工程力學傳感器及其應用工程力學傳感器及其應用工程力學傳感器及其應用3.1測力傳感器力是物理根本量之一，因此測量各種動態(tài)、靜態(tài)力的大小是十分重要的。力的測量需要通過力傳感器間接完成，力傳感器是將各種力學量轉換為電信號的器件。2第一頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。工程力學傳感器及其應用工程力學傳感器及其應用工程力學傳感器及3.1測力傳感器力是物理根本量之一，因此測量各種動態(tài)、靜態(tài)力的大小是十分重要的。力的測量需要通過力傳感器間接完成，力傳感器是將各種力學量轉換為電信號的器件。第二頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。3.1測力傳感器力是物理根本量之一力傳感器例如第三頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。力傳感器例如第三頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。

電氣式測力傳感器的分類有：參量型測力傳感器：

將被測物理量轉化為電參數(shù)。如電阻、電容或電感等。發(fā)電型測力傳感器：

將被測物理量轉換為電源性參量。如電動勢、電荷等。1、測力傳感器的分類方式

★第四頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。電氣式測力傳感器的分類有：1、

電氣式測力傳感器

參量型測力傳感器發(fā)電型測力傳感器電阻應變式壓電式電容式測力傳感器測力傳感器電感式壓磁式2、測力傳感器的種類

★第五頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。電氣由彈性元件、電阻應變片及外殼等組裝成的用來進展測量的裝置，稱為應變式傳感器。

3.1.1電阻應變式測力傳感器

第六頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。由彈性元件、電阻應變片及外殼等組裝成的用來1、應變式測力傳感器的工作原理★

電阻應變式測力傳感器的工作原理是在一定形狀的彈性元件上粘貼或用其它方法安裝電阻應變敏感元件。當接觸力作用在彈性元件上時，彈性元件產生變形，電阻應變敏感元件的阻值隨之發(fā)生變化。我們可用變換電路將阻值的變化變成電壓〔或電流〕的變化，并將其信號輸出到測量電路，根據(jù)電壓變化量即可得知接觸力的大小與作用位置。第七頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。1、應變式測力傳感器的工作原理★電阻應變式測力柱型應變式測力傳感器構造第八頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。柱型應變式測力傳感器構造第八頁，編輯于星期三：二十一點五十柱型彈性元件力與應變的關系★

柱型傳感器特點：構造簡單，緊湊，可設計成壓式或拉壓式，可承受大載荷，強度計算簡單?？v向應力：σ＝F/S＝Eε其應變?yōu)椋害?ΔL/L=σ/E=F/SE式中σ——彈性元件的縱向應力〔Pa〕；ε——縱向應變；F——受力〔N〕；S——彈性元件的橫斷面積〔m2〕E——元件材料的彈性模量〔Pa〕第九頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。柱型彈性元件力與應變的關系★柱型傳感器特點：構薄壁環(huán)型應變式測力傳感器構造第十頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。薄壁環(huán)型應變式測力傳感器構造第十頁，編輯于星期三：二十一點薄壁環(huán)式應變彈性元件，其應變片在薄壁式彈性元件上的位置如下圖。其應變公式為：式中：εA一A處的應變值εB一B處的應變值εh一電橋輸出的應變值；R0一薄壁環(huán)平均半徑(m)；R一薄壁環(huán)內圓半徑(m)；b—薄壁環(huán)的寬度(m)；h一薄壁環(huán)的厚度(mm)。F—受力〔N〕；E—元件材料的彈性模量〔Pa〕薄壁環(huán)型彈性元件力與應變的關系★

第十一頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。薄壁環(huán)式應變彈性元件，其應變片在薄壁式彈性元件上梁型應變式測力傳感器構造〔1〕第十二頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。梁型應變式測力傳感器構造〔1〕第十二頁，編輯于星期三：二十一梁型應變式測力傳感器構造〔2〕第十三頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。梁型應變式測力傳感器構造〔2〕第十三頁，編輯于星期三：二十一懸臂梁式應變彈性元件，其應變片的位置如前圖所示。其上下外表的應變值為：式中：l—懸臂外端距應變片中心的長度(m)；b—懸臂寬度(m)；h—懸臂厚度(m)；F—受力〔N〕；E—元件材料的彈性模量〔Pa〕懸臂梁式彈性元件力與應變的關系★

第十四頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。懸臂梁式應變彈性元件，其應變片的位置如前圖所示。等強度懸臂梁式應變彈性元件，其應變片的位置如下圖。其上下外表的應變值為：式中：l—梁的長度(m)；b—梁的寬度(m)；h—梁的厚度(m)；F—受力〔N〕；E—元件材料的彈性模量〔Pa〕等強度懸臂梁式彈性元件力與應變的關系★

第十五頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。等強度懸臂梁式應變彈性元件，其應變片的位置如下圖兩端固定梁式應變彈性元件，應變片的位置如下圖。其上下外表的應變值為：式中：l—梁的長度(m)；b—梁的寬度(m)；h—梁的厚度(m)；F—受力〔N〕；E—元件材料的彈性模量〔Pa〕兩端固定梁式彈性元件力與應變的關系★

第十六頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。兩端固定梁式應變彈性元件，應變片的位置如下圖。其2、彈性元件力與應變關系的結論★在電阻應變式測力傳感器中，當彈性元件的尺寸和材料確定后，彈性元件在外力作用下所產生的應變與外力成正比。第十七頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。2、彈性元件力與應變關系的結論★在電阻應變式測力3．應變片

電阻應變片(簡稱應變片)的作用是把導體的機械應變轉換成電阻應變，以便進一步電測。實際的應變片根據(jù)敏感元件材料的不同，主要分為金屬電阻應變片和半導體應變片兩類。

金屬電阻應變片分為體型和薄膜型。

半導體應變片常見的有體型、薄膜型、擴散型、外延型、PN結及其他形式。第十八頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。3．應變片電阻應變片(簡稱應變片)的作用是把導設金屬電阻絲長度為L，截面積為S，電阻率為ρ，那么電阻值R為：

如下圖，當電阻絲受到拉力F時，其阻值發(fā)生變化。材料電阻值的變化，一是受力后材料幾何尺寸變化；二是受力后材料的電阻率也發(fā)生了變化。大量實驗說明，在電阻絲拉伸極限內，電阻的相對變化與應變成正比，而應變與應力也成正比。金屬電阻應變片的工作原理第十九頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。設金屬電阻絲長度為L，截面積為S，電阻率為ρ，那

當電阻絲受到拉力F作用時,將伸長ΔL,橫截面積相應減小ΔS,電阻率將因晶格發(fā)生變形等因素而改變Δρ,故引起電阻值相對變化量為式中ΔL/L是長度相對變化量,用應變ε表示：ΔS/S為圓形電阻絲的截面積相對變化量,即電阻應變式傳感器工作原理2第二十頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。當電阻絲受到拉力F作用時,將伸長ΔL

由材料力學可知,在彈性范圍內,金屬絲受拉力時,沿軸向伸長,沿徑向縮短,那么軸向應變和徑向應變的關系可表示為式中:μ——電阻絲材料的泊松比,負號表示應變方向相反。將上2式帶入前式，得：電阻應變式傳感器工作原理3第二十一頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。由材料力學可知,在彈性范圍內,金屬電阻應變式傳感器工作原理4

通常把單位應變能引起的電阻值變化稱為金屬電阻絲的靈敏系數(shù)。其物理意義是單位應變所引起的電阻相對變化量,其表達式為：因此：

dR/R受兩個因素影響:①受力后材料幾何尺寸的變化,即(1+2μ)ε;②受力后材料壓阻效應產生的變化,即πLEε。第二十二頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。電阻應變式傳感器工作原理4通常把單位應變應變片的受力第二十三頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。應變片的受力第二十三頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。用應變片測量時，將其貼在被測對象外表上。當被測對象受力變形時，應變片的敏感柵也隨同變形，其電阻值發(fā)生相應變化，通過轉換電路轉換為電壓或電流的變化，這是用來直接測量應變。通過彈性敏感元件將位移、力、力矩、加速度、壓力等物理量轉換為應變，那么可用應變片測量上述各量，而做成各種應變式傳感器。應變片的根本構造第二十四頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。用應變片測量時，將其貼在被測對象外表上應變片的根本構造2〔1〕敏感柵感受應變，并將應變轉換為電阻的變化。敏感柵有絲式、箔式和薄膜式三種?！?〕底基絕緣及傳遞應變。要求底基準確地把試件應變傳遞給敏感柵,同時基片絕緣性能要好，否那么應變片微小電信號就要漏掉。由紙薄、膠質膜等制成?！?〕粘結劑敏感柵與底基、底基與試件、底基與覆蓋層之間的粘結。〔4〕覆蓋層保護作用。防濕、蝕、塵?！?〕引線連接電阻絲與測量電路，輸出電參量。第二十五頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。應變片的根本構造2〔1〕敏感柵第二十五頁對敏感柵材料的要求①應變靈敏系數(shù)大，并在所測應變范圍內保持為常數(shù)；②電阻率高而穩(wěn)定，以便于制造小柵長的應變片；③電阻溫度系數(shù)要小；④抗氧化能力高，耐腐蝕性能強；⑤在工作溫度范圍內能保持足夠的抗拉強度；⑥加工性能良好,易于拉制成絲或軋壓成箔材；⑦易于焊接，對引線材料的熱電勢小。對應變片要求必須根據(jù)實際使用情況，合理選擇。第二十六頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。對敏感柵材料的要求①應變靈敏系數(shù)大，并在所測應變范圍內保持為金屬絲式應變片回線式：橫向效應較大短接式：抑制橫向效應第二十七頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。金屬絲式應變片第二十七頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。金屬箔式應變片

箔式應變片箔材，利用照相制版或光刻技術，制成各種需要的形狀。優(yōu)點：①可制成多種復雜形狀尺寸準確的敏感柵；②與被測件粘結面積大；③散熱條件好，允許電流大，提高了輸出靈敏度；④橫向效應??；⑤蠕變和機械滯后小，壽命長。缺點：工序復雜、不適于在高溫環(huán)境中測量，價格高。第二十八頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。金屬箔式應變片箔式應變片箔材，利用照相制版或光刻金屬薄膜應變片﹡

采用真空蒸發(fā)或真空沉積等方法在薄的絕緣基片上形成厚度在0.1微米以下的金屬電阻材料薄膜的敏感柵，最后再加上保護層。優(yōu)點：應變靈敏系數(shù)大，允許電流密度大。存在問題：溫度穩(wěn)定性差

應變片的粘貼：應變片是用粘合劑粘貼到被測件上的。粘合劑形成的膠層必須準確迅速地將披測件應變傳進到敏感柵上。粘合劑的性能及粘貼工藝的質量直接影響著應變片的工作特性，如零漂、蠕變、滯后、靈敏系數(shù)，線性以及它們受溫度變化影響的程度。對粘合劑和粘貼工藝有嚴格要求。第二十九頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。金屬薄膜應變片﹡采用真空蒸發(fā)或真空沉半導體應變片

壓阻效應：固體受到作用力后，電阻率就要發(fā)生變化，這種現(xiàn)象叫壓阻效應。半導體材料的壓阻效應特別強。半導體應變片的分類：①粘貼式應變片②擴散硅型壓阻傳感器

第三十頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。半導體應變片壓阻效應：固體受到作用力后半導體應變片的制作材料用單晶硅、鍺。P型單晶硅構造如圖。在直角坐標系中它有許多晶軸方向，實驗發(fā)現(xiàn)沿不同晶軸方向壓阻系數(shù)相差很大〔電阻率變化相差很大〕。半導體應變片構造第三十一頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。半導體應變片的制作材料用單晶硅、鍺。P型單半導體應變式傳感器常用硅、鍺等材料作成單根狀的敏感柵，其使用方法與金屬絲應變片一樣。因為：半導體應變片的靈敏系數(shù)為：半導體應變片的靈敏系數(shù)第三十二頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。半導體應變式傳感器常用硅、鍺等材料作成單半導體應變片的特點

半導體應變片的突出優(yōu)點是靈敏系數(shù)很大，分辨率高，可測微小應變。此外，頻率影響高，體積小、橫向效應和機械滯后也小。主要用于測量壓力、加速度和載荷等。

主要缺點是應變靈敏系數(shù)的離散性大，溫度穩(wěn)定性差和測量較大應變時非線性嚴重，機械強度低，非線性誤差大，溫度系數(shù)大，必須采取補償措施。此外，靈敏系數(shù)隨拉伸或壓縮而變。第三十三頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。半導體應變片的特點半導體應變片的突出優(yōu)點是應變式傳感器與應變儀配套使用進展力的測量。應變儀測量電路的作用：將電阻的變化量轉換為電壓輸出。應變儀的測量電路多采用電橋，這種電橋稱之為電阻應變片橋路。根據(jù)所用電源的不同，電橋可分為直流電橋和交流電橋，四個橋臂均為純電阻時，用直流電橋準確度高；假設有橋臂為阻抗時，必須用交流電橋。4應變片的布置和接橋方式

第三十四頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。應變式傳感器與應變儀配套使用進展力的測量應變儀各局部的作用a、電橋：將片電阻變化轉換為電壓信號。b、振蕩器：供給正弦波交流電壓作為電橋的載波電壓，由信號電壓對它進展調幅，輸出一個窄頻帶的調幅電壓信號，送入放大器。同時為相敏檢波器提供參考電壓。c、放大器：電橋輸出的信號非常微弱，一般在幾十微伏到幾毫伏之間，必須經過放大器將橋送來的調幅電壓信號進展失真放大，輸出足夠的功率推動指示儀表或記錄器。d、相敏檢波器：既具有檢波的作用，又能完成區(qū)分信號相位〔如：應變信號的拉伸或壓縮性質〕的任務。第三十五頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。應變儀各局部的作用a、電橋：將片電阻變化轉換為直流電橋電路如下圖，它的四個橋臂由電阻R1R2R3R4組成。AC端接直流電壓U，BD端輸出電壓U0。一般情況橋路應接成等臂電橋,輸出為零。這樣無論哪個橋臂上受到外來信號作用后，橋路都將失去平衡，就會有信號輸出?！?〕直流電橋工作原理第三十六頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。直流電橋電路如下圖，〔1〕直流電橋工作原理

電橋輸出端接入輸入阻抗很高的指示儀表或放大器時，可認為電橋負載為無窮大，電橋輸出端相當于開路，只能輸出電壓信號，稱為電壓輸出。此時，橋路的電流為：

AB之間和CD之間的電位差分別為：直流電橋工作原理2第三十七頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。電橋輸出端接入輸入阻抗很高的指示儀表或放直流電橋工作原理3空載輸出：

當電橋平衡時,Uo=0,那么有R1R4=R2R3，或

第三十八頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。直流電橋工作原理3空載輸出：第三十八頁，編輯電橋平衡條件電橋接入的是電阻應變片時，即為應變橋。當一個橋臂、兩個橋臂乃至四個橋臂接入應變片時，相應的電橋為單臂橋、半橋〔雙臂〕和全臂橋。電橋平衡條件：相鄰兩臂電阻的比值應相等,或相對兩臂電阻的乘積相等。R2/R1=R4/R3第三十九頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。電橋平衡條件電橋接入的是電阻應變片時，即

當電橋后面接放大器時，放大器的輸入阻抗很高，比電橋輸出電阻大很多，可把電橋輸出端看成開路。R1為電阻應變片，RL→∞。設橋臂比n=R2/R1,分母中ΔR1/R1可忽略。由電橋平衡條件R2/R1=R4/R3。電橋電壓靈敏度定義為：〔2〕不平衡直流電橋及電壓靈敏度第四十頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。當電橋后面接放大器時，放大器的輸入阻抗很①提高供電電源的電壓U〔在功耗允許的范圍內〕②n=1R1=R2=R3=R4由dKU/dn=0求KU的最大值,得n=1時,KU為最大值。當R1=R2=R3=R4時,電橋電壓靈敏度最高。

提高電橋電壓靈敏度的措施第四十一頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。①提高供電電源的電壓U〔在功耗允許的范圍內〕

1、高穩(wěn)定度直流電源易于獲得。2、電橋調節(jié)平衡電路簡單。3、傳感器及測量電路分布參數(shù)影響小等。直流電橋的優(yōu)點第四十二頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。1、高穩(wěn)定度直流電源易于獲得。直流電橋的優(yōu)點當被測量為動態(tài)量時，應變電橋采用交流電橋。由于供橋電源為交流電源,引線分布電容使得二橋臂應變片呈現(xiàn)復阻抗特性,相當于二只應變片各并聯(lián)了一個電容,那么每一橋臂上復阻抗分別為：〔3〕

交流電橋第四十三頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。當被測量為動態(tài)量時，應變電橋采用交流電橋?！?交流電橋的輸出電壓電橋的四個橋臂R1、R2、R3、R4所產生的電阻變化用ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4表示。假設初始狀態(tài)電橋的各臂阻值相等，即R1＝R2＝R3＝R4=R，由于ΔR＜＜R，忽略ΔR的高次項，輸出電壓公式可寫成：

當各橋臂應變片的靈敏系數(shù)K都一樣時，公式可寫為：第四十四頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。交流電橋的輸出電壓電橋的四個橋臂R1、R2、R3結論：

交流電橋除了要滿足電阻平衡條件外,還必須滿足電容平衡條件。為此在橋路上除設有電阻平衡調節(jié)外還設有電容平衡調節(jié)。交流電橋的平衡條件第四十五頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。交流電橋的平衡條件第四十五頁，編輯于星期三：二十一點五十六這是一種典型的〔自發(fā)電式〕有源傳感器,將力、壓力、加速度等的變形轉換成電荷，屬于材料形傳感器，用的是壓電材料，與前面講過的幾種材料如：電阻、電容、磁電、電感等不同。3.1.2壓電式力傳感器第四十六頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。這是一種典型的〔自發(fā)電式〕有源傳感器,1.晶體的壓電效應某些晶體在一定方向受到外力的作用而發(fā)生變形，內部產生極化現(xiàn)象，同時，在其另兩個相對外表產生符號相反的電荷，去掉外力，又回到不帶電的狀態(tài)，外力方向改變，外表電荷極性也隨之改變，這種現(xiàn)象稱“壓電效應〞。這種將機械能轉變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象稱“順〔正〕壓電效應〞。相反，在電介質的極性方向上施加電場，它會產生機械變形，這種將電能轉換為機械能的現(xiàn)象稱為“逆壓電效應〞,如壓電陶瓷，逆壓電效應也稱“電致伸縮效應〞。電能機械能正壓電效應逆壓電效應第四十七頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。1.晶體的壓電效應某些晶體在一定2.壓電晶體及材料具有壓電效應的電介物質稱為壓電材料〔或壓電元件〕。自然界中，大多數(shù)晶體具有壓電效應，但多數(shù)該效應過于微弱，并無實用價值，能利用的不過幾十種，常見的壓電材料〔元件〕有單晶體，如石英，多晶體，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等。分類：壓電單晶：石英和其他單晶壓電多晶：壓電陶瓷〔PZT〕有機壓電材料第四十八頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。2.壓電晶體及材料具有壓電效應的電介

石英晶體〔單晶〕

石英晶體是六角形晶柱，透明度極好，亦稱水晶，成分為二氧化硅，有天然水晶與人工水晶之分，其橫截面為正六邊形。在直角坐標系中見圖：①Z軸—光軸；②x軸—電軸；③Y軸—機械軸。第四十九頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。石英晶體〔單晶〕石英晶體是六角形晶柱，第四十九

假設從石英晶體上切下一片平行六面體——晶體切片，使它的晶面分別平行于X、Y、Z軸，如圖。并在垂直X軸方向兩面用真空鍍膜或沉銀法得到電極面。當晶片受到沿X軸方向的壓縮應力σXX作用時，晶片將產生厚度變形，并發(fā)生極化現(xiàn)象。在晶體線性彈性范圍內，極化強度PXX與應力σXX成正比。當受力方向和變形不同時，壓電系數(shù)也不同。

ZYXbl石英晶體切片t石英晶體切片第五十頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。假設從石英晶體上切下一片平行六面體——晶體

石英單晶硅壓電效應石英單晶硅受力后帶電離子位置發(fā)生相對變化，在外表呈現(xiàn)負電荷或正電荷。a、當沿電軸〔x軸〕方向加作用力Fx時，面m產生電荷Qx。①電荷Qx的符號視Fx是拉、壓而定，當面m受壓時，沿x軸正向的面顯負電荷，x的負向面顯正電荷；受拉時，x軸正向顯正電荷，負向顯負電荷。②切片上產生Qx的多少與尺寸無關。第五十一頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。石英單晶硅壓電效應石英單晶硅受力后帶電

石英單晶硅壓電效應2及結論b、當沿機械軸〔y軸〕方向加作用力Fy時，電荷仍在m面上產生，而極性相反。①對于y軸方向受壓時，在x軸正向產生正電荷，x軸負向顯負電荷；②y軸方向受拉時，x軸正向顯負電荷，x軸負向顯正電荷。結論：〔1〕無論是正或逆壓電效應，其作用力〔或應變〕與電荷〔或電場強度〕之間呈線性關系；〔2〕晶體在哪個方向上有正壓電效應，那么在此方向上一定存在逆壓電效應；〔3〕石英晶體不是任何方向都存在壓電效應的。第五十二頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。石英單晶硅壓電效應2及結論b、當沿壓電陶瓷屬于鐵電體一類的物質，是人工制造的多晶壓電材料，它具有類似鐵磁材料磁疇構造的電疇構造。電疇是分子自發(fā)形成的區(qū)域，它有一定的極化方向，從而存在一定的電場。直流電場E剩余極化強度剩余伸長電場作用下的伸長(a)極化處理前(b)極化處理中(c)極化處理后

壓電陶瓷〔多晶〕的壓電效應第五十三頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。壓電陶瓷屬于鐵電體一類的物質，是人工制造的多晶壓壓電陶瓷〔多晶〕的壓電效應2外電場去掉后，內部有很強的剩余極化強度，總極化強度不為零，兩端出現(xiàn)“+〞、“-〞束縛電荷，并吸附外界自由電子〔與束縛電荷的符號相反，數(shù)量相等所以，片對外不表現(xiàn)出極性〕符號相反，數(shù)量相等起著屏蔽和抵消陶瓷片內極化剩余強度對外的作用。①極化方向加外力〔壓力〕使電疇界面發(fā)生位移〔電疇偏轉〕，導致剩余極化強度降低，局部電荷釋放，即放電。②外力撤消時，極化強度恢復升高，導致電荷吸附，即充電。極化后兩三個月，壓電系數(shù)d才穩(wěn)定，兩年后d又降低，所以傳感器要經常校驗。第五十四頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。壓電陶瓷〔多晶〕的壓電效應2外電場去掉后3．壓電元件及其晶片連接方法

在壓電式力與壓力傳感器中，壓電元件既是敏感元件，又是轉換元件。它將被測力或壓力轉換成電荷或電壓輸出。壓電元件在傳感器中的布置形式有多種。如圖為幾種常見形式。第五十五頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。3．壓電元件及其晶片連接方法在壓電式力與壓力傳

等效電路：當壓電傳感器中的壓電晶體承受被測機械應力的作用時，在它的兩個極面上出現(xiàn)極性相反但電量相等的電荷?？砂褖弘妭鞲衅骺闯梢粋€靜電發(fā)生器，如圖(a)。也可把它視為兩極板上聚集異性電荷，中間為絕緣體的電容器，如圖(b)。其電容量為＋＋＋＋――――qq電極壓電晶體Ca(b)(a)

壓電傳感器的等效電路當兩極板聚集異性電荷時，那么兩極板呈現(xiàn)一定的電壓，其大小為4．壓電式傳感器的等效電路和前置放大器第五十六頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。等效電路：＋＋＋＋――――qq電極壓電晶體C壓電式傳感器可以等效為一個電壓源和一個串聯(lián)電容組成的等效電路。利用壓電式傳感器進展測量時，它要與測量電路相連接，于是，就得考慮電纜電容Cc、放大器輸入電阻Ri、輸入電容Ci、以及壓電傳感器的泄漏電阻Ra。如果把這些因素歸一考慮，就得到了壓電傳感器完整的等效電路。一種是電荷等效電路，另一種是電壓等效電路。壓電元件的等效電路第五十七頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。壓電式傳感器可以等效為一壓電元件的等效電路第五十七頁壓電式傳感器的前置放大器有兩個作用：①把壓電式傳感器的高輸出阻變換成低阻抗輸出；②放大壓電式傳感器輸出的弱信號。前置放大器形式：電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓〔傳感器的輸出電壓〕成正比；電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比?！?〕電壓放大器－K－KCaCaRaRiCiCcCRUiUSCUSCUa(a)(b)Ua壓電式傳感器的前置放大器第五十八頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。壓電式傳感器的前置放大器有兩個作用：－K－KCa電荷放大器是一個具有深度負反響的高增益放大器，其根本電路如圖。假設放大器的開環(huán)增益K足夠大，并且放大器的輸入阻抗很高，那么放大器輸入端幾乎沒有分流，運算電流僅流入反響回路CF與RF。當K足夠大時，輸出電壓與K無關，只取決于輸入電荷q和反響電容CF，改變CF的大小便可得到所需的電壓輸出。CF一般取值100-104pF。壓電式傳感器配用電荷放大器時,其低頻幅值誤差和截止頻率只決定于反響電路的參數(shù)RF和CF,其中CF的大小可以由所需要的電壓輸出幅度決定。。

－kCaU∑USC電荷放大器原理電路圖iRaqCFRF〔2〕電荷放大器第五十九頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。電荷放大器是一個具有深度負反響的高增益放大器，5、壓電式力傳感器(1)壓電式力傳感器的類型及構造壓電式力傳感器利用壓電晶體的縱向和剪切向壓電效應。并以壓電晶體作為敏感元件與轉換元件。在工程中，根據(jù)測力的具體情況，壓電傳感器可分為單分量和多分量兩大類。第六十頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。5、壓電式力傳感器(1)壓電式力傳感器的類型及構造第六十(2)壓電傳感器的性能指標及選用原那么★1)量程和頻帶的選擇：對被測力的大小加以估計，選擇量程適宜的傳感器，使所測力的大小不超過額定量程。所選傳感器的工作頻帶能覆蓋待測力的頻帶。2)電荷放大器的選擇：測量準靜態(tài)力(低頻)信號。要求電荷放大器輸入阻抗高于10123)電纜選擇：選用受振動、壓力變化等影響所產生噪聲小的低噪聲電纜。第六十一頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。(2)壓電傳感器的性能指標及選用原那么★1)(3)壓電傳感器和電纜的安裝★

壓電傳感器的安裝：安裝前，傳感器的上、下接觸面應經過精細加工以保證其平行度和平面度；安裝時應該保證傳感器的敏感軸向與受力方向一致；安裝必須結實，否那么會降低傳感器的頻響，還可能造成較大的測量誤差。電纜的安裝：電纜要固定，防止晃動，否那么會產生電纜噪聲，帶來誤差；電纜插頭及插座要保持清潔，以保證絕緣處絕緣，導電處導電。第六十二頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。(3)壓電傳感器和電纜的安裝★壓電3.1.3壓磁式力傳感器壓磁式力傳感器是利用鐵磁物質的壓磁效應(又稱磁彈性效應)工作的傳感器。又稱為磁彈性式傳感器。1、壓磁效應在機械力作用下，鐵磁材料內部產生應力或應力變化，使磁導率發(fā)生變化，磁阻相應也發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為壓磁效應。外力是拉力時，在作用力方向鐵磁材料磁導率提高，垂直作用力方向磁導率降低；作用力為壓力時，那么反之。常用的鐵磁材料有硅鋼片和坡莫合金。用鐵磁材料制成的彈性體稱為鐵磁體或壓磁元件。第六十三頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。3.1.3壓磁式力傳感器壓磁式力傳感器是利用壓磁式力傳感器主要包括壓磁元件和繞制在壓磁元件上的線圈兩局部?；ジ惺綁捍旁臉嬙烊鐖D所示。它把假設干片形狀一樣的硅鋼片疊合在一起，并用環(huán)氧樹脂將片與片之間粘合起來。在壓磁元件上開四個對稱的孔，并分別繞有兩個繞組?！惆?、2孔的繞組作為一次側繞組，把3、4孔的繞組作為二次側繞組。2、壓磁式力傳感器整體構造第六十四頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。壓磁式力傳感器主要包括壓2、壓磁式力傳感器

3．壓磁式力傳感器工作原理由硅鋼片粘疊替而成的壓磁元件在不受力時，鐵心的磁阻在各個方向上是—致的。初級線圈的磁力線對稱地分布，不與次級線圈發(fā)生交鏈。因而不能在次級線圈中產生感應電動勢。當傳感器受壓力F時，在平行于作用力方向上磁導率減小，磁阻增大。在垂直于作用力方向上磁導率增大，磁阻減小。初級線圈產生的磁力線將重新分布，此時一局部磁力線與次級繞組交鏈而產生感應電動勢。F的數(shù)值越大，交鏈的磁力線越多，感應電動勢也越大。感應電動勢經過處理后，就可用來表示被測力F的數(shù)值。第六十五頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。3．壓磁式力傳感器工作原理由硅鋼片粘疊替壓磁式力傳感器工作原理圖第六十六頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。壓磁式力傳感器工作原理圖第六十六頁，編輯于星期三：二十一點4、壓磁式力傳感器構造簡圖第六十七頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。4、壓磁式力傳感器構造簡圖第六十七頁，編輯于星期三：二十一3.2扭矩傳感器一個可繞固定軸轉動的剛體，當所受外力在垂直于轉軸的平面內時，力的作用線和轉軸之間的垂直距離(稱為這個力對轉軸的力臂)與力的大小的乘積稱為這個力對轉軸的力矩，力矩又稱為扭矩或轉矩，它是旋轉機械的重要參數(shù)。扭矩傳感器與力傳感器一樣，要使用彈性元件，它利用彈性體把扭矩轉換為角位移，再由角位移轉換成電信號輸出。常見的扭矩測量方法可分為應力或應變式及相對轉角式。

第六十八頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。3.2扭矩傳感器一個可繞固定軸轉動的剛體，3.2.1電阻應變式扭矩傳感器電阻應變式扭矩傳感器的工作原理：如下圖。扭矩軸發(fā)生扭轉時，在相對于軸中心線45°方向上會產生壓縮及拉伸力，從而將力加在旋轉軸上。如果在扭轉軸的外表貼上4個電阻應變片組成橋式電路，便可檢測出壓縮及拉伸力，那么可知扭矩的大小。為了給旋轉的應變片輸入電壓和從電橋中取出檢測信號，在扭轉軸上安裝有集流環(huán)和電刷。第六十九頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。3.2.1電阻應變式扭矩傳感器電阻應變式扭矩1、電刷—滑環(huán)式集流裝置

第七十頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。1、電刷—滑環(huán)式集流裝置第七十頁，編輯于星期三：二十一點2、水銀集流裝置

第七十一頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。2、水銀集流裝置第七十一頁，編輯于星期三：二十一點五十六3、感應式集流裝置

第七十二頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。3、感應式集流裝置第七十二頁，編輯于星期三：二十一點五十4、無線傳輸隨著無線電發(fā)射技術和承受技術在測試中的應用，近年來愈來愈多地利用近程遙測裝置進展扭矩測量，被測軸流彈上固定信號發(fā)射裝置，應變片接到發(fā)射裝置上，應變信號通過發(fā)射裝置天線發(fā)射出去，由接收裝置接收、放大并顯示(或記錄)。第七十三頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。4、無線傳輸隨著無線電發(fā)射技術和承受技術3.2.2壓磁式(磁彈式)扭矩儀

第七十四頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。3.2.2壓磁式(磁彈式)扭矩儀第七十四頁，編輯于星3.2.3電容式扭矩測量儀第七十五頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。3.2.3電容式扭矩測量儀第七十五頁，編輯于星期三：二3.2.4光電式扭矩測量儀

第七十六頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。3.2.4光電式扭矩測量儀第七十六頁，編輯于星期三：3.2.5鋼弦式扭矩傳感器第七十七頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。3.2.5鋼弦式扭矩傳感器第七十七頁，編輯于星期三：二3.3壓力傳感器

壓力的概念和術語一般說來，壓力是指流體介質作用于單位面積上的力，物理學上稱為壓強。壓力檢測中常使用以下名詞術語。1．絕對壓力(簡稱絕壓)Pa〔教材中稱P絕〕：絕對壓力是相對于絕對真空(絕對零壓力)所測得的壓力。2．表壓力(簡稱表壓)P：表壓力P是高于大氣壓力的絕對壓力Pa與大氣壓力P0之差，即P＝Pa一P03．負壓Pf與真空度V：當絕對壓力小于大氣壓力P0時，大氣壓力與絕對壓力之差，稱為負壓，即Pf＝P0—Pa低于大氣壓力的絕對壓力，以絕對壓力零線起計算時就稱為真空度V。4．差壓Pd：兩個壓力之間的差值稱為差壓。第七十八頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。3.3壓力傳感器壓力的概念和術語第七十八頁，編輯于1、U形管液柱壓力計如下圖的液柱式壓力計，它是根據(jù)流體靜力學原理來測量壓力的。它們一般采用水銀或水為工作液，用U形管或單管進展測量，常用于低壓、負壓或壓力差的測量。被測壓力P1為P1＝ρh式中h--兩液面高度差(m)；ρ—管內液體的密度(kg／m2)3.3.1液柱式壓力轉換原理第七十九頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。1、U形管液柱壓力計3.3.1液柱式壓力轉換原理第七十九2、傾斜式液壓計

傾斜式液壓計與U形管壓力計不同的是：與被測壓力相通的玻璃管的直徑作得很大，另一玻璃管制成傾斜式。相對大氣壓力，被測壓力P1為

P1=LρsinαS2/S1式中：L—沿細管上升的液柱長度(m)；ρ—管內液體的密度(kg／m2)；α—細管傾斜角度(°)；S1、S2—粗管、細管內截面積(m2)第八十頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。2、傾斜式液壓計傾斜式液壓計與U形管壓力計不同3.3.2活塞式壓力轉換原理

活塞式壓力計利用力平衡原理制成。其工作原理如下圖：工作時撥轉手輪l，通過絲杠2、工作活塞3擠壓工作液產生壓力P，經液體傳遞，作用在待校準的壓力表和測量活塞上，使壓力表指針偏轉、砝碼6被頂起。由力平衡關系知，在平衡狀態(tài)時，壓力P的大小由下式確定：P=1/s〔G+G0〕對于已定的壓力計，S、G0一定，壓力P僅取決于砝碼的重量G。改變它的重量，即可測得不同的壓力P。第八十一頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。3.3.2活塞式壓力轉換原理活塞式壓力計利3.3.3彈性式壓力傳感元件彈性變形法這種方式是利用壓力敏感型彈性元件在壓力作用下產生彈性變形，根據(jù)彈性變形的大小來測量壓力。根據(jù)這種原理制成的彈性式壓力計構造簡單，測量范圍大，精度較高，線性較好，是目前應用最普遍的工業(yè)用壓力計。指針式壓力計和壓力傳感器都是根據(jù)彈性變形原理工作的。通常采用的彈性式壓力敏感元件有波登管、膜片和波紋管三類。第八十二頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。3.3.3彈性式壓力傳感元件彈性變形法第八十二頁，編輯1、各種構造形式的波登管第八十三頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。1、各種構造形式的波登管第八十三頁，編輯于星期三：二十一點2、各種構造形式的膜片與膜盒第八十四頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。2、各種構造形式的膜片與膜盒第八十四頁，編輯于星期三：二十一3、波紋管

第八十五頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。3、波紋管第八十五頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。3.3.4電量式壓力計

電量式壓力計是用各種傳感器或測量元件將壓力變換成電量或電參數(shù)，再經后接相應的測量電路進一步變換，最后由顯示或記錄儀顯示或記錄下來，以實現(xiàn)壓力測量的裝量。常見的測壓力系統(tǒng)所用傳感器有電容式、電感式、電阻式、渦流式、壓電式等。第八十六頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。3.3.4電量式壓力計電量式壓力計1．電容式壓力傳感器

第八十七頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。1．電容式壓力傳感器第八十七頁，編輯于星期三：二十一點五2、應變式壓力傳感器第八十八頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。2、應變式壓力傳感器第八十八頁，編輯于星期三：二十一點五十測量氣體或液體壓力的薄板式傳感器如下圖。當氣體或液體壓力作用在薄板承壓面上時，薄板變形，粘貼在另一面的電阻應變片隨之變形，并改變阻值。這時測量電路中電橋平衡被破壞，產生輸出電壓。圓形薄板可采用嵌固形式固定，如圖〔a〕或與傳感器外殼作成一體，如圖(b)。P〔b〕〔a〕應變式壓力傳感器

應變片應變式壓力傳感器工作原理第八十九頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。測量氣體或液體壓力的薄板式傳感器如下圖。P〔b〕3、壓阻式壓力傳感器第九十頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。3、壓阻式壓力傳感器第九十頁，編輯于星期三：二十一點五十六固態(tài)壓阻式壓力傳感器的工作原理

在一塊圓形的單晶硅膜片上,布置四個擴散電阻,組成一個全橋測量電路。膜片用一個圓形硅杯固定,將兩個氣腔隔開。一端接被測壓力,另一端接參考壓力。當存在壓差時,膜片產生變形,使兩對電阻的阻值發(fā)生變化,電橋失去平衡,其輸出電壓反映膜片承受的壓差的大小。

第九十一頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。固態(tài)壓阻式壓力傳感器的工作原理在一塊圓形4、電感式壓力傳感器第九十二頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。4、電感式壓力傳感器第九十二頁，編輯于星期三：二十一點五十5、渦流式壓力傳感器第九十三頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。5、渦流式壓力傳感器第九十三頁，編輯于星期三：二十一點五十6、霍爾式壓力傳感器第九十四頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。6、霍爾式壓力傳感器第九十四頁，編輯于星期三：二十一點五十7、壓電式壓力傳感器第九十五頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。7、壓電式壓力傳感器第九十五頁，編輯于星期三：二十一點五十3.4力學傳感器的應用

應變式測力傳感器舉例1第九十六頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。3.4力學傳感器的應用

應變式測力傳感器舉例應變式測力傳感器舉例2第九十七頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。應變式測力傳感器舉例2第九十七頁，編輯于星期三：二十一點應變式測力傳感器舉例3第九十八頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。應變式測力傳感器舉例3第九十八頁，編輯于星期三：二十一點五〔一〕

壓電式流量計利用超聲波在順流方向和逆流方向的傳播速度進展測量。其測量裝置是在管外設置兩個相隔一定距離的收發(fā)兩用壓電超聲換能器，每隔一段時間(如1/100s)，發(fā)射和接收互換一次。在順流和逆流的情況下，發(fā)射和接收的相位差與流速成正比。據(jù)這個關系，可準確測定流速。此流量計可測量各種液體的流速，中壓和低壓氣體的流速，不受該流體的導電率、粘度、密度、腐蝕性以及成分的影響。其準確度可達0.5%，有的可到達0.01%。流量顯示1789輸出信號換能器換能器接收接收發(fā)射發(fā)射壓電式流量計壓電式傳感器的應用第九十九頁，編輯于星期三：二十一點五十六分?！惨弧?/p>

壓電式流量計流量顯示1789輸出信號換能器換能器接是一種高性能、低本錢動態(tài)微壓傳感器，產品采用壓電薄膜作為換能材料，動態(tài)壓力信號通過薄膜變成電荷量，再經傳感器內部放大電路轉換成電壓輸出。該傳感器具有靈敏度高，抗過載及沖擊能力強，抗干擾性好，操作簡便，體積小、重量輕、本錢低等特點，廣泛應用于醫(yī)療、工業(yè)控制、交通、平安防衛(wèi)等領域。典型應用：·脈搏計數(shù)探測·按鍵鍵盤，觸摸鍵盤·振動、沖擊、碰撞報警·振動加速度測量·管道壓力波動·其它機電轉換、動態(tài)力檢測等

脈搏計照片

〔二〕集成壓電式傳感器

第一百頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。是一種高性能、低本錢動態(tài)微壓傳感器，產品采用壓電

如果地面下有一條均勻的直管道，某處O點為漏點，振動聲音從O點向管道兩端傳播，傳播速度為V，在管道上A、B兩點放兩只傳感器，A、B距離為L〔或可測〕，從A、B兩個傳感器接收的由O點傳來的t0時刻發(fā)出的振動信號所用時間為tA〔=LA/V〕和tB〔=LB/V〕，兩者時間差為Δt=tA-tB=〔LA-LB〕/V〔1〕又L=LA+LB〔2〕LABO點LALB地面〔三〕自來水管道測漏中的壓電式傳感器第一百零一頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。LABO點LALB地面〔三〕自來水管道測漏中的壓1、檢測原理因為管道埋設在地下，看不到O點，也不知道LA和LB的長度，的是L和V，設法求出Δt，那么聯(lián)立〔1〕+〔2〕得：LA=(L+ΔtV)/2〔3〕或者將〔1〕-〔2〕得：LB=〔L-ΔtV〕/2〔4〕關鍵是確定Δt，就可準確確定漏點O。如果從O點出發(fā)的是一極短暫的脈沖，在A、B兩點用雙線掃描同時開場記錄，在示波器上兩脈沖到達的時間差就是Δt。實際的困難在于漏水聲是連續(xù)不斷發(fā)出的，在A、B兩傳感器測得的是一片連續(xù)不斷，幅度雜亂變化的噪聲。相關檢漏儀的功能就是要將這兩路外表雜亂無章的信號找出規(guī)律來，把它們“對齊〞，對齊移動所需要的時間就是Δt。第一百零二頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。1、檢測原理因為管道埋設在地下，看不到前放帶通濾波放大低通濾波傳感器B發(fā)送前放帶通濾波放大低通濾波傳感器A主機接收管道2、水漏探測儀設計第一百零三頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。前放帶通濾波放大低通濾波傳感器B發(fā)送前放帶通謝謝！第一百零四頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。謝謝！第一百零四頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。工程力學傳感器及其應用工程力學傳感器及其應用工程力學傳感器及其應用3.1測力傳感器力是物理根本量之一，因此測量各種動態(tài)、靜態(tài)力的大小是十分重要的。力的測量需要通過力傳感器間接完成，力傳感器是將各種力學量轉換為電信號的器件。2第一頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。工程力學傳感器及其應用工程力學傳感器及其應用工程力學傳感器及3.1測力傳感器力是物理根本量之一，因此測量各種動態(tài)、靜態(tài)力的大小是十分重要的。力的測量需要通過力傳感器間接完成，力傳感器是將各種力學量轉換為電信號的器件。第二頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。3.1測力傳感器力是物理根本量之一力傳感器例如第三頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。力傳感器例如第三頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。

電氣式測力傳感器的分類有：參量型測力傳感器：

將被測物理量轉化為電參數(shù)。如電阻、電容或電感等。發(fā)電型測力傳感器：

將被測物理量轉換為電源性參量。如電動勢、電荷等。1、測力傳感器的分類方式

★第四頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。電氣式測力傳感器的分類有：1、

電氣式測力傳感器

參量型測力傳感器發(fā)電型測力傳感器電阻應變式壓電式電容式測力傳感器測力傳感器電感式壓磁式2、測力傳感器的種類

★第五頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。電氣由彈性元件、電阻應變片及外殼等組裝成的用來進展測量的裝置，稱為應變式傳感器。

3.1.1電阻應變式測力傳感器

第六頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。由彈性元件、電阻應變片及外殼等組裝成的用來1、應變式測力傳感器的工作原理★

電阻應變式測力傳感器的工作原理是在一定形狀的彈性元件上粘貼或用其它方法安裝電阻應變敏感元件。當接觸力作用在彈性元件上時，彈性元件產生變形，電阻應變敏感元件的阻值隨之發(fā)生變化。我們可用變換電路將阻值的變化變成電壓〔或電流〕的變化，并將其信號輸出到測量電路，根據(jù)電壓變化量即可得知接觸力的大小與作用位置。第七頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。1、應變式測力傳感器的工作原理★電阻應變式測力柱型應變式測力傳感器構造第八頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。柱型應變式測力傳感器構造第八頁，編輯于星期三：二十一點五十柱型彈性元件力與應變的關系★

柱型傳感器特點：構造簡單，緊湊，可設計成壓式或拉壓式，可承受大載荷，強度計算簡單?？v向應力：σ＝F/S＝Eε其應變?yōu)椋害?ΔL/L=σ/E=F/SE式中σ——彈性元件的縱向應力〔Pa〕；ε——縱向應變；F——受力〔N〕；S——彈性元件的橫斷面積〔m2〕E——元件材料的彈性模量〔Pa〕第九頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。柱型彈性元件力與應變的關系★柱型傳感器特點：構薄壁環(huán)型應變式測力傳感器構造第十頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。薄壁環(huán)型應變式測力傳感器構造第十頁，編輯于星期三：二十一點薄壁環(huán)式應變彈性元件，其應變片在薄壁式彈性元件上的位置如下圖。其應變公式為：式中：εA一A處的應變值εB一B處的應變值εh一電橋輸出的應變值；R0一薄壁環(huán)平均半徑(m)；R一薄壁環(huán)內圓半徑(m)；b—薄壁環(huán)的寬度(m)；h一薄壁環(huán)的厚度(mm)。F—受力〔N〕；E—元件材料的彈性模量〔Pa〕薄壁環(huán)型彈性元件力與應變的關系★

第十一頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。薄壁環(huán)式應變彈性元件，其應變片在薄壁式彈性元件上梁型應變式測力傳感器構造〔1〕第十二頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。梁型應變式測力傳感器構造〔1〕第十二頁，編輯于星期三：二十一梁型應變式測力傳感器構造〔2〕第十三頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。梁型應變式測力傳感器構造〔2〕第十三頁，編輯于星期三：二十一懸臂梁式應變彈性元件，其應變片的位置如前圖所示。其上下外表的應變值為：式中：l—懸臂外端距應變片中心的長度(m)；b—懸臂寬度(m)；h—懸臂厚度(m)；F—受力〔N〕；E—元件材料的彈性模量〔Pa〕懸臂梁式彈性元件力與應變的關系★

第十四頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。懸臂梁式應變彈性元件，其應變片的位置如前圖所示。等強度懸臂梁式應變彈性元件，其應變片的位置如下圖。其上下外表的應變值為：式中：l—梁的長度(m)；b—梁的寬度(m)；h—梁的厚度(m)；F—受力〔N〕；E—元件材料的彈性模量〔Pa〕等強度懸臂梁式彈性元件力與應變的關系★

第十五頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。等強度懸臂梁式應變彈性元件，其應變片的位置如下圖兩端固定梁式應變彈性元件，應變片的位置如下圖。其上下外表的應變值為：式中：l—梁的長度(m)；b—梁的寬度(m)；h—梁的厚度(m)；F—受力〔N〕；E—元件材料的彈性模量〔Pa〕兩端固定梁式彈性元件力與應變的關系★

第十六頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。兩端固定梁式應變彈性元件，應變片的位置如下圖。其2、彈性元件力與應變關系的結論★在電阻應變式測力傳感器中，當彈性元件的尺寸和材料確定后，彈性元件在外力作用下所產生的應變與外力成正比。第十七頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。2、彈性元件力與應變關系的結論★在電阻應變式測力3．應變片

電阻應變片(簡稱應變片)的作用是把導體的機械應變轉換成電阻應變，以便進一步電測。實際的應變片根據(jù)敏感元件材料的不同，主要分為金屬電阻應變片和半導體應變片兩類。

金屬電阻應變片分為體型和薄膜型。

半導體應變片常見的有體型、薄膜型、擴散型、外延型、PN結及其他形式。第十八頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。3．應變片電阻應變片(簡稱應變片)的作用是把導設金屬電阻絲長度為L，截面積為S，電阻率為ρ，那么電阻值R為：

如下圖，當電阻絲受到拉力F時，其阻值發(fā)生變化。材料電阻值的變化，一是受力后材料幾何尺寸變化；二是受力后材料的電阻率也發(fā)生了變化。大量實驗說明，在電阻絲拉伸極限內，電阻的相對變化與應變成正比，而應變與應力也成正比。金屬電阻應變片的工作原理第十九頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。設金屬電阻絲長度為L，截面積為S，電阻率為ρ，那

當電阻絲受到拉力F作用時,將伸長ΔL,橫截面積相應減小ΔS,電阻率將因晶格發(fā)生變形等因素而改變Δρ,故引起電阻值相對變化量為式中ΔL/L是長度相對變化量,用應變ε表示：ΔS/S為圓形電阻絲的截面積相對變化量,即電阻應變式傳感器工作原理2第二十頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。當電阻絲受到拉力F作用時,將伸長ΔL

由材料力學可知,在彈性范圍內,金屬絲受拉力時,沿軸向伸長,沿徑向縮短,那么軸向應變和徑向應變的關系可表示為式中:μ——電阻絲材料的泊松比,負號表示應變方向相反。將上2式帶入前式，得：電阻應變式傳感器工作原理3第二十一頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。由材料力學可知,在彈性范圍內,金屬電阻應變式傳感器工作原理4

通常把單位應變能引起的電阻值變化稱為金屬電阻絲的靈敏系數(shù)。其物理意義是單位應變所引起的電阻相對變化量,其表達式為：因此：

dR/R受兩個因素影響:①受力后材料幾何尺寸的變化,即(1+2μ)ε;②受力后材料壓阻效應產生的變化,即πLEε。第二十二頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。電阻應變式傳感器工作原理4通常把單位應變應變片的受力第二十三頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。應變片的受力第二十三頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。用應變片測量時，將其貼在被測對象外表上。當被測對象受力變形時，應變片的敏感柵也隨同變形，其電阻值發(fā)生相應變化，通過轉換電路轉換為電壓或電流的變化，這是用來直接測量應變。通過彈性敏感元件將位移、力、力矩、加速度、壓力等物理量轉換為應變，那么可用應變片測量上述各量，而做成各種應變式傳感器。應變片的根本構造第二十四頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。用應變片測量時，將其貼在被測對象外表上應變片的根本構造2〔1〕敏感柵感受應變，并將應變轉換為電阻的變化。敏感柵有絲式、箔式和薄膜式三種。〔2〕底基絕緣及傳遞應變。要求底基準確地把試件應變傳遞給敏感柵,同時基片絕緣性能要好，否那么應變片微小電信號就要漏掉。由紙薄、膠質膜等制成?！?〕粘結劑敏感柵與底基、底基與試件、底基與覆蓋層之間的粘結。〔4〕覆蓋層保護作用。防濕、蝕、塵?！?〕引線連接電阻絲與測量電路，輸出電參量。第二十五頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。應變片的根本構造2〔1〕敏感柵第二十五頁對敏感柵材料的要求①應變靈敏系數(shù)大，并在所測應變范圍內保持為常數(shù)；②電阻率高而穩(wěn)定，以便于制造小柵長的應變片；③電阻溫度系數(shù)要小；④抗氧化能力高，耐腐蝕性能強；⑤在工作溫度范圍內能保持足夠的抗拉強度；⑥加工性能良好,易于拉制成絲或軋壓成箔材；⑦易于焊接，對引線材料的熱電勢小。對應變片要求必須根據(jù)實際使用情況，合理選擇。第二十六頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。對敏感柵材料的要求①應變靈敏系數(shù)大，并在所測應變范圍內保持為金屬絲式應變片回線式：橫向效應較大短接式：抑制橫向效應第二十七頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。金屬絲式應變片第二十七頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。金屬箔式應變片

箔式應變片箔材，利用照相制版或光刻技術，制成各種需要的形狀。優(yōu)點：①可制成多種復雜形狀尺寸準確的敏感柵；②與被測件粘結面積大；③散熱條件好，允許電流大，提高了輸出靈敏度；④橫向效應??；⑤蠕變和機械滯后小，壽命長。缺點：工序復雜、不適于在高溫環(huán)境中測量，價格高。第二十八頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。金屬箔式應變片箔式應變片箔材，利用照相制版或光刻金屬薄膜應變片﹡

采用真空蒸發(fā)或真空沉積等方法在薄的絕緣基片上形成厚度在0.1微米以下的金屬電阻材料薄膜的敏感柵，最后再加上保護層。優(yōu)點：應變靈敏系數(shù)大，允許電流密度大。存在問題：溫度穩(wěn)定性差

應變片的粘貼：應變片是用粘合劑粘貼到被測件上的。粘合劑形成的膠層必須準確迅速地將披測件應變傳進到敏感柵上。粘合劑的性能及粘貼工藝的質量直接影響著應變片的工作特性，如零漂、蠕變、滯后、靈敏系數(shù)，線性以及它們受溫度變化影響的程度。對粘合劑和粘貼工藝有嚴格要求。第二十九頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。金屬薄膜應變片﹡采用真空蒸發(fā)或真空沉半導體應變片

壓阻效應：固體受到作用力后，電阻率就要發(fā)生變化，這種現(xiàn)象叫壓阻效應。半導體材料的壓阻效應特別強。半導體應變片的分類：①粘貼式應變片②擴散硅型壓阻傳感器

第三十頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。半導體應變片壓阻效應：固體受到作用力后半導體應變片的制作材料用單晶硅、鍺。P型單晶硅構造如圖。在直角坐標系中它有許多晶軸方向，實驗發(fā)現(xiàn)沿不同晶軸方向壓阻系數(shù)相差很大〔電阻率變化相差很大〕。半導體應變片構造第三十一頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。半導體應變片的制作材料用單晶硅、鍺。P型單半導體應變式傳感器常用硅、鍺等材料作成單根狀的敏感柵，其使用方法與金屬絲應變片一樣。因為：半導體應變片的靈敏系數(shù)為：半導體應變片的靈敏系數(shù)第三十二頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。半導體應變式傳感器常用硅、鍺等材料作成單半導體應變片的特點

半導體應變片的突出優(yōu)點是靈敏系數(shù)很大，分辨率高，可測微小應變。此外，頻率影響高，體積小、橫向效應和機械滯后也小。主要用于測量壓力、加速度和載荷等。

主要缺點是應變靈敏系數(shù)的離散性大，溫度穩(wěn)定性差和測量較大應變時非線性嚴重，機械強度低，非線性誤差大，溫度系數(shù)大，必須采取補償措施。此外，靈敏系數(shù)隨拉伸或壓縮而變。第三十三頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。半導體應變片的特點半導體應變片的突出優(yōu)點是應變式傳感器與應變儀配套使用進展力的測量。應變儀測量電路的作用：將電阻的變化量轉換為電壓輸出。應變儀的測量電路多采用電橋，這種電橋稱之為電阻應變片橋路。根據(jù)所用電源的不同，電橋可分為直流電橋和交流電橋，四個橋臂均為純電阻時，用直流電橋準確度高；假設有橋臂為阻抗時，必須用交流電橋。4應變片的布置和接橋方式

第三十四頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。應變式傳感器與應變儀配套使用進展力的測量應變儀各局部的作用a、電橋：將片電阻變化轉換為電壓信號。b、振蕩器：供給正弦波交流電壓作為電橋的載波電壓，由信號電壓對它進展調幅，輸出一個窄頻帶的調幅電壓信號，送入放大器。同時為相敏檢波器提供參考電壓。c、放大器：電橋輸出的信號非常微弱，一般在幾十微伏到幾毫伏之間，必須經過放大器將橋送來的調幅電壓信號進展失真放大，輸出足夠的功率推動指示儀表或記錄器。d、相敏檢波器：既具有檢波的作用，又能完成區(qū)分信號相位〔如：應變信號的拉伸或壓縮性質〕的任務。第三十五頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。應變儀各局部的作用a、電橋：將片電阻變化轉換為直流電橋電路如下圖，它的四個橋臂由電阻R1R2R3R4組成。AC端接直流電壓U，BD端輸出電壓U0。一般情況橋路應接成等臂電橋,輸出為零。這樣無論哪個橋臂上受到外來信號作用后，橋路都將失去平衡，就會有信號輸出?！?〕直流電橋工作原理第三十六頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。直流電橋電路如下圖，〔1〕直流電橋工作原理

電橋輸出端接入輸入阻抗很高的指示儀表或放大器時，可認為電橋負載為無窮大，電橋輸出端相當于開路，只能輸出電壓信號，稱為電壓輸出。此時，橋路的電流為：

AB之間和CD之間的電位差分別為：直流電橋工作原理2第三十七頁，編輯于星期三：二十一點五十六分。