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1、中职中职 自动检测与传感技术自动检测与传感技术项目教项目教程项目三程项目三 课件课件 高教版高教版项目三项目三 力和压力的检测力和压力的检测任务一任务一 电阻应变式传感器测力电阻应变式传感器测力 电阻应变式传感器电阻应变式传感器是利用应变效应制成的一种测量微小机械变化是利用应变效应制成的一种测量微小机械变化量的传感器。它可将拉力、压力、扭矩、加速度、振动等非电量转换量的传感器。它可将拉力、压力、扭矩、加速度、振动等非电量转换成电量。成电量。一、应变效应和电阻应变片一、应变效应和电阻应变片 1.1.应变效应及原理：应变效应及原理：（1 1）应变效应：）应变效应：金属或半导体电阻在外力的作用下发生
2、机械变形金属或半导体电阻在外力的作用下发生机械变形（拉伸或压缩）时，其电阻值发生变化的现象称为电阻的应变效应。（拉伸或压缩）时，其电阻值发生变化的现象称为电阻的应变效应。（2 2）应变原理：）应变原理：由电工学可知，当金属丝的长度为由电工学可知，当金属丝的长度为l,l,横截面积为横截面积为s,s,半径为半径为r r，电阻率为，电阻率为，且电阻丝未受外力作用时，它的电阻值为，且电阻丝未受外力作用时，它的电阻值为 R R （3-13-1）当沿金属丝的长度方向施加均匀力时，式中的当沿金属丝的长度方向施加均匀力时，式中的、l l、r r都将发生都将发生变化，导致电阻值发生变化。即：当金属丝受到外力作用
3、而伸长时，变化，导致电阻值发生变化。即：当金属丝受到外力作用而伸长时，长度增加，而截面积减少，电阻值增大；当金属丝受外力作用而压缩长度增加，而截面积减少，电阻值增大；当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小，而截面积增加，电阻值减小时，长度减小，而截面积增加，电阻值减小 。这样，只要测量出金。这样，只要测量出金属丝电阻值的大小，就可以反映外界作用力的大小属丝电阻值的大小，就可以反映外界作用力的大小 项目三项目三 力和压力的检测力和压力的检测任务一任务一 电阻应变式传感器测力电阻应变式传感器测力其关系可以表示为其关系可以表示为 K K K K （3-23-2）式中：式中：K K 为金属丝的灵敏度为金
4、属丝的灵敏度 为电阻丝的电阻变化率为电阻丝的电阻变化率 为电阻丝的应变，通常用为电阻丝的应变，通常用表示。表示。2.2.电阻应变片电阻应变片 电阻应变片就是利用电阻的应变效应制成的敏感元件，它可以把电阻应变片就是利用电阻的应变效应制成的敏感元件，它可以把其机械变形转换成电阻的变化。电阻应变片由敏感栅（电阻丝）、其机械变形转换成电阻的变化。电阻应变片由敏感栅（电阻丝）、引出线、基底、覆盖层、黏合剂等组成，其结构见图引出线、基底、覆盖层、黏合剂等组成，其结构见图3-13-1所示。图所示。图中中L L为敏感栅沿轴向测量变形的有效长度（即应变片的标距），为敏感栅沿轴向测量变形的有效长度（即应变片的标距
5、），b b为敏感栅的宽度（即应变片的基宽）。敏感栅是电阻应变片的主为敏感栅的宽度（即应变片的基宽）。敏感栅是电阻应变片的主要组成部分，应变要组成部分，应变电阻的变换就是由它完成的。电阻的变换就是由它完成的。项目三项目三 力和压力的检测力和压力的检测任务一任务一 电阻应变式传感器测力电阻应变式传感器测力因此，对敏感栅的金属材料有如下要求：因此，对敏感栅的金属材料有如下要求：（1 1）应变灵敏系数要大，并在所测应变范围内保持不变；）应变灵敏系数要大，并在所测应变范围内保持不变；（2 2）电阻率要高而稳定，以便于缩短敏感栅长度；）电阻率要高而稳定，以便于缩短敏感栅长度；（3 3）抗氧化、耐腐蚀性好，
6、电阻温度系数要小；）抗氧化、耐腐蚀性好，电阻温度系数要小；（4 4）机械强度高，具有良好的机械加工和焊接性能。）机械强度高，具有良好的机械加工和焊接性能。图图3-1 3-1 电阻应变片基本结构图电阻应变片基本结构图项目三项目三 力和压力的检测力和压力的检测任务一任务一 电阻应变式传感器测力电阻应变式传感器测力基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置，覆盖层既保持敏感栅和引基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置，覆盖层既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保护敏感栅。线的形状和相对位置，还可保护敏感栅。黏合剂用于将敏感栅固定于基底上，并将覆盖层与基底粘贴在一起。黏合剂用于将敏感栅固定
7、于基底上，并将覆盖层与基底粘贴在一起。引线是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。要求引线材料的电阻率低，电引线是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。要求引线材料的电阻率低，电阻温度系数、抗氧化性能好，易于焊接。通常敏感栅材料都可以制作引线。阻温度系数、抗氧化性能好，易于焊接。通常敏感栅材料都可以制作引线。3.3.电阻应变片的分类电阻应变片的分类（1 1）金属电阻应变片）金属电阻应变片 金属电阻应变片又分为金属丝式、箔式和薄膜式三种结构。图金属电阻应变片又分为金属丝式、箔式和薄膜式三种结构。图3-23-2所示为所示为几种不同类型的电阻应变片。几种不同类型的电阻应变片。（a a）金属丝式）金属丝式 （
8、b b）金属箔式）金属箔式 （c c）半导体式）半导体式 图图3-2 3-2 电阻应变片类型电阻应变片类型项目三项目三 力和压力的检测力和压力的检测任务一任务一 电阻应变式传感器测力电阻应变式传感器测力 金属丝式应变片是将直径极细的电阻丝弯曲成若干个回纹形状后粘固绝缘金属丝式应变片是将直径极细的电阻丝弯曲成若干个回纹形状后粘固绝缘基板上制成的应变片。基板上制成的应变片。金属丝式应变片是最早使用的，有纸基型、胶基型两种。金属丝式应变片金属丝式应变片是最早使用的，有纸基型、胶基型两种。金属丝式应变片的蠕变较大，金属丝易脱落，但其价格便宜，广泛用于一次性、低精度的的蠕变较大，金属丝易脱落，但其价格便
9、宜，广泛用于一次性、低精度的应变、应力实验中。应变、应力实验中。金属箔式应变片是将数微米厚的金属膜粘固在环氧树脂基片上，再通过光金属箔式应变片是将数微米厚的金属膜粘固在环氧树脂基片上，再通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变片。金属箔式应变片的金属膜厚度通常在刻、腐蚀等工艺制成的应变片。金属箔式应变片的金属膜厚度通常在0.0030.0030.01mm0.01mm，面积比丝式大得多，所以散热效果好、允许通过的电流大、横，面积比丝式大得多，所以散热效果好、允许通过的电流大、横向效应小、灵敏系数较高、柔性好、寿命长、工艺成熟且适于大批量生产向效应小、灵敏系数较高、柔性好、寿命长、工艺成熟且适于大批量生产而得
10、到广泛使用。而得到广泛使用。金属薄膜式应变片是采用真空蒸镀或真空沉淀等方法，在薄膜的绝缘基片金属薄膜式应变片是采用真空蒸镀或真空沉淀等方法，在薄膜的绝缘基片上形成上形成0.1m0.1m以下的金属电阻薄膜敏感栅，最后加上保护层制成。它的优以下的金属电阻薄膜敏感栅，最后加上保护层制成。它的优点是灵敏系数较高，允许电流密度大，工作温度范围较广，可在核辐射等点是灵敏系数较高，允许电流密度大，工作温度范围较广，可在核辐射等恶劣环境下工作。恶劣环境下工作。（2 2）半导体应变片）半导体应变片 半导体应变片是利用半导体单晶硅的压阻效应制成的一种敏感元件。（压半导体应变片是利用半导体单晶硅的压阻效应制成的一种
11、敏感元件。（压阻效应是半导体晶体材料在某一方向受力产生变形时其电阻率发生变化的阻效应是半导体晶体材料在某一方向受力产生变形时其电阻率发生变化的现象）。半导体应变片的灵敏度高（一般比金属丝式、箔式高几十倍），现象）。半导体应变片的灵敏度高（一般比金属丝式、箔式高几十倍），横向效应小，故它的应用日趋广泛。横向效应小，故它的应用日趋广泛。项目三项目三 力和压力的检测力和压力的检测任务一任务一 电阻应变式传感器测力电阻应变式传感器测力4.4.应变片的粘贴技术应变片的粘贴技术（1 1）应变片的检查）应变片的检查 对所选用的应变片进行外观和电阻的检查。观察敏感栅的排列是否整齐、对所选用的应变片进行外观和电
12、阻的检查。观察敏感栅的排列是否整齐、均匀，片内是否夹有气泡，是否有锈蚀及短路、断路和折弯现象。测量应均匀，片内是否夹有气泡，是否有锈蚀及短路、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、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。电阻值要尽量一致。（2 2）试件的表面处理）试件的表面处理 为了保证一定的粘合强度，必须将试件待贴表面进行打磨，除去锈斑、为了保证一定的粘合强度，必须将试件待贴表面进行打磨，除去锈斑、氧化皮、油污等覆盖层，再用直尺、钢针画出应变片定位线，最后用脱酯氧化皮、油污等覆盖层，再用直尺、钢针画出应
13、变片定位线，最后用脱酯棉球酒精或丙酮清洗待贴表面以除去油脂、灰尘等，保持粘贴表面平整、棉球酒精或丙酮清洗待贴表面以除去油脂、灰尘等，保持粘贴表面平整、光滑。光滑。（3 3）确定贴片位置）确定贴片位置 在应变片上标出敏感栅的纵、横向中心线，粘贴时应使应变片的中心线在应变片上标出敏感栅的纵、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。与试件的定位线对准。（4 4）粘贴应变片）粘贴应变片（5 5）固化处理）固化处理（6 6）粘贴质量检查）粘贴质量检查（7 7）引线的固定）引线的固定 （8 8）引出线的保护）引出线的保护（9 9）防潮防湿处理）防潮防湿处理项目三项目三 力和压力的检测力和压
14、力的检测任务一任务一 电阻应变式传感器测力电阻应变式传感器测力5.5.应变片的参数应变片的参数（1 1）标准电阻值）标准电阻值R0R0 标准电阻值是指在室温条件下，未安装的应变片不受外力作用时测定标准电阻值是指在室温条件下，未安装的应变片不受外力作用时测定的电阻值，也称为初始电阻值。主要规格有：的电阻值，也称为初始电阻值。主要规格有：6060、9090、120120、150150、350350、600600、10001000等，其中，等，其中，120120最为常用。最为常用。（2 2）绝缘电阻）绝缘电阻RGRG 绝缘电阻是指敏感栅和基底之间的电阻值，一般应大于绝缘电阻是指敏感栅和基底之间的电阻
15、值，一般应大于10M10M。（3 3）灵敏度系数）灵敏度系数K K 灵敏度系数是指应变片安装到被测物体表面后，在其轴线方向上的单灵敏度系数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。的轴向应变之比。K K是衡量应变片质量优劣的主要指标，它的准确性直接影响着测量精度，是衡量应变片质量优劣的主要指标，它的准确性直接影响着测量精度，因而要求因而要求K K值尽量大而且稳定。值尽量大而且稳定。（4 4）应变极限）应变极限maxmax 应变极限是指应变片所能承受
16、的最大应变值。在一定温度下，对应变应变极限是指应变片所能承受的最大应变值。在一定温度下，对应变片缓慢施加拉伸负荷，传感器的指标应变值对真实应变值的相对误差大片缓慢施加拉伸负荷，传感器的指标应变值对真实应变值的相对误差大于于10%10%时的真实应变值即为应变片的应变极限。时的真实应变值即为应变片的应变极限。项目三项目三 力和压力的检测力和压力的检测任务一任务一 电阻应变式传感器测力电阻应变式传感器测力5.5.应变片的参数应变片的参数（5 5）允许电流）允许电流IeIe 允许电流是指应变片允许通过的最大电流。允许电流是指应变片允许通过的最大电流。（6 6）机械滞后）机械滞后 机械滞后是指所粘贴的应
17、变片在温度一定时，其加载特性与卸载特性机械滞后是指所粘贴的应变片在温度一定时，其加载特性与卸载特性不重合，即为机械滞后。不重合，即为机械滞后。产生机械滞后的原因，主要是敏感栅、基底和粘合剂在承受机械应变产生机械滞后的原因，主要是敏感栅、基底和粘合剂在承受机械应变后所留下的残余变形造成的。为了减小滞后，除选用合适的粘合剂外，后所留下的残余变形造成的。为了减小滞后，除选用合适的粘合剂外，最好在安装应变片后，做三次以上的加卸载循环后再正式测量。最好在安装应变片后，做三次以上的加卸载循环后再正式测量。（7 7）零点漂移和蠕变）零点漂移和蠕变 零点漂移：对于粘贴好的应变片，当温度恒定且不承受应变时，其电
18、零点漂移：对于粘贴好的应变片，当温度恒定且不承受应变时，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。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；粘合剂固化不充分等。合剂固化不充分等。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的方向相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的方向相反。反。产生原因：应变片在制造过程中所产
19、生的内应力、丝材、粘合剂、基产生原因：应变片在制造过程中所产生的内应力、丝材、粘合剂、基底等的变化是造成应变片蠕变的因素。底等的变化是造成应变片蠕变的因素。这两项指标都是用来衡量应变片特性对时间的稳定性的。这两项指标都是用来衡量应变片特性对时间的稳定性的。项目三项目三 力和压力的检测力和压力的检测任务一任务一 电阻应变式传感器测力电阻应变式传感器测力二、电阻应变片的测量电路二、电阻应变片的测量电路 1.1.应变电桥应变电桥应变电桥：应变电桥：将电阻应变片电阻值的变化转换为电压或电流的变化，再将电阻应变片电阻值的变化转换为电压或电流的变化，再由仪表显示输出。这种测量电路常被称为应变电桥。由仪表显
20、示输出。这种测量电路常被称为应变电桥。电桥形式：电桥形式：直流电桥和交流电桥。直流电桥和交流电桥。（1 1）电桥结构）电桥结构 与热电阻电桥测量线路相同，把应变片接入电路桥臂即构成应与热电阻电桥测量线路相同，把应变片接入电路桥臂即构成应变电桥。如图变电桥。如图3-33-3所示。所示。图图3-3 3-3 直流电桥直流电桥 图图3-4 3-4 带调零装置的电桥电路带调零装置的电桥电路项目三项目三 力和压力的检测力和压力的检测任务一任务一 电阻应变式传感器测力电阻应变式传感器测力 电桥平衡条件：电桥平衡条件：R R2 2 R R4 4R R1 1R R3 3，U UO O=0=0，即电路输出为零。，
21、即电路输出为零。若其中某一应变电阻发生变化时，电桥平衡被打破，有电压输出，若其中某一应变电阻发生变化时，电桥平衡被打破，有电压输出，输出电压与被测量的变化成比例，因而达到测量被测量的目的。输出电压与被测量的变化成比例，因而达到测量被测量的目的。在实际使用时，即使在平衡状态，电桥输出也不一定为零，因此，一般在实际使用时，即使在平衡状态，电桥输出也不一定为零，因此，一般电桥测量电路都设有调零装置，如图电桥测量电路都设有调零装置，如图3-43-4所示。所示。（2 2）电桥形式）电桥形式 根据应变片接入电桥工作桥臂的形式不同，应变电桥可分为以下三根据应变片接入电桥工作桥臂的形式不同，应变电桥可分为以下
22、三种形式：种形式：单臂电桥：电桥四个桥臂中只有一个应变片。单臂电桥：电桥四个桥臂中只有一个应变片。其输出电压为其输出电压为UoUo Ui (3Ui (33)3)双臂电桥（又叫差动半桥）：电桥中相邻两个桥臂为应变片双臂电桥（又叫差动半桥）：电桥中相邻两个桥臂为应变片 其输出电压为其输出电压为UoUo Ui (3Ui (34)4)差动全桥：电桥四个桥臂均为应变片差动全桥：电桥四个桥臂均为应变片 其输出电压为其输出电压为UoUo Ui (3Ui (35)5)项目三项目三 力和压力的检测力和压力的检测任务一任务一 电阻应变式传感器测力电阻应变式传感器测力注意：注意：1 1）上述各式中的）上述各式中的R
23、 R为应变片的阻值变化量，电桥四桥臂电阻值为应变片的阻值变化量，电桥四桥臂电阻值R R均相同。均相同。2 2）接入同一电桥各桥臂的应变片的电阻值、灵敏度系数和电阻温）接入同一电桥各桥臂的应变片的电阻值、灵敏度系数和电阻温度系数均应相同。度系数均应相同。（3 3）电压灵敏度系数）电压灵敏度系数 电压灵敏度系数电压灵敏度系数KuKu的计算公式为的计算公式为 KuKu (3(36)6)所以单臂电桥电压灵敏度所以单臂电桥电压灵敏度KuKu ；差动半桥电压灵敏度差动半桥电压灵敏度KuKu ；差动全桥电压灵敏度差动全桥电压灵敏度KuKuUiUi。因此，在实际应用中多采用差动半桥和差动全桥电路。因此，在实际
24、应用中多采用差动半桥和差动全桥电路。项目三项目三 力和压力的检测力和压力的检测任务一任务一 电阻应变式传感器测力电阻应变式传感器测力二、电阻应变片的测量电路二、电阻应变片的测量电路 2.2.应变电桥的温度补偿应变电桥的温度补偿 由于环境温度的改变而给测量带来的附加误差，称为应变片的温由于环境温度的改变而给测量带来的附加误差，称为应变片的温度误差。度误差。产生误差的原因：一是电阻应变片的温度系数不一致，二是应变产生误差的原因：一是电阻应变片的温度系数不一致，二是应变材料与被测试件材料的线膨胀系数（固体物质的温度每改变材料与被测试件材料的线膨胀系数（固体物质的温度每改变11时，时，其长度的变化和它
25、在其长度的变化和它在00时长度之比，叫做时长度之比，叫做“线膨胀系数线膨胀系数”。）不同，。）不同，而使应变片产生附加应变。因此，为了提高测量精度，必须进行温而使应变片产生附加应变。因此，为了提高测量精度，必须进行温度补偿。常用的温度补偿方法有电桥补偿和应变片自补偿法两种。度补偿。常用的温度补偿方法有电桥补偿和应变片自补偿法两种。（1 1）电桥补偿法）电桥补偿法 又叫补偿片法，是最常用且效果较好的线路补偿方法，一般应用又叫补偿片法，是最常用且效果较好的线路补偿方法，一般应用在单臂电桥中。在单臂电桥中。项目三项目三 力和压力的检测力和压力的检测任务一任务一 电阻应变式传感器测力电阻应变式传感器测
26、力二、电阻应变片的测量电路二、电阻应变片的测量电路 2.2.应变电桥的温度补偿应变电桥的温度补偿 （1 1）电桥补偿法）电桥补偿法接法一：接法一：如图如图3-53-5所示。所示。在被测试件上安装一个工作应变片在被测试件上安装一个工作应变片R1R1，在另一个与被测试件的材料相同但，在另一个与被测试件的材料相同但不受力的补偿件上安装一个补偿应变片不受力的补偿件上安装一个补偿应变片R2R2。测量时，把两者接入电桥的相邻两。测量时，把两者接入电桥的相邻两桥臂上。桥臂上。由于补偿片与工作片完全相同，都由于补偿片与工作片完全相同，都贴在同样材料的试件上，且处于相同的贴在同样材料的试件上，且处于相同的环境温
27、度中。因此，由于温度变化而使环境温度中。因此，由于温度变化而使工作片所产生的电阻变化工作片所产生的电阻变化R1R1和补偿片和补偿片的电阻变化的电阻变化R2R2相等，电桥仍处于平衡相等，电桥仍处于平衡状态，使输出不受温度影响，从而补偿状态，使输出不受温度影响，从而补偿了应变电桥的温度误差。了应变电桥的温度误差。图图3-5 3-5 电桥补偿法电路电桥补偿法电路项目三项目三 力和压力的检测力和压力的检测任务一任务一 电阻应变式传感器测力电阻应变式传感器测力二、电阻应变片的测量电路二、电阻应变片的测量电路 2.2.应变电桥的温度补偿应变电桥的温度补偿 （1 1）电桥补偿法）电桥补偿法接法二：接法二：如
28、图如图3-63-6所示。所示。将工作片和补偿片分别贴在试件的上、将工作片和补偿片分别贴在试件的上、下两侧，当试件受力弯曲时，上面的应变片下两侧，当试件受力弯曲时，上面的应变片受到拉应变，下面的应变片受到压应变，两受到拉应变，下面的应变片受到压应变，两者大小相等，符号相反。如果把工作片和补者大小相等，符号相反。如果把工作片和补偿片接入应变电桥的相邻桥臂中，就会使电偿片接入应变电桥的相邻桥臂中，就会使电桥的输出电压增加一倍。此时补偿片既能起桥的输出电压增加一倍。此时补偿片既能起到温度补偿作用，又能提高测量灵敏度。到温度补偿作用，又能提高测量灵敏度。图图3-6 3-6 工作片和补偿片的粘贴形式工作片
29、和补偿片的粘贴形式 （2 2）应变片的自补偿法）应变片的自补偿法 所谓温度自补偿就是当温度发生变化时，要利用应变片的自身特性，所谓温度自补偿就是当温度发生变化时，要利用应变片的自身特性，在使用温度范围内，使应变片的虚假输出为零或在某一规定的允许范围在使用温度范围内，使应变片的虚假输出为零或在某一规定的允许范围内。内。用于自补偿的应变片制造简单，成本较低，但必须在特定的构件用于自补偿的应变片制造简单，成本较低，但必须在特定的构件材料上才能使用，不同材料的试件必须采用不同的应变片。材料上才能使用，不同材料的试件必须采用不同的应变片。项目三项目三 力和压力的检测力和压力的检测任务一任务一 电阻应变式
30、传感器测力电阻应变式传感器测力三、电阻应变式传感器三、电阻应变式传感器 1.1.结构组成及外形：结构组成及外形：（1 1）组成：）组成：如图如图3-73-7所示，由弹性元件、应变片和外壳组成。核心元件所示，由弹性元件、应变片和外壳组成。核心元件是电阻应变片，但电阻应变片不能直接承受力，力只能作用在弹性是电阻应变片，但电阻应变片不能直接承受力，力只能作用在弹性元件上。所谓弹性元件就是一种在力的作用下产生变形，当外力撤元件上。所谓弹性元件就是一种在力的作用下产生变形，当外力撤掉后又能完全恢复其原来状态的元件。实践中要求其具有良好的弹掉后又能完全恢复其原来状态的元件。实践中要求其具有良好的弹性、足够
31、的精度以及良好的稳定性和抗腐蚀性等。常用的材料有特性、足够的精度以及良好的稳定性和抗腐蚀性等。常用的材料有特种钢、合金等。种钢、合金等。图图3-7 3-7 电阻应变式传感器的测量框图电阻应变式传感器的测量框图项目三项目三 力和压力的检测力和压力的检测任务一任务一 电阻应变式传感器测力电阻应变式传感器测力三、电阻应变式传感器三、电阻应变式传感器 （2 2）外形：）外形：如图如图3-83-8所示是几种电阻应变式传感器的外形图。所示是几种电阻应变式传感器的外形图。(c)(c)电阻应变式称重传感器电阻应变式称重传感器 (d)(d)电阻应变拉压式负荷传感器电阻应变拉压式负荷传感器 图图3-8 3-8 电
32、阻应变式传感器的测量框图电阻应变式传感器的测量框图(a)(a)电阻应变式压力传感器电阻应变式压力传感器 (b)(b)电阻应变式直视吊钩秤电阻应变式直视吊钩秤项目三项目三 力和压力的检测力和压力的检测任务一任务一 电阻应变式传感器测力电阻应变式传感器测力三、电阻应变式传感器三、电阻应变式传感器 2.2.工作原理工作原理 电阻应变式传感器在应用时是将应变片粘贴于弹性体表面或者直接电阻应变式传感器在应用时是将应变片粘贴于弹性体表面或者直接将应变片粘贴于被测试件上。弹性体或试件的变形通过基底和粘合将应变片粘贴于被测试件上。弹性体或试件的变形通过基底和粘合剂传递给敏感栅，使得其电阻值也发生相应的变化，然
33、后经转换电剂传递给敏感栅，使得其电阻值也发生相应的变化，然后经转换电路转换为电压或电流的变化，再通过显示记录仪表将数值显示出来，路转换为电压或电流的变化，再通过显示记录仪表将数值显示出来，就可以知道被测元件受力的大小，实现力的测量。就可以知道被测元件受力的大小，实现力的测量。3.3.电阻应变式传感器的应用电阻应变式传感器的应用（1 1）称重传感器的应用）称重传感器的应用 图图3-93-9所示为称重传感器的原理图。所示为称重传感器的原理图。它是在金属板簧上粘贴两个电阻应变片，它是在金属板簧上粘贴两个电阻应变片，并将应变片接入图并将应变片接入图3-33-3电桥电路的两个相邻电桥电路的两个相邻的桥臂
34、中。的桥臂中。如果没有重量，电桥平衡，输出电压如果没有重量，电桥平衡，输出电压U0U00 0。当测定物体的重量时，会使弹簧产。当测定物体的重量时，会使弹簧产生挠度，应变片的电阻值就会发生变化，生挠度，应变片的电阻值就会发生变化，使电桥失去平衡，产生输出电压使电桥失去平衡，产生输出电压U0 U0，从而，从而测得物体的重量。测得物体的重量。图图3-9 3-9 称重传感器称重传感器 项目三项目三 力和压力的检测力和压力的检测任务一任务一 电阻应变式传感器测力电阻应变式传感器测力三、电阻应变式传感器三、电阻应变式传感器（2 2）制作偏差检测器）制作偏差检测器 图图3-103-10所示是偏差检测器的原理
35、图，所示是偏差检测器的原理图，它主要用于检测被测物体尺寸与标准尺寸它主要用于检测被测物体尺寸与标准尺寸的偏差。的偏差。在回过火的钢板内、外两侧分别粘贴在回过火的钢板内、外两侧分别粘贴电阻应变片电阻应变片RARA和和RBRB，并将其接入电桥电路，并将其接入电桥电路的相邻两个桥臂中。当被测物体的尺寸大的相邻两个桥臂中。当被测物体的尺寸大于标准体时，回火钢板的弯曲程度增加，于标准体时，回火钢板的弯曲程度增加，使应变片使应变片RARA受到压力，电阻值减小，应变受到压力，电阻值减小，应变片片RBRB受到拉力，电阻值增大，桥路平衡被受到拉力，电阻值增大，桥路平衡被打破，测量电路产生输出电压。当被测物打破，
36、测量电路产生输出电压。当被测物体的尺寸小于标准体时，则情况刚好相反。体的尺寸小于标准体时，则情况刚好相反。由此，根据输出电压的变化量，即可求得由此，根据输出电压的变化量，即可求得被测量物体与标准体的尺寸偏差。被测量物体与标准体的尺寸偏差。图图3-10 3-10 物体尺寸偏差检测器物体尺寸偏差检测器 3.3.电阻应变式传感器的应用电阻应变式传感器的应用项目三项目三 力和压力的检测力和压力的检测任务一任务一 电阻应变式传感器测力电阻应变式传感器测力三、电阻应变式传感器三、电阻应变式传感器（3 3）应变式加速度传感器）应变式加速度传感器 应变式加速度传感器由质量应变式加速度传感器由质量块、贴有应变片
37、的弹性元件（悬臂块、贴有应变片的弹性元件（悬臂梁）和外壳组成。其结构如图梁）和外壳组成。其结构如图3-113-11所示。实际使用时，传感器与被测所示。实际使用时，传感器与被测物体固定在一起，当被测物体以加物体固定在一起，当被测物体以加速度速度a a运动时，质量块受到一个与运动时，质量块受到一个与加速度方向相反的惯性作用，使悬加速度方向相反的惯性作用，使悬臂梁变形，应变片感受到应变并使臂梁变形，应变片感受到应变并使其电阻发生变化。电阻的变化引起其电阻发生变化。电阻的变化引起由应变片组成的测量电桥的不平衡，由应变片组成的测量电桥的不平衡，桥路的输出电压即反映出加速度桥路的输出电压即反映出加速度a
38、a的大小。的大小。图图3-11 3-11 应变式加速度传感器应变式加速度传感器3.3.电阻应变式传感器的应用电阻应变式传感器的应用项目三项目三 力和压力的检测力和压力的检测任务二任务二 压电式传感器测力压电式传感器测力一、认识压电式传感器一、认识压电式传感器 压电式传感器是一种典型的有源传感器，它是利用某些电介质受力压电式传感器是一种典型的有源传感器，它是利用某些电介质受力后产生的压电效应而制成的传感器。压电传感器是力敏感元件，它后产生的压电效应而制成的传感器。压电传感器是力敏感元件，它可以对各种动态力、机械冲击和振动进行测量，在声学、医学、力可以对各种动态力、机械冲击和振动进行测量，在声学、
39、医学、力学、导航等方面都得到了广泛的应用。其外形见图学、导航等方面都得到了广泛的应用。其外形见图3-123-12所示。所示。（a a）压电式压力传感器）压电式压力传感器图图3-12 3-12 部分压电式传感器的外形图部分压电式传感器的外形图 项目三项目三 力和压力的检测力和压力的检测任务二任务二 压电式传感器测力压电式传感器测力一、认识压电式传感器一、认识压电式传感器 （b b）压电式加速度传感器）压电式加速度传感器 （c c）高分子压电薄膜传感器）高分子压电薄膜传感器 图图3-12 3-12 部分压电式传感器的外形图部分压电式传感器的外形图 项目三项目三 力和压力的检测力和压力的检测任务二任
40、务二 压电式传感器测力压电式传感器测力二、压电材料及性能参数二、压电材料及性能参数 具有明显压电效应的敏感功能材料称为压电材料。具有明显压电效应的敏感功能材料称为压电材料。1.1.压电效应压电效应 某些电介质在沿一定方向受到外力的作用而变形时，由于内部某些电介质在沿一定方向受到外力的作用而变形时，由于内部电荷的极化现象，相应地会在其表面产生极性相反的电荷；当外力电荷的极化现象，相应地会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，这种现象称之为压电效应。压电效应是把机械能转化也随
41、之改变，这种现象称之为压电效应。压电效应是把机械能转化为电能的过程。相反，当在电介质极化方向施加电场时，这些电介为电能的过程。相反，当在电介质极化方向施加电场时，这些电介质也会产生机械形变，当去掉外加电场时电介质变形也随之消失，质也会产生机械形变，当去掉外加电场时电介质变形也随之消失，这种现象称为逆压电效应或电致伸缩效应。与压电效应相反，逆压这种现象称为逆压电效应或电致伸缩效应。与压电效应相反，逆压电效应过程是把电能转化为机械能的过程。所以压电效应也称为正电效应过程是把电能转化为机械能的过程。所以压电效应也称为正压电效应。压电传感器都是利用压电材料的压电效应工作的。压电效应。压电传感器都是利用
42、压电材料的压电效应工作的。2.2.压电材料压电材料可用于压电传感器中的压电材料一般有三类：压电晶体、经过极化可用于压电传感器中的压电材料一般有三类：压电晶体、经过极化处理的压电陶瓷和新型压电材料。它们的实物外形如图处理的压电陶瓷和新型压电材料。它们的实物外形如图3-133-13所示。所示。项目三项目三 力和压力的检测力和压力的检测任务二任务二 压电式传感器测力压电式传感器测力二、压电材料及性能参数二、压电材料及性能参数2.2.压电材料压电材料（a a）压电晶体）压电晶体 （b b）压电陶瓷）压电陶瓷 （c c）高分子压电薄膜及压电半导体）高分子压电薄膜及压电半导体 图图3-13 3-13 部分
43、压电材料实物图部分压电材料实物图项目三项目三 力和压力的检测力和压力的检测任务二任务二 压电式传感器测力压电式传感器测力三、压电传感器的测量转换电路三、压电传感器的测量转换电路1.1.压电传感器的等效电路压电传感器的等效电路 压电传感器中的压电元件就是将能产生电荷的两个压电晶片表压电传感器中的压电元件就是将能产生电荷的两个压电晶片表面封上金属电极后构成的。当压电元件受力时，就会在两个电面封上金属电极后构成的。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，因此他又相当于一个以压电材料为
44、介质间是绝缘的压电介质，因此他又相当于一个以压电材料为介质的电容器，其电容值为的电容器，其电容值为 C Ca a=r ro oA/(3-7)A/(3-7)式中：式中：A A为压电元件电极面面积；为压电元件电极面面积；为压电元件厚度；为压电元件厚度；r r为压电为压电材料的相对介电常数；材料的相对介电常数；o o为真空的介电常数。为真空的介电常数。图图3-14 3-14 压电元件的等效电路压电元件的等效电路项目三项目三 力和压力的检测力和压力的检测任务二任务二 压电式传感器测力压电式传感器测力三、压电传感器的测量转换电路三、压电传感器的测量转换电路2.2.压电式传感器的测量电路压电式传感器的测量
45、电路 从从等等效效电电路路中中可可以以看看出出：压压电电式式传传感感器器的的输输出出可可以以是是电电荷荷信信号号，也也可可以以是是电电压压信信号号，因因此此，对对应应的的前前置置放放大大器器（测测量量电电路路）就就有有两两种种形形式式：电电荷荷放放大大器器和和电电压压放放大大器器。由由于于电电压压放放大大器器的的输输出出电电压压与与电电缆缆电电容容有有关关，更更换换电电缆缆会会引引入入测测量量误误差差，所所以以目目前前多采用电荷放大器。电荷放大器电路如图多采用电荷放大器。电荷放大器电路如图3-153-15所示。所示。图图3-15 3-15 电荷放大器等效电路电荷放大器等效电路项目三项目三 力和
46、压力的检测力和压力的检测任务二任务二 压电式传感器测力压电式传感器测力三、压电传感器的测量转换电路三、压电传感器的测量转换电路2.2.压电式传感器的测量电路压电式传感器的测量电路 图图3-153-15中，中，R Ra a为传感器的泄漏电阻，为传感器的泄漏电阻，R Ri i为放大器的输入电阻，为放大器的输入电阻，R Rf f是反馈电阻，是反馈电阻，C Cc c为电缆电容，为电缆电容，C Ci i为放大器的输入电容。当放大器开为放大器的输入电容。当放大器开环增益环增益A A和输入电阻和输入电阻R Ri i、反馈电阻、反馈电阻R Rf f足够大时，放大器的输出电压足够大时，放大器的输出电压U Uo
47、o可近似为：可近似为：UoQ/CUoQ/Cf f （3-83-8）由式由式3-83-8可见，电荷放大器的输出电压与电缆电容可见，电荷放大器的输出电压与电缆电容C Cc c无关，取决于无关，取决于输入电荷输入电荷Q Q和反馈电容和反馈电容C Cf f，且与，且与Q Q成正比，这是电荷放大器的突出优成正比，这是电荷放大器的突出优点。点。电荷放大器实际上是一个具有负反馈电容电荷放大器实际上是一个具有负反馈电容C Cf f的高增益运算放大电路，的高增益运算放大电路，反馈电容反馈电容C Cf f越小灵敏度越高。反馈电阻越小灵敏度越高。反馈电阻R Rf f并联在反馈电容并联在反馈电容C Cf f的两端，的
48、两端，形成直流负反馈，用以稳定直流工作点，防止放大器直流饱和，减形成直流负反馈，用以稳定直流工作点，防止放大器直流饱和，减小零漂。小零漂。项目三项目三 力和压力的检测力和压力的检测任务二任务二 压电式传感器测力压电式传感器测力四、压电传感器的结构及应用四、压电传感器的结构及应用1.1.压电式传感器的结构压电式传感器的结构 在实际应用中为提高灵敏度，使表面有足够的电荷，常把两片或四片在实际应用中为提高灵敏度，使表面有足够的电荷，常把两片或四片压电元件组合在一起使用。由于压电材料有极性，因此存在并联、串联两压电元件组合在一起使用。由于压电材料有极性，因此存在并联、串联两种结构形式，如图种结构形式，
49、如图3-163-16所示。所示。设单片电容值为设单片电容值为C C，电荷量为，电荷量为Q Q，电压值为，电压值为U U。则串联方式下，正电荷集。则串联方式下，正电荷集中在上极板，负电荷集中在下极板，中间极板的上片产生的负电荷与下片中在上极板，负电荷集中在下极板，中间极板的上片产生的负电荷与下片产生的正电荷相互抵消，其输出为：产生的正电荷相互抵消，其输出为：C=C/2C=C/2，U=2UU=2U，Q=QQ=Q（a a）串联）串联 （b b）并联）并联 图图3-16 3-16 部分压电材料实物图部分压电材料实物图项目三项目三 力和压力的检测力和压力的检测任务二任务二 压电式传感器测力压电式传感器测
50、力四、压电传感器的结构及应用四、压电传感器的结构及应用2.2.压电式传感器的应用压电式传感器的应用（1 1）压电式加速度传感器）压电式加速度传感器 由由F=ma F=ma（a a加速度，加速度，m m质量质量块质量），可将加速度转换成力来测量。块质量），可将加速度转换成力来测量。图图3-173-17所示为压电式加速度传感器所示为压电式加速度传感器的结构原理图。压电元件由两块压电片的结构原理图。压电元件由两块压电片(石英晶片或压电陶瓷片石英晶片或压电陶瓷片)组成，在压电组成，在压电片的两个表面上镀银并焊接输出引线。片的两个表面上镀银并焊接输出引线。在压电元件上，以一定的预紧力安装一在压电元件上，