵網(wǎng)狀，故稱為敏感柵。將敏感柵粘貼在絕緣的柵網(wǎng)狀，故稱為敏感柵。將敏感柵粘貼在絕緣的基片上，兩端焊接引出導(dǎo)線，其上再粘貼上保護(hù)基片上，兩端焊接引出導(dǎo)線，其上再粘貼上保護(hù)用的覆蓋層，即可構(gòu)成電阻絲應(yīng)變片。用的覆蓋層，即可構(gòu)成電阻絲應(yīng)變片。 應(yīng)變片類型 v應(yīng)變片主要有金屬應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩類。應(yīng)變片主要有金屬應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩類。金屬片有絲式、箔式、薄膜式三種，其結(jié)構(gòu)如圖金屬片有絲式、箔式、薄膜式三種，其結(jié)構(gòu)如圖2-10所示。所示。 3.應(yīng)變片參數(shù)應(yīng)變片參數(shù)v標(biāo)準(zhǔn)電阻值（標(biāo)準(zhǔn)電阻值（R0）v

23、絕緣電阻（絕緣電阻（RG）v 靈敏度系數(shù)（靈敏度系數(shù)（K）v 應(yīng)變極限（應(yīng)變極限（max） v允許電流（允許電流（Ie） v機(jī)械滯后、蠕變及零漂機(jī)械滯后、蠕變及零漂 4.應(yīng)變片的粘貼技術(shù)應(yīng)變片的粘貼技術(shù)v基本步驟如下?；静襟E如下。v應(yīng)變片的檢查應(yīng)變片的檢查 v試件的表面處理試件的表面處理 v確定貼片位置確定貼片位置 v粘貼應(yīng)變片粘貼應(yīng)變片 v固化處理固化處理 v粘貼質(zhì)量檢查粘貼質(zhì)量檢查 v引出線的固定與保護(hù)引出線的固定與保護(hù) v防潮防蝕處理防潮防蝕處理 2.3.2 測量轉(zhuǎn)換電路測量轉(zhuǎn)換電路v1.應(yīng)變片測量應(yīng)變的基本原理應(yīng)變片測量應(yīng)變的基本原理v用應(yīng)變片測量應(yīng)變或應(yīng)力時(shí)，根據(jù)上述特點(diǎn)，在用應(yīng)變

24、片測量應(yīng)變或應(yīng)力時(shí)，根據(jù)上述特點(diǎn)，在外力作用下，被測對象產(chǎn)生微小機(jī)械變形，應(yīng)變外力作用下，被測對象產(chǎn)生微小機(jī)械變形，應(yīng)變片隨著發(fā)生相同的變化，同時(shí)應(yīng)變片電阻值也發(fā)片隨著發(fā)生相同的變化，同時(shí)應(yīng)變片電阻值也發(fā)生相應(yīng)變化。當(dāng)測得應(yīng)變片電阻值變化量生相應(yīng)變化。當(dāng)測得應(yīng)變片電阻值變化量 R時(shí)，時(shí)，便可得到被測對象的應(yīng)變值。根據(jù)應(yīng)力與應(yīng)變的便可得到被測對象的應(yīng)變值。根據(jù)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系，得到應(yīng)力值關(guān)系，得到應(yīng)力值為為v=E v應(yīng)力值應(yīng)力值正比于應(yīng)變正比于應(yīng)變 ，而試件應(yīng)變，而試件應(yīng)變 正比于電阻正比于電阻值的變化，所以應(yīng)力值的變化，所以應(yīng)力正比于電阻值的變化，這正比于電阻值的變化，這就是利用應(yīng)變片測量應(yīng)變

25、的基本原理。就是利用應(yīng)變片測量應(yīng)變的基本原理。 2.測量轉(zhuǎn)換電路測量轉(zhuǎn)換電路v最常用的電路為直流電橋和交流電橋。下面以直最常用的電路為直流電橋和交流電橋。下面以直流電橋電路為例，簡要介紹其工作原理及有關(guān)特流電橋電路為例，簡要介紹其工作原理及有關(guān)特性。性。312124oi2123412()()RR RRRRUURRRRRR一般采用全等臂形式，即R1=R2=R3=R4=R，上式可變?yōu)?i124o1234()4RURRRURRRR 半橋單臂工作方式io4URUR半橋雙臂工作方式v全橋全橋4臂工作方式臂工作方式 io2URURioRUUR3.電橋的線路補(bǔ)償電橋的線路補(bǔ)償v 零點(diǎn)補(bǔ)償零點(diǎn)補(bǔ)償 溫度補(bǔ)償

26、2.3.3 應(yīng)變式傳感器應(yīng)用實(shí)例應(yīng)變式傳感器應(yīng)用實(shí)例v1.應(yīng)變式測力與荷重傳感器應(yīng)變式測力與荷重傳感器 柱式力傳感器 梁式力傳感器2.壓力傳感器壓力傳感器3.位移傳感器位移傳感器4.加速度傳感器加速度傳感器2.4 固態(tài)壓阻式傳感器固態(tài)壓阻式傳感器v 2.4.1半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)半導(dǎo)體壓阻效應(yīng) v 固體材料受到壓力后，它的電阻率將發(fā)生一定的變化，所固體材料受到壓力后，它的電阻率將發(fā)生一定的變化，所有的固體材料都有這個(gè)特點(diǎn)，其中以半導(dǎo)體最為顯著。當(dāng)有的固體材料都有這個(gè)特點(diǎn)，其中以半導(dǎo)體最為顯著。當(dāng)半導(dǎo)體材料在某一方向上承受應(yīng)力時(shí)，它的電阻率將發(fā)生半導(dǎo)體材料在某一方向上承受應(yīng)力時(shí)，它的電阻率將發(fā)生顯著的

27、變化，這種現(xiàn)象稱為半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)。顯著的變化，這種現(xiàn)象稱為半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)。ERR2.4.2 擴(kuò)散型壓阻式傳感器擴(kuò)散型壓阻式傳感器v1.擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器v壓阻式壓力傳感器主要由外殼、硅杯膜片和引線壓阻式壓力傳感器主要由外殼、硅杯膜片和引線組成，其結(jié)構(gòu)如圖組成，其結(jié)構(gòu)如圖2-35所示。壓阻式壓力傳感所示。壓阻式壓力傳感器的核心部分是一塊圓形或方形的硅膜片，在硅器的核心部分是一塊圓形或方形的硅膜片，在硅膜片上，利用集成電路工藝制作了四個(gè)阻值相等膜片上，利用集成電路工藝制作了四個(gè)阻值相等的電阻。硅膜片的表面用的電阻。硅膜片的表面用SiO2薄膜加以保護(hù)，薄膜加以保護(hù)，并用鋁質(zhì)

28、導(dǎo)線做全橋的引線，硅杯膜片底部被加并用鋁質(zhì)導(dǎo)線做全橋的引線，硅杯膜片底部被加工成中間?。ㄓ糜诋a(chǎn)生應(yīng)變）、周邊厚（起支撐工成中間薄（用于產(chǎn)生應(yīng)變）、周邊厚（起支撐作用）的形狀作用）的形狀 v測量原理：在一塊圓形的單晶硅膜片上測量原理：在一塊圓形的單晶硅膜片上, 布置四布置四個(gè)擴(kuò)散電阻個(gè)擴(kuò)散電阻, 組成一個(gè)全橋測量電路。如圖組成一個(gè)全橋測量電路。如圖2-22（d）、（）、（e）所示。膜片用一個(gè)圓形硅杯固定）所示。膜片用一個(gè)圓形硅杯固定, 將兩個(gè)氣腔隔開。一端接被測壓力將兩個(gè)氣腔隔開。一端接被測壓力, 另一端接參另一端接參考壓力，如圖考壓力，如圖2-22（b）所示。當(dāng)存在壓差時(shí)）所示。當(dāng)存在壓差時(shí),

29、 膜片產(chǎn)生變形膜片產(chǎn)生變形, 使兩對電阻的阻值發(fā)生變化使兩對電阻的阻值發(fā)生變化, 電橋電橋失去平衡失去平衡, 其輸出電壓反映膜片承受的壓差的大其輸出電壓反映膜片承受的壓差的大小。小。 v壓阻式壓力傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是體積小壓阻式壓力傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是體積小, 結(jié)構(gòu)比結(jié)構(gòu)比較簡單較簡單, 動(dòng)態(tài)響應(yīng)也好動(dòng)態(tài)響應(yīng)也好, 靈敏度高靈敏度高, 能測出十幾帕能測出十幾帕斯卡的微壓斯卡的微壓, 它是一種比較理想、目前發(fā)展和應(yīng)它是一種比較理想、目前發(fā)展和應(yīng)用較為迅速的一種壓力傳感器。用較為迅速的一種壓力傳感器。 2.壓阻式加速度傳感器壓阻式加速度傳感器2.5 壓電式力學(xué)傳感器壓電式力學(xué)傳感器v2.5.1 壓電效

30、應(yīng)壓電效應(yīng)v1.壓電效應(yīng)的概念壓電效應(yīng)的概念v某些電介質(zhì)某些電介質(zhì), 當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾儺?dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí)形時(shí), 其內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象其內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象, 同時(shí)在它的兩個(gè)表同時(shí)在它的兩個(gè)表面上便產(chǎn)生符號相反的電荷面上便產(chǎn)生符號相反的電荷, 當(dāng)外力去掉后當(dāng)外力去掉后, 其又其又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)， 這種現(xiàn)象稱壓電效應(yīng)。這種現(xiàn)象稱壓電效應(yīng)。相反，當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場相反，當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場, 這些電介這些電介質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生變形質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生變形, 這種現(xiàn)象稱為這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)”（電致伸縮效應(yīng)）。（電致伸縮效應(yīng)）。 2.壓

31、電效應(yīng)原理壓電效應(yīng)原理v具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)很多，如石英晶體、壓電陶具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)很多，如石英晶體、壓電陶瓷、高分子壓電材料等?，F(xiàn)以石英晶體為例，簡瓷、高分子壓電材料等。現(xiàn)以石英晶體為例，簡要說明壓電效應(yīng)的機(jī)理要說明壓電效應(yīng)的機(jī)理 石英晶體的壓電效應(yīng)與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，產(chǎn)生極化現(xiàn)象的機(jī)理可用圖2-26來說明。 v在無外力作用時(shí)，硅離子所帶的正電荷等效中在無外力作用時(shí)，硅離子所帶的正電荷等效中心與氧離子所帶負(fù)電荷的等效中心是重合的，整心與氧離子所帶負(fù)電荷的等效中心是重合的，整個(gè)晶胞不呈現(xiàn)帶電現(xiàn)象，如圖個(gè)晶胞不呈現(xiàn)帶電現(xiàn)象，如圖2-26（a）所示。）所示。v當(dāng)晶體沿電軸（當(dāng)晶體沿電軸（x軸）方向受

32、到壓力時(shí)，晶格軸）方向受到壓力時(shí)，晶格產(chǎn)生變形，如圖產(chǎn)生變形，如圖2-26（b）所示。硅離子的正電）所示。硅離子的正電荷中心上移，氧離子的負(fù)電荷中心下移，正負(fù)電荷中心上移，氧離子的負(fù)電荷中心下移，正負(fù)電荷中心分離，在晶體的荷中心分離，在晶體的x面的上表面產(chǎn)生正電荷，面的上表面產(chǎn)生正電荷，下表面產(chǎn)生負(fù)電荷而形成電場。反之，如果受到下表面產(chǎn)生負(fù)電荷而形成電場。反之，如果受到拉力作用時(shí)，情況恰好相反，拉力作用時(shí)，情況恰好相反，x面的上表面產(chǎn)生面的上表面產(chǎn)生負(fù)電荷，下表面產(chǎn)生正電荷。如果受到的是交變負(fù)電荷，下表面產(chǎn)生正電荷。如果受到的是交變力，則在力，則在x面的上下表面間將產(chǎn)生交變電場。如面的上下表面

33、間將產(chǎn)生交變電場。如果在果在x上下表面鍍上銀電極，就能測出所產(chǎn)生電上下表面鍍上銀電極，就能測出所產(chǎn)生電荷的大小。荷的大小。v同樣，當(dāng)晶體的機(jī)械軸（同樣，當(dāng)晶體的機(jī)械軸（y軸）方向受到壓力軸）方向受到壓力時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生晶格變形，如圖時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生晶格變形，如圖2-26（c）所示。）所示。硅離子的正電荷中心下移，氧離子的負(fù)電荷中心硅離子的正電荷中心下移，氧離子的負(fù)電荷中心上移，在上移，在x面的上表面產(chǎn)生負(fù)電荷，在面的上表面產(chǎn)生負(fù)電荷，在x面的下表面的下表面產(chǎn)生正電荷，這個(gè)過程恰好與面產(chǎn)生正電荷，這個(gè)過程恰好與x軸方向受壓力軸方向受壓力時(shí)的情況相反。時(shí)的情況相反。 v當(dāng)晶體的光軸（當(dāng)晶體的光軸（Z軸）方

34、向受到受力時(shí)，由于軸）方向受到受力時(shí)，由于晶格的變形不會(huì)引起正負(fù)電荷中心的分離，所以晶格的變形不會(huì)引起正負(fù)電荷中心的分離，所以不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。2.5.2.壓電材料壓電材料v1.壓電材料的主要特性參數(shù)壓電材料的主要特性參數(shù)v壓電材料的主要特性參數(shù)有：壓電材料的主要特性參數(shù)有：v壓電常數(shù)壓電常數(shù) vv彈性常數(shù)彈性常數(shù) vv介電常數(shù)介電常數(shù) v 機(jī)械耦合系數(shù)機(jī)械耦合系數(shù) v絕緣電阻絕緣電阻2.常用壓電材料常用壓電材料v在自然界中大多數(shù)晶體具有壓電效應(yīng)在自然界中大多數(shù)晶體具有壓電效應(yīng), 但壓電效但壓電效應(yīng)十分微弱。隨著對材料的深入研究應(yīng)十分微弱。隨著對材料的深入研究, 發(fā)現(xiàn)石英發(fā)現(xiàn)

35、石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料是性能優(yōu)良的壓晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料是性能優(yōu)良的壓電材料。電材料。 應(yīng)用于壓電式傳感器中的壓電元件材料應(yīng)用于壓電式傳感器中的壓電元件材料一般有三類：壓電晶體、經(jīng)過極化處理的壓電陶一般有三類：壓電晶體、經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷、高分子壓電材料。瓷、高分子壓電材料。v石英晶體石英晶體v石英晶體是一種性能良好的壓電晶體，它的突出石英晶體是一種性能良好的壓電晶體，它的突出優(yōu)點(diǎn)是性能非常穩(wěn)定，介電常數(shù)與壓電系數(shù)的溫優(yōu)點(diǎn)是性能非常穩(wěn)定，介電常數(shù)與壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性特別好，且居里點(diǎn)高，達(dá)到度穩(wěn)定性特別好，且居里點(diǎn)高，達(dá)到575 oC。此外，它還具有很大的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定的

36、機(jī)械性此外，它還具有很大的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定的機(jī)械性能，絕緣性能好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、線性范圍寬、遲能，絕緣性能好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、線性范圍寬、遲滯小等優(yōu)點(diǎn)滯小等優(yōu)點(diǎn) 壓電陶瓷v壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料，與石英壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料，與石英晶體相比，壓電陶瓷的壓電系數(shù)很高，具有燒制晶體相比，壓電陶瓷的壓電系數(shù)很高，具有燒制方便、耐濕、耐高溫、易于成型等特點(diǎn)，制造成方便、耐濕、耐高溫、易于成型等特點(diǎn)，制造成本很低。因此，在實(shí)際應(yīng)用中的壓電傳感器，大本很低。因此，在實(shí)際應(yīng)用中的壓電傳感器，大多采用壓電陶瓷材料。壓電陶瓷的弱點(diǎn)是，居里多采用壓電陶瓷材料。壓電陶瓷的弱點(diǎn)是，居里點(diǎn)較石英晶體要低

37、，達(dá)到點(diǎn)較石英晶體要低，達(dá)到200400 oC，性能，性能沒有石英晶體穩(wěn)定。沒有石英晶體穩(wěn)定。 v鈦酸鋇壓電陶瓷鈦酸鋇壓電陶瓷 v鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷 v鈮酸鹽系列壓電陶瓷鈮酸鹽系列壓電陶瓷 v鈮鎂酸鉛壓電陶瓷鈮鎂酸鉛壓電陶瓷 高分子壓電材料v某些合成高分子聚合物薄膜經(jīng)延展拉伸和電場極某些合成高分子聚合物薄膜經(jīng)延展拉伸和電場極化后，具有一定的壓電性能，這類薄膜稱為高分化后，具有一定的壓電性能，這類薄膜稱為高分子壓電薄膜。目前出現(xiàn)的壓電薄膜有聚二氟乙烯子壓電薄膜。目前出現(xiàn)的壓電薄膜有聚二氟乙烯PVF2、聚氟乙烯、聚氟乙烯PVF、聚氯乙烯、聚氯乙烯PVC等。這些等。這些是柔軟的

38、壓電材料，不易破碎，可以大量生產(chǎn)和是柔軟的壓電材料，不易破碎，可以大量生產(chǎn)和制成較大的面積。制成較大的面積。 2.5.3 壓電式傳感器測量電路壓電式傳感器測量電路v1.壓電式傳感器的等效電路壓電式傳感器的等效電路 實(shí)際等效電路 2.壓電式傳感器測量電路壓電式傳感器測量電路v根據(jù)壓電式傳感器的工作原理及等效電路，它的根據(jù)壓電式傳感器的工作原理及等效電路，它的輸出可以是電荷信號，也可以是電壓信號，因此輸出可以是電荷信號，也可以是電壓信號，因此與之配套的前置放大器也有電荷放大器和電壓放與之配套的前置放大器也有電荷放大器和電壓放大器兩種形式。由于電壓前置放大器的輸出電壓大器兩種形式。由于電壓前置放大器

39、的輸出電壓與電纜電容有關(guān)，故目前多采用電荷放大器。與電纜電容有關(guān)，故目前多采用電荷放大器。v（1）電荷放大器）電荷放大器（2）電壓放大器（阻抗變）電壓放大器（阻抗變換器）換器）2.5.4 壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器的應(yīng)用v1.壓電傳感器的基本結(jié)構(gòu)壓電傳感器的基本結(jié)構(gòu)2.壓電傳感器的應(yīng)用壓電傳感器的應(yīng)用v（1）壓電式力傳感器）壓電式力傳感器（2）壓電式加速度傳感器）壓電式加速度傳感器 （3）壓電式玻璃破碎報(bào)警器）壓電式玻璃破碎報(bào)警器 （4）壓電式金屬加工切削力測量）壓電式金屬加工切削力測量 本章小結(jié)本章小結(jié)v 在工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究等各個(gè)領(lǐng)域中，壓力、力和轉(zhuǎn)矩是在工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究等各個(gè)領(lǐng)域中

40、，壓力、力和轉(zhuǎn)矩是經(jīng)常需要測量的重要參數(shù)。壓力是垂直而均勻地作用在單經(jīng)常需要測量的重要參數(shù)。壓力是垂直而均勻地作用在單位面積上的力，即物理學(xué)中常稱的壓強(qiáng)。工程上，習(xí)慣把位面積上的力，即物理學(xué)中常稱的壓強(qiáng)。工程上，習(xí)慣把壓強(qiáng)稱為壓力。壓強(qiáng)稱為壓力。由于參照點(diǎn)不同，在工程上壓力有幾種由于參照點(diǎn)不同，在工程上壓力有幾種不同表示方法：絕對壓力、大氣壓力、表壓力、真空度不同表示方法：絕對壓力、大氣壓力、表壓力、真空度(負(fù)壓負(fù)壓) 、差壓、差壓(壓差壓差)等。壓力測量儀表按其作用、轉(zhuǎn)換等。壓力測量儀表按其作用、轉(zhuǎn)換原理和結(jié)構(gòu)分成：液柱式壓力計(jì)、彈性壓力計(jì)、電氣式壓原理和結(jié)構(gòu)分成：液柱式壓力計(jì)、彈性壓力計(jì)、電氣式壓力儀表和活塞式壓力標(biāo)準(zhǔn)儀表。力儀表和活塞式壓力標(biāo)準(zhǔn)儀表。v 彈性敏感元件在傳感器技術(shù)中占有極其重要的地位。它首彈性敏感元件在傳感器技術(shù)中占有極其重要的地位。它首先把力、力矩或壓力轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的應(yīng)變或位移，然后配合先把力、力矩或壓力轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的應(yīng)變或位移，然后配合各種形式的傳感元件，將被測力、力矩或壓力轉(zhuǎn)換成電量。各種形式的傳感元件，將被測力、力矩或壓力轉(zhuǎn)換成電量。v 應(yīng)變式電阻傳感器是目前用于測量力、力矩、壓力、加速應(yīng)