第四章力敏传感器A讲解.ppt

4.0 概 念 弹性形变 当外力去掉后能完全恢复原来的尺寸或形状的形变 弹性元件 具有弹性形变特性的物体 弹性特性 作用在弹性敏感元件上的外力与其引起的相应变形（应变、位移或转角）之间的关系称为弹性元件的弹性特性。弹性特性可用刚度或灵敏度来表示。 弹性特性可能是线性的，也可能是非线性的 刚度 弹性敏感元件在外力作用下抵抗变形的能力，一般用k表示。 从弹性特性曲线求得刚度的方法 如果弹性元件的弹性特性是线性的，则其刚度为常数 灵敏度 灵敏度就是单位力产生变形的大小。 灵敏度是刚度的倒数，一般用Sn表示。 关于刚度和灵敏度的理解 刚度与灵敏度是从不同的侧面对同一特性的描述 刚度描述的是抵抗变形的能力 灵敏度描述的是变形的能力 弹性滞后 弹性元件在弹性变形范围内，弹性特性的加载曲线与卸载曲线不重合的现象 弹性变形之差Δx叫做弹性敏感元件的滞后误差 曲线1和曲线2所包围的范围称为滞环 弹性后效 弹性敏感元件所加载荷改变后，不是立即完成相应的变形，而是在一定时间间隔中逐渐完成变形的现象 弹性后效体现的是时间因素的影响，对传感器的动态特性影响尤其明显 电阻应变式传感器是一种由电阻应变片和弹性敏感元件组合起来的传感器。 其它: 应变片电阻值（R0） 指未安装的应变片，在不受外力的情况下，于室温条件测定的电阻值，也称原始阻值。 应变片电阻值趋于标准化 绝缘电阻 敏感栅与基底间的电阻值，一般应大于10G。 允许电流 指不因电流产生热量影响测量精度，应变片允许通过的最大电流。 4 交流电桥电路 交流电桥的工作原理 交流电桥的输出电压为 交流电桥平衡调节电路 四 电阻应变式传感器应用 ① 柱（筒）式力传感器 ② 环式力传感器 悬臂梁式力传感器是一种结构简单、高精度、应变片容易黏贴、抗偏、抗侧性能优越的称重测力传感器。最小可以测几十克，最大可以测几十吨的质量，精度可达到0.02%FS。 悬臂梁有两种：一种为等截面梁，另一种为等强度梁 1. 压电效应 某些物质沿某一方向受到外力作用时，会产生变形，同时其内部产生极化现象，此时在这种材料的两个表面产生符号相反的电荷，当外力去掉后，它又重新恢复到不带电的状态，这种现象被称为压电效应。当作用力方向改变时，电荷极性也随之改变。这种机械能转化为电能的现象称为“正压电效应”或“顺压电效应”。 反之，当在某些物质的极化方向上施加电场，这些材料在某一方向上产生机械变形或机械压力；当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失。这种电能转化为机械能的现象称为“逆压电效应”或“电致伸缩效应”。 常见的压电材料可分为两类，即压电单晶体和多晶体压电陶瓷。 压电单晶体有石英(包括天然石英和人造石英)、水溶性压电晶体(包括酒石酸钾钠、酒石酸乙烯二铵、酒石酸二钾、硫酸锤等)；多晶体压电陶瓷有钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷和铌镁酸铅压电陶瓷等。 如果从石英晶体中切下一个平行六面体并使其晶面分别平行于Z-Z、Y-Y、X-X轴线。晶片在正常情况下呈现电性。通常把沿电轴(X轴)方向的作用力产生的压电效应称为“纵向压电效应”，把沿机械轴(Y轴)方向的作用力产生的压电效应称为“横向压电效应”，沿光轴(Z轴)方向的作用力不产生压电效应。压电式传感器主要是利用纵向压电效应。 4 压电式传感器的测量电路 并联方法两片压电晶片的负电荷集中在中间电极上，正电荷集中在两侧的电极上，传感器的电容量大、输出电荷量大、时间常数也大，故这种传感器适用于测量缓变信号及电荷量输出信号。 串联方法正电荷集中于上极板，负电荷集中于下极板，传感器本身的电容量小、响应快、输出电压大，故这种传感器适用于测量以电压作输出的信号和频率较高的信号。 2） 压电传感器的等效电路 当压电晶体承受应力作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。故可把压电传感器看成一个电荷源与一个电容并联的电荷发生器。 值得注意的是： 3）压电式传感器的测量电路 传感器与电压放大器连接的等效电路 等效电阻 等效电容 若作用在压电元件上的力F为 则在压电元件表面产生的电荷Q与电压Ua均按正弦变化 压电系数为d11， 为压电元件输出 电压放大器的输入电压 前置放大器的输入电压幅值为 输入电压与作用力之间的相位差为 理想情况下 ，前置放大器的输入电压幅值为 当作用在压电元件上的力是静态力时，则前置放大器的输入电压等于零。这也就从原理上决定了压电式传感器不能测量静态物理量。 当作用力的变化频率与测量回路的时间常数的乘积远大于1时，前置放大器的输入电压随频率的变化不大。压电式传感器的高频响应好。 扩大压电式传感器低频响应范围