压电式测力传感器
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
图2-3 石英晶体的结构图
轴——电轴，垂直于轴晶面上的压电效应最显著； 轴——机械轴，在电场作用下，此轴的机械变形最显著； 轴——光轴（中性轴），该轴方向上无压电效应。 1、 纵向压电效应 纵向压电效应是沿着轴对晶体施加力时，在垂直于轴的表面上产生电 荷，如图（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
压电陶瓷是人造多晶体，其压电原理与石英晶体完全不同。其结构 为多晶体，如图2-6所示。内部存在许多电畴，就象磁性材料内部存在 磁畴样。压电陶瓷刚烧结成时，其内部各晶粒中的电畴的自发极化方向 是杂乱无章、相互抵消的。
图2-6 压电陶瓷结构及极化
2、压电陶瓷的极化 极化的目的是设法使压电陶瓷内部杂乱无章相互抵消的电畴方向取
电量输出的元件。如应变式传感器中的应变片等。 信号调节与辅助电路：能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记 录、处理和控制的有
用电信号的电路。常用的电路有电桥、放大器、振荡器、阻抗变 换器等。 传感器的简单分类：1、按被测量分类； 2、按物理量的典型效应分 类。
表1-2 被测量分类
分类
被测量
机械
长度、厚度、位移、液面、速度、加速度、旋转角、质 量、重量、力、 压力、真空度、力矩、旋转力、风速、流速、流量、振 动
热电效应 光子滞后效应
热磁效应 热电磁效应
2.2 压电式测力传感器的性能分析及工作原理
2.2.1 压电式测力传感器的介绍及工作原理
压电效应：某些电介质物体，在沿一定方向对其施加压力和拉力而 使之变形时，内部会产生极化现象，同时会在其表面产生电荷。当将外 力去掉后，它们又重新回到不带电的状态。这种现象就称为压电效应。
音响 声压、噪声
频率 频率、时间
wenku.baidu.com
电气 电流、电压、电位、功率、电荷、阻抗、电阻、电容、 电感、电磁波
磁性 磁通、磁场
温度 温度、热量、热容
光 照度、光度、彩色、紫外线、红外线、光位移
射线 辐照量、剂量
温度 温度、水分
化学 纯度、浓度、成分、PH值、黏度、密度、气、液、固体 分析
生理 心音、血压、血流、脉电波、血流冲击、血液养饱和
横向压电效应是沿着轴对晶体施加力时，在垂直于轴的表面上产生电 荷，如图（C）、（D）所示，产生的电荷与作用力的大小成正比，与晶 片尺寸无关。
图2-4 石英晶体是四种受力情况（A、B、C、D）
石英晶体的压电效应的产生机理：石英晶体的化学分子为，每一
个晶体单元有3个硅离子和6个氧离子，他们交替排列，在垂直轴平面上 分布在正六边形的顶角上，如下图（A）所示。当作用力为零时，正负 电荷平衡，外部不带电。
敏感元件 传感元件 信号调节与转换电路 辅助电源
图1-1 传感器组成方块图
敏感元件：直接感受被测量（一般为非电量），并输出与被测量成确定 关系的其他量（一般
为电量）的元件。如应变式压力传感器的弹性膜片、热电偶等都 为敏感元件。 传感元件：又称变换器，它一般情况下不直接感受被测量，而是将敏感 元件的输出量转换为
金属板 F
图2-1 压电式测力传感器的模型
压电式传感器接入电路等效电路图，如下图所示：其中Cc为连接电 缆的寄生电容形成的传感器的并生电容，R0后续电路的输入阻抗和传感 器中漏电阻形成的泄漏电阻。
Q
图2-2 传感器等效电路 2.2.2 压电式测力传感器的材料及性能分析
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。 （1） 石英晶体的压电效应
信息
度、血液气体分压、气流量、速度、体温、心电波、脑 电波、肌肉电波、网膜电波、心磁波
模拟、数字量、运算、传递、相关值
表1-3 物理量的典型效应
能量控制型
能量转换性
应变式电阻效应 磁阻效应 热阻效应 光阻效应
磁致伸缩效应 霍尔效应 电离效应 约瑟夫效应
压电效应 磁致伸缩效应
热阻效应 光电动势效应 光电放射效应
向一致。
在烧结后的压电陶瓷上施加一外磁场E，在电场作用下，电畴的自发极 化方向趋向电场，方 向一致。极化后压电陶瓷有一定的极化强度。当外磁场去掉后，各电的 极化方向基本上保持与原电场方向一致，保留一些极化强度。
图2-7 压电陶瓷的压电效应
由于存在极化强度，在压电陶瓷极化方向两端便出现束缚电荷。由 于束缚电荷的作用，在陶瓷极化方向两端很快吸附一层来自外界的自由 电荷。在无外力作用时，束缚电荷和自由电荷在数量上相等，极性相 反，对外不显电性。如图2-7（a）所示。
……………………………………………………… （3.3） 带入上式消去，可得
………………………………………………… （3.4） 整理可得： ……………………………………………………（3.5）
粱式力传感器弯曲悬臂梁结构，外形高度低，结构强度高。用于拉 伸力或压缩力测量，抗偏、抗侧向力强； 防尘密封，量程范围广，精 度高，性能稳定可靠，安装使用方便；拉式或压式承载；适用于电子 秤、衡器等各种测力/称重的工业自动化测量控制系统。
正压电效应：人们把这种机械能转化为电能的现象，就称为正压电 效应。
逆压电效应：在电介质的极化方向上施加电场，它会产生机械形 变；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”。
定义：具有压电特性的电介质称为压电材料，用压电材料制成的传 感器叫做压电传感器。
图2-5 石英晶体的几种受力情况
图2-5 石英晶体的几种受力情况
当沿轴施加拉力作用时电荷分布如图（B）所示，当施加相反的力时， 则点和分布相反； 当沿轴施加压力作用时电荷分布如图（C）所示，当施加相反的力时， 则点和分布相反； 当沿轴施加作用力时，由于负离子平移，故在表面上没有电荷出现。因 此沿Z轴方向上不产生压电效应。 （2） 压电陶瓷的压电效应 1、压电陶瓷的结构：
压电式测力传感器的原理及应用
1引言：
生活中的声控开关、商场中的智能大门、时下正热的红外遥感技 术，对这一切就时时刻刻发生我们身边和应用到我们生活中的随口拖出 的“神秘”东西，对于这些智能的生活用具到底怎样工作的呢？在这之中 我们不得不提到一个重要的幕后操纵者——传感器，什么是传感器，传 感器的工作原理及其性能是什么，……，本文将通过介绍传感器中的一 种压电式传感器带领我们进入这个神秘的世界，并通过实例的解析去认 识它
图3-2 金属加工力测量示意图
由于压电陶瓷元件的自振频率高, 特别适合测量变化剧烈的载荷。 如图3-2所示，图中压电传感器位于车刀前部的下方, 当进行切削加工时,
切削力通过刀具传给压电传感器, 压电传感器将切削力转换为电信号输 出, 记录下电信号的变化便测得切削力的变化。 3、 梁式力传感器
图3-3 粱式力传感器图示
b0 R1 R3 R2
R4 b x L F h L x bx
在等强度的设计中，往往采用矩形截面，保持截面厚度不变，只改 变梁的宽度。设沿梁长度方向上某一截面到力的作用点的距离为，为与 值相应的梁宽，则等强度梁各点的应变值为 ………………………………………………………（3.2） 式中：为传感器的弹性模量。 如果当电桥的供电电压为时，其输出电压为
F F 固定点 固定点 电缆
等强度弹性元件的悬臂梁如图3-4所示：梁的固定端宽度为，自由 端宽度为，梁长为，梁厚为。当集中力作用在自由端时，距作用力任何 距离x的截面上的应力相等。因此，沿着梁的长度方向上的截面抗弯模 量的变化与弯矩的变化成正比，即
……………………………………………（3.1）
图3-4 等强度弹性元件的悬臂梁
2.3 压电式测力传感器的应用
2.3.1 压电式测力传感器的分类
压电式力传感器按其用途和压电元件组成可分为单向力、双向力和 三向力传感器。它可以测量几百至几万牛顿的动态力。 1、 单向力传感器
单向力传感器的压电元件采用（即）切型石英晶体，利用其纵向压 电效应，通过实现力——电转换。 2、 双向力传感
压电式传感器可以看作是电荷发生器，它又是一个电容器，如图1所 示。其电容量为
……………………………………………………………………（2.1）
式中：——压电式材料的相对介电常数，石英晶体=4.5，钛酸钡
=1200； ——真空介电常数，=8.8510-12F/m； ——极板间距离； ——极板面积。
在图所示压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀形成金属膜，构成 两个电极，为施加在晶片上的外力。实验已证明压电体表面积聚的电荷 与作用力成正比。 F
双向力传感器基本上有两种组合，其一是垂直分力与切向分力， 即与（或）；其二是测量互相垂直的两个切向分力，即与。无论那一种 组合，传感器的结构形式相似。 3、 三向力传感器
三向力传感器可以对空间任一个或三个力同时进行测量。传感器有 三组石英晶片，三组输出的极性相同。
2.3.2 压电式测力传感器的应用及工作原理
系，其指标是灵敏度、线性度、稳定度迟滞等。 动态特性：指输入随时间变化的特性，它表示传感器对随时间变化的输 入量的响应特性。它
取决于传感器本身，另外与被测量的形式有关。 传感器的组成：通常，传感器由敏感元件，传感元件和其他辅助件组 成，又是也将信号调节与转换电路、辅助电源作为传感器的组成部分。 如下图： 电量 被测量
1、单向力传感器： 如图3-1所示：两片压电晶片沿电轴方向叠在一起，采用并联接
法，中间为片形电极（负极），它收集负电荷。底座与传力盖形成正 极，绝缘套使正、负极隔离。
图3-1 单向压电石英力传感器结构
压电式测力传感器由石英晶片、绝缘套、电极、上盖及底座等组 成。传感器上盖为传力元件，被测力F通过上盖使压电晶片沿电轴方向 受压力作用，将产生弹性形变，将力传递到两片并联的压电晶片上，产 生电荷，负电荷由中间电极输出，正电荷直接与底座连接输出。 这种传感器有以下特点： ①、体积小，重量轻（仅10g）； ②、固有频率高（约50—60KHz）； ③、可检测高达5000N（变化频率少于20KHz）的动态力， ④、分辩率高，可达10-3N 。 2、 压电式金属加工切削力测量
2 传感器的综述
2.1 传感器的专业术语及系统介绍
传感器：（广义）凡能外界信息并按一定规律转换成便于测量和控制的 信息的装置；（狭义）
只有将外界信息按一定规律转换成电量的装置。 传感器的总特性：主要指传感器以及被测对象和后接仪器组成的测量系 统的输入和输出的匹
配、传感器的机械特性以及其工作特性。 静态特性：表示传感器在被测量各值处于稳定状态时的输入-输出的关
轴——电轴，垂直于轴晶面上的压电效应最显著； 轴——机械轴，在电场作用下，此轴的机械变形最显著； 轴——光轴（中性轴），该轴方向上无压电效应。 1、 纵向压电效应 纵向压电效应是沿着轴对晶体施加力时，在垂直于轴的表面上产生电 荷，如图（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
压电陶瓷是人造多晶体，其压电原理与石英晶体完全不同。其结构 为多晶体，如图2-6所示。内部存在许多电畴，就象磁性材料内部存在 磁畴样。压电陶瓷刚烧结成时，其内部各晶粒中的电畴的自发极化方向 是杂乱无章、相互抵消的。
图2-6 压电陶瓷结构及极化
2、压电陶瓷的极化 极化的目的是设法使压电陶瓷内部杂乱无章相互抵消的电畴方向取
电量输出的元件。如应变式传感器中的应变片等。 信号调节与辅助电路：能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记 录、处理和控制的有
用电信号的电路。常用的电路有电桥、放大器、振荡器、阻抗变 换器等。 传感器的简单分类：1、按被测量分类； 2、按物理量的典型效应分 类。
表1-2 被测量分类
分类
被测量
机械
长度、厚度、位移、液面、速度、加速度、旋转角、质 量、重量、力、 压力、真空度、力矩、旋转力、风速、流速、流量、振 动
热电效应 光子滞后效应
热磁效应 热电磁效应
2.2 压电式测力传感器的性能分析及工作原理
2.2.1 压电式测力传感器的介绍及工作原理
压电效应：某些电介质物体，在沿一定方向对其施加压力和拉力而 使之变形时，内部会产生极化现象，同时会在其表面产生电荷。当将外 力去掉后，它们又重新回到不带电的状态。这种现象就称为压电效应。
音响 声压、噪声
频率 频率、时间
wenku.baidu.com
电气 电流、电压、电位、功率、电荷、阻抗、电阻、电容、 电感、电磁波
磁性 磁通、磁场
温度 温度、热量、热容
光 照度、光度、彩色、紫外线、红外线、光位移
射线 辐照量、剂量
温度 温度、水分
化学 纯度、浓度、成分、PH值、黏度、密度、气、液、固体 分析
生理 心音、血压、血流、脉电波、血流冲击、血液养饱和
横向压电效应是沿着轴对晶体施加力时，在垂直于轴的表面上产生电 荷，如图（C）、（D）所示，产生的电荷与作用力的大小成正比，与晶 片尺寸无关。
图2-4 石英晶体是四种受力情况（A、B、C、D）
石英晶体的压电效应的产生机理：石英晶体的化学分子为，每一
个晶体单元有3个硅离子和6个氧离子，他们交替排列，在垂直轴平面上 分布在正六边形的顶角上，如下图（A）所示。当作用力为零时，正负 电荷平衡，外部不带电。
敏感元件 传感元件 信号调节与转换电路 辅助电源
图1-1 传感器组成方块图
敏感元件：直接感受被测量（一般为非电量），并输出与被测量成确定 关系的其他量（一般
为电量）的元件。如应变式压力传感器的弹性膜片、热电偶等都 为敏感元件。 传感元件：又称变换器，它一般情况下不直接感受被测量，而是将敏感 元件的输出量转换为
金属板 F
图2-1 压电式测力传感器的模型
压电式传感器接入电路等效电路图，如下图所示：其中Cc为连接电 缆的寄生电容形成的传感器的并生电容，R0后续电路的输入阻抗和传感 器中漏电阻形成的泄漏电阻。
Q
图2-2 传感器等效电路 2.2.2 压电式测力传感器的材料及性能分析
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。 （1） 石英晶体的压电效应
信息
度、血液气体分压、气流量、速度、体温、心电波、脑 电波、肌肉电波、网膜电波、心磁波
模拟、数字量、运算、传递、相关值
表1-3 物理量的典型效应
能量控制型
能量转换性
应变式电阻效应 磁阻效应 热阻效应 光阻效应
磁致伸缩效应 霍尔效应 电离效应 约瑟夫效应
压电效应 磁致伸缩效应
热阻效应 光电动势效应 光电放射效应
向一致。
在烧结后的压电陶瓷上施加一外磁场E，在电场作用下，电畴的自发极 化方向趋向电场，方 向一致。极化后压电陶瓷有一定的极化强度。当外磁场去掉后，各电的 极化方向基本上保持与原电场方向一致，保留一些极化强度。
图2-7 压电陶瓷的压电效应
由于存在极化强度，在压电陶瓷极化方向两端便出现束缚电荷。由 于束缚电荷的作用，在陶瓷极化方向两端很快吸附一层来自外界的自由 电荷。在无外力作用时，束缚电荷和自由电荷在数量上相等，极性相 反，对外不显电性。如图2-7（a）所示。
……………………………………………………… （3.3） 带入上式消去，可得
………………………………………………… （3.4） 整理可得： ……………………………………………………（3.5）
粱式力传感器弯曲悬臂梁结构，外形高度低，结构强度高。用于拉 伸力或压缩力测量，抗偏、抗侧向力强； 防尘密封，量程范围广，精 度高，性能稳定可靠，安装使用方便；拉式或压式承载；适用于电子 秤、衡器等各种测力/称重的工业自动化测量控制系统。
正压电效应：人们把这种机械能转化为电能的现象，就称为正压电 效应。
逆压电效应：在电介质的极化方向上施加电场，它会产生机械形 变；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”。
定义：具有压电特性的电介质称为压电材料，用压电材料制成的传 感器叫做压电传感器。
图2-5 石英晶体的几种受力情况
图2-5 石英晶体的几种受力情况
当沿轴施加拉力作用时电荷分布如图（B）所示，当施加相反的力时， 则点和分布相反； 当沿轴施加压力作用时电荷分布如图（C）所示，当施加相反的力时， 则点和分布相反； 当沿轴施加作用力时，由于负离子平移，故在表面上没有电荷出现。因 此沿Z轴方向上不产生压电效应。 （2） 压电陶瓷的压电效应 1、压电陶瓷的结构：
压电式测力传感器的原理及应用
1引言：
生活中的声控开关、商场中的智能大门、时下正热的红外遥感技 术，对这一切就时时刻刻发生我们身边和应用到我们生活中的随口拖出 的“神秘”东西，对于这些智能的生活用具到底怎样工作的呢？在这之中 我们不得不提到一个重要的幕后操纵者——传感器，什么是传感器，传 感器的工作原理及其性能是什么，……，本文将通过介绍传感器中的一 种压电式传感器带领我们进入这个神秘的世界，并通过实例的解析去认 识它
图3-2 金属加工力测量示意图
由于压电陶瓷元件的自振频率高, 特别适合测量变化剧烈的载荷。 如图3-2所示，图中压电传感器位于车刀前部的下方, 当进行切削加工时,
切削力通过刀具传给压电传感器, 压电传感器将切削力转换为电信号输 出, 记录下电信号的变化便测得切削力的变化。 3、 梁式力传感器
图3-3 粱式力传感器图示
b0 R1 R3 R2
R4 b x L F h L x bx
在等强度的设计中，往往采用矩形截面，保持截面厚度不变，只改 变梁的宽度。设沿梁长度方向上某一截面到力的作用点的距离为，为与 值相应的梁宽，则等强度梁各点的应变值为 ………………………………………………………（3.2） 式中：为传感器的弹性模量。 如果当电桥的供电电压为时，其输出电压为
F F 固定点 固定点 电缆
等强度弹性元件的悬臂梁如图3-4所示：梁的固定端宽度为，自由 端宽度为，梁长为，梁厚为。当集中力作用在自由端时，距作用力任何 距离x的截面上的应力相等。因此，沿着梁的长度方向上的截面抗弯模 量的变化与弯矩的变化成正比，即
……………………………………………（3.1）
图3-4 等强度弹性元件的悬臂梁
2.3 压电式测力传感器的应用
2.3.1 压电式测力传感器的分类
压电式力传感器按其用途和压电元件组成可分为单向力、双向力和 三向力传感器。它可以测量几百至几万牛顿的动态力。 1、 单向力传感器
单向力传感器的压电元件采用（即）切型石英晶体，利用其纵向压 电效应，通过实现力——电转换。 2、 双向力传感
压电式传感器可以看作是电荷发生器，它又是一个电容器，如图1所 示。其电容量为
……………………………………………………………………（2.1）
式中：——压电式材料的相对介电常数，石英晶体=4.5，钛酸钡
=1200； ——真空介电常数，=8.8510-12F/m； ——极板间距离； ——极板面积。
在图所示压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀形成金属膜，构成 两个电极，为施加在晶片上的外力。实验已证明压电体表面积聚的电荷 与作用力成正比。 F
双向力传感器基本上有两种组合，其一是垂直分力与切向分力， 即与（或）；其二是测量互相垂直的两个切向分力，即与。无论那一种 组合，传感器的结构形式相似。 3、 三向力传感器
三向力传感器可以对空间任一个或三个力同时进行测量。传感器有 三组石英晶片，三组输出的极性相同。
2.3.2 压电式测力传感器的应用及工作原理
系，其指标是灵敏度、线性度、稳定度迟滞等。 动态特性：指输入随时间变化的特性，它表示传感器对随时间变化的输 入量的响应特性。它
取决于传感器本身，另外与被测量的形式有关。 传感器的组成：通常，传感器由敏感元件，传感元件和其他辅助件组 成，又是也将信号调节与转换电路、辅助电源作为传感器的组成部分。 如下图： 电量 被测量
1、单向力传感器： 如图3-1所示：两片压电晶片沿电轴方向叠在一起，采用并联接
法，中间为片形电极（负极），它收集负电荷。底座与传力盖形成正 极，绝缘套使正、负极隔离。
图3-1 单向压电石英力传感器结构
压电式测力传感器由石英晶片、绝缘套、电极、上盖及底座等组 成。传感器上盖为传力元件，被测力F通过上盖使压电晶片沿电轴方向 受压力作用，将产生弹性形变，将力传递到两片并联的压电晶片上，产 生电荷，负电荷由中间电极输出，正电荷直接与底座连接输出。 这种传感器有以下特点： ①、体积小，重量轻（仅10g）； ②、固有频率高（约50—60KHz）； ③、可检测高达5000N（变化频率少于20KHz）的动态力， ④、分辩率高，可达10-3N 。 2、 压电式金属加工切削力测量
2 传感器的综述
2.1 传感器的专业术语及系统介绍
传感器：（广义）凡能外界信息并按一定规律转换成便于测量和控制的 信息的装置；（狭义）
只有将外界信息按一定规律转换成电量的装置。 传感器的总特性：主要指传感器以及被测对象和后接仪器组成的测量系 统的输入和输出的匹
配、传感器的机械特性以及其工作特性。 静态特性：表示传感器在被测量各值处于稳定状态时的输入-输出的关