《传感器与检测技术2》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器与检测技术2（43页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、任务1 电阻应变式传感器测量力,任务2 压电式传感器测量力,项目2 力的测量,【知识目标】了解电阻应变式传感器、压电式传感器的基本结构、材料，掌握直流电桥的平衡条件，熟悉电阻应变片的温度补偿方法。学习电阻应变式、压电式传感器在相关领域的应用。 【能力目标】学会识别一般的电阻应变式传感器、压电式传感器，通过实训掌握电阻应变式传感器的使用方法，掌握电阻应变式传感器测量电路的调试方法。,任务导入,在生活、生产中，我们常常需要对物体的重量进行检测。用于测量物体重量（质量）的电子装置称为电子秤。电子秤的种类很多，如家用的小量程电子秤、健康秤，适合便利店、超市、大卖场等场所使用条码秤、计价秤等。通常采用什
2、么方法测量、控制吊运货物的重量呢？,任务2.1 电阻应变式传感器测量力,基本知识与技能,电阻应变式传感器的认识,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，如图所示。,2.1.1 应变式传感器常用弹性敏感元件,1弹性敏感元件 2变换力的弹性敏感元件 3变换压力的弹性敏感元件,2.1.2 电阻应变片的工作原理,1. 电阻应变效应金属导体或半导体在外力（如压力等）作用时，会产生机械变形，其电阻值也相应地发生变化，这一物理现象称为电阻应变效应。,2.1.2 电阻应变片的工作原理,1. 电阻应变效应,长度为L、横截面积为A、电阻率为的金属丝其电阻为R,2.1.2 电阻应变片的
3、工作原理,1. 电阻应变效应,电阻丝电阻的相对变化R/R与L/L的关系在很大范围内是线性的，即,2.1.2 电阻应变片的工作原理,2测量原理,2.1.3 电阻应变片的结构、类型、粘贴,1应变片结构,1引线；2覆盖层；3敏感栅；4基底,2.1.3 电阻应变片的结构、类型、粘贴,2应变片的类型,根据敏感栅材料的不同，应变片主要分为金属电阻应变片和半导体应变片两大类。,2.1.3 电阻应变片的结构、类型、粘贴,2应变片的类型,（1）金属电阻应变片 金属片有丝式、箔式、薄膜式三种，其结构如图所示。,2.1.3 电阻应变片的结构、类型、粘贴,3应变片的粘贴,第一步 应变片的检查与选择 第二步 试件的表面
4、处理 第三步 确定贴片位置 第四步 粘贴应变片 第五步 固化处理 第六步 粘贴质量检查 第七步 引线焊接与组桥连线,2.1.4 电阻应变片的测量转换电路,1直流电桥电路,2.1.4 电阻应变片的测量转换电路,2. 电桥的连接方式,（1）单臂电桥,只有一个应变片接入电桥，设R1为接入应变片，其余桥臂均为固定电阻。当R1的阻值变化R时，根据式（2-3），电桥输出电压为,2.1.4 电阻应变片的测量转换电路,2. 电桥的连接方式,(2) 差动半桥,有两个应变片接入电桥的相邻两支桥臂，并且两支桥臂的应变片的电阻变化大小相等方向相反（差动工作）。,2.1.4 电阻应变片的测量转换电路,2. 电桥的连接方
5、式,(3) 差动全桥,有4个应变片接入电桥。且差动工作，则有,2.1.5 电阻应变片的应用,1. 力的测量(应变式力传感器),作为测力传感器的弹性元件，其形式多种多样，常见的有柱式、环式柱形、悬臂梁式等。,2.1.5 电阻应变片的应用,2位移传感器,应变式位移传感器是把被测位移量转换成弹性元件的变形和应变，然后通过应变计和应变电桥，输出一个正比于被测位移的电量。,1-测量头 2-弹性元件 3-弹簧 4-外壳 5-测量杆 6-调整螺母 7-应变计,2.1.5 电阻应变片的应用,3. 加速度测量(应变式加速度传感器),质量块固定在悬臂梁的一端，梁的上下表面粘贴有应变片。测量时将传感器的壳体与被测对
6、象刚性连接，在一定的频率范围内，质量块产生的加速度与被测加速度相等，因而作用于悬臂梁上的惯性力亦与被测加速度成正比。,1壳体；2质量块；3悬臂梁；4应变片；5阻尼油,2.1.5 电阻应变片的应用,4. 测量扭矩(应变式扭矩传感器),应变式扭矩传感器利用应变片将扭矩产生的剪应变转换为电阻值的变化。弹性元件为整体式薄壁筒，应变片在薄壁筒的同一圆周线上成45和135方向粘贴。,1应变片；2薄壁筒,任务实施：,在本课题中，利用电阻应变式传感器制作的电子秤易于制作，成本低廉，体积小巧实用。电阻应变式传感器制作的电子秤由弹性元件、应变片和外壳组成。电子秤的核心是称重传感器（电阻应变片），主要由称重传感器、
7、放大电路、A/D转换电路、显示或控制电路组成。,任务实施：,吊车的载重量可以通过测量绳索的拉力来完成。在起重绳索上或吊钩上安装测力传感器，可以间接检测吊车起吊重量，力传感器的输出信号既可以用来显示吊车载重量，又可以进行超载报警，防止事故的发生。,任务实施：,具体方法：测量、控制起重设备吊运货物的重量，可以采用在吊钩的圆柱壁上粘贴应变片的方法，检测起吊重量。测量吊运货物的重量，量程较大，一般在吊钩的圆柱壁上横竖各粘贴一片应变片，组成双臂半桥电路，结构图2-15所示。为应变电桥提供2V稳压电源，电桥输出信号接入差动直流放大电路，测量输出电压。,任务实施：,图2-15 吊臂结构图,任务实施：,为应变
8、电桥提供2V稳压电源，电桥输出信号接入差动直流放大电路，测量输出电压。根据输出电压值可以推算出应力的大小，即重力。也可以使用应变片专用测量仪电阻应变仪进行检测。这种测量方法简单、方便，成本低。但容易损坏，受环境影响大，使用寿命短。长期使用时，零点漂移大，需要在使用前调节零点。,任务2.1 压电式传感器测量力,任务导入,生活中，煤气灶电子点火器是利用压电传感器工作原理进行点火的。煤气灶压电陶瓷打火器不仅使用方便，安全可靠，而且使用寿命长，据有关资料介绍，采用压电陶瓷制成的打火器可使用100万次以上，它的原理是什么？,基本知识与技能,压电式传感器的认识,压电式传感器是一种典型的自发电式传感器，它是
9、以某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理的传感器。可以测量最终能变换为力的各种非电物理量，例如动态力、动态压力、振动加速度等，但不能用于静态参数的测量。压电式传感器具有体积小、重量轻、频带宽、灵敏度高等优点。近年来压电测试技术发展迅速，特别是电子技术的迅速发展，使压电式传感器的应用越来越广泛。,2.2.1 压电传感器工作原理,1.压电效应,某些晶体，在一定方向受到外力作用时，内部将产生极化现象，相应地在晶体的两个表面产生符号相反的电荷；当外力作用除去时，又恢复到不带电状态。当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变，这种现象称为压电效应。,天然石英晶体石英晶体薄片,2.2.1 压电传
10、感器工作原理,2. 石英晶体的压电效应,石英晶体有三个晶轴：Z轴又称光轴，它与晶体的纵轴线方向一致；x轴又称电轴，它通过六面体相对的两个棱线并垂直于光轴；y轴又称为机械轴，它垂直于两个相对的晶柱棱面。,(a) 晶体外形； (b) 切割方向； (c) 晶片,2.2.1 压电传感器工作原理,2. 石英晶体的压电效应,若从晶体上沿y方向切下一块如图2-18（c）所示的晶片，当沿电轴方向施加作用力Fx时，在与电轴x垂直的平面上将产生电荷为,d11为x方向受力的压电系数,2.2.1 压电传感器工作原理,3. 压电陶瓷的压电效应在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场方向的排列，从而使
11、材料得到极化。外电场愈强， 就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度，即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时，当外电场去掉后，电畴的极化方向基本不变，即剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性,如图2-20（b）所示。,2.2.1 压电传感器工作原理,3. 压电陶瓷的压电效应,(a) 未极化 (b) 电极化,2.2.2 压电材料的分类,1. 石英晶体,石英晶体是一种性能良好的压电晶体，它的突出优点是性能非常稳定，介电常数与压电系数的温度稳定性特别好，且居里点高，达到575。还具有很大的机械强度和稳定的机械性能，绝缘性能好、动态响应快、线性范围宽、
12、迟滞小等优点。但石英晶体的压电常数小（d11 = 2.3110-12C/N）,灵敏度低，且价格较贵，所以只在标准传感器、高精度传感器或高温环境下工作的传感器中作为压电元件使用。石英晶体分为天然与人造晶体两种。天然石英晶体性能优于人造石英晶体，但天然石英晶体价格较贵。,2.2.2 压电材料的分类,3. 高分子压电材料,将压电陶瓷粉末加入到高分子压电化合物中，制成高分子压电陶瓷薄膜，这种复合材料保持了高分子压电薄膜的柔韧性，又具有压电陶瓷材料的优点，是一种发展前途很大的材料。,2.2.3 压电式传感器的测量转换电路,1. 等效电路,压电传感器在受外力作用时，在两个电极表面将要聚集电荷，且电荷量相等
13、，极性相反。这时它相当于一个以压电材料为电介质的电容器，其电容量为,Ca = r0A /,A压电元件电极面面积； 压电元件厚度； r压电材料的相对介电常数； 0真空的介电常数。,2.2.3 压电式传感器的测量转换电路,2. 测量电路,压电传感器的内阻抗很高，而输出的信号微弱，因此一般不能直接显示和记录。压电传感器要求测量电路的前级输入端要有高阻抗的前置放大器，这样才能防止电荷迅速泄漏而使测量误差变大。,压电传感器的前置放大器有两个作用： 一是把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出； 二是把传感器的微弱信号进行放大。,输出电压,2.2.3 压电式传感器的测量转换电路,2. 测量电路,电荷放大器是一
14、种输出电压与输入电荷量成正比的前置放大器。压电元件可以等效为一个电容C和一个电荷源并联的形式。,2.2.4 压电式传感器的应用,1. 压电式力传感器,压电式力传感器是以压电元件为转换元件，输出电荷与作用力成正比的力-电转换装置。常用的形式为荷重垫圈式，它由基座、盖板、石英晶片、电极以及引出插座等组成。,1-传力上盖 2-压电片 3-电极 4-电极引出插头 5-绝缘材料 6-底座,2.2.4 压电式传感器的应用,2. 压电式加速度传感器,压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它的主要优点是：灵敏度高、体积小、重量轻、测量频率上限高、动态范围大。但它易受外界干扰，在测量前需进行各种校验。图2-24是一种压缩型的压电式加速度计。,1-基座 2-压电片 3-质量块 4-压簧 5-壳体,2.2.4 压电式传感器的应用,3. 压电式金属加工切削力测量,利用压电陶瓷传感器测量刀具切削力,1-压电传感器 2-刀架 3-刀具 4-工件,任务实施：,压电点火器是以压电效应为理论基础、以压电陶瓷为介质而生产的手动点火装置，多用于各种燃气具，如燃气灶、燃气热水器、燃气冰箱等。,煤气灶电子点火装置,
