模块三 力敏传感器及其应用ppt课件.pptx

《模块三 力敏传感器及其应用ppt课件.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《模块三 力敏传感器及其应用ppt课件.pptx（83页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、模块三 力敏传感器及其应用传感器技术及应用刘映群 曾海峰 主编 ISBN:978-7-113-21869-0中国铁道出版社2016-10模块三模块三 力敏传感器及其应用力敏传感器及其应用 本模块主要介绍电阻应变式传感器、电感式传感器、压电式传感器的特性，并练习使用这些传感器。 应变效应、压电效应及力敏传感器的分类； 电阻应变片、电感、压电等力敏传感器的结构、工作原理及特点； 力敏传感器实用电路的工作原理； 简易电子秤电路的工作原理； 简易压电式传感器电路的工作原理；知识点： 湿度传感器的选用、调试； 简易电子秤电路的安装、调试； 简易压电式传感器电路的安装、调试；技能点： 本模块主要采用实训为

2、主，讲授为辅的教学方式完成课程任务。教师主要是将项目的基本知识及关键步骤跟学生讲明即可，学生大部分时间自主学习，并进行实训。在实训过程中，教师进行辅导及在项目完成后进行总结。教学法：项目说明项目说明电子秤是将重量转换成电信号的称重传感器。电子台秤不仅能快速、准确地称出物品的重量，用数码显示出来，而且具有计算的功能，使用也很方便。本项目利用电阻应变式传感器制作一个简易电子秤。项目一项目一 简易电子秤电路的设计简易电子秤电路的设计一、认识电阻应变片1电阻应变片及其用途电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转化为电阻变化，并通过测量电路转化为电信号输出的敏感器件。电阻应变片是压阻式应变传感器的主要组成

3、部分，金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上的应变电阻随机械形变会产生阻值变化，这种现象俗称为电阻应变效应。一根金属电阻丝、在其未受力时，原始电阻值可表示为 式（3-1）中 金属导体的电阻率（m）；S导体的截面积（m2）；L导体的长度（m）。项目一项目一 简易电子秤电路的设计简易电子秤电路的设计当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，其电阻值即会发生改变。如金属丝受外力作用而伸长，其长度增加，而截面积减小，电阻值便会增大；如金属丝受外力作用而压缩，其长度减小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出电阻相关的电量变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变情况。通常将应变

4、片通过特殊的粘合剂紧密的粘合在产生力学应变的基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，应变片的阻值跟着发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，所以一般都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A-D转换电路和CPU)、显示或执行机构。项目一项目一 简易电子秤电路的设计简易电子秤电路的设计2电阻应变片的结构电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片按结构形式不同可分为丝状应变片、金属箔状应变片和薄膜式应变片三种。1）金属电阻应变片的结构金属电阻应变片由敏感栅（应变丝）、基体（基

5、底）、保护层（覆盖层或盖片）和引线组成，其结构如图3-1所示。敏感栅做成栅状，对沿着栅条纵轴方向的应力变化最敏感，粘接在胶质膜基底上，上面粘有盖片，基底和盖片起着保护敏感栅和传递弹性体表面应变和电气绝缘的作用。金属应变片不能直接测力，需要用聚丙烯酸酯等有机粘合剂或者耐高温的磷酸盐等粘贴在弹性元件受力表面，用来传感元件表面应力的变化。项目一项目一 简易电子秤电路的设计简易电子秤电路的设计项目一项目一 简易电子秤电路的设计简易电子秤电路的设计敏感栅有两种制作方式：一种是如图3-1（a）所示的由直径为0.020.05mm的康铜或镍铬等金属丝绕成栅状，其电阻片被称为丝状应变片；一种是如图3-1（b）所

6、示的用0.0030.01mm厚的康铜或镍铬箔片利用光刻技术腐蚀成栅状，其电阻片被称为箔状（箔式）应变片。丝状应变片多采用纸基体和纸覆盖层，且这种敏感栅不易制成小尺寸栅长，所以这种应变片标距较大，适用范围不宽，价格较低。而箔状应变片的栅箔薄而宽，因而粘贴牢固、散热性好，能较好地反映构件表面的变形，测量精度高，同时易于制成栅长很小或各种形状的应变片，所以在各个测量领域得到广泛的应用。各式金属电阻应变片花形图如图3-2所示。 项目一项目一 简易电子秤电路的设计简易电子秤电路的设计 项目一项目一 简易电子秤电路的设计简易电子秤电路的设计按照敏感栅的结构形状，金属箔状应变片又可分为单轴应变片和多轴应变片

7、。单轴应变片即在一个基底上只有一个敏感栅，只能测量构件表面沿敏感栅长度方向的应变。而多轴应变片常称为应变花（如图3-2（d）所示），是将由2个或3个以上轴线相交成一定角度的敏感栅制作在一个基底上，可测量构件表面贴片处沿几个敏感栅长度方向的应变。应变花有90应变花(两个敏感栅互成90）、45应变花、120应变花（三个敏感栅互成120，如图3-2（d）所示)和60应变花（三个敏感栅互成60）等几种规格。2）半导体应变片半导体应变片的优点是灵敏度高、体积小；缺点是温度稳定性和可重复性不如金属应变片。一般场合下常用金属电阻应变片做传感器。项目一项目一 简易电子秤电路的设计简易电子秤电路的设计3）应变片

8、的主要参数（1）几何参数（敏感栅尺寸）：指应变片敏感栅的标距长度（栅长）和宽度（栅宽）。（2）标称电阻（初始电阻）R：也称应变片的原始电阻值，是指应变片未粘贴前在室温下测得的静态电阻值，常见的有60、120、200、250、600和1000等类型。其中120和350电阻片在实验中最为常用。（3）允许工作电流I：应变片的允许工作电流又称为最大工作电流，是指允许通过应变片而不影响其工作特性的最大电流值。一般应变片静态测量时的工作电流为25mA左右；动态测量时，允许工作电流可达75100mA，而箔状应变片的允许工作电流则可更大一些。如电流大，应变片温度将升高，会影响应变测量精度。（4）绝缘电阻：指电

9、阻应变片（计）引出线与构件之间的电阻值。短期使用绝缘电阻应达到50100M。长期使用绝缘电阻应保证在500M以上。（5）灵敏系数K：表示应变计变换性能的重要参数。灵敏度系数K值的大小是由金属电阻丝的材料性质决定的一个常数，它和应变片的形状、尺寸大小无关，该值由制造厂家用专门的设备抽样标定，并在成品上标明。不同材料的K值一般在1.53.6。表示应变计性能的参数还有工作温度、滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等。项目一项目一 简易电子秤电路的设计简易电子秤电路的设计二、认识弹性敏感元件弹性敏感元件是指传感器中由弹性材料制成的敏感元件。在传感器的工作过程中常采用弹性敏感元件把力、压力、力矩、振

10、动等被测参量转换成应变量或位移量，然后再通过各种转换元件把应变量或位移量转换成电量。弹性敏感元件的形式可以是实心或空心的圆柱体、等截面圆环、等截面或等强度悬臂梁、扭管等，也可以是弹簧管、膜片、膜盒、波纹管、薄壁圆筒、薄壁半球等。弹性敏感元件在传感器中占有很重要的地位，其质量的优劣直接影响传感器的性能和精度。在很多情况下，它甚至是传感器的核心部分。1弹性敏感元件及其用途（1）作为弹性敏感元件，其作用是将被测参量力、压力、力矩转换成应变量或位移量（由弹性敏感元件），然后再转换成电量（电压、电流或电阻)。例如：弹簧称、电子称、压力表。（2）作为弹性支承，其作用是支承传感器中活动部分（形变、位移不是测

11、量量)。例如：动圈式传声器。项目一项目一 简易电子秤电路的设计简易电子秤电路的设计2弹性敏感元件的结构常用弹性敏感元件的结构如图3-3所示。 项目一项目一 简易电子秤电路的设计简易电子秤电路的设计3弹性敏感元件的特性变形（形变）：有外力作用时，物体改变尺寸或形状。弹性变形：外力撤消时，物体恢复原尺寸或形状。1）刚度刚度是弹性元器件在外力作用下变形大小的量度，一般用k表示 式（3-2）中，F为作用在弹性元器件上的外力；x为弹性元器件产生的变形。2）灵敏度灵敏度是指弹性敏感元器件在单位力作用下产生变形的大小，在弹性力学中称为弹性元器件的柔度。它是刚度的倒数，用K表示 在测控系统中希望它是常数。项目

12、一项目一 简易电子秤电路的设计简易电子秤电路的设计3）弹性滞后实际的弹性元器件在加/卸载的正反行程中变形曲线是不重合的，这种现象称为弹性滞后现象，它会给测量带来误差。产生弹性滞后的主要原因是：弹性敏感元器件在工作过程中分子间存在内摩擦。当比较两种弹性材料时，应都用加载变形曲线或都用卸载变形曲线，这样才有可比性。4）弹性后效当载荷从某一数值变化到另一数值时，弹性元器件变形不是立即完成相应的变形，而是经一定的时间间隔逐渐完成变形的，这种现象称为弹性后效。由于弹性后效的存在，弹性敏感元件的变形始终不能迅速地跟上力的变化，所以在动态测量时将引起测量误差。造成这一现象的原因是由于弹性敏感元器件中的分子间

13、存在内摩擦。5固有振荡频率弹性敏感元器件都有自己的固有振荡频率f0，它将影响传感器的动态特性。传感器的工作频率应避开弹性敏感元器件的固有振荡频率，往往希望f0较高。实际选用或设计弹性敏感元器件时，若遇到上述特性矛盾的情况，则应根据测量的对象和要求综合考虑。项目一项目一 简易电子秤电路的设计简易电子秤电路的设计三、电阻应变式传感器应用电阻应变片为敏感元件制成的各种电阻应变式传感器（如测力、称重、位移、加速度及扭矩传感器）由于具有精度高、稳定性好、制作简单、价格便宜，以及电信号易与后续测控仪器相匹配等特点，在工业各部门中获得了广泛应用，并且在力学量传感器中，电阻应变式传感器至今仍占有主导地位。1电

14、阻应变式传感器及其用途电阻应变式传感器由弹性敏感元件、电阻应变片（计）、补偿电阻和外壳组成，可根据具体测量要求设计成多种结构形式。弹性敏感元件受到所测量的力而产生变形，并使附着其上的电阻应变片一起变形，电阻应变片再将变形转换为电阻值的变化，通过测量仪器，将此变化转变成和被测物理量成比例的电信号输出，从而可以测量力、压力、扭矩、位移、加速度和温度等多种物理量。常用的电变式传感器有应变式测力传感器、应变式压力传感器、应变式扭矩传感器、应变式位移传感器、应变式加速度传感器和测温应变计等，如图3-4所示是几种电阻应变式传感器。电阻应变式传感器具有精度高、测量范围广、结构简单、频响特性好、能在恶劣条件下

15、工作，易于实现小型化、整体化和品种多样化等优点。因此广泛应用于自动测试和控制技术中。它的不足之处是对于大应变有较大的非线性，输出信号较弱，需采取一定的补偿措施。项目一项目一 简易电子秤电路的设计简易电子秤电路的设计项目一项目一 简易电子秤电路的设计简易电子秤电路的设计2电阻应变式传感器的结构及实物安装1）电阻应变式传感器的结构常见电阻应变式传感器的几种结构形式如图3-5所示。项目一项目一 简易电子秤电路的设计简易电子秤电路的设计2）应变片的安装如图3-6所示是应变片在传感器弹性材料上的安装示意图。如图3-7所示是GX-1型和PE-1型称重传感器的实物外形。项目一项目一 简易电子秤电路的设计简易

16、电子秤电路的设计3电阻应变式传感器的工作原理电阻应变式传感器的工作原理是将被测物理量的变化转换成电阻值的变化，再经相应的测量电路显示或记录被测量值的变化。传感器中应变片的电阻变化很微弱，用万用表无法测量，为了便于显示和控制，需将变化的电阻值转换成电信号输出，所以通常采用电桥作为测量电路。电桥电路有半桥单臂、半桥双臂和全桥电路。1）半桥单臂电路半桥单臂的电路形式如图3-8所示，R1为应变片，则输出电压UO为 初始时，R1=R2=R3=R4=R，电桥平衡，UO=0V。当R1为应变片时，受力所产生的应变变化为R，由于RR，则输出电压为 半桥单臂的灵敏度为 项目一项目一 简易电子秤电路的设计简易电子秤

17、电路的设计2）半桥双臂电路半桥双臂的电路形式如图3-9所示，R1和R2为相同规格的应变片，并接成差动形式，即R1与R2电阻变化大小相同但方向相反。则输出电压UO为 初始时，R1=R2=R3=R4=R，电桥平衡，UO=0V。当R1、R2为应变片时，受力所产生的应变变化为R，由于RR，则输出电压为 半桥双臂的灵敏度为 项目一项目一 简易电子秤电路的设计简易电子秤电路的设计3）全桥电路全桥电路如图3-10所示，R1、R2、R3和R4为相同规格的应变片，并接成差动形式，即R1、R2、R3和R4电阻变化大小相同、方向相反。则输出电压为 全桥电路的灵敏度为 综上所述：（1）直流电桥的输出电压与被测应变量呈

18、线性关系。（2）全桥电路的灵敏度是半桥双臂电路的2倍，全桥电路的灵敏度是半桥单臂电路的4倍。（3）半桥双臂电路与全桥电路能够较好地解决温度漂移问题。项目一项目一 简易电子秤电路的设计简易电子秤电路的设计4工作过程电阻应变式传感器的工作过程实际上是应变片的变化（电阻变化）和电信号的传输。图3-11所示是筒式应变荷重传感器的工作过程。荷重传感器是应力计中最具有代表性的压力传感器。筒式荷重传感器采用箔状应变片贴在合金钢做的弹性体上，当F向下作用时，R2与R4受到压力应变，R1与R3受到拉力应变。项目一项目一 简易电子秤电路的设计简易电子秤电路的设计5传感器的接线PE-1型铝质传感器系列产品为双孔悬臂

19、梁式结构，在制作过程中进行了温度补偿和四角调整等工艺处理，其高度低、体积小，适于制作电子计价秤、电子台秤等。图3-12是PE-1型称重传感器的接线。项目一项目一 简易电子秤电路的设计简易电子秤电路的设计应变式传感器按其工作原理可分为：变阻器及电位器式、电阻应变式、固态压阻式、热敏电阻式、气敏电阻式、磁敏电阻式等。电阻应变式传感器是基于测量物体受力变形所产生应变的一种传感器，最常用的传感元件为电阻应变片。固态压阻式传感器用半导体单晶硓材料作为敏感元件，在受到外力作用时，即使产生极微小应变，由其材料制成的电阻也会出现极大变化，这种物理效应称为压阻效应。利用压阻效应原理，采用三维集成电路工艺技术及一

20、些专用的特殊工艺，在单晶硅片上的特定晶向制成由应变电阻构成的惠斯通检测电桥，并同时利用硅的弹性力学特性，在同一硅片上进行特殊的机械加工，制成集应力敏感与力电转换检测于一体的力学量传感器，称为固态压阻式传感器。固态压阻压力传感器以气、液体压强为检测对象，其主要特点有灵敏度高、精度高、体积小、重量轻、动态频响高等。项目一项目一 简易电子秤电路的设计简易电子秤电路的设计八、力敏传感器实用电路1手机和平板电脑的横竖显示转换ADXI320双轴加速度传感器可用于手机和平板电脑屏幕的横竖显示方向自动转换，称为手机和平板电脑的G-Sensor重力感应功能。电路如图3-13所示。项目一项目一 简易电子秤电路的设

21、计简易电子秤电路的设计当人们纵向（X方向）拿着手机时，XOUT端口和YOUT端口的输出电压分别为XOUT=1.500V和YOUT=1.326V，分别接比较器A的正相输入端和反相输入端，比较器A输出高电平，送入微处理器中，以控制扫描电路进行X方向扫描和信号显示。当人们将拿着的手机转为横向（Y方向）时，XOUT端口和YOUT端口的输出电压变为XOUT=1.326V和YOUT=1.500V，比较器A输出变为低电平，送入微处理器中，微处理器控制扫描电路改为Y方向扫描和信号显示。平板电脑的侧面有屏幕旋转锁启动时，重力感应功能不起作用，横竖方向旋转将不改变屏幕显示方式。项目一项目一 简易电子秤电路的设计简

22、易电子秤电路的设计2SFG15N1A压力测量电路SFG15N1A是霍尼韦尔（Honeywell)公司生产的力传感器，是一种硅压阻式力传感器。它是利用微细加工工艺技术在一小块硅片上加工成硅膜片，并在联片上用离子注入工艺做了四个电阻并连接成电桥。当力作用在硅膜片上时，膜片产生变形，电桥中两个桥臂电阻的阻值增大；另外两个桥臂电阻的阻值减小，电桥失去平衡，输出与作用力成比例的电压信号。这种力传感器的特点是结构简单、内部无放大电路及温度补偿电路、功能低、有较好线性度及重复性、较高的灵敏度（典型值为0.24mV/g)，最大可测力为1500g、最大的过载力可达5500g、工作温度范围宽（-40+85）等。其

23、缺点是没有温度补偿，在较大的温度范围使用时有一定的温度误差。该传感器应用范围较广，其典型应用有医疗注入泵、肾透析仪、机械手（感觉触力)、张力控制器、负载或压缩力的测量、接触力的测量等。项目一项目一 简易电子秤电路的设计简易电子秤电路的设计外形及安装SFG15N1A的外形如图3-14（a）所示，其中1脚接电源正极，3脚接电源负极，2脚和4脚为电桥输出引脚。该传感器的安装方向可为任意方向，不会因安装方向而引起性能变化。值得注意的是，不要堵住壳体底部的排气孔，若错误地堵住排气孔会引起输出不稳定。安装可采用专用安装支架，如图3-14（b）所示。 项目一项目一 简易电子秤电路的设计简易电子秤电路的设计如

24、图3-15所示为一种测量电路，当作用力为01500g时，UO输出01500mV (灵敏度为lmV/g)。电源由12V供电，力传感器由+12V经三个二极管降压后（约为10V)供电。A1A3组成仪器放大器，其差动输入端直接与力传感器的2脚、4脚连接。A4接成跟随器，电位器RP2的作用是消除零点输出，即作用力为零时，若电桥有不平衡输出或放大器有失调电压时，可以调整RP2，使输出UO=0V。调整RP1(调放大倍数）可以在满量程即1500g作用力时，使UO=1500mV。为了保证测量电路的精度，A1A3的外围电阻采用误差为1%的金属膜电阻，对应的电阻参数一样。项目一项目一 简易电子秤电路的设计简易电子秤

25、电路的设计3带温度补偿的压力电子开关用MPX2100P压力传感器和NTC热敏电阻构成的带温度补偿的压力电子开关电路如图3-16所示。MPX2100P压力传感器将压力转换成电信号，经A1、A2两级放大，将输出信号送比较器A3反相输入端，将由NTC热敏电阻降压后的参考电压加到比较器A3同相输入端。当压力传感电压大于参考电压时，A3输出低电平，触发执行器电路工作。当温度降低时，压力传感电压减小。由于温度降低使NTC热敏电阻值增大，降压增大，参考电压降低,所以保持A3输出低电平，起到温度补偿的作用。 项目一项目一 简易电子秤电路的设计简易电子秤电路的设计4MPX5100系列巴图压力计用MPX5100系

26、列压力传感器代替MPX2100系列传感器，则电路可以大大简化，其电路如图3-17所示。项目一项目一 简易电子秤电路的设计简易电子秤电路的设计MPX5100系列均为精密集成压力传感器，在没有压力源的情况下可采用此调试办法：调节电位器R2使放大器的输出电压为0.5V；然后调节电位器R5使输出电压为4.5V，这样一来，将0lOOkPa的压力信号转换成0.54.5V的电压信号。零点电位器R2和满量程电位器R5的校准彼此互不影响。项目一项目一 简易电子秤电路的设计简易电子秤电路的设计5半导体应变片压力传感器测量电路对于半导体压力传感器而言，最重要的是它的温度特性，所以半导体应变片压力传感器需选择合适的恒

27、流源，其测量电路如图3-18（a）所示。利用运算放大器IC1和电阻R构成恒流源给电桥供电，电桥上流过的电流I=1.5/R=1.5（mA）。由于半导体应变片的电阻较大，因此选择合适的恒流源很重要。若I取得小了，则电桥的输出太小；苦I取大了，则要求电源电压要高，假设电桥的阻值为6k，则VAB=1.5 6+1.51=10.5(V)，运算放大器IC1的输出必须在l1V以上，电路中的电源电压就要取15V。项目一项目一 简易电子秤电路的设计简易电子秤电路的设计由于半导体应变片电桥本身的电阻较大，因此，必须采用高输入阻抗的放大器，在图18（a）所示的电路中采用了3个运算放大器构成的仪用放大器，其中IC2、I

28、C3的增益为25倍，IC4的增益为16倍并可调。若要在电路中消除零点偏移电压，可在电桥中增设一只可调电阻RP3，如项目一项目一 简易电子秤电路的设计简易电子秤电路的设计九、简易电子秤电路的工作原理简易电子秤由传力机构、传感器、测量显示和电源组成。传力机构是将被称重物的重力传递到称重传感器。简易电子秤电路如图3-19所示。 项目一项目一 简易电子秤电路的设计简易电子秤电路的设计AD623是一个集成单电源仪表放大器，它能在单电源(+3V到+12V)下提供满电源幅度的输出。它允许使用单个增益设置电阻进行增益编程，以得到更好的灵活性。符合8引脚的工业标准配置。在无外接电阻条件下，AD623被设置为单增

29、益(G=1)。在外接电阻后，AD623可编程设置增益，增益最高可达1000倍。图3-19中由RP2调整AD623的增益。ICL7107是高性能、低功耗的三位半A/D转换器，同时包含有七段译码器、显示驱动器、参考源和时钟系统。ICL7107可直接驱动共阳极LED数码管。ICL7107将高精度、通用性和真正的低成本很好的结合在一起，它有低于10uV的自动校零功能，零漂小于1uV/，低于10pA的输入电流，极性转换误差小于一个字。真正的差动输入和差动参考源在各种系统中都很有用。在用于测量负载单元、压力规管和其它桥式传感器时会有更突出的特点。项目一项目一 简易电子秤电路的设计简易电子秤电路的设计项目实

30、施一、简易电子秤电路的绘制使用Protel99se绘制完成图3-19所示的原理图。项目一项目一 简易电子秤电路的设计简易电子秤电路的设计二、元器件选择IC1选用ICL7107，IC2选用AD623。R1R5均选用1/4W金属膜电阻器。C1C5选用涤纶电容或薄膜电容，C6选用瓷片电容。SEG1SEG4选用0.56英寸共阳1位数码管/。同时准备5V稳压电源、实验板等。项目一的元器件清单表如表3-1所示。项目一项目一 简易电子秤电路的设计简易电子秤电路的设计元件序号元件名称元件型号与规格元件参数数量IC1集成电路ICL7107/DIP40 1IC2集成电路AD623/DIP8 1C1电容器涤纶电容或

31、薄膜电容100pF1C2电容器涤纶电容或薄膜电容0.1F1C3电容器涤纶电容或薄膜电容0.01F1C4电容器涤纶电容或薄膜电容0.047F1C5电容器涤纶电容或薄膜电容0.22F1R1电阻器金属膜电阻器，功率1/4W100k2R2电阻器金属膜电阻器，功率1/4W2001R3电阻器金属膜电阻器，功率1/4W24k1R4电阻器金属膜电阻器，功率1/4W1M1R5电阻器金属膜电阻器，功率1/4W470k1RP1电位器电位器25k1RP2电位器电位器1k1RP3电位器电位器10k1SEG1SEG4数码管共阳1位数码管/0.56英寸 4J15V电源插座5V稳压电源 1J2PE-1称重传感器PE-1称重传

32、感器插座 1项目一项目一 简易电子秤电路的设计简易电子秤电路的设计表表5-2 项目一元器件清单表项目一元器件清单表三、印刷电路板设计使用Protel99se绘制的简易电子秤电路的印刷电路板图如图3-20所示为单面板，如图3-20所示。图3-20（a）为元件面，图3-20（b）为焊接面。项目一项目一 简易电子秤电路的设计简易电子秤电路的设计四、电路调试1按图3-13连接好电路。检查电路无误后，接通电源。2把ICL7107第37脚与+5V短接可以测试数码管的好坏，如果电路正常，数码管所有段均能显示，显示为“1888”。3AD623的电位器调到最接近中间的位置。4调节ICL7107的第36脚电位器，

33、使基准电压为1V。5在接通电源并稳定一段时间后，仔细调节零点电位器RP3，使数码管显示读数恰好为零，此时电桥平衡。项目一项目一 简易电子秤电路的设计简易电子秤电路的设计项项目拓展与评价目拓展与评价一、训练题目与要求1将图3-19所示的简易电子秤电路的输出，接到ICL7106显示驱动集成电路和液晶显示器上，成为液晶显示简易电子秤。项目一项目一 简易电子秤电路的设计简易电子秤电路的设计项目说明项目说明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。本项目通过制作、调试简易压电式传感器，体会其动态测力特性。项目项目二简二简易压电式传感器电路设计易压电式传感器电路设计过去人们要用火柴给煤气灶点火

34、，现在只要旋转煤气灶的开关就可以点燃燃气了。为什么呢？现在的煤气灶都安装上了压电点火装置，类似的还有气体打火机、燃气热水器等。压电点火装置的核心是压电材料，如压电晶体、压电陶瓷等，它不仅可以用来作点火装置还可以用来测量力，尤其是对测量周期性瞬间变化的力或冲击压力更具优越性。例如，实践中工程技术人员常用压电式传感器测量发动机内部的燃烧压力；在军事工业，用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间膛压的变化和炮口的冲击波压力。压电式传感器既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。压电式压力传感器是一种典型的有源传感器（或发电型传感器)。它利用压电效应把非电量转换为电量。压电式传感器是一种力敏元件，

35、凡是能够变换为力的物理量，如应力、压力、加速度等，均可测量。同时，它又是一种可逆型换能器，常用作超声波发射与接收装置，这种传感器具有体积小、质量轻、精确度高和灵敏度高等优点。项目项目二简二简易压电式传感器电路设计易压电式传感器电路设计一、压电效应压电现象是100多年前居里兄弟研究石英时发现的。一些离子型晶体的电介质（如石英、酒石酸钾钠、钛酸钡等）在电场力和机械力作用下都会产生极化现象，即在这些电介质的一定方向上施加机械力而产生变形时，就会引起它内部正、负电荷中心相对转移而产生极化，从而导致两个相对表面（极化面）上出现符号相反的束缚电荷，且其电位移D（在MKS单位制中即电荷密度）与外应力张量T成

36、正比；当外力消失，又恢复不带电状态；当外力变向，电荷极性随之而变。这种现象称为正压电效应，或简称压电效应。反过来，当在电介质的极化方向施加电场，电介质也会产生几何变形，这种现象称为“逆压电效应”。逆压电效应将电能转换为机械能。逆压电效应说明压电效应具有可逆性。项目项目二简二简易压电式传感器电路设计易压电式传感器电路设计二、压电材料的分类及特性压电传感器中的压电元件材料一般有三类：一类是压电晶体（单晶体）；另一类是经过极化处理的压电陶瓷（多晶体）；第三类是高分子压电材料。1石英晶体石英晶体是一种性能良好的压电晶体，它的突出优点是性能非常稳定。在20200的范围内压电常数的变化率只有-0.0001

37、/。此外，它还具有自振频率高、动态响应好、机械强度高、绝缘性能好、迟滞小、重复性好、线性范围宽等优点。石英晶体的不足之处是压电常数较小（d=2.3110-12C/N）。因此石英晶体大多只在标准传感器、高准确度传感器或使用温度较高的传感器中使用，而在一般要求的测量中，基本上采用压电陶瓷。项目项目二简二简易压电式传感器电路设计易压电式传感器电路设计2压电陶瓷压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它由无数细微的电畴组成。这些电畴实际上是分子自发极化的小区域。在无外电场作用时，各个电畴在晶体中杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消了，因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。为了使压电陶瓷具有压电效应，必须在

38、一定温度下做极化处理。极化处理之后，陶瓷材料内部存在有很强的剩余极化强度，当压电陶瓷受外力作用时，其表面也能产生电荷，所以压电陶瓷也具有压电效应。项目项目二简二简易压电式传感器电路设计易压电式传感器电路设计3高分子压电材料高分子压电材料是近年来发展很快的一种新型材料。典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF)、聚氯乙烯（PVF)、改性聚氯乙烯（PVC)等。其中以PVDF的压电常数最高，有的材料可比压电陶瓷还要高十几倍。其输出脉冲电压有的可以直接驱动CMOS集成门电路。高分子压电材料是一种柔软的压电材料，可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。经极化处理后就显现出电压特性。它不易破碎，

39、具有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面积或较长的尺度，因此价格便宜。其测量动态范围可达80dB，频率响应范围可从0.1Hz直至109Hz。这些优点都是其他压电材料所不具备的。因此在一些不要求测量准确度的场合，例如水声测量，防盗、振动测量等领域中获得应用。它的声阻抗与空气的声阻抗有较好的匹配，因而是很有希望的电声材料。例如在它的两侧面施加高压音频信号时，可以制成特大口径的壁挂式低音喇叭。高分子压电材料的工作温度一般低于100。温度升高时，灵敏度将降低。它的机械强度不够高，耐紫外线能力较差，不宜暴晒，以免老化。项目项目二简二简易压电式传感器电路设计易压电式传感器电路设计现在还开发出种压电陶瓷高聚

40、物复合材料，它是无机压电陶瓷和有机高分子树脂构成的新型压电复合材料，例如可以在高分子化合物中掺杂压电陶瓷（锆钛酸铅或钛酸钡）粉末来制成高分子压电薄膜。这种复合压电材料兼备了无机和有机压电材料的性能。可以根据需要，综合两种材料的优点，制作性能更好的传感器。它的接收灵敏度很高，更适合于制作水声换能器。除此之外，近年来还出现了多种压电半导体，如硫化锌（ZnS）、碲化镉（CdTe）、氧化锌（ZnO）、硫化镉（CdS）、碲化锌（ZnTe）和砷化镓（GaAs）等。这些材料的显著特点是即有压电特性，又具有半导体特性。因此，即可用其压电性研制传感器，又可用其半导体性制作电子器件，也可以二者结合，集元件与线路于

41、一体，研制成新塑压电集成传感器测试系统。项目项目二简二简易压电式传感器电路设计易压电式传感器电路设计三、压电材料的主要特性指标1压电系数d它表示压电材料产生电荷与作用力的关系。它是衡量材料压电效应强弱的参数，它直接关系到压电元件的输出灵敏度。一般用单位作用力产生电荷的多少来表示，单位为C/N（库仑/牛顿）。2弹性常数压电材料的弹性常数、刚度是决定其固有频率和动态的重要参数。3介电常数这是决定压电晶体固有电容的主要参数，而固有电容影响传感器工作频率的下限值。项目项目二简二简易压电式传感器电路设计易压电式传感器电路设计4机械耦合系数衡量压电材料机电能量转换效率的重要参数，其值等于转换输出能量（如电

42、能）与输入能量（如机械能）之比的平方根。5电阻R它是压电晶体的内阻，它的大小决定其泄漏电流。6居里点压电材料的温度达到某一值时，便开始失去压电特性，这一温度称为居里点或居里温度。项目项目二简二简易压电式传感器电路设计易压电式传感器电路设计四、压电式传感器的工作原理压电式传感器是依靠某些晶体材料的压电效应工作的，当这些晶体受压力作用发生机械变形时，在其相对的两个侧面上会产生异性电荷。压电效应是压电传感器的主要工作原理。压电元件在交变力的作用下，电荷可以不断补充，供给测量回路一定的电流，适用于测量动态的应力（一般必须高于100Hz，但在50kHz以上时，灵敏度下降），不能用于静态测量。项目项目二简

43、二简易压电式传感器电路设计易压电式传感器电路设计五、压电式传感器的结构1压电式测力传感器压电式测力传感器在直接测量拉力或压力时，通常多采用双片或多片石英晶体做压电元件。按测力状态分为单向力、双向力和三向力传感器。这里只对单向力传感器做介绍，双向力和三向力传感器这里不做介绍。压电式单向测力传感器的结构原理如图3-22所示。图3-22中压电晶片为力电转换元件，晶片数目通常是使用机械串联而电气并联的两片，晶片的几何尺寸为合理的传力结构。压电晶片材料的选择则决定于所测力的量值大小。压电式单向测力传感器的压电晶片为X切割石英晶片，尺寸为8mm1mm，上盖为传力元件，其变形壁的厚度为0.10.5mm，由测

44、力范围（Fmax=500kg)决定。项目项目二简二简易压电式传感器电路设计易压电式传感器电路设计压电式单向测力传感器的绝缘套用来绝缘和定位。基座内、外底面对其中心线的垂直度，上盖及晶片、电极的上、下底面的平行度与表面光洁度都有极严格的要求，否则会使横向灵敏度增加或使片子因应力集中而过早破坏。为提高绝缘阻抗，传感器装配前要经过多次净化（包括超声波清洗），然后在超净工作环境下进行装配，加盖之后用电子束封焊。项目项目二简二简易压电式传感器电路设计易压电式传感器电路设计2压电式加速度传感器压缩型压电加速度传感器的结构原理如图3-23所示，压电元件一般由两片压电晶片组成。在压电片的两个表面上镀银层，并在

45、银层上焊接输出引线，或在两个压电晶片之间夹一片金属，引线就焊接在金属片上，输出端的另一根引线直接与传感器基座相连。在压电晶片上放置一个比重较大的质量块，然后用一硬弹簧或螺栓、螺帽对质量块预加载荷。整个组件装在一个厚基座的金属壳体中，为了隔离试件的任何应变避免传递到压电元件上去，产生假信号输出，一般要加厚基座或选用刚度较大的材料来制造。项目项目二简二简易压电式传感器电路设计易压电式传感器电路设计测量时，将传感器基座与试件刚性固定在一起。当传感器受振动时，由于弹簧的刚度相当大，而质量块的质量相当小，可认为质量块的惯性很小。因此质量块感受与传感器基座相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力的作用。

46、这样，质量块就有正比于加速度的交变力作用在压电晶片上。由于压电晶片具有压电效应，因此在它的两个表面上就产生交变电荷（电压），当振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器的输出电荷（电压）与作用力成正比，亦即与试件的加速度成正比。输出电量由传感器输出端引出，输入到前置放大器后即可用普通的测量仪器测出试件的加速度，如在放大器中加进适当的积分电路，还可测出试件的振动位移或速度。项目项目二简二简易压电式传感器电路设计易压电式传感器电路设计压电元件的受力和形变常见的有厚度形变、长度形变、体积形变和厚度剪切形变四种。按上述四种形变有相应的四种结构的传感器，但最常见的是基于厚度形变的压缩式和基于厚度剪切形变的

47、剪切式两种，前者使用更为普遍。四种压电式加速度传感器的典型结构如图3-24所示。项目项目二简二简易压电式传感器电路设计易压电式传感器电路设计剪切式加速度传感器具有很高的固有频率，频响范围很宽，特别适用于测量高频振动，它的体积和重量都可做得很小，有助于实现传感器微型化。但是，由于压电元件与中心柱之间以及惯性质量环与压电元件之间要用导电胶黏结，要求一次装配成功，因此，成品率较低。目前，优质的剪切式加速度传感器同压缩式传感器相比，横向灵敏度小一半，灵敏度受瞬时温度冲击和基座弯曲应变效应的影响都小得多，因此，剪切式加速度传感器有替代压缩式加速度传感器的趋势。项目项目二简二简易压电式传感器电路设计易压电

48、式传感器电路设计六、压电式传感器的用途压电式传感器结构简单、体积小、功耗小、寿命长，特别是它具有良好的动态特性，因此适合有很宽频带的周期作用力和高速变化的冲击力，它主要应用在加速度、压力和力等的测量中。如用压电式传感器制成加速度计，用于测量飞机、汽车、船舶、桥梁、建筑的振动和冲击力，特别是在航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如心室导管式微音器就是由压电式传感器制成的，因为测量动态压力的测量很普遍，所以压电式传感器的应用就非常广泛。项目项目二简二简易压电式传感器电路设计易压电式传感器电路设计七、认识压电式传感器各种压电式传感器实物图如图3-25所示。 项

49、目项目二简二简易压电式传感器电路设计易压电式传感器电路设计项目项目二简二简易压电式传感器电路设计易压电式传感器电路设计八、压电传感器实用电路1振动测量仪在压电式传感器测试电路中，电荷是与加速度成正比的，如果把测得的信号加以积分。 就能获得振动速度和振幅参数。振动测量仪就是根据这一原理设计的，电路如图3-26所示。如果转换开关S置于A点时，利用C2、C3的电容分配关系，压电元件输出的一部分便可通过外接的高阻抗放大器构成振动加速度测量电路。如果将转换开关S置于V点时，压电元件输出的信号经Rl、C1积分电路积分后输出与振动速度成比例的电压信号。如果将转换开关S置于D点时，压电元件输出的信号经Rl、C

50、4和R2、C5积分电路，可输出与振幅成比例的电压信号。根据上述原理，该振动仪可测量10160g的加速度、0.480cm的振动速度以及4m8cm的振幅。项目项目二简二简易压电式传感器电路设计易压电式传感器电路设计项目项目二简二简易压电式传感器电路设计易压电式传感器电路设计2PV96压电式加速度传感器电路如图3-27所示电路由电荷放大器和电压调整放大器组成。第一级是电荷放大器，其低频响应由反馈电容C1和反馈电阻R1决定。低频截止频率为0.053Hz。RF是过载保护电阻。第二级为输出调整放大器，调整电位器可使其输出约为50mV/gal。A2是多用途可编程运算放大器的低功耗型运算放大器，为了降低噪声影