《压力、应力和力的》PPT课件.ppt

第三章 压力、应力和力的检测,3-1 压电式压力传感器 3-1-1 压电转换元件的工作原理 一、压电方程和压电常数矩阵 压电效应 正压电效应某些晶体或多晶陶瓷受到外力作用时，内部就产生极化现象，表面上产生符号相反的电荷的现象； 逆压电效应如对晶体施加一定电场，晶体本身将产生机械变形的现象。,天然石英晶体的结构外形 光轴( Z轴):晶体的对称轴,光线沿Z轴通过晶体不产生双折射现象,且无压电效应； 电轴(X轴):与该压轴垂直的面，压电效应最为显著; 机械轴(Y轴):在外电场作用时，在此轴上产生的机械变形最大。,压电方程压电效应的数学表达式 压电效应：晶体表面上产生的电荷与外力作用大小成正比。 精确表达式 式中：dij是压电常数，单位为（C/N）； Pi是电荷的表面密度，单位为(C/cm2); i是单位面积上的作用力（应力）， 单位为(N/cm2）。 压电常数矩阵：,一般情况下压电方程： 二、石英晶体压电效应机理,单向应力单独作用时（Fx、Fy及Fz ），只在表面A和B上出现电荷，符号与Fx，Fy有关： (1)P1 0， P2= P3= 0, (当只有Fx或Fy时)： d11=-d12 0, d21=d31=0, d22=d32=0; (2)P1= P2= P3= 0, (当只有Fz时)： d13=d23=d33=0; 剪切力单独作用时，在表面A和B及C和D上出现电荷： (3) P1 0， P2= P3= 0, (当只有4时,使晶体在x方向有伸缩,等效有1作用)： d14 0, d24=d34=0; (4) P2 0， P1= P3= 0, (当只有5、6时,改变了晶体在y方向无电荷的状况)： d25 0, d26 0, d15=d35=0, d16=d36=0;,压电常数矩阵 对石英晶体 。 三、压电陶瓷压电效应机理 压电陶瓷是一种经过极化处理的人工多晶铁电体。 多晶：由无数细微单晶组成； 铁电体：具有电畴结构； 电畴：分子自发形成的极化方向相同的小区域。,极化处理：在一定温度下，以强电场使“电畴”规则排列，余下了很强的剩余极化，压电陶瓷材料表面出现束缚电荷，吸附空气中的自由电荷，形成压电陶瓷。 压电常数矩 注意事项：极化面在Z轴，而X，Y轴各向同性。,3-1-2压电式传感器的测量电路,一、压电式传感器的等效电路 压电式传感器相当于一个电荷/电压源及一个以压电材料为电介质的电容。 ， 压电式传感器的灵敏度 电压灵敏度：单位力产生的电压； 电荷灵敏度：单位力产生的电荷； ，,Ra是压电元件的漏电阻,二、压电式传感器的测量电路,两种电路形式 电压放大器和电荷放大器：,Ri、Ci、Cc分别为放大器的输人电阻、输人电容和电缆线的电容,1、电压放大器 作用：阻抗变换将传感器的高输出阻抗经放大器变换为低阻抗输出，并将微弱的电压信号进行适当放大。 其中 以压电陶瓷为例 设 用复数表示放大器的输入电压,电压Ui的幅值 电压Ui与作用力之间的相位差： 令 得,电压幅值比和相角与频率比的关系曲线 =0 ，Um=0，电荷被泄漏，压电式 传感器不能测量静态量(灵敏度下降)； 31, Um与作用力的频率无关, 高频响应非常好; 电压灵敏度 要扩大低频响应范围, 必须增加R(而不是C)来增加测量回路的时间常数=R(C+Ca),否则,kU下降;,当R1时, 放大器输入电压及电压灵敏度与传感器自身电容,电缆线电容有关。更换电缆需重新标定系统灵敏度。 2、电荷放大器 特点：消除电缆分布电容的影响；具有深度电容负反馈的高增益运算放大器。 电路简化：忽略Ri，Ra（ ），运放的K足够大,高频忽略RF ；,由于(1+K)CF(CC+Ca+Ci), 特点：(1)输出电压U正比于输入电荷Q，输出灵敏度不受电缆分布电容的影响;(2) 适用于高频(gFjCF);,低频时RF不能忽略 特点：(1)输出电压U正比于输入电荷Q;(2)输出电压与反馈回路参数有关（ CF ， RF ）; 当RF=1/CF 时，其幅值为理想值的 倍， 此时，增益下降3db，即为下限频率处： fL可以通过CF， RF来调整， 低频响应好 。,3-1-3压电式传感器的应用,特点： 典型的力敏感元件，常直接用来测力； 可用来测量最终能转换为力的物理量（如加速度等）。 举例： 测加速度 U= ?,测量加速度,压电式压力传感器 特点：压电元件并联使用,传感器哈工大，强锡富（带习题） 传感器设计与应用，国防科大，刘迎春等， 传感器与检测技术，高教，陈杰等， （带习题） 检测技术，西安电子科大，栾桂冬等，,3-2电阻应变式压力传感器,3-2-1应变电阻效应 根据 有 其中，x轴向(纵向)应变，y径向(横向)应变。,代入 其中,（金属） （半导体）,为材料的压阻系数，E为材料的弹性模量；,Km金属丝应变灵敏度系数； Ks半导体应变灵敏度系数； Ko导电丝材料应变灵敏度系数；,3-2-1金属电阻应变片结构及材料,金属丝式结构： 轴向纵栅和圆弧横栅，栅丝直径为0.0150.05mm,栅长l=0.2200mm; 基底很薄,0.020.4mm; 箔式结构 基底很薄,0.020.4mm;,3-2 电阻应变式压力传感器,3-2-1 应变电阻效应 根据 有 其中，x轴向(纵向)应变，y径向(横向)应变。,代入 其中,（金属） （半导体）,为材料的压阻系数，E为材料的弹性模量；,Km金属丝应变灵敏度系数； Ks半导体应变灵敏度系数； Ko导电丝材料应变灵敏度系数；,3-2-2 金属电阻应变片结构及材料,金属丝式结构： 轴向纵栅和圆弧横栅，栅丝直径为0.0150.05mm,栅长l=0.2200mm; 基底厚度：0.020.4mm; 箔式结构 栅长l=0.2100mm 金属箔片厚度：0.0030.1mm; 光刻技术制作； 横向效应小。,3-2-3 金属电阻应变片主要特性,一、横向效应系数 由 a为双向应变比；H为双向应变灵敏度 系数比横向效应系数；,利用x与y的关系： a=， 得 横向效应作用：抵消纵向应变； 解决的方法：增大l，减小r，采用直角线栅式,或箔式。 二、应变极限 定义：应变片所能测量的 最大应变值 。,三、零漂和蠕变,零漂P0：保待温度恒定，在不承受载荷的条件下，应变片的电阻随时间变化的特性； 产生的原因：敏感栅通过工作电流后的温度效应，内应力逐渐变化，粘接剂固化不充分等。 蠕变：保待温度恒定，在某一恒定机械应变长期作用下，指示应变随时间变化的特性； 主要原因：内应力。,四、机械滞后,机械滞后Zj：恒温条件下，加载和卸载试件过程中，加载和卸载特性曲线的最大差值残余形变； 产生的原因： 粘合剂性能差； 过载； 过热。,五、对正弦应变波的响应,问题：当测量按正弦规律变化的应变波时，机械应变就象水波似的在材料中传播，使材料中每一点的应力都不相同。 设 t时刻，在xt处有： 在整个应变片L上平均值：,误差： 因为L，利用sinx/x的展开式,得 式中f为应变波的频率,v为传播速度(由材料决定); 与f2,L2成正比. 工作频率与应变片长度的要求:,五、对阶跃应变波的响应,理论响应特性：图（b）； 实际响应特性：图（c）； 上升时间：输出从最大值的10%上升到90%的时间tk： 工程上要求动态特性：,六、疲劳寿命,疲劳寿命：反映应变片对动态应变的适应能力，反映出材料性能，工艺加工质量的重要的指标； 测定方法：在恒定幅值的交变应力作用下,可以连续工作而不产生疲劳损坏的循环次数N； 疲劳损坏：应变片指示应变的变化超过规定误差； 一般要求：N=105107次。,3-2-4 温度误差及其补偿,一、温度效应及温度误差 温度效应：由温度变化引起应变片内阻改变的现象； 应变片电阻丝的电阻率变化； 电阻丝材料与受力件材料的线膨胀系数不同；,at电阻丝材料的电阻温度系数；,t、s分别为电阻丝材料和试件材料的线膨胀系数，k应变片的灵敏度系数；,附加应力： 一、温度补偿 方法：自动与桥路 单丝自补偿法选择敏感栅材料的电阻温度系数和线膨胀系数，能满足下式成立： 特点：方法简单，制造和使用方便，使用范围有限。,双丝自补偿法利用两种不同电阻温度系数(一种为正值，一种为负值)的材料串联组成敏感栅，使 则 特点：补偿效果好，方法简单，制造和使用方便，使用范围比单丝广，可通过丝的长短来调整。 桥路补偿法 补偿块法(单臂)： 差动法(双臂)：,3-2-5 转换电路,一、电压输出特性 设电桥各臂的电阻分别R1,R2,R3,R4, 可以全部是或部分是应变片。 流过负载的电流为： 电桥平衡时,电桥的电压输出(空载)： 当四臂有R产生时，电压输出特性(空载)： 设 R1/R2=n，并考虑RiRi, 略去高阶分量,得,当R1=R2, R3=R4(半等臂),或R1=R2=R3=R4(全等臂)时，n=1， 单臂工作(R1 0,R2=R3=R4=0)：,双臂工作(R1 =R2 0, R3=R4=0)： 全臂工作(R1 =R2 =R3=R4 0)：,二、电压灵敏度,单臂工作 双臂工作 全臂工作 三、应变片的串联与并联式接线法 1、串联 设,则 特点： 应变片串联后反映的应变为各个应变片应变值的算术平均值，提高测量精度； 桥臂电阻增加，提高电压输出。,2、并联,设 则 特点：提高电桥的输出电流。,3-2-6 应变片式电阻传感器的应用,特点：可直接用以测量机械、仪器及工程结构等的应变外，与弹性敏感元件相配合，组成其他物理量的测试传感器，如力、压力、扭矩位移、加速度等；性能稳定可靠,寿命长；颊率响应特性较好(10-7秒);测材范围广，精度高(10-210-7N, 10-110-7Pa);抗干扰能力强;易于实现小型化，整体化。 结构：荷重、拉压力传感器的弹性元件可以作成柱形，筒形、环形及梁形等。 一、圆柱式力传感器,电路连接方式,二、梁式力传感器,等截面梁，等强度梁（梁内各断面产生的应力是相等的，表面上的应变也是相等的，）双孔梁（电子秤）等。,三、应变式压力传感器,四、应变式加速度传感器,