第2章 力、壓力傳感器

1、12了解力的概念及力的測(cè)量原理。了解力的概念及力的測(cè)量原理。掌握常用力、壓力傳感器的測(cè)量原理。掌握常用力、壓力傳感器的測(cè)量原理。熟悉應(yīng)變式、壓電式、電容式、電感式等熟悉應(yīng)變式、壓電式、電容式、電感式等 傳感器的應(yīng)用。傳感器的應(yīng)用。學(xué)習(xí)要點(diǎn)學(xué)習(xí)要點(diǎn)32.1 2.1 概述概述 2.2 2.2 彈性敏感元件彈性敏感元件 2.3 2.3 電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器2.4 2.4 壓電式傳感器壓電式傳感器 2.5 2.5 電容式傳感器電容式傳感器 2.6 2.6 電感式傳感器電感式傳感器 2.7 2.7 壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器 本章小結(jié)本章小結(jié)復(fù)習(xí)思考題復(fù)習(xí)思考題主要學(xué)習(xí)內(nèi)容返回主目錄4

2、2.1 概述u力是物質(zhì)之間的一種相互作用力是物質(zhì)之間的一種相互作用物體之間相互作用的結(jié)物體之間相互作用的結(jié)果果使物體產(chǎn)生變形；使物體產(chǎn)生變形；在物體內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力、應(yīng)變；在物體內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力、應(yīng)變；改變物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；改變物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；改變物體所具有的動(dòng)能和勢(shì)能。改變物體所具有的動(dòng)能和勢(shì)能。5力傳感器的組成 u力是一種力是一種非電物理量非電物理量，不能用電工儀表直接測(cè)量，需要，不能用電工儀表直接測(cè)量，需要借助某一裝置將力轉(zhuǎn)換為電量進(jìn)行測(cè)量，能實(shí)現(xiàn)這一功借助某一裝置將力轉(zhuǎn)換為電量進(jìn)行測(cè)量，能實(shí)現(xiàn)這一功能的裝置就是能的裝置就是力傳感器力傳感器。力傳感器主要由力。力傳感器主要由力敏感元件敏感元件、

3、轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件和和測(cè)量電路測(cè)量電路組成。如圖組成。如圖2-12-1所示。所示。圖圖2-1 2-1 力傳感器測(cè)量示意圖力傳感器測(cè)量示意圖力敏感元件轉(zhuǎn)換元件測(cè)量、顯示電路F6力的計(jì)量單位及測(cè)量原理u力的計(jì)量單位為力的計(jì)量單位為牛頓牛頓211/Nkg m s力的測(cè)量的原理力的測(cè)量的原理力的靜力效應(yīng)力的靜力效應(yīng)力的動(dòng)力效應(yīng)力的動(dòng)力效應(yīng)指彈性物體受力后產(chǎn)生指彈性物體受力后產(chǎn)生變形的一種物理變形的一種物理現(xiàn)象。由現(xiàn)象。由胡克定律胡克定律知：如在彈性范圍內(nèi)知：如在彈性范圍內(nèi), ,彈性物體在力的作用下產(chǎn)生的變形彈性物體在力的作用下產(chǎn)生的變形（x x），與所受的力），與所受的力F F成正比成正比(k(k為彈性

4、元件的勁度系數(shù)為彈性元件的勁度系數(shù)) )。因此，只要通過(guò)一定的手段測(cè)出物體的彈性變形量，就可因此，只要通過(guò)一定的手段測(cè)出物體的彈性變形量，就可間接確定物體所受力的大小。間接確定物體所受力的大小。指具有一定質(zhì)量的物體受到力的作用時(shí)，其指具有一定質(zhì)量的物體受到力的作用時(shí)，其動(dòng)量動(dòng)量將發(fā)生變將發(fā)生變化，從而產(chǎn)生相應(yīng)化，從而產(chǎn)生相應(yīng)加速度加速度的物理現(xiàn)象。由的物理現(xiàn)象。由牛頓第二定律牛頓第二定律可可知：當(dāng)物體質(zhì)量（知：當(dāng)物體質(zhì)量（m m）確定后，物體受到的力（）確定后，物體受到的力（F F）與所產(chǎn)）與所產(chǎn)生的加速度（生的加速度（a a）成單值對(duì)應(yīng)關(guān)系。只要測(cè)出物體的加速度，）成單值對(duì)應(yīng)關(guān)系。只要測(cè)出物

5、體的加速度，就可間接測(cè)得物體所受到力的大小。就可間接測(cè)得物體所受到力的大小。FkxFma7測(cè)量力的方法u其中大多需要彈性敏感元件或其它敏感元件的轉(zhuǎn)換。其中大多需要彈性敏感元件或其它敏感元件的轉(zhuǎn)換。測(cè)量力的方法電阻式（電位器式、電阻應(yīng)變片式）電阻式（電位器式、電阻應(yīng)變片式）電感式（自感、互感、渦流電感式（自感、互感、渦流）電容式電容式壓電式壓電式壓磁式壓磁式壓阻式壓阻式返回本章目錄返回本章目錄82.2 彈性敏感元件u彈性敏感元件把彈性敏感元件把力或壓力力或壓力轉(zhuǎn)換成了轉(zhuǎn)換成了應(yīng)變或位移應(yīng)變或位移, ,然后再由然后再由轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路將應(yīng)變或位移轉(zhuǎn)換成將應(yīng)變或位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)電信號(hào)。u彈性敏感元件

6、是力傳感器中一個(gè)關(guān)鍵性的部件，彈性敏感元件是力傳感器中一個(gè)關(guān)鍵性的部件，應(yīng)具有應(yīng)具有良好的彈性、足夠的精度良好的彈性、足夠的精度, ,應(yīng)保證長(zhǎng)期應(yīng)保證長(zhǎng)期使用和溫度變化時(shí)的穩(wěn)定性使用和溫度變化時(shí)的穩(wěn)定性。92.2.1 彈性敏感元件的特性1. 剛度剛度抵抗變形的能力抵抗變形的能力剛度是彈性元件在外力做用下變形大小的剛度是彈性元件在外力做用下變形大小的量度，一般用表示量度，一般用表示式中式中 F F 作用在彈性元件上的外力作用在彈性元件上的外力x 彈性元件產(chǎn)生的變形彈性元件產(chǎn)生的變形（2-1）d Fkd x102. 靈敏度靈敏度靈敏度彈性敏感元件在單位力作用下產(chǎn)生變彈性敏感元件在單位力作用下產(chǎn)生變

7、形的大小，在彈性力學(xué)中稱(chēng)為彈性元件的形的大小，在彈性力學(xué)中稱(chēng)為彈性元件的柔度柔度。它是剛度的倒數(shù)它是剛度的倒數(shù), , 用用K K表示表示 （2-2）在測(cè)控系統(tǒng)中希望它是常數(shù)在測(cè)控系統(tǒng)中希望它是常數(shù)dxKdF113. 彈性滯后u實(shí)際的彈性元件在實(shí)際的彈性元件在加載、卸載加載、卸載的正反行程中變形曲線(xiàn)是不重的正反行程中變形曲線(xiàn)是不重合的，這種現(xiàn)象稱(chēng)為彈性滯后合的，這種現(xiàn)象稱(chēng)為彈性滯后現(xiàn)象，它會(huì)給測(cè)量帶來(lái)誤差?，F(xiàn)象，它會(huì)給測(cè)量帶來(lái)誤差。如圖如圖2-22-2所示。所示。u原因：彈性元件在工作過(guò)程中原因：彈性元件在工作過(guò)程中分子間存在內(nèi)摩擦。當(dāng)比較兩分子間存在內(nèi)摩擦。當(dāng)比較兩種彈性材料時(shí)，應(yīng)都用加載變種

8、彈性材料時(shí)，應(yīng)都用加載變形曲線(xiàn)或都用卸載變形曲線(xiàn)來(lái)形曲線(xiàn)或都用卸載變形曲線(xiàn)來(lái)比較，這樣才有可比性。比較，這樣才有可比性。圖圖2-2 彈性滯后彈性滯后124. 彈性后效u當(dāng)載荷從某一數(shù)值變化到另一當(dāng)載荷從某一數(shù)值變化到另一數(shù)值時(shí)數(shù)值時(shí), ,彈性元件變形不是立彈性元件變形不是立即完成相應(yīng)的變形即完成相應(yīng)的變形，而是，而是經(jīng)一經(jīng)一定的時(shí)間間隔逐漸完成變形的定的時(shí)間間隔逐漸完成變形的，這種現(xiàn)象稱(chēng)為彈性后效。這種現(xiàn)象稱(chēng)為彈性后效。圖圖2-3 彈性后效彈性后效彈性后效造成的結(jié)果由于彈性后效的存在，彈性敏感元件的由于彈性后效的存在，彈性敏感元件的變形始終變形始終不能迅速地跟上力的變化不能迅速地跟上力的變化，

9、在在動(dòng)態(tài)測(cè)量動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)將引起測(cè)量誤差。時(shí)將引起測(cè)量誤差。造成這一現(xiàn)象的原因是由于彈性敏感元件造成這一現(xiàn)象的原因是由于彈性敏感元件中的分子間存在內(nèi)摩擦。中的分子間存在內(nèi)摩擦。135. 固有振蕩頻率u 彈性敏感元件都有自己的固有振蕩頻率彈性敏感元件都有自己的固有振蕩頻率f f0 0 , ,它將影響傳感器的動(dòng)態(tài)特性。傳感器的工作它將影響傳感器的動(dòng)態(tài)特性。傳感器的工作頻率應(yīng)避開(kāi)彈性敏感元件的固有振蕩頻率，頻率應(yīng)避開(kāi)彈性敏感元件的固有振蕩頻率，往往往往f f0 0希望較高。在希望較高。在f f0 0會(huì)會(huì)發(fā)生共振發(fā)生共振. . 14 2.2.22.2.2 彈性敏感元件的分類(lèi)彈性敏感元件的分類(lèi)彈性敏感元件分

10、類(lèi)彈性敏感元件分類(lèi)力轉(zhuǎn)換為力轉(zhuǎn)換為應(yīng)變或位移應(yīng)變或位移的的變換力變換力的彈性敏感元件的彈性敏感元件。壓力轉(zhuǎn)換為壓力轉(zhuǎn)換為應(yīng)變或位移應(yīng)變或位移的的變換壓力變換壓力的彈性敏感元件的彈性敏感元件。151. 變換力的彈性敏感元件圖圖2-4 2-4 變換力的彈性敏感元件變換力的彈性敏感元件162. 變換壓力的彈性敏感元件圖圖2-5 2-5 變換壓力的彈性敏感元件變換壓力的彈性敏感元件17 (1)(1)彈簧管彈簧管又叫布爾登管，它是彎成各種形狀彈簧管彈簧管又叫布爾登管，它是彎成各種形狀的空心管，管子的截面形狀有許多種，但使用最多的的空心管，管子的截面形狀有許多種，但使用最多的是是C C形薄壁空心管。如圖形

11、薄壁空心管。如圖2-5a2-5a所示。所示。C C形彈簧管的一端密封但不固定，成為自由端，另一端形彈簧管的一端密封但不固定，成為自由端，另一端連接在管接頭上且固定。當(dāng)流體壓力通過(guò)管接頭進(jìn)入連接在管接頭上且固定。當(dāng)流體壓力通過(guò)管接頭進(jìn)入彈簧管后，在壓力彈簧管后，在壓力F F作用下，彈簧管的作用下，彈簧管的橫截面力圖變成橫截面力圖變成圓形截面圓形截面，截面的短軸力圖伸長(zhǎng)。使彈簧管趨向伸直，截面的短軸力圖伸長(zhǎng)。使彈簧管趨向伸直，一直伸展到管彈力與壓力的作用相平衡為止一直伸展到管彈力與壓力的作用相平衡為止。這樣。這樣自自由端便由端便產(chǎn)生了位移產(chǎn)生了位移。通過(guò)測(cè)量位移的大小，比可得到。通過(guò)測(cè)量位移的大小

12、，比可得到壓力的大小。壓力的大小。 (1) (1) 彈簧管彈簧管1819各種波紋管敏感元件的外形波紋管是有許多同心環(huán)狀皺紋的薄壁圓管返回本章目錄返回本章目錄202.3 電阻應(yīng)變式傳感器u電阻應(yīng)變式傳感器是一種電阻應(yīng)變式傳感器是一種利用電阻材料的利用電阻材料的應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng)，將工，將工程結(jié)構(gòu)件的程結(jié)構(gòu)件的內(nèi)部?jī)?nèi)部變形變形轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換為電阻變化電阻變化的傳感器的傳感器。u此類(lèi)傳感器主要是在彈性元件上通過(guò)特定工藝此類(lèi)傳感器主要是在彈性元件上通過(guò)特定工藝粘貼電阻應(yīng)粘貼電阻應(yīng)變片變片來(lái)組成。通過(guò)一定的機(jī)械裝置將被測(cè)量轉(zhuǎn)化成彈性元來(lái)組成。通過(guò)一定的機(jī)械裝置將被測(cè)量轉(zhuǎn)化成彈性元件的變形，然后由電阻應(yīng)變片將變

13、形轉(zhuǎn)換成電阻的變化，件的變形，然后由電阻應(yīng)變片將變形轉(zhuǎn)換成電阻的變化，再通過(guò)測(cè)量電路進(jìn)一步將電阻的改變轉(zhuǎn)換成電壓或電流信再通過(guò)測(cè)量電路進(jìn)一步將電阻的改變轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號(hào)輸出。可用于能轉(zhuǎn)化成變形的各種非電物理量的檢測(cè)，號(hào)輸出。可用于能轉(zhuǎn)化成變形的各種非電物理量的檢測(cè)，如力、壓力、加速度、力矩、重量等，在機(jī)械加工、計(jì)量、如力、壓力、加速度、力矩、重量等，在機(jī)械加工、計(jì)量、建筑測(cè)量等行業(yè)應(yīng)用十分廣泛。建筑測(cè)量等行業(yè)應(yīng)用十分廣泛。212.3.1 電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)u電阻應(yīng)變片的作用是把導(dǎo)體的機(jī)械應(yīng)變轉(zhuǎn)換電阻應(yīng)變片的作用是把導(dǎo)體的機(jī)械應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻變化。成電阻變化。u電阻應(yīng)變片的典型結(jié)構(gòu)如圖電阻應(yīng)變片

14、的典型結(jié)構(gòu)如圖2-62-6所示。由所示。由敏敏感柵、基底、覆蓋層和引線(xiàn)感柵、基底、覆蓋層和引線(xiàn)等部分組成。敏等部分組成。敏感柵由直徑約為感柵由直徑約為0.010.010.05mm0.05mm、高電阻系數(shù)、高電阻系數(shù)的細(xì)絲彎曲而成柵狀；基底的作用應(yīng)能保證的細(xì)絲彎曲而成柵狀；基底的作用應(yīng)能保證將構(gòu)件上的應(yīng)變準(zhǔn)確地傳遞到敏感柵上去，將構(gòu)件上的應(yīng)變準(zhǔn)確地傳遞到敏感柵上去，因此必須做得很薄，一般為因此必須做得很薄，一般為0.030.030.06mm0.06mm。n圖中圖中l(wèi) l為應(yīng)變片的工作基長(zhǎng)，為應(yīng)變片的工作基長(zhǎng)，b b為應(yīng)變片的基為應(yīng)變片的基寬，寬，l lb b為應(yīng)變片的有效使用面積。應(yīng)變片為應(yīng)變片

15、的有效使用面積。應(yīng)變片規(guī)格一般是以有效使用面積和敏感柵的電阻規(guī)格一般是以有效使用面積和敏感柵的電阻值來(lái)表示，如值來(lái)表示，如3 3100mm100mm2 2、120120等。等。圖圖2-6 電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)22電阻應(yīng)變片測(cè)試原理u測(cè)試時(shí)，將應(yīng)變片用粘接劑測(cè)試時(shí)，將應(yīng)變片用粘接劑牢固的粘貼在被測(cè)試件的表牢固的粘貼在被測(cè)試件的表面上面上，隨著試件受力變形，應(yīng)變片的敏感柵也獲得同樣，隨著試件受力變形，應(yīng)變片的敏感柵也獲得同樣的變形，從而使其電阻隨之發(fā)生變化，而此電阻的變化的變形，從而使其電阻隨之發(fā)生變化，而此電阻的變化是與試件應(yīng)變成比例的，因此如果通過(guò)一定的測(cè)量線(xiàn)路是與試件應(yīng)變成比例的

16、，因此如果通過(guò)一定的測(cè)量線(xiàn)路將這種電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流變化，然后再用顯將這種電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流變化，然后再用顯示記錄儀表將其顯示記錄下來(lái)，就能知道被測(cè)試件應(yīng)變示記錄儀表將其顯示記錄下來(lái)，就能知道被測(cè)試件應(yīng)變量的大小。其原理圖如圖量的大小。其原理圖如圖2-72-7所示。所示。試件電阻應(yīng)變片測(cè)量電路顯示記錄儀力應(yīng)變電阻電壓或電流圖圖2-7 2-7 電阻應(yīng)變片測(cè)試與原理圖電阻應(yīng)變片測(cè)試與原理圖232.3.2 電阻應(yīng)變片的分類(lèi) 半導(dǎo)體半導(dǎo)體應(yīng)變片應(yīng)變片應(yīng)應(yīng)變變片片分分類(lèi)類(lèi)箔式箔式薄膜式薄膜式絲式絲式金屬金屬電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片按其敏感柵不同按其敏感柵不同按使用溫度按使用溫度按用途可分為按

17、用途可分為單向力測(cè)量應(yīng)變片單向力測(cè)量應(yīng)變片平面應(yīng)力分析應(yīng)變片（應(yīng)變花）平面應(yīng)力分析應(yīng)變片（應(yīng)變花）特殊用途應(yīng)變片等特殊用途應(yīng)變片等低溫低溫常溫常溫中溫中溫高溫應(yīng)變片高溫應(yīng)變片24應(yīng)變片形狀圖圖2-9 2-9 應(yīng)變花的形狀應(yīng)變花的形狀圖圖2-8 2-8 電阻應(yīng)變片類(lèi)型電阻應(yīng)變片類(lèi)型25箔式應(yīng)變片外形262.3.3 電阻應(yīng)變片工作原理u電阻應(yīng)變片式傳感器是利用了電阻應(yīng)變片式傳感器是利用了金屬和半導(dǎo)體材料的金屬和半導(dǎo)體材料的“應(yīng)應(yīng)變效應(yīng)變效應(yīng)”u應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng)金屬和半導(dǎo)體材料的金屬和半導(dǎo)體材料的電阻值電阻值隨它承受的隨它承受的機(jī)機(jī)械變形大小械變形大小而發(fā)生變化的現(xiàn)象就稱(chēng)為而發(fā)生變化的現(xiàn)象就稱(chēng)為“應(yīng)

18、變效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng)”。u如圖如圖2-102-10所示，當(dāng)電阻絲受到拉力所示，當(dāng)電阻絲受到拉力F F時(shí)，其阻值發(fā)生變化。時(shí)，其阻值發(fā)生變化。材料電阻值的變化，一是受力后材料材料電阻值的變化，一是受力后材料幾何尺寸變化幾何尺寸變化；二；二是受力后是受力后材料的電阻率材料的電阻率也發(fā)生了變化。也發(fā)生了變化。圖圖2-10 金屬電阻絲應(yīng)變效應(yīng)金屬電阻絲應(yīng)變效應(yīng)27n以圓柱形導(dǎo)體為例：電阻以圓柱形導(dǎo)體為例：電阻R R（根據(jù)電阻的定義式）（根據(jù)電阻的定義式）電阻絲變形過(guò)程電阻絲變形過(guò)程圖圖2-10 金屬電阻絲應(yīng)變效應(yīng)金屬電阻絲應(yīng)變效應(yīng)2llRAr電阻絲電阻絲半徑半徑 電阻絲電阻絲長(zhǎng)度長(zhǎng)度電阻絲電阻絲截面積截面積

19、電阻絲電阻絲電阻率電阻率 28 當(dāng)導(dǎo)體因某種原因產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，其長(zhǎng)度當(dāng)導(dǎo)體因某種原因產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，其長(zhǎng)度L L、截面積、截面積A A和電阻率和電阻率的變化為的變化為dLdL、dAdA、dd相應(yīng)的電阻變化為相應(yīng)的電阻變化為dRdR。對(duì)式（。對(duì)式（2-32-3）全微）全微分得電阻變化率分得電阻變化率 dRdR/R/R為：為： (2-4) 由材料力學(xué)得由材料力學(xué)得 為電阻絲材料的泊松比。即橫向收縮與縱向伸長(zhǎng)之比。即為電阻絲材料的泊松比。即橫向收縮與縱向伸長(zhǎng)之比。即 2dRdldrdRlr徑向應(yīng)變 軸向（縱向）應(yīng)變 29012ddRkR金屬材料的靈敏金屬材料的靈敏度系數(shù)，表示單度系數(shù)，表示單位應(yīng)變所引起的

20、位應(yīng)變所引起的電阻相對(duì)變化，電阻相對(duì)變化，主要取決于其幾主要取決于其幾何效應(yīng)，取何效應(yīng)，取1.71.7 3.63.6材料的電阻率材料的電阻率 隨應(yīng)變隨應(yīng)變所引起的變化所引起的變化“壓壓阻效應(yīng)阻效應(yīng)”。這是由于材。這是由于材料發(fā)生變化時(shí)，其自由料發(fā)生變化時(shí)，其自由電子的活動(dòng)能力和數(shù)量電子的活動(dòng)能力和數(shù)量均發(fā)生了變化的緣故均發(fā)生了變化的緣故 電電阻絲幾何尺阻絲幾何尺寸形變所引起寸形變所引起的變化的變化幾幾何效應(yīng)何效應(yīng) 材料的軸材料的軸向應(yīng)變向應(yīng)變 30電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)u當(dāng)我們將金屬絲做成電阻應(yīng)變片后，電阻當(dāng)我們將金屬絲做成電阻應(yīng)變片后，電阻-應(yīng)變特性應(yīng)變特性與金屬單絲是不同的。實(shí)驗(yàn)證明，電阻的

21、相對(duì)變化與與金屬單絲是不同的。實(shí)驗(yàn)證明，電阻的相對(duì)變化與應(yīng)變的關(guān)系在很大范圍內(nèi)仍然有很好的線(xiàn)性關(guān)系，即應(yīng)變的關(guān)系在很大范圍內(nèi)仍然有很好的線(xiàn)性關(guān)系，即 RkR（2-6）k電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。其值恒小于金屬單絲電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。其值恒小于金屬單絲的靈敏度系數(shù)的靈敏度系數(shù) 。究其原因，除了應(yīng)變片使。究其原因，除了應(yīng)變片使用時(shí)膠體粘貼傳遞變形失真外，另一重要原因用時(shí)膠體粘貼傳遞變形失真外，另一重要原因是由于存在著所謂是由于存在著所謂橫向效應(yīng)的緣故。橫向效應(yīng)的緣故。0k312.3.4 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路u電阻應(yīng)變片傳感器輸出電阻的變化較小，一般電阻應(yīng)變片傳感器輸出電阻的變化較小，一般為為 ，要精

22、確的測(cè)量出這些微小電阻的變，要精確的測(cè)量出這些微小電阻的變化，常采用化，常采用橋式測(cè)量電路橋式測(cè)量電路。u根據(jù)電橋電源的不同，電橋可分為根據(jù)電橋電源的不同，電橋可分為直流電橋直流電橋和和交流電交流電橋橋。可采用恒壓源或。可采用恒壓源或恒流源供電恒流源供電。u由于直流電橋比較簡(jiǎn)單，交流電橋原理與它相似，所由于直流電橋比較簡(jiǎn)單，交流電橋原理與它相似，所以我們只分析直流電橋的工作原理。以我們只分析直流電橋的工作原理。45 1011032恒壓源供電的直流電橋的工作原理 u如如圖圖2-11a2-11a所示為恒壓源供電的所示為恒壓源供電的直流電橋測(cè)量電路。其特點(diǎn)是，直流電橋測(cè)量電路。其特點(diǎn)是，當(dāng)被測(cè)量無(wú)變

23、化時(shí)，電橋平衡當(dāng)被測(cè)量無(wú)變化時(shí)，電橋平衡時(shí)輸出為零。當(dāng)被測(cè)量發(fā)生變時(shí)輸出為零。當(dāng)被測(cè)量發(fā)生變化時(shí)，電橋平衡被打破，有電化時(shí)，電橋平衡被打破，有電壓輸出。輸出的電壓與被測(cè)量壓輸出。輸出的電壓與被測(cè)量的變化成比例。電橋的輸出電的變化成比例。電橋的輸出電壓為壓為: : 圖圖2-11a2-11a132401234()()badaiR RR RUUUURRRR33u當(dāng)輸出電壓為零時(shí)，電橋平衡，因此當(dāng)輸出電壓為零時(shí)，電橋平衡，因此 或或 為電橋平衡條件。為電橋平衡條件。u為了獲得最大的電橋輸出，在設(shè)計(jì)時(shí)常使為了獲得最大的電橋輸出，在設(shè)計(jì)時(shí)常使 （稱(chēng)為等臂電橋）。當(dāng)四個(gè)橋臂電（稱(chēng)為等臂電橋）。當(dāng)四個(gè)橋臂電阻

24、都發(fā)生變化時(shí)，電橋的輸出為阻都發(fā)生變化時(shí)，電橋的輸出為13240R RR R1234RRRRR3124012341234()44iiURkURRRURRRR1243RRRR34調(diào)零電橋 u實(shí)際應(yīng)用時(shí)，實(shí)際應(yīng)用時(shí)， 不不可能?chē)?yán)格成比例關(guān)系，所以即使可能?chē)?yán)格成比例關(guān)系，所以即使在未受力時(shí)，橋路輸出也不一定在未受力時(shí)，橋路輸出也不一定為零，因此一般測(cè)量電路都設(shè)有為零，因此一般測(cè)量電路都設(shè)有調(diào)零裝置，如圖調(diào)零裝置，如圖2-11b2-11b所示。調(diào)節(jié)所示。調(diào)節(jié)RPRP可使電橋達(dá)到平衡，輸出為零?？墒闺姌蜻_(dá)到平衡，輸出為零。圖中圖中 是用于減小調(diào)節(jié)范圍的限是用于減小調(diào)節(jié)范圍的限流電阻。流電阻。1234RR

25、RR、 、5R352. 恒流源供電的直流電橋的工作原理如圖如圖2-122-12所示為恒流源供電的所示為恒流源供電的直流電橋測(cè)量電路。電橋輸出直流電橋測(cè)量電路。電橋輸出為：為：1324011241234R RR RUI RI RIRRRR恒壓源電橋輸出恒壓源電橋輸出圖圖2-12 2-12 恒流源供電的電橋恒流源供電的電橋測(cè)量電路測(cè)量電路132401234()()badaiR RR RUUUURRRR361單臂電橋的工作原理與輸出在四臂電橋中，在四臂電橋中，R R1 1為工作應(yīng)變片，由于應(yīng)變而產(chǎn)為工作應(yīng)變片，由于應(yīng)變而產(chǎn)生相應(yīng)的電阻變化生相應(yīng)的電阻變化R R1 1。R R2 2、R R3 3及及R

26、 R4 4為固定電阻。為固定電阻。U Uo o為電橋輸出電壓。初始狀態(tài)下，電橋是平衡的，為電橋輸出電壓。初始狀態(tài)下，電橋是平衡的，U Uo o=0=0，從而可得到電橋，從而可得到電橋平衡條件為平衡條件為:R1R3=R2R4132401234()()badaiR RR RUUUURRRR01144iiRUUk UR得出單臂電橋輸出得出單臂電橋輸出根據(jù)電橋輸出公式根據(jù)電橋輸出公式:圖2-13a3124012341234()44iiURkURRRURRRR372、差動(dòng)電橋差動(dòng)電橋消除非線(xiàn)性誤差的方法消除非線(xiàn)性誤差的方法 采用差動(dòng)電橋采用差動(dòng)電橋在試件上安裝兩個(gè)工作應(yīng)變片，一片在試件上安裝兩個(gè)工作應(yīng)變

27、片，一片受受拉拉，一片，一片受壓受壓，它們的阻值變化，它們的阻值變化大小相等、大小相等、符號(hào)相反符號(hào)相反，接入電橋相鄰臂，接入電橋相鄰臂, , 這時(shí)輸出電這時(shí)輸出電壓壓UoUo與與R R1 1/ R/ R1 1成嚴(yán)格的線(xiàn)性關(guān)系，沒(méi)有成嚴(yán)格的線(xiàn)性關(guān)系，沒(méi)有非線(xiàn)性誤差，而且電橋靈敏度非線(xiàn)性誤差，而且電橋靈敏度比單臂提高比單臂提高一倍一倍，還具有溫度誤差補(bǔ)償作用，還具有溫度誤差補(bǔ)償作用 . .設(shè)初始時(shí)R1=R2=R3=R4R1=R2 則01122iiRUUk UR圖2-13b383. 差動(dòng)全橋n差動(dòng)全橋 設(shè)初始時(shí)R1 = R2 = R3 = R4nR1 =R2 =R3 =R4 圖2-13C0iiRU

28、Uk UR雙臂電橋輸出靈敏度是單臂電橋的兩倍，雙臂電橋輸出靈敏度是單臂電橋的兩倍，全橋輸出是全橋輸出是雙臂電橋的兩倍雙臂電橋的兩倍。并且采用雙。并且采用雙臂和全橋測(cè)量，可以補(bǔ)償由于溫度變化引臂和全橋測(cè)量，可以補(bǔ)償由于溫度變化引起的測(cè)量誤差。起的測(cè)量誤差。 則則3124012341234()44iiURkURRRURRRR392.3.5 應(yīng)變片的溫度誤差及補(bǔ)償1. 1. 應(yīng)變片的溫度誤差應(yīng)變片的溫度誤差u電阻應(yīng)變片傳感器是靠電阻應(yīng)變片傳感器是靠電阻值來(lái)度量應(yīng)變的電阻值來(lái)度量應(yīng)變的，所以希，所以希望它的電阻只隨應(yīng)變而變，不受任何其他因素影響。望它的電阻只隨應(yīng)變而變，不受任何其他因素影響。但實(shí)際上，

29、雖然用作電阻絲材料的銅、康銅溫度系數(shù)但實(shí)際上，雖然用作電阻絲材料的銅、康銅溫度系數(shù)很小很小( (大約在大約在 =(2.5=(2.55.0)5.0)1010-5-5/)/)， 但與所測(cè)應(yīng)但與所測(cè)應(yīng)變電阻的變化比較，仍屬同一量級(jí)。如不補(bǔ)償，會(huì)引變電阻的變化比較，仍屬同一量級(jí)。如不補(bǔ)償，會(huì)引起很大誤差。這種由于測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度的變化而給起很大誤差。這種由于測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度的變化而給測(cè)量帶來(lái)的誤差，稱(chēng)之為應(yīng)變片的溫度誤差。測(cè)量帶來(lái)的誤差，稱(chēng)之為應(yīng)變片的溫度誤差。40u造成溫度誤差的原因主要有下列兩個(gè)方面：造成溫度誤差的原因主要有下列兩個(gè)方面：n1）敏感柵的金屬絲電阻本身隨溫度變化；）敏感柵的金屬絲電阻

30、本身隨溫度變化；n2）試件材料與應(yīng)變片材料的線(xiàn)膨脹系數(shù)不一致，使應(yīng)變）試件材料與應(yīng)變片材料的線(xiàn)膨脹系數(shù)不一致，使應(yīng)變片產(chǎn)生附加變形，從而造成電阻變化。片產(chǎn)生附加變形，從而造成電阻變化。n 另外，溫度變化也會(huì)影響粘接劑傳遞變形的能力，從另外，溫度變化也會(huì)影響粘接劑傳遞變形的能力，從而對(duì)應(yīng)變片的工作特性產(chǎn)生影響，過(guò)高的溫度甚至使粘接而對(duì)應(yīng)變片的工作特性產(chǎn)生影響，過(guò)高的溫度甚至使粘接劑軟化而使其完全喪失傳遞變形的能力，也會(huì)造成測(cè)量誤劑軟化而使其完全喪失傳遞變形的能力，也會(huì)造成測(cè)量誤差。但以上述兩個(gè)原因?yàn)橹?。差。但以上述兩個(gè)原因?yàn)橹鳌?12. 電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法通常有兩種，即

31、應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法通常有兩種，即線(xiàn)路補(bǔ)償線(xiàn)路補(bǔ)償和和應(yīng)變片自應(yīng)變片自補(bǔ)償補(bǔ)償。圖2-14 電橋補(bǔ)償法134BRRR R1134()()BBRR RR RR 1BRR 溫度變化后電路仍呈平衡溫度變化后電路仍呈平衡 （2）應(yīng)變片自補(bǔ)償利用自身具有補(bǔ)償作用的應(yīng)變片利用自身具有補(bǔ)償作用的應(yīng)變片（稱(chēng)之為溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片）來(lái)補(bǔ)（稱(chēng)之為溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片）來(lái)補(bǔ)償?shù)?。這種自補(bǔ)償應(yīng)變片制造簡(jiǎn)單，償?shù)?。這種自補(bǔ)償應(yīng)變片制造簡(jiǎn)單，成本較低，但必須在特定的構(gòu)件材成本較低，但必須在特定的構(gòu)件材料上才能使用，不同材料試件必須料上才能使用，不同材料試件必須用不同的應(yīng)變片。用不同的應(yīng)變片。（1）線(xiàn)路補(bǔ)償）線(xiàn)路補(bǔ)償R1+R1R

32、1 當(dāng)應(yīng)變片當(dāng)應(yīng)變片變?yōu)樽優(yōu)?) 時(shí)時(shí) BR電阻電阻變?yōu)樽優(yōu)?(由于由于R1與與BR溫度效應(yīng)相同，即溫度效應(yīng)相同，即 +BRBR) 在不測(cè)應(yīng)變時(shí)電路呈平衡，在不測(cè)應(yīng)變時(shí)電路呈平衡，即即 422.3.6 應(yīng)變片的粘接劑及粘貼、固化和檢查1. 1. 粘接劑的種類(lèi)粘接劑的種類(lèi)u常用的粘接劑可分為常用的粘接劑可分為有機(jī)粘接劑有機(jī)粘接劑和和無(wú)機(jī)粘接劑無(wú)機(jī)粘接劑兩大類(lèi)。兩大類(lèi)。u有機(jī)粘接劑通常用于低溫、常溫和中溫有機(jī)粘接劑通常用于低溫、常溫和中溫. .u無(wú)機(jī)粘接劑用于高溫。無(wú)機(jī)粘接劑用于高溫。u選擇時(shí)要根據(jù)基底材料、工作溫度、潮濕程度、穩(wěn)定性要求、選擇時(shí)要根據(jù)基底材料、工作溫度、潮濕程度、穩(wěn)定性要求、加溫

33、加壓的可能性和粘貼時(shí)間的長(zhǎng)短等因素來(lái)考慮。加溫加壓的可能性和粘貼時(shí)間的長(zhǎng)短等因素來(lái)考慮。u主要粘接劑牌號(hào)有：萬(wàn)能膠、主要粘接劑牌號(hào)有：萬(wàn)能膠、501501、502502、914914、509509、J06-2J06-2、JSF-2JSF-2、17201720、J-12J-12、30-1430-14、GJ-14GJ-14、LN-3LN-3、P10-6P10-6等。等。432. 應(yīng)變片的粘貼、固化和檢查（1 1）去污）去污 試件表面的處理粘貼之試件表面的處理粘貼之前，應(yīng)先將試件表面清前，應(yīng)先將試件表面清理干凈，用細(xì)砂紙將試?yán)砀蓛?，用?xì)砂紙將試件表面打磨平整，再用件表面打磨平整，再用丙酮、四氯化碳或

34、氟利丙酮、四氯化碳或氟利昂徹底清洗試件表面的昂徹底清洗試件表面的灰塵、油漬，清理面積灰塵、油漬，清理面積約為應(yīng)變片的約為應(yīng)變片的3 35 5倍。倍。44（2）應(yīng)變片的粘貼方法在清理的試件表面在清理的試件表面上均勻涂刷一薄層上均勻涂刷一薄層粘接劑作為底層，粘接劑作為底層，待其干燥固化后，待其干燥固化后，再在此底層及應(yīng)變?cè)僭诖说讓蛹皯?yīng)變片基底的底面上均片基底的底面上均勻涂刷一薄層粘接勻涂刷一薄層粘接劑，等粘接劑稍干，劑，等粘接劑稍干，即將應(yīng)變片貼在畫(huà)即將應(yīng)變片貼在畫(huà)線(xiàn)位置，用手指滾線(xiàn)位置，用手指滾壓，把氣泡和多余壓，把氣泡和多余的粘接劑擠出。的粘接劑擠出。注意，應(yīng)變片的底注意，應(yīng)變片的底面也要清理

35、面也要清理。45（3）粘貼后測(cè)量從分開(kāi)的端子處，從分開(kāi)的端子處，預(yù)先用萬(wàn)用表測(cè)量預(yù)先用萬(wàn)用表測(cè)量應(yīng)變片的電阻，尋應(yīng)變片的電阻，尋找端子折斷和損壞找端子折斷和損壞的應(yīng)變片。的應(yīng)變片。46（4）焊接將引線(xiàn)和端子將引線(xiàn)和端子用烙鐵焊接起用烙鐵焊接起來(lái)，注意不要來(lái)，注意不要把端子扯斷。把端子扯斷。47（5）固定焊接后用膠焊接后用膠布將引線(xiàn)和布將引線(xiàn)和被測(cè)對(duì)象固被測(cè)對(duì)象固定在一起，定在一起，防止損壞引防止損壞引線(xiàn)和應(yīng)變片。線(xiàn)和應(yīng)變片。481. 利用全橋電路測(cè)量橋梁的上下表面應(yīng)變R1、R3與R2、R4感受到的應(yīng)變絕對(duì)值相等、符號(hào)相反 3142RRRRR1t=R2t=R3t=R4t 因而應(yīng)變片R1R4產(chǎn)生的

36、電阻增量合并為4倍的R，Rt則相互抵消 2.3.7 電阻應(yīng)變片傳感器的應(yīng)用0iiRUUk UR492.應(yīng)變式力傳感器制成的電子秤工作示意圖 應(yīng)變片應(yīng)變片圖圖2-17 應(yīng)變式力傳感器制成的電子秤應(yīng)變式力傳感器制成的電子秤50電子秤中的各種彈性敏感元件51荷重傳感器上應(yīng)變片工作示意圖 u荷重傳感器上的應(yīng)變片在重力作用下產(chǎn)生變形。軸向荷重傳感器上的應(yīng)變片在重力作用下產(chǎn)生變形。軸向變短，徑向變長(zhǎng)。變短，徑向變長(zhǎng)。 圖圖2-18 2-18 荷重傳感器上應(yīng)變片工作示意圖荷重傳感器上應(yīng)變片工作示意圖523. 3. 應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)變式壓力傳感器平膜式彈性元件平膜式彈性元件 在平膜片的圓心處沿切向貼在平膜片

37、的圓心處沿切向貼R R1 1、R R4 4兩個(gè)應(yīng)變片，在邊緣處沿兩個(gè)應(yīng)變片，在邊緣處沿徑向貼徑向貼R R2 2、R R3 3兩個(gè)應(yīng)變，如圖兩個(gè)應(yīng)變，如圖2-192-19所示。要求所示。要求 R R2 2、R R3 3和和R R1 1、R R4 4產(chǎn)生的應(yīng)變大小相等，極性相反，以便接成差動(dòng)全橋測(cè)產(chǎn)生的應(yīng)變大小相等，極性相反，以便接成差動(dòng)全橋測(cè)量電路。量電路。圖圖2-19 2-19 平膜片式壓力傳感器測(cè)量示意圖平膜片式壓力傳感器測(cè)量示意圖534. 應(yīng)變式加速度傳感器傳感器由質(zhì)量塊、應(yīng)變片、彈性懸臂梁和基座組成 當(dāng)振動(dòng)頻率小于傳感器的固有振動(dòng)頻率時(shí)，懸臂梁的應(yīng)變量與加速度成正比。圖圖2-20 應(yīng)變式

38、加速度傳感器應(yīng)變式加速度傳感器54材料應(yīng)變的測(cè)量斜拉橋上的斜拉繩應(yīng)變的測(cè)量返回本章目錄返回本章目錄552.4 壓電傳感器u 壓電式傳感器是一種典型的有源傳感器，它以某些電介壓電式傳感器是一種典型的有源傳感器，它以某些電介質(zhì)的質(zhì)的壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，為基礎(chǔ)，在外力作用下，材料受力變形時(shí)，其在外力作用下，材料受力變形時(shí)，其表面會(huì)有電荷產(chǎn)生表面會(huì)有電荷產(chǎn)生，從而實(shí)現(xiàn)非電量檢測(cè)的目的。，從而實(shí)現(xiàn)非電量檢測(cè)的目的。u 壓電傳感元件是一種力敏感元件，凡是能夠變換為力的壓電傳感元件是一種力敏感元件，凡是能夠變換為力的物理量，如應(yīng)力、壓力、振動(dòng)、加速度等，均可進(jìn)行測(cè)量，物理量，如應(yīng)力、壓力、振動(dòng)、加速度等

39、，均可進(jìn)行測(cè)量，但不能用于靜態(tài)力測(cè)量。由于壓電效應(yīng)的可逆性，壓電元件但不能用于靜態(tài)力測(cè)量。由于壓電效應(yīng)的可逆性，壓電元件又常用作超聲波的發(fā)射與接收裝置。又常用作超聲波的發(fā)射與接收裝置。u 壓電傳感器具有體積小、重量輕、工作頻帶寬、靈敏度壓電傳感器具有體積小、重量輕、工作頻帶寬、靈敏度及測(cè)量精度高等特點(diǎn)，又由于沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，因此結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、及測(cè)量精度高等特點(diǎn)，又由于沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，因此結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、可靠性和穩(wěn)定性高。在各種動(dòng)態(tài)力、機(jī)械沖擊與振動(dòng)測(cè)量，可靠性和穩(wěn)定性高。在各種動(dòng)態(tài)力、機(jī)械沖擊與振動(dòng)測(cè)量，以及聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、宇航等領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。以及聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、宇航等領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)

40、用。562.4.1 壓電傳感器 工作原理u 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)-某些晶體受一定方向外力作用而發(fā)生某些晶體受一定方向外力作用而發(fā)生機(jī)械機(jī)械變形變形時(shí)，相應(yīng)地在一定的晶體表面產(chǎn)生時(shí)，相應(yīng)地在一定的晶體表面產(chǎn)生符號(hào)符號(hào)相反相反的電荷的電荷，外力去掉后，電荷消失。力的方向改變時(shí)，電荷的符號(hào)也外力去掉后，電荷消失。力的方向改變時(shí)，電荷的符號(hào)也隨之改變，這種現(xiàn)象稱(chēng)為壓電效應(yīng)隨之改變，這種現(xiàn)象稱(chēng)為壓電效應(yīng)( (壓電正向效應(yīng)壓電正向效應(yīng)) )。u 壓電材料還具有與此效應(yīng)相反的效應(yīng)，即在電介質(zhì)的壓電材料還具有與此效應(yīng)相反的效應(yīng)，即在電介質(zhì)的極化方向施加極化方向施加交變電場(chǎng)交變電場(chǎng)，它會(huì)產(chǎn)生，它會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形機(jī)械變

41、形。當(dāng)去掉外加。當(dāng)去掉外加電場(chǎng)，電介質(zhì)變形隨之消失。這種現(xiàn)象稱(chēng)為壓電逆向效應(yīng)電場(chǎng)，電介質(zhì)變形隨之消失。這種現(xiàn)象稱(chēng)為壓電逆向效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）。（電致伸縮效應(yīng)）。 57壓電材料的分類(lèi)高分子壓電材料高分子壓電材料近年來(lái)發(fā)展的新型材料。近年來(lái)發(fā)展的新型材料。 壓電材料或元件的分類(lèi)壓電材料或元件的分類(lèi)單晶壓電晶體單晶壓電晶體( (如石英晶體如石英晶體)-)-天然存在。天然存在。極化的多晶壓電陶瓷，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鋇等極化的多晶壓電陶瓷，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鋇等人工制造。人工制造。58石英晶體石英晶體天然形成的石英晶體外形5960石英晶體切片及封裝石英晶體薄片雙面鍍銀及封裝611 . 石英晶體的壓電效應(yīng)u

42、石英晶體是一種應(yīng)用廣泛的石英晶體是一種應(yīng)用廣泛的壓電晶體。它是二氧化硅單壓電晶體。它是二氧化硅單晶，屬于晶，屬于規(guī)則的規(guī)則的正六角棱柱正六角棱柱體體 。圖。圖2-212-21是天然石英晶是天然石英晶體的外形圖。石英晶體有三體的外形圖。石英晶體有三個(gè)相互垂直的晶軸：個(gè)相互垂直的晶軸：uZ Z軸軸-光軸光軸，它與晶體的縱，它與晶體的縱軸線(xiàn)方向一致；軸線(xiàn)方向一致；uX X軸軸-電軸電軸，它通過(guò)六面體，它通過(guò)六面體相對(duì)的兩個(gè)棱線(xiàn)并垂直于光相對(duì)的兩個(gè)棱線(xiàn)并垂直于光軸；軸；uy y軸軸-機(jī)械軸機(jī)械軸，它垂直于兩，它垂直于兩個(gè)相對(duì)的晶柱棱面。個(gè)相對(duì)的晶柱棱面。 圖圖2-21 2-21 石英晶體結(jié)構(gòu)石英晶體結(jié)

43、構(gòu)62F石英晶體壓電效應(yīng)演示u力的方向改變時(shí)，力的方向改變時(shí)，電荷的符號(hào)也隨之電荷的符號(hào)也隨之改變，外力去掉后，改變，外力去掉后，電荷消失。電荷消失。63石英晶體壓電效應(yīng)產(chǎn)生的過(guò)程u 在正常情況下，石英晶體的每一個(gè)晶體單元中，有三個(gè)在正常情況下，石英晶體的每一個(gè)晶體單元中，有三個(gè)硅離子和六個(gè)氧離子，正負(fù)離子分布在正六邊形的頂角上，硅離子和六個(gè)氧離子，正負(fù)離子分布在正六邊形的頂角上，當(dāng)無(wú)外力作用時(shí)，正、負(fù)電荷中心重合，對(duì)外不顯電性。當(dāng)無(wú)外力作用時(shí)，正、負(fù)電荷中心重合，對(duì)外不顯電性。圖圖2-22 2-22 石英晶體的結(jié)構(gòu)及壓電效應(yīng)石英晶體的結(jié)構(gòu)及壓電效應(yīng)當(dāng)在當(dāng)在X X軸向施加軸向施加壓力壓力時(shí)，時(shí)

44、，各晶各晶格上的帶電粒格上的帶電粒子均產(chǎn)生相對(duì)子均產(chǎn)生相對(duì)位移位移，氧離子，氧離子擠入兩個(gè)硅離擠入兩個(gè)硅離子之間，而硅子之間，而硅離子也擠入兩離子也擠入兩個(gè)氧離子之間，個(gè)氧離子之間，正電荷中心向正電荷中心向B B面移動(dòng)，負(fù)電面移動(dòng)，負(fù)電荷中心向荷中心向A A面移面移動(dòng)，因而動(dòng)，因而B(niǎo) B面呈面呈現(xiàn)正電荷，現(xiàn)正電荷，A A面面呈現(xiàn)負(fù)電荷。呈現(xiàn)負(fù)電荷。當(dāng)在當(dāng)在X X軸向施加軸向施加拉力拉力時(shí)，時(shí)，各晶格上的帶電粒子均各晶格上的帶電粒子均沿沿X X軸向外產(chǎn)生位移，軸向外產(chǎn)生位移，因而因而A A面呈現(xiàn)正電荷，面呈現(xiàn)正電荷， B B面呈現(xiàn)負(fù)電荷。面呈現(xiàn)負(fù)電荷。在在Y Y方向施加方向施加壓力壓力時(shí)，時(shí)，晶

45、格沿晶格沿y y軸被向內(nèi)壓縮，軸被向內(nèi)壓縮，A A面呈現(xiàn)正電荷，面呈現(xiàn)正電荷， B B面面呈現(xiàn)負(fù)電荷呈現(xiàn)負(fù)電荷在在Y Y方向施加方向施加拉力拉力時(shí)，晶格在時(shí)，晶格在y y向被向被拉長(zhǎng)，拉長(zhǎng)，X X向縮短，向縮短，B B面呈現(xiàn)正電荷，面呈現(xiàn)正電荷，A A面呈現(xiàn)負(fù)電荷。面呈現(xiàn)負(fù)電荷。若沿若沿Z Z 軸方向施加力的作用時(shí)，軸方向施加力的作用時(shí)，由于硅離子和氧離子是對(duì)稱(chēng)的平移，由于硅離子和氧離子是對(duì)稱(chēng)的平移，故在表面沒(méi)有電荷出現(xiàn)，因而不產(chǎn)生故在表面沒(méi)有電荷出現(xiàn)，因而不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。這就是適應(yīng)晶體壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)。這就是適應(yīng)晶體壓電效應(yīng)產(chǎn)生的過(guò)程。產(chǎn)生的過(guò)程。64u 從晶體上沿從晶體上沿XYZXYZ軸線(xiàn)

46、切下軸線(xiàn)切下一片平行六面體的薄片稱(chēng)為一片平行六面體的薄片稱(chēng)為晶體切片。當(dāng)沿著晶體切片。當(dāng)沿著X X軸對(duì)壓電軸對(duì)壓電晶片施加力時(shí)，將在垂直于晶片施加力時(shí)，將在垂直于X X軸的表面上產(chǎn)生電荷，這種軸的表面上產(chǎn)生電荷，這種現(xiàn)象稱(chēng)為現(xiàn)象稱(chēng)為縱向壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng)。u 沿著沿著y y軸施加力的作用時(shí)，軸施加力的作用時(shí)，電荷仍出現(xiàn)在與電荷仍出現(xiàn)在與X X軸垂直的表軸垂直的表面上，這稱(chēng)之為面上，這稱(chēng)之為橫向壓電效橫向壓電效應(yīng)應(yīng)。當(dāng)沿著。當(dāng)沿著Z Z軸方向受力時(shí)不軸方向受力時(shí)不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。產(chǎn)生壓電效應(yīng)。石英晶體的縱、橫向壓電效應(yīng) 65縱向壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷為縱向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷為 Q QXX

47、XXd dXXXXF FX X (2-14) (2-14) 式中，式中， Q QXXXX 為垂直于為垂直于X X軸平面上的電荷，軸平面上的電荷，d dXXXX為縱向壓電系數(shù)，為縱向壓電系數(shù)， 下標(biāo)的意義為產(chǎn)生電荷的面的軸向及施加作用力的軸向；下標(biāo)的意義為產(chǎn)生電荷的面的軸向及施加作用力的軸向；F FX X 為沿晶軸為沿晶軸X X方向施加的壓力。方向施加的壓力。 由上式看出，當(dāng)晶片受到由上式看出，當(dāng)晶片受到X X向的壓力作用時(shí)，向的壓力作用時(shí)， Q QXXXX 與作用力與作用力F Fx x成正比，而與晶片的幾何尺寸無(wú)關(guān)。如果作用力成正比，而與晶片的幾何尺寸無(wú)關(guān)。如果作用力F Fx x改為拉改為拉力

48、時(shí)，則在垂直于力時(shí)，則在垂直于X X軸的平面上仍出現(xiàn)等量電荷，但極性相反。軸的平面上仍出現(xiàn)等量電荷，但極性相反。122.3 10XXCdN66如果沿如果沿Y Y軸方向作用壓力軸方向作用壓力F Fy y時(shí)，電荷仍出現(xiàn)在與時(shí)，電荷仍出現(xiàn)在與X X軸相垂直的軸相垂直的平面上，橫向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的荷量為平面上，橫向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的荷量為 式中，式中，Q QXYXY為在為在垂直于垂直于X X軸平面上的電荷軸平面上的電荷 , , d dXYXY為在垂直于為在垂直于X X軸平面上產(chǎn)生電荷時(shí)的壓電系數(shù)（橫向壓電系數(shù)軸平面上產(chǎn)生電荷時(shí)的壓電系數(shù)（橫向壓電系數(shù) ）；F FY Y為為沿晶軸沿晶軸Y Y方向施加的壓力。方

49、向施加的壓力。 根據(jù)石英晶體的對(duì)稱(chēng)條件根據(jù)石英晶體的對(duì)稱(chēng)條件d dXYXY= -= -d dXXXX，所以，所以 X YX YYaQdFbX YX XYaQdFb 橫向壓電效應(yīng)67石英晶體的電氣性能u石英晶體的介電常數(shù)和壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性相當(dāng)好，其機(jī)械強(qiáng)度很高，絕緣性能也相當(dāng)好，一般都作為標(biāo)準(zhǔn)傳感器或高精度傳感器中的壓電元件，比壓電陶瓷昂貴。682. 壓電陶瓷u 壓電陶瓷是人工制造的一種多晶壓電體，它由壓電陶瓷是人工制造的一種多晶壓電體，它由無(wú)數(shù)的單晶組成，各單晶的自發(fā)極化方向是任意無(wú)數(shù)的單晶組成，各單晶的自發(fā)極化方向是任意排列的，如圖排列的，如圖2-23a2-23a所示。所示。u 因此，雖

50、然每個(gè)單晶具有強(qiáng)的壓電性質(zhì)，但組因此，雖然每個(gè)單晶具有強(qiáng)的壓電性質(zhì)，但組成多晶后，各單晶的壓電效應(yīng)卻互相抵消了，所成多晶后，各單晶的壓電效應(yīng)卻互相抵消了，所以，原始的壓電陶瓷是一個(gè)非壓電體，不具有壓以，原始的壓電陶瓷是一個(gè)非壓電體，不具有壓電效應(yīng)。為了使壓電陶瓷具有壓電效應(yīng)，就必須電效應(yīng)。為了使壓電陶瓷具有壓電效應(yīng)，就必須進(jìn)行極化處理。進(jìn)行極化處理。692. 壓電陶瓷u 所謂所謂極化處理極化處理就是在一定的溫度條件下，對(duì)壓電陶瓷就是在一定的溫度條件下，對(duì)壓電陶瓷施加施加強(qiáng)電場(chǎng)強(qiáng)電場(chǎng)，使極性軸轉(zhuǎn)動(dòng)到接近電場(chǎng)方向，規(guī)則排列，如圖，使極性軸轉(zhuǎn)動(dòng)到接近電場(chǎng)方向，規(guī)則排列，如圖2-2-23b23b所示。

51、這個(gè)方向就是壓電陶瓷的極化方向，這時(shí)壓電陶瓷所示。這個(gè)方向就是壓電陶瓷的極化方向，這時(shí)壓電陶瓷就具有了壓電性，在極化電場(chǎng)去除后，留下了很強(qiáng)的剩余極就具有了壓電性，在極化電場(chǎng)去除后，留下了很強(qiáng)的剩余極化強(qiáng)度?；瘡?qiáng)度。u 當(dāng)壓電陶瓷受到力的作用時(shí)，極化強(qiáng)度就發(fā)生變化，在垂當(dāng)壓電陶瓷受到力的作用時(shí)，極化強(qiáng)度就發(fā)生變化，在垂直于極化方向上的平面上就會(huì)出現(xiàn)電荷。直于極化方向上的平面上就會(huì)出現(xiàn)電荷。 對(duì)于壓電陶瓷，通對(duì)于壓電陶瓷，通常取它的極化方向?yàn)槌Ｈ∷臉O化方向?yàn)閆 Z軸。軸。702. 壓電陶瓷的壓電效應(yīng) u當(dāng)壓電陶瓷在沿極化方向受力時(shí)，則在垂直當(dāng)壓電陶瓷在沿極化方向受力時(shí)，則在垂直于于Z Z軸的表面

52、上將會(huì)出現(xiàn)電荷，如圖軸的表面上將會(huì)出現(xiàn)電荷，如圖2-242-24所示。所示。電荷量與作用力成正比，即電荷量與作用力成正比，即 （2-172-17） 圖圖2-24 2-24 壓電陶瓷的壓電效應(yīng)壓電陶瓷的壓電效應(yīng)ZZzzZQd FzzdZZXZXXXAQdFAZZYZYYYAQdFAZAXAYAZXdZYdu 為壓電陶瓷的縱向壓電系數(shù)，其數(shù)值比石英晶體的壓電系數(shù)大得多，為壓電陶瓷的縱向壓電系數(shù)，其數(shù)值比石英晶體的壓電系數(shù)大得多，所以采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器靈敏度較高。所以采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器靈敏度較高。u當(dāng)沿當(dāng)沿X X軸方向施加作用力時(shí)，如圖軸方向施加作用力時(shí)，如圖2-24b2-2

53、4b所示，產(chǎn)生的電荷同樣出現(xiàn)在垂所示，產(chǎn)生的電荷同樣出現(xiàn)在垂直于直于Z Z 軸的表面上，其大小為軸的表面上，其大小為 （2-182-18）u同理，當(dāng)沿同理，當(dāng)沿Y Y軸方向施加作用力時(shí)，在垂直于軸方向施加作用力時(shí)，在垂直于Z Z軸的表面上產(chǎn)生的電荷量軸的表面上產(chǎn)生的電荷量為為 （2-192-19）u上式中上式中 、 、 為分別垂直于為分別垂直于Z Z軸、軸、X X軸、軸、Y Y軸的晶片面積。軸的晶片面積。 、 為橫向壓電系數(shù)，均為負(fù)值。為橫向壓電系數(shù)，均為負(fù)值。71723. 高分子的壓電材料u 高分子的壓電材料是一種新型的材料，有高分子的壓電材料是一種新型的材料，有聚偏二氟乙烯聚偏二氟乙烯（P

54、VF2PVF2）、聚偏氟乙烯（）、聚偏氟乙烯（PVDFPVDF）、聚氟乙烯（、聚氟乙烯（PVFPVF）、改性聚）、改性聚氟乙烯（氟乙烯（PVCPVC）等，其中以等，其中以PVF2PVF2和和PVDFPVDF的的壓電常數(shù)壓電常數(shù)最高。最高。u 有的材料比壓電陶瓷還要高幾十倍，其輸出脈沖電壓有的有的材料比壓電陶瓷還要高幾十倍，其輸出脈沖電壓有的可以直接驅(qū)動(dòng)可以直接驅(qū)動(dòng)CMOSCMOS集成門(mén)電路。集成門(mén)電路。u 高分子壓電材料的最大特點(diǎn)是具有柔軟性，可根據(jù)需要制高分子壓電材料的最大特點(diǎn)是具有柔軟性，可根據(jù)需要制成薄膜或電纜套管等形狀，經(jīng)極化處理后就現(xiàn)出壓電特性。成薄膜或電纜套管等形狀，經(jīng)極化處理后就

55、現(xiàn)出壓電特性。它不易破碎，具有防水性，動(dòng)態(tài)范圍寬，頻響范圍大，但工它不易破碎，具有防水性，動(dòng)態(tài)范圍寬，頻響范圍大，但工作溫度不高，（一般低于作溫度不高，（一般低于 100100，且隨溫度升高，靈敏度降，且隨溫度升高，靈敏度降低），機(jī)械強(qiáng)度也不高，容易老化，因此常用于對(duì)測(cè)量精度低），機(jī)械強(qiáng)度也不高，容易老化，因此常用于對(duì)測(cè)量精度要求不高的場(chǎng)合，例如水聲測(cè)量、防盜、震動(dòng)測(cè)量等方面。要求不高的場(chǎng)合，例如水聲測(cè)量、防盜、震動(dòng)測(cè)量等方面。737475762.4.2 壓電式傳感器的等效電路n 由壓電傳感器的工作原理可知，只要測(cè)得壓由壓電傳感器的工作原理可知，只要測(cè)得壓電元件上的電荷量，就可得知作用力的大小

56、，壓電元件上的電荷量，就可得知作用力的大小，壓電元件就像當(dāng)于一個(gè)電元件就像當(dāng)于一個(gè)電荷源電荷源。如果在壓電元件上。如果在壓電元件上沿電荷面的兩面覆以金屬，那么壓電元件就相當(dāng)沿電荷面的兩面覆以金屬，那么壓電元件就相當(dāng)于以壓電材料為介質(zhì)的電容器，其電容值為于以壓電材料為介質(zhì)的電容器，其電容值為aACb77等效電路u壓電元件可以等效為一個(gè)與電容相壓電元件可以等效為一個(gè)與電容相并聯(lián)并聯(lián)的電荷源，如圖的電荷源，如圖2-25a2-25a所示。所示。u由于電容器上的電壓由于電容器上的電壓 （開(kāi)路電壓）、電荷（開(kāi)路電壓）、電荷 與電容與電容 存在下列關(guān)系存在下列關(guān)系：圖圖2-25 2-25 壓電元件的等效電路

57、壓電元件的等效電路aaQuCauQaC因此，壓電元件也可以等效為電壓源和一個(gè)電容串聯(lián)的等效電因此，壓電元件也可以等效為電壓源和一個(gè)電容串聯(lián)的等效電路，如圖路，如圖2-25b2-25b所示所示 78u 如上圖所示，兩片壓電片負(fù)極都集中于中間電極上，正極如上圖所示，兩片壓電片負(fù)極都集中于中間電極上，正極在上下兩面電極上。這種接法稱(chēng)為在上下兩面電極上。這種接法稱(chēng)為并聯(lián)并聯(lián)。上極板為正電荷，。上極板為正電荷，下極板為負(fù)電荷，而中間極板上，上片產(chǎn)生的負(fù)電荷與下片下極板為負(fù)電荷，而中間極板上，上片產(chǎn)生的負(fù)電荷與下片產(chǎn)生的正電荷抵消，這種接法稱(chēng)為產(chǎn)生的正電荷抵消，這種接法稱(chēng)為串聯(lián)串聯(lián)。1. 壓電元件的串聯(lián)與

58、并聯(lián)1aCCnaQQaunuaCnCaQnQauu串聯(lián)時(shí)輸出總電容串聯(lián)時(shí)輸出總電容總電荷量為總電荷量為總電壓為總電壓為并聯(lián)時(shí)輸出總電容并聯(lián)時(shí)輸出總電容總電荷量為總電荷量為總電壓為總電壓為 在這兩種接法中，在這兩種接法中，并聯(lián)接法輸出并聯(lián)接法輸出電荷量大，本身電容也大電荷量大，本身電容也大，因此時(shí)間，因此時(shí)間常數(shù)大，宜用于測(cè)量緩變信號(hào)，并且常數(shù)大，宜用于測(cè)量緩變信號(hào)，并且適用于以電荷作為輸出量的場(chǎng)合。適用于以電荷作為輸出量的場(chǎng)合。 串聯(lián)接法輸出電壓高，自身電容小串聯(lián)接法輸出電壓高，自身電容小，適用于以電壓為輸出量，以及測(cè)量電適用于以電壓為輸出量，以及測(cè)量電路輸入阻抗很高的場(chǎng)合。路輸入阻抗很高的場(chǎng)

59、合。79 壓電傳感器與測(cè)量?jī)x表聯(lián)接時(shí)，還必須考慮電纜電容壓電傳感器與測(cè)量?jī)x表聯(lián)接時(shí)，還必須考慮電纜電容C CC C，放大器的輸入電阻放大器的輸入電阻R Ri i和輸入電容和輸入電容C Ci i以及傳感器的泄漏電阻以及傳感器的泄漏電阻R Ra a。圖圖-2-2 畫(huà)出了壓電傳感器完整的等效電路。畫(huà)出了壓電傳感器完整的等效電路。圖圖2-26 2-26 壓電傳感器實(shí)際的等效電路壓電傳感器實(shí)際的等效電路. 壓電傳感器測(cè)量電路壓電傳感器本身的內(nèi)阻抗很高，而輸出能量較小，因此它壓電傳感器本身的內(nèi)阻抗很高，而輸出能量較小，因此它的測(cè)量電路通常需要接入一個(gè)高輸入阻抗的前置放大器，其的測(cè)量電路通常需要接入一個(gè)高輸

60、入阻抗的前置放大器，其作用為：作用為：一是把它的一是把它的高高輸出阻抗變換為低輸出阻抗輸出阻抗變換為低輸出阻抗；二是；二是放放大傳感器輸出的微弱信號(hào)大傳感器輸出的微弱信號(hào)。壓電傳感器的輸出可以是電壓信號(hào)，也可以是電荷信號(hào)，壓電傳感器的輸出可以是電壓信號(hào)，也可以是電荷信號(hào)，因此前置放大器也有兩種形式：因此前置放大器也有兩種形式：電壓放大器電壓放大器和和電荷放大器電荷放大器。80（）電壓放大器tCdFuamisinC = CC + Ci；Ua=Q/Ca圖2-28 電壓放大器電路原理圖及其等效電路aiaiR RRRR如果壓電傳感器受力為如果壓電傳感器受力為 F = Fm sint 則在壓電元件上產(chǎn)生