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1、项目三 力检测,学习目标,1了解弹性敏感元件的特性和要求。 2了解几种常用测力称重传感器的特点、用途等。 3掌握电阻应变效应及半导体的压阻效应。 4掌握单臂、双臂和全桥测量电路的作用和异同点。 5会连接电桥电路并进行测试。 6会对测试数据进行分析。 7能理解压电式传感器的工作原理及特点。 8能理解测力传感器与压电传感器的应用电路。,本章任务,任务一 电子台秤的重量检测 任务二 桥墩水下部位缺陷的检测,力敏传感器是使用很广泛的一种传感器。它是生产过程中自动化检测的重要部件。它的种类很多，有直接将力变换为电量的如压电式、压阻式等，有经弹性敏感元件或其它敏感元件变换后再转换成电量的如电阻式、电容式和
2、电感式等。它主要用于两个方面：测力和称重。,电子台秤工作演示,任务一 电子台秤的重量检测,（一）测力传感器的弹性敏感元件 一、弹簧管压力表的组成：弹簧管是弹性敏感元件，它能感受压力并产生自身的弹性变形。当被测压力作用于弹簧管时，弹簧管便产生相应的变形，通过机械传动机构，使标尺指针偏移角度，从而得到压力的数值。,弹簧管压力表的组成框图,任务一 电子台秤的重量检测,（一）测力传感器的弹性敏感元件 二、弹性敏感元件的基本概念：物体在外力作用下改变原来尺寸或形状的现象称为变形。如果变形后的物体在外力去除后又恢复原来形状的变形称为弹性变形。具有弹性变形特性的物体称为弹性元件。,（1）刚度：弹性元件产生单
3、位变形所需的力。 （2）灵敏度：在单位力作用下弹性元件产生的变形。,任务一 电子台秤的重量检测,（一）测力传感器的弹性敏感元件 三、弹性敏感元件的基本要求及类型：刚度和灵敏度表示了弹性元件的软硬程度。元件越硬，刚度越大，单位力作用下变形越小，灵敏度越小。当刚度和灵敏度为常数时，作用力F与变形X成线性关系，此种元件称为线性弹性元件。,（1）具有良好的机械特性（强度高、抗冲击、韧性好、疲劳强度高等）和良好的机械加工及热处理性能。 （2）良好的弹性特性（弹性极限高、弹性滞后和弹性后效小等）。 （3）弹性模量的温度系数小且稳定，材料的线膨胀系数小且稳定。 （4）抗氧化性和抗腐蚀性等化学性能良好。,弹性
4、敏感元件的基本要求,任务一 电子台秤的重量检测,（1）变换力（力矩）弹性元件：等截面柱式、悬臂梁、圆环式和等截面薄板等。 （2）变换压力弹性元件：弹簧管、波纹管、膜片（力、压力均可以变换）等。,弹性元件输入量,任务一 电子台秤的重量检测,（二）电阻应变式传感器 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。,工作原理： 1、电阻应变效应： 导体或半导体材料在外力作用下产生机械变形时，其电阻值也发生相应变化的现象称为电阻应变效应。,任务一 电子台秤的重量检测,（二）电阻应变式传感器,2、工作原理： 电阻应变式传感器是通过弹性敏感元件将外部的应力转换成应变，再根据电阻应变效
5、应，由电阻应变片将应变转换成电阻值的微小变化，通过测量电桥转换成电压或电流的输出。,电阻应变式传感器原理框图,R,任务一 电子台秤的重量检测,各种应变式电阻传感器的外形图 (a)箔式压力；(b)柱式；(c)悬臂梁式；(d)桥式；(e)轮辐式；(f)S型拉压式,（d） （e） （f）,任务一 电子台秤的重量检测,金属箔式压力传感器： 采用了箔式应变片贴在合金钢做的弹性体上，具有精度高、温度特性好等特点。适用于电子皮带秤、配料秤等场所。 柱式传感器： 将箔式应变片贴在合金钢制作的圆柱弹性体中段较细的部位。这类传感器结构简单，加工容易，可拉、可压或拉压两用，可承受很大的负载，具有长期稳定性好、密封性
6、好、灵敏度和精度较低等特点。适用于地中衡、料斗秤、汽车衡、轨道衡等场所。,任务一 电子台秤的重量检测,悬臂梁式传感器： 它将箔式应变片贴在合金钢制作的弹性体的上下两面，弹性体一端固定、一端加载，拉、压均可。具有精度高、密封性好、易安装等特点。适用于电子秤、料斗秤等小量程的称重场合。 桥式传感器： 采用了箔式应变片贴在合金钢弹性体上，具有精度高、长期稳定性好、密封性能好、抗侧向力和抗偏载能力强等特点。适用于各种汽车衡、轨道衡、料斗秤等场所。,任务一 电子台秤的重量检测,轮辐式传感器： 承载连接采用钢球或SR球面结构。有较好的自动复位能力，有良好的抗侧抗偏载能力；高精度高灵敏，适用于汽车秤，平台秤
7、，料斗秤，轨道衡等电子衡器。 S型拉压式传感器： 采用S型结构，由于其载荷的作用点和支撑点在同一轴线上，因此它的受力稳定，称重时，利用其弯曲变形，产生信号。这种传感器拉压均可使用，应用于高湿度环境，具有优越的抗扭、抗侧、抗偏载能力，输出对称性好，精度高、结构紧凑等特点。适用于配料秤、料斗秤、机电结合秤、吊钩秤等场所。,任务一 电子台秤的重量检测,桥式传感器工作演示,任务一 电子台秤的重量检测,金属电阻应变片的结构 金属电阻应变片的结构如右图所示，它由敏感栅、基体、覆盖层（保护片）和引出线四部分组成,电阻应变式传感器原理框图,任务一 电子台秤的重量检测,（1）敏感栅是转换元件，由金属丝、金属箔制
8、成，它被粘贴在基体上。通过基体把应变传递给它。 （2）基体起绝缘作用。图3-8 金属丝式应变片的结构图 （3）覆盖层（保护片）起绝缘保护作用。 （4）引出线焊接于敏感栅两端，作连接测量导线之用。 电阻应变片有金属电阻应变片和半导体应变片两大类。金属电阻应变片又有丝式、箔式和薄膜式等结构形式。,任务一 电子台秤的重量检测,（二）电阻应变式传感器 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。,工作原理： 1、电阻应变效应： 导体或半导体材料在外力作用下产生机械变形时，其电阻值也发生相应变化的现象称为电阻应变效应。,任务一 电子台秤的重量检测,（三）压阻式传感器 压阻效应是
9、在半导体材料上施加作用力时，其电阻率将发生显著变化的现象。 它有两种类型，一种是利用半导体材料的体电阻，制作成半导体应变计，其灵敏度比金属应变计高两个数量级；另一种是利用半导体集成工艺中的扩散技术，将四个半导体应变电阻制作在同一硅片上，而制成扩散硅压阻式传感器。,任务一 电子台秤的重量检测,实施 根据实际应用，选择电阻应变式传感器电阻应变式传感器是将力的变化转换为应变片电阻值的变化，由于电阻值的变化范围很小，最常用的测量电路为电桥电路。,任务一 电子台秤的重量检测,电桥电路：如右图 当R1=R2=R3 =R4=R时，为等臂电桥。 当R1=R2=R；R3 =R4=R时，为输出对称电桥。 当R1=
10、R3=R；R2 =R4=R时，为电源对称电桥。 由分析可知：当R1R4=R2R3时，电桥平衡，输出电压UO=0。,电桥电路,任务一 电子台秤的重量检测,单臂电桥：如右图 R1为电阻应变片。起始时，应变片未承受应变，电桥平衡：R1R4=R2R3，此时UO=0。 当应变片承受应变时，则R1增大为R1+R，对于等臂电桥和输出对称电桥，此时的输出电压为：,单臂电桥,任务一 电子台秤的重量检测,双臂电桥（差动半桥）：电阻R1、R2为应变片，R3、R4为固定电阻。当应变片承受应变时，R1增大为R1+R，同时R2减小为R2R，此时的输出电压为单臂工作时的两倍。,差动半桥,任务一 电子台秤的重量检测,差动全桥
11、： 电阻R1、R2、R3、R4均为应变片。当应变片承受应变时，则R1和R4增大R，R2和R3减小R，此时的输出电压为单臂工作时的四倍。,差动全桥,任务一 电子台秤的重量检测,差动全桥工作方式的灵敏度最高，差动半桥次之，单臂电桥灵敏度最低。采用全桥（或双臂半桥）还能实现温度变化的自动补偿。因此，一般采用差动全桥电路。,任务一 电子台秤的重量检测,当某些电介质在一定的方向上受到外力作用而变形时，内部产生极化现象，同时在其表面上产生电荷；当外力消失时，电荷也消失；又回到原来不带电的状态，这种机械能转变为电能的现象，称为正压电效应，简称压电效应。 相反，在电介质的极化方向上施加电场，它会产生机械变形，
12、当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失。这种将电能转换为机械能的现象称为逆压电效应。 具有压电效应的电介质称为压电材料。典型的压电材料有石英晶体、压电陶瓷和高分子压电材料等。,任务二 桥墩水下部位缺陷的检测,各种压电材料的外形图 （）天然石英晶体 （b）石英晶体薄片 （c）压电陶瓷（d）高分子压电薄膜,任务二 桥墩水下部位缺陷的检测,石英晶体的外形、坐标轴和切片,X轴电轴，垂直于X轴晶面上的压电效应最显著。 Y轴机械轴，在电场作用下，此轴的机械变形最显著。 Z轴光轴（中性轴），该轴方向上无压电效应。,任务二 桥墩水下部位缺陷的检测,1纵向压电效应：沿着X轴对晶片施加力时，在垂直于X轴的表面上产
13、生电荷。如下图（a）（b）所示。产生的电荷与作用力的大小成正比，与晶片尺寸无关。 2横向压电效应：沿着Y轴对晶片施加压力时，在垂直于X轴的表面上产生电荷。如下图（c）（d）所示。产生的电荷与作用力的大小成正比，与晶片尺寸有关。,任务二 桥墩水下部位缺陷的检测,压电传感器工作原理演示,任务二 桥墩水下部位缺陷的检测,晶片受力方向与电荷极性的关系 （a）x轴方向受压（b）x轴方向受拉（c）y轴方向受压 （d）y轴方向受拉,任务二 桥墩水下部位缺陷的检测,压电陶瓷的压电效应 压电陶瓷是人工制造的具有电畴结构的多晶压电材料。电畴是分子自发形成的区域，有一定的极化方向。 原始的压电陶瓷由于内部各个电畴无
14、规则排列，极化效应抵消，因此不具有压电效应。当外加直流电场时，使得电畴规则排列，这时压电陶瓷就有了压电特性。在极化电场去除后，电畴方向基本不变，留下了很强的剩余极化。极化过的压电陶瓷受力后就产生了电荷。 压电陶瓷的压电系数比石英晶体的压电系数大得多，因此其灵敏度较高。,压电陶瓷,任务二 桥墩水下部位缺陷的检测,压电传感器的等效电路 a)电荷源 b)电压源,压电传感器可以等效为一个与电容相并联的电荷源或者是一个与电容相串联的电压源。,任务二 桥墩水下部位缺陷的检测,压电陶瓷制品正压电效应的应用主要用于燃气点火器，基本工作原理是，由外力压缩一个弹簧并释放，推动一个重锤打击压电陶瓷柱产生一数千伏的高
15、压并形成放电火花，点燃可燃气体； 逆压电效应的应用主要用于压电蜂鸣器，基本工作原理为，当压电陶瓷片施加交变电场时，压电陶瓷片产生形变即振动，如果振动频率在音频范围内就会发出声音。应用此特性制造谐振器、选频器、延迟线、滤波器等电子元件。,任务二 桥墩水下部位缺陷的检测,（a） （b）,在压电式传感器中，常用两片或多片组合在一起使用。由于压电材料是有极性的，因此接法也有两种，如右图所示。图a为并联接法，图中b为串联接法。,任务二 桥墩水下部位缺陷的检测,图（a）从电路上看，类似两个电容的并联。所以，外力作用下正负电极上的电荷量增加了1倍，电容量也增加了1倍，输出电压与单片时相同。 图（b）从电路上
16、看是串联的，两压电片中间粘接处正负电荷中和，上、 下极板的电荷量与单片时相同，总电容量为单片的一半，输出电压增大了1倍。,任务二 桥墩水下部位缺陷的检测,各种型号压电加速度计,压电传感器的应用 压电加速度计是以压电晶体做敏感件。体积小、重量轻、输出信号大，固有频率高，可用于测量振动、冲击等信号。,应用,任务二 桥墩水下部位缺陷的检测,压电手电筒 压电野营点火器,应用,任务二 桥墩水下部位缺陷的检测,压电传感器的测量电路,电压放大器 电荷放大器,任务二 桥墩水下部位缺陷的检测,实施 检测桥墩水下及地表以下部位缺陷是通过放在桥墩上的传感器感受桥墩的振动，从而来检测桥墩内部有无缺陷的。因此可选用压电陶瓷制作的压电式加速度传感器。,探测桥墩水下部位裂纹示意图,任务二 桥墩水下部位缺陷的检测,压电传感器不能用于静态测量，因为当外力作用在压
