力学量传感与测量课件.ppt
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- 力学 传感 测量 课件
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1、力学量传感与测量力学量传感与测量压力传感器与压力测量力敏传感器与力的测量位移传感器与位移测量质量传感器与质量测量2.1 2.1 压力传感器与压力测量压力传感器与压力测量 工程术语中的压力就是物理学中的压强,亦即流体或固体垂直作用在单位面积上的力。压力按时间变化特征分为静态压力和动态压力。根据参考点的变化,压力有以下几种表述方式:(1)大气压力。大气压力指地球表面上的空气质量所产生的压力,由所在地的海拔、纬度和气象条件所决定。(2)绝对压力。绝对压力指流体介质所处空间的全部压力,即以绝对零压力为参考点所测量的压力。2.1 2.1 压力传感器与压力测量压力传感器与压力测量 (3)表压力。表压力指绝
2、对压力与当地大气压力之差。(4)负表压(真空)。负表压指用绝对压力来表示,绝对压力低于当地大气压力时表压呈负压,其值为当地大气压力与绝对压力之差。(5)压差。压差指两压力之间的差值。压力的国际标准单位是Pa(帕),1 Pa=1 N/m2,1个标准大气压=101 325 Pa=1.033 23工程大气压。压力的测量方法有多种。可以采用弹性体的弹性变形并计算相应的挠曲力来完成;也可以通过将待测压力与细柱状液体或固体重量进行比较测量;还可将压力变换成电阻阻值变化、压电性能变化、液体体积或磁场分布变化等其他物理量来进行测量。压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器,在石油、化工、航空、汽车、船舶、建
3、筑、医学、军事等方面得到广泛的应用。2.1 2.1 压力传感器与压力测量压力传感器与压力测量 当沿着某些介质的一定方向对其施加力而使其产生形变时,介质内部就产生极化,即在它的两个表面上产生极性相反的电荷,当外力去掉后,又重新回到不带电状态,当作用力方向改变时,电荷极性也随之改变。这种将机械能转换为电能的现象称为压电效应,或称为正压电效应。相反,若在这些介质的极化方向上施加电场,介质将产生形变,这种现象称为逆压电效应,或称为电致伸缩效应。压电式压力传感器的工作原理压电式压力传感器的工作原理1.2.1 2.1 压力传感器与压力测量压力传感器与压力测量图图2.1.1 2.1.1 压电效应压电效应2.
4、1 2.1 压力传感器与压力测量压力传感器与压力测量 在自然界中,大多数晶体具有压电效应,但效应非常微弱,只有明显呈现压电效应的敏感功能材料才称为压电材料。常用的压电材料有压电单晶体,如石英、酒石酸钾钠等;多晶压电陶瓷,如钛酸钡、锆钛酸铅、铌镁酸铅等。此外,聚偏二氟乙烯(PVDF)作为一种新型的高分子物性型传感材料也得到广泛的应用。2.1 2.1 压力传感器与压力测量压力传感器与压力测量压电材料的工作原理压电材料的工作原理2.1 1)压电晶体)压电晶体 由晶体特性可知,无对称中心的晶体都具有压电效应,石英晶体是最典型和常用的一种压电晶体,如图2.1.2所示。图2.1.2(c)所示为石英晶体切片
5、,当沿着其电轴(x轴)方向施加作用力F x 时,则在与电轴垂直的平面上产生电荷Q x,其大小为 Q x=d11Fx (2.1.1)式中,d11为压电系数,C/N。2.1 2.1 压力传感器与压力测量压力传感器与压力测量图图2.1.2 2.1.2 石英晶体石英晶体2.1 2.1 压力传感器与压力测量压力传感器与压力测量 当沿着其机械轴(y轴)方向施加作用力F y 时,则仍在与电轴垂直的平面上产生电荷Q y,其大小为 (2.1.2)式中,a和b分别为晶体切片的长度和厚度;d12为机械轴受力时的压电系数,石英轴对称时有d12=-d11。2.1 2.1 压力传感器与压力测量压力传感器与压力测量 在一个
6、晶体单元中,有3个硅离子Si4+和6个氧离子O2-,后者是成对的,所以一个硅离子和两个氧离子交替排列。当没有力作用时,Si4+和O2-在垂直于晶体z轴的xy平面上的投影恰好等效为正六边形排列,如图2.1.3(a)所示。这时,正负离子正好分布在正六边形的顶角上,呈现电中性。如果沿x方向压缩,如图2.1.3(b)所示,则硅离子1被挤入氧离子2和6之间,而氧离子4被挤入硅离子3和5之间,结果表面A上呈现负电荷,而在表面B上呈现正电荷。这一现象称为纵向压电效应。2.1 2.1 压力传感器与压力测量压力传感器与压力测量2.1 2.1 压力传感器与压力测量压力传感器与压力测量图图2.1.3 2.1.3 石
7、英晶体压电效应石英晶体压电效应2.1 2.1 压力传感器与压力测量压力传感器与压力测量 压电陶瓷属于人工制造的多晶压电材料,其内部由无数细微的电畴组成。这些电畴实际上是自发极化的小区域,自发极化的方向完全是任意排列的,未极化处理前,各个电畴随机分布,它们的极化效应互相抵消,此时材料无极化效应,呈电中性,不具有压电性质,如图2.1.4(a)所示。2 2)压电陶瓷)压电陶瓷图图2.1.4 2.1.4 压电陶瓷钛酸钡的极化压电陶瓷钛酸钡的极化2.1 2.1 压力传感器与压力测量压力传感器与压力测量2.1 2.1 压力传感器与压力测量压力传感器与压力测量3 3)新型压电材料)新型压电材料 按照系统误差
8、出现的规律,系统误差可分为恒定系统误差和变值系统误差。(1)恒定系统误差是指在整个测量过程中,误差的大小和符号始终保持不变的系统误差。例如,压力表等需要调零的测量仪器,如果在测量前没有对零位进行调准,则在使用过程中引起的零位误差即属恒定系统误差。(2)变值系统误差是指在整个测量过程之中,误差的大小和符号按某一确定规律变化的系统误差。它又可以分为线性变化系统误差、周期性变化系统误差和复杂规律变化系统误差。2.1 2.1 压力传感器与压力测量压力传感器与压力测量 PVDF压电薄膜的压电灵敏度很高,比PZT压电陶瓷大17倍,且在10-5 Hz500 MHz都具有良好的响应特性。此外,它还具有机械强度
9、高、柔软、耐冲击、易加工成大面积元件和阵列元件等特点。PVDF应用很广泛。利用它的拉伸或弯曲压电效应,可以做成扬声器、耳机和微音器等;利用它的声阻抗与人体组织的声阻抗十分接近的特性,可以做成脉搏计、血压计、起搏器和胎心探测器等;利用它的声阻抗与水的声阻抗很接近的特性,可以做成探测水下物体的传感器;利用其柔软、灵敏度高的特性,可以做成大面积的传感器和阵列器件,如人造皮肤等。2.1 2.1 压力传感器与压力测量压力传感器与压力测量2.1 2.1 压力传感器与压力测量压力传感器与压力测量 压电传感器既可等效为电荷源又可等效为电容器,其等效电路可认为是二者的并联,如图2.1.5(a)所示,也可认为是一
10、个电压源和一个电容器串联,如图2.1.5(b)所示。压电传感器也可看作是一个与电容器串联的电压源,其开路电压(假设负载电阻为无穷大)为图图2.1.5 2.1.5 压电传感器等效电路压电传感器等效电路2.1 2.1 压力传感器与压力测量压力传感器与压力测量 压电传感器与测量仪表配套使用时,还需考虑压电片的漏电阻Ra、传感器电缆电容Cc、放大器输入电阻Ri和输入电容Ci,此时的等效电路如图2.1.6所示。图图2.1.6 2.1.6 压电传感器测量系统等效电路压电传感器测量系统等效电路2.1 2.1 压力传感器与压力测量压力传感器与压力测量压电传感器的等效电路与测量电路压电传感器的等效电路与测量电路
11、3.1 1)压电传感器的等效电路)压电传感器的等效电路 压电片加上电极构成了最简单的压电式传感器。当压电片受到沿其敏感轴向的外力作用时,就在两电极上产生极性相反、电荷量相等的电荷,因此它相当于一个电荷源(静电发生器)。由于压电晶体是绝缘体,当它的两极表面聚集电荷时,它又相当于一个电容器,其电容为 (2.1.3)式中,S为极板面积;h为压电片厚度;为介质介电常数;0为空气介电常数,其值为8.8610-4 F/cm;r为压电材料的相对介电常数,由材料性质决定。2.1 2.1 压力传感器与压力测量压力传感器与压力测量 单片压电晶片难以产生足够的表面电荷,为提高传感器的灵敏度,在压电传感器中,常采用两
12、片或两片以上压电晶片组合在一起使用。由于压电晶体是有极性的,因而两片压电晶体构成的传感器有串联和并联两种接法,如图2.1.7所示。图2.1.7(a)所示为压电晶片串联形式,由图可知极板上电荷量Q=Q,电压U=2Ua,电容C=Ca/2。图2.1.7(b)所示为压电晶片并联形式,由图可知极板上的电荷量Q=2Q,电压U=U a,电容C=2Ca。图图2.1.7 2.1.7 压电晶体的组合方式压电晶体的组合方式2.1 2.1 压力传感器与压力测量压力传感器与压力测量2 2)压电传感器的测量电路)压电传感器的测量电路 (1)电压放大器。电压放大器的功能是将压电传感器的高输出阻抗变换为较低阻抗,并将压电传感
13、器的微弱电压信号放大。其等效电路如图2.1.8所示。图图2.1.8 2.1.8 传感器与电压前置放大器连接的等效电路传感器与电压前置放大器连接的等效电路2.1 2.1 压力传感器与压力测量压力传感器与压力测量 放大器的实际输入电压Uim与理想情况的输入电压Uam的幅值比为2.1 2.1 压力传感器与压力测量压力传感器与压力测量 式中,为测量回路的时间常数。由式(2.1.6)和式(2.1.7)绘出电压幅值比、相角与频率的关系曲线如图2.1.9所示。图图2.1.9 2.1.9 电压幅值比、电压幅值比、相角与频率的关系曲线相角与频率的关系曲线2.1 2.1 压力传感器与压力测量压力传感器与压力测量
14、当作用在压电传感器上的力是静态力,即=0时,前置放大器的输入电压为零。原因是放大器的输入阻抗不是无穷大,压电传感器也不是绝对绝缘,传感器产生的电荷就会通过放大器的输入电阻和传感器本身的漏电阻消耗。压电式传感器工作原理表明其不能用于静态物理量测量。当3时,放大器的输入电压与作用力的频率近似无关。在时间常数一定的条件下,被测物理量的变化频率越高,则放大器的输入电压越接近理想情况。说明压电传感器具有优良的高频响应特性,这是压电传感器的一个突出特点。2.1 2.1 压力传感器与压力测量压力传感器与压力测量 要改善传感器的低频特性,就要增大回路的时间常数。由于=R(Ca+Cc+Ci),所以提高有两种方法
15、:提高R和提高(Ca+Cc+Ci)。当增加测量回路的电容量时,会影响到传感器的灵敏度,传感器的灵敏度为2.1 2.1 压力传感器与压力测量压力传感器与压力测量2.1 2.1 压力传感器与压力测量压力传感器与压力测量 由式(2.1.9)也可知,信号传输电缆分布电容的改变将会直接影响传感器的灵敏度。在设计时,常常把电缆长度定为一个常值,但也不能太长,电缆增长,电缆电容Cc随之增大,将使传感器的灵敏度Sv降低。解决电缆问题的方法是将放大器装入压电传感器中。这样,引线电容几乎可以不计,就消除了电缆长度的变化对传感器灵敏度的影响。电压放大器的特点是元件少,电路相对简单,成本低,工作可靠,但电缆会对传感器
16、的精度造成影响,使用时需多加注意。2.1 2.1 压力传感器与压力测量压力传感器与压力测量 (2)电荷放大器。电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的前置放大器。压电传感器可以等效为一个电容器Ca和一个电荷源,而电荷放大器实际上是一个具有深度电容负反馈的高增益运算放大器。压电传感器与电荷放大器连接的等效电路如图2.1.10所示。图中,Cf为电荷放大器的反馈电容;Rf为并联在反馈电容两端的漏电阻;K为运算放大器的开环增益。图图2.1.10 2.1.10 电荷放大器等效电路电荷放大器等效电路2.1 2.1 压力传感器与压力测量压力传感器与压力测量 电荷放大器的输出电压仅与输入电荷和反馈电容有关
17、,只要保持反馈电容的数值不变,输出电压就正比于输入电荷。当(1+K)Cf10(Ca+Cc+Ci)时,可以认为传感器的灵敏度与电缆电容无关。放大器的输入级采用场效应晶体管,所以输入阻抗极高,可以认为放大器的输入端电流为零,传感器所产生的电荷Q只对反馈电容Cf充电,放大器的输出电压Uo近似等于充电电压Ucf,即 (2.1.10)由式(2.1.10)可知,电荷放大器的输出电压仅与电荷Q和反馈电容Cf有关,而与电缆电容及放大器的放大倍数等均无关。所以只要保持反馈电容Cf不变,放大器的输出电压就与传感器产生的电荷呈线性关系。2.1 2.1 压力传感器与压力测量压力传感器与压力测量 在实际线路中采用的运算
18、放大器开环增益为104106数量级,反馈电容Cf一般不小于100 pF。选择不同容量的反馈电容,可以改变前置级的输出大小,考虑到电容负反馈线路在直流工作时相当于开路状态,因此对电缆噪声比较敏感,放大器的零漂也比较大。为了减小零漂,提高放大器的工作稳定性,一般在反馈电容的两端并联一个大电阻Rf(10101014 )来提供直流反馈。2.1 2.1 压力传感器与压力测量压力传感器与压力测量典型压电式压力传感器典型压电式压力传感器4.压电式压力传感器的结构类型很多,但其基本原理是通过弹性膜、盒等,将压力收集转换成力,再传递给压电元件。为保证静态特性及其稳定性,通常采用石英晶体作为压电元件。在结构设计中
19、必须注意以下几点:(1)确保弹性膜片与后接传力件间有良好的面接触,接触不良会造成滞后或线性恶化,影响动态特性。(2)传感器基体与壳体要有足够的刚度,以保证被测压力尽可能传递到压电元件上。2.1 2.1 压力传感器与压力测量压力传感器与压力测量 (3)压电元件的振动模式选择要考虑到频率覆盖:弯曲(0.4100 kHz);压缩(40 kHz15 MHz);剪切(100 kHz125 MHz)。(4)力的元件尽量采用高音速材料和扁薄结构,以利于快速、无损地传递弹性元件的弹性波,提高动态性能。(5)考虑加速度、温度下的环境干扰的补偿。2.1 2.1 压力传感器与压力测量压力传感器与压力测量1 1)压电
20、式压力传感器)压电式压力传感器2.1 2.1 压力传感器与压力测量压力传感器与压力测量图图2.1.11 2.1.11 压电式压力传感器结构原理图压电式压力传感器结构原理图2.1 2.1 压力传感器与压力测量压力传感器与压力测量图图2.1.12 2.1.12 压电式血压传感器压电式血压传感器2.1 2.1 压力传感器与压力测量压力传感器与压力测量4 4)系统误差对测量结果的影响)系统误差对测量结果的影响 图2.1.12所示为血压计采用的两种不同形式的压电式血压传感器。图2.1.12(a)所示采用了PZT-50H压电陶瓷,为双晶片悬梁结构。双晶片极化方向相反,并联连接。在敏感振膜中央上下两侧各胶粘
21、有半圆柱塑料块。被测脉动血压通过上塑料块、振膜、下塑料块传递到压电悬梁的自由端,压电悬梁弯曲变形产生的电荷经过前置电荷放大器输出。图2.1.12(b)所示是采用复合材料的压电式血压传感器结构。压电元件为掺杂了PZT陶瓷的PVF2复合压电薄膜。它的韧性好,易与皮肤吻合,力阻抗与人体匹配,可消除外界脉动干扰。这种传感器结构简单,组装容易,体积小,可靠耐用,输出再现性好,适用于人体脉压、脉率的检测或脉波再现,是电子血压计的关键部分。2.1 2.1 压力传感器与压力测量压力传感器与压力测量2.2 2.2 力敏传感器与力的测量力敏传感器与力的测量 电阻应变式传感器2.2.12.2.1 电阻应变式传感器的
22、核心元件是电阻应变片,将应变片粘贴到不同的弹性敏感元件上,可构成测量力、力矩、位移、加速度、温度等参数的传感器。所以,电阻应变式传感器不仅能进行应变测量,而且可以对能变换为应变的其他物理量进行测量。尽管电阻应变式传感器早在20世纪40年代就已批量生产,并且各种新型传感器不断涌现,但电阻应变式传感器以其优越的性能仍是检测技术中的一个重要的检测元件,广泛应用于工程和科学研究,如机械、建筑、化工、航天航空、电气控制和医学等领域。(1)测量精度高,使用范围广。(2)结构简单,体积小、质量轻。(3)惯性小,频率响应特性好。(4)可在各种恶劣环境下工作。(5)有较高的性能价格比,品种多,规格齐,便于选用。
23、2.2 2.2 力敏传感器与力的测量力敏传感器与力的测量 金属导体材料在外力作用下发生机械形变时,其电阻值随着所受机械形变(伸长或缩短)而发生变化的现象,称为金属的应变效应,如图2.2.1所示。设一段金属丝的长度为L,半径为r,截面积为S,电阻率为,其未受力时的电阻为R,则1 1)金属的应变效应)金属的应变效应电阻应变片式传感器的工作原理电阻应变片式传感器的工作原理1.图图2.2.1 2.2.1 金属导体的应变效应金属导体的应变效应2.2 2.2 力敏传感器与力的测量力敏传感器与力的测量 如果金属丝沿轴向方向受拉力F而产生形变,其长度L变化dL,截面积S变化dS,电阻率变化d,因而引起电阻R变
24、化dR。将式(2.2.1)两边取对数并微分可得2.2 2.2 力敏传感器与力的测量力敏传感器与力的测量将式(2.2.3)、式(2.2.4)代入式(2.2.2),整理得2.2 2.2 力敏传感器与力的测量力敏传感器与力的测量2.2 2.2 力敏传感器与力的测量力敏传感器与力的测量2 2)半导体材料的应变效应)半导体材料的应变效应锗、硅等半导体材料同样具有应变压阻效应,与金属材料不同的是当半导体材料受到应变时,其电阻率的变化可表述为2.2 2.2 力敏传感器与力的测量力敏传感器与力的测量 从Ks表达式可以看到,半导体材料的应变灵敏系数由两部分组成。第一部分(1+2)是由于受力后尺寸变化产生,第二部
25、分E是由半导体材料的压阻效应所致,而E(1+2),KsE,所以半导体材料的应变电阻效应主要是压阻效应所致。2.2 2.2 力敏传感器与力的测量力敏传感器与力的测量 电阻应变片(简称应变片或应变计)粘贴于弹性体表面或者直接粘贴于被测试件上,弹性体或试件的变形通过基底和黏结剂传递给敏感栅,使其电阻值发生相应的变化。将电阻值的变化通过转换电路转换为电压或电流的变化,即可测量应变。3 3)电阻应变片的结构与材料)电阻应变片的结构与材料2.2 2.2 力敏传感器与力的测量力敏传感器与力的测量图图2.2.2 2.2.2 典型应变片的结构典型应变片的结构11敏感栅;敏感栅;22基底;基底;33引线;引线;4
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