傳感器及檢測技術(shù) 教學(xué)PPT課件

傳感器及檢測技術(shù) 教學(xué)PPT課件,傳感器及檢測技術(shù),教學(xué)PPT課件,傳感器,檢測,技術(shù),教學(xué),PPT,課件 PPT模板下載： 力檢測目錄1 1任務(wù)一 電子臺(tái)秤的重量檢測2 2任務(wù)二 橋墩水下部位缺陷的檢測 項(xiàng)目四 力檢測學(xué)習(xí)目標(biāo)能了解彈性敏感元件的特性和要求。能了解幾種常用測力稱重傳感器的特點(diǎn)、用途等。掌握電阻應(yīng)變效應(yīng)及半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)。掌握單臂、雙臂和全橋測量電路的異同點(diǎn)。會(huì)連接電橋電路并進(jìn)行測試。會(huì)對(duì)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。能理解壓電式傳感器的工作原理及特點(diǎn)。能理解測力傳感器與壓電傳感器的應(yīng)用電路。任務(wù)一 電子臺(tái)秤的重量檢測任務(wù)提出 在超市、集貿(mào)市場等很多場所，我們都會(huì)用到稱重電子秤，那么，電子秤又是如何稱重的呢？本節(jié)就來討論這個(gè)問題。首先要將稱重物體的重量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這就要用到電阻應(yīng)變式測力傳感器，然后經(jīng)過測量轉(zhuǎn)換電路處理后，送入顯示器顯示重量值，如圖4-1所示。任務(wù)一 電子臺(tái)秤的重量檢測一、測力傳感器中的彈性敏感元件 彈簧管壓力表的組成如圖4-2所示，當(dāng)被測壓力作用于彈簧管時(shí)，彈簧管便產(chǎn)生相應(yīng)的變形，通過機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，使標(biāo)尺指針偏移角度，從而得到壓力的數(shù)值。（一）彈簧管壓力表的組成任務(wù)一 電子臺(tái)秤的重量檢測一、測力傳感器中的彈性敏感元件（一）彈簧管壓力表的組成任務(wù)一 電子臺(tái)秤的重量檢測一、測力傳感器中的彈性敏感元件（二）彈性敏感元件的基本概念及特性1.基本概念（1）變形變形是指物體在外力作用下改變?cè)瓉沓叽缁蛐螤畹默F(xiàn)象。（2）彈性變形彈性變形是指變形后的物體在外力去除后又恢復(fù)原來形狀的變形。（3）彈性元件彈性元件是指具有彈性變形特性的物體。（4）彈性特性彈性特性是指作用在元件上的外力與相應(yīng)彈性變形（應(yīng)變、位移或轉(zhuǎn)角）之間的關(guān)系。任務(wù)一 電子臺(tái)秤的重量檢測一、測力傳感器中的彈性敏感元件（二）彈性敏感元件的基本概念及特性2.特性（1）剛度剛度是彈性元件產(chǎn)生單位變形所需的力，用K表示，即任務(wù)一 電子臺(tái)秤的重量檢測一、測力傳感器中的彈性敏感元件（二）彈性敏感元件的基本概念及特性（2）靈敏度靈敏度是在單位力作用下彈性元件產(chǎn)生的變形，用S表示，即任務(wù)一 電子臺(tái)秤的重量檢測一、測力傳感器中的彈性敏感元件（二）彈性敏感元件的基本概念及特性（3）彈性滯后彈性元件的加載特性曲線與卸載特性曲線的不重合程度，稱為彈性滯后。它是應(yīng)變式傳感器測量誤差之一。（4）彈性后效彈性后效是當(dāng)載荷從某一數(shù)值變化到另一數(shù)值時(shí)，彈性元件的變形是要經(jīng)過一定的時(shí)間間隔后逐漸完成變形的現(xiàn)象。彈性后效的存在，將引起動(dòng)態(tài)測量中的測量誤差。任務(wù)一 電子臺(tái)秤的重量檢測一、測力傳感器中的彈性敏感元件（三）彈性敏感元件的基本要求及類型1.彈性敏感元件的基本要求具有良好的機(jī)械特性（強(qiáng)度高、抗沖擊、韌性好、疲勞強(qiáng)度高等）和良好的機(jī)械加工及熱處理性能。具有良好的彈性特性（彈性極限高、彈性滯后和彈性后效小等）。彈性模量的溫度系數(shù)小且穩(wěn)定，材料的線膨脹系數(shù)小且穩(wěn)定?？寡趸院涂垢g性等化學(xué)性能良好。任務(wù)一 電子臺(tái)秤的重量檢測一、測力傳感器中的彈性敏感元件（三）彈性敏感元件的基本要求及類型2.彈性元件的類型（1）變換力（力矩）彈性元件變換力（力矩）彈性元件有等截面柱式、懸臂梁、圓環(huán)式和等截面薄板等。（2）變換壓力彈性元件變換壓力彈性元件彈簧管、波紋管、膜片（力、壓力均可以變換）等。任務(wù)一 電子臺(tái)秤的重量檢測二、電阻應(yīng)變式傳感器 電阻應(yīng)變式傳感器是一種利用電阻應(yīng)變效應(yīng)，將力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器。電阻應(yīng)變式傳感器具有精度高、性能穩(wěn)定、測量范圍寬，可制成各種機(jī)械量傳感器，并且結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕，可在超低溫、強(qiáng)振動(dòng)、強(qiáng)磁場等惡劣環(huán)境下工作等特點(diǎn)。任務(wù)一 電子臺(tái)秤的重量檢測二、電阻應(yīng)變式傳感器 1.電阻應(yīng)變式傳感器的外形幾種電阻應(yīng)變式傳感器的外形如圖4-3所示。（一）電阻應(yīng)變式傳感器的外形結(jié)構(gòu)和性能任務(wù)一 電子臺(tái)秤的重量檢測二、電阻應(yīng)變式傳感器2.主要用途及性能指標(biāo)（1）金屬箔式壓力傳感器 采用了箔式應(yīng)變片貼在合金鋼做的彈性體上，具有精度高、溫度特性好等特點(diǎn)，適用于電子皮帶秤、配料秤等場所。它的性能指標(biāo)如表4-1所示。（一）電阻應(yīng)變式傳感器的外形結(jié)構(gòu)和性能任務(wù)一 電子臺(tái)秤的重量檢測二、電阻應(yīng)變式傳感器2.主要用途及性能指標(biāo)（2）柱式傳感器 柱式傳感器的結(jié)構(gòu)如圖4-4所示，它將箔式應(yīng)變片貼在合金鋼制作的圓柱彈性體中段較細(xì)的部位。這類傳感器結(jié)構(gòu)簡單，加工容易，可拉、可壓或拉壓兩用，可承受很大的負(fù)載，具有長期穩(wěn)定性好、密封性好、靈敏度和精度較低等特點(diǎn),適用于地中衡、料斗秤、汽車衡、軌道衡等場所。（一）電阻應(yīng)變式傳感器的外形結(jié)構(gòu)和性能任務(wù)一 電子臺(tái)秤的重量檢測二、電阻應(yīng)變式傳感器（一）電阻應(yīng)變式傳感器的外形結(jié)構(gòu)和性能任務(wù)一 電子臺(tái)秤的重量檢測二、電阻應(yīng)變式傳感器2.主要用途及性能指標(biāo)（3）懸臂梁式傳感器 懸臂梁式傳感器的結(jié)構(gòu)如圖4-5所示，它將箔式應(yīng)變片貼在合金鋼制作的彈性體的上下兩面，彈性體一端固定，另一端加載，拉、壓均可，具有精度高、密封性好、易安裝等特點(diǎn)，適用于電子秤、料斗秤等小量程的稱重場合。（一）電阻應(yīng)變式傳感器的外形結(jié)構(gòu)和性能任務(wù)一 電子臺(tái)秤的重量檢測二、電阻應(yīng)變式傳感器（一）電阻應(yīng)變式傳感器的外形結(jié)構(gòu)和性能任務(wù)一 電子臺(tái)秤的重量檢測二、電阻應(yīng)變式傳感器2.主要用途及性能指標(biāo)（4）橋式傳感器 采用箔式應(yīng)變片貼在合金鋼彈性體上，具有精度高、長期穩(wěn)定性好、密封性能好、抗側(cè)向力和抗偏載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，適用于各種汽車衡、軌道衡、料斗秤等場所。（一）電阻應(yīng)變式傳感器的外形結(jié)構(gòu)和性能任務(wù)一 電子臺(tái)秤的重量檢測二、電阻應(yīng)變式傳感器2.主要用途及性能指標(biāo)（5）輪輻式傳感器 輪輻式稱重傳感器的結(jié)構(gòu)如圖4-6所示。承載連接采用鋼球或SR球面結(jié)構(gòu)。有較好的自動(dòng)復(fù)位能力，有良好的抗側(cè)抗偏載能力；高精度、高靈敏，適用于汽車秤、平臺(tái)秤、料斗秤、軌道衡等電子衡器。（一）電阻應(yīng)變式傳感器的外形結(jié)構(gòu)和性能任務(wù)一 電子臺(tái)秤的重量檢測二、電阻應(yīng)變式傳感器（一）電阻應(yīng)變式傳感器的外形結(jié)構(gòu)和性能任務(wù)一 電子臺(tái)秤的重量檢測二、電阻應(yīng)變式傳感器2.主要用途及性能指標(biāo)（6）S形拉壓式傳感器 S形拉壓式傳感器的結(jié)構(gòu)如圖4-7所示，采用S形結(jié)構(gòu)，由于其載荷的作用點(diǎn)和支撐點(diǎn)在同一軸線上，因此它的受力穩(wěn)定，稱重時(shí)，利用其彎曲變形產(chǎn)生信號(hào)。（一）電阻應(yīng)變式傳感器的外形結(jié)構(gòu)和性能任務(wù)一 電子臺(tái)秤的重量檢測二、電阻應(yīng)變式傳感器 電阻應(yīng)變片分為金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片兩大類。金屬電阻應(yīng)變片又可分為金屬絲式、箔式和薄膜式三種。如圖4-8所示為幾種不同類型的電阻應(yīng)變片。（二）電阻應(yīng)變片的種類與結(jié)構(gòu)任務(wù)一 電子臺(tái)秤的重量檢測二、電阻應(yīng)變式傳感器 金屬絲式應(yīng)變片使用最早，它是將金屬絲彎曲后用黏合劑貼在襯底上而成，基底分為紙基、膠基等。由于金屬絲式應(yīng)變片蠕變較大，金屬絲易脫膠，有被箔式取代的趨勢(shì)，但價(jià)格便宜。它的結(jié)構(gòu)如圖4-9所示，由敏感柵（金屬電阻應(yīng)變絲）、基體、覆蓋層（保護(hù)層）和引出線四部分組成。（二）電阻應(yīng)變片的種類與結(jié)構(gòu)任務(wù)一 電子臺(tái)秤的重量檢測二、電阻應(yīng)變式傳感器（二）電阻應(yīng)變片的種類與結(jié)構(gòu)敏感柵是轉(zhuǎn)換元件，由金屬絲、金屬箔制成，它被粘貼在基體上，通過基體把應(yīng)變傳遞給它?；w起絕緣作用。覆蓋層（保護(hù)層）起絕緣保護(hù)作用。引出線焊接于敏感柵兩端，作連接測量導(dǎo)線之用。任務(wù)一 電子臺(tái)秤的重量檢測二、電阻應(yīng)變式傳感器1.電阻應(yīng)變效應(yīng) 導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外力作用下產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值也發(fā)生相應(yīng)變化的現(xiàn)象稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。（三）電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理任務(wù)一 電子臺(tái)秤的重量檢測二、電阻應(yīng)變式傳感器2.電阻應(yīng)變式傳感器組成框圖和原理 電阻應(yīng)變式傳感器由彈性敏感元件、電阻應(yīng)變片和測量電橋組成，其組成框圖如圖4-11所示。（三）電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理任務(wù)一 電子臺(tái)秤的重量檢測三、壓阻式壓力傳感器 壓阻式壓力傳感器是利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)和集成電路工藝制成的傳感器。所謂壓阻效應(yīng)是在半導(dǎo)體材料上施加作用力時(shí)，其電阻率將發(fā)生顯著變化的現(xiàn)象。（三）電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理任務(wù)一 電子臺(tái)秤的重量檢測三、壓阻式壓力傳感器 固態(tài)壓阻式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)如圖4-12a所示，由外殼、硅膜片和引出線等組成，其核心是一塊硅模片。硅模片如圖4-12b所示，在它上面利用集成電路工藝制作了四個(gè)阻值相等的電阻，電阻之間利用面積較大、阻值較小的擴(kuò)散電阻（圖中陰影區(qū)）作為引線連接構(gòu)成全橋電路，如圖4-12c所示。傳感器硅膜片兩邊有兩個(gè)壓力腔：一個(gè)是和被測壓力相連接的高壓腔，另一個(gè)是和大氣相通的低壓腔。（三）電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理任務(wù)一 電子臺(tái)秤的重量檢測三、壓阻式壓力傳感器（三）電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理任務(wù)一 電子臺(tái)秤的重量檢測任務(wù)實(shí)施 根據(jù)電子臺(tái)秤的稱重范圍及使用要求，結(jié)合上面所學(xué)的相關(guān)知識(shí)，選用懸臂梁式電阻應(yīng)變傳感器作為測力傳感器。電子臺(tái)秤的結(jié)構(gòu)如圖4-13所示。一、合理選擇測力傳感器的類型任務(wù)一 電子臺(tái)秤的重量檢測二、正確使用測力傳感器（一）電橋電路1.單臂電橋單臂電橋電路如圖4-15所示。任務(wù)一 電子臺(tái)秤的重量檢測二、正確使用測力傳感器（一）電橋電路2.雙臂電橋 根據(jù)被測試件的受力情況，若使一個(gè)應(yīng)變片受拉，同時(shí)另一個(gè)應(yīng)變片受壓，則應(yīng)變符號(hào)相反。將這兩個(gè)應(yīng)變片接入電橋相鄰臂上，如圖4-16所示，稱為雙臂電橋電路，又稱差動(dòng)半橋電路。任務(wù)一 電子臺(tái)秤的重量檢測二、正確使用測力傳感器（一）電橋電路3.差動(dòng)全橋差動(dòng)全橋電路如圖4-17所示。任務(wù)一 電子臺(tái)秤的重量檢測二、正確使用測力傳感器（一）電橋電路 結(jié)論：上述三種工作方式中，差動(dòng)全橋工作方式的靈敏度最高，差動(dòng)半橋次之，單臂電橋靈敏度最低。采用全橋（或雙臂半橋）還能實(shí)現(xiàn)溫度變化的自動(dòng)補(bǔ)償，因此，一般采用差動(dòng)全橋電路。任務(wù)一 電子臺(tái)秤的重量檢測二、正確使用測力傳感器（二）使用注意事項(xiàng)選擇稱重傳感器一定要考慮環(huán)境因素、適用范圍和精度要求。選用的稱重傳感器一般工作在滿量程的30%70之間。稱重傳感器使用中最大載荷不能超過滿量程的120。傳感器和儀表應(yīng)定期進(jìn)行標(biāo)定，確保使用精度。電橋電壓要穩(wěn)定，穩(wěn)漂、時(shí)飄要小，否則會(huì)引起測量誤差。任務(wù)一 電子臺(tái)秤的重量檢測其他案例（一）吊鉤秤 在港口、碼頭、礦山等貨物集散地，廣泛使用各種起重設(shè)備。為了提高生產(chǎn)效率，充分發(fā)揮吊車的能力，一般在吊桿上安裝有吊桿秤，如圖4-18所示，稱重范圍在010t，可選擇電阻應(yīng)變式測力傳感器。任務(wù)一 電子臺(tái)秤的重量檢測其他案例（二）汽車衡 汽車衡也稱地磅，如圖4-19所示，它是用于大宗貨物計(jì)量的主要稱重設(shè)備。汽車衡主要由承重傳力機(jī)構(gòu)（秤體），高精度稱重傳感器和稱重顯示儀三部分組成。任務(wù)一 電子臺(tái)秤的重量檢測訓(xùn)練一下 進(jìn)入實(shí)訓(xùn)室，提供一個(gè)0100 kg的壓力傳感器、橋壓電源、放大電路模塊及15V電源（放大器用）、萬用表等，請(qǐng)你試著連接電路，并進(jìn)行調(diào)測，然后稱出你及周圍同學(xué)的體重（電壓指示值），記錄數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析。任務(wù)二 橋墩水下部位缺陷的檢測任務(wù)提出 橋墩水下及地表以下部位由于各種原因會(huì)產(chǎn)生一些缺陷，如圖4-24所示，它是很難發(fā)現(xiàn)的，但又直接威脅到橋梁的安全。用壓電式加速度傳感器通過檢測橋墩對(duì)振動(dòng)的響應(yīng)，再進(jìn)行頻譜分析，可判定橋墩的內(nèi)部缺陷。任務(wù)二 橋墩水下部位缺陷的檢測相關(guān)知識(shí) 壓電式傳感器是利用某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)制作的傳感器。它是一種典型的有源傳感器，又稱自發(fā)電式力敏感傳感器。它具有體積小、重量輕、頻率寬、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠等特點(diǎn)。因此在各種動(dòng)態(tài)力、機(jī)械沖擊與振動(dòng)的測量，以及聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)等方面得到了廣泛的應(yīng)用。任務(wù)二 橋墩水下部位缺陷的檢測一、壓電傳感器、壓電材料的外形和技術(shù)指標(biāo)（一）壓電式振動(dòng)加速度傳感器的外形壓電式振動(dòng)加速度傳感器的外形如圖4-25所示。任務(wù)二 橋墩水下部位缺陷的檢測一、壓電傳感器、壓電材料的外形和技術(shù)指標(biāo)（二）壓電加速度傳感器的技術(shù)指標(biāo)靈敏度：500mV/g量程：010 g頻率范圍：44000Hz線性度：1%分辨力：000004 g安裝諧振點(diǎn)：15kHz任務(wù)二 橋墩水下部位缺陷的檢測二、壓電傳感器的工作原理（一）壓電效應(yīng) 壓電效應(yīng)是可逆的，即有兩種壓電效應(yīng)。當(dāng)某些電介質(zhì)在一定的方向上受到外力作用而變形時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在其表面上產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力消失時(shí)，電荷也消失，又回到原來不帶電的狀態(tài)。這種機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，稱為正壓電效應(yīng)，簡稱壓電效應(yīng)。相反，在電介質(zhì)的極化方向上施加電場，它會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，當(dāng)去掉外加電場時(shí)，電介質(zhì)的變形隨之消失。這種將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。任務(wù)二 橋墩水下部位缺陷的檢測二、壓電傳感器的工作原理（二）石英晶體的壓電效應(yīng) 石英晶體是一種性能良好的壓電晶體，它具有性能穩(wěn)定（在20200的范圍內(nèi)，壓電常數(shù)的變化率僅為-00001/）、自振頻率高、動(dòng)態(tài)相應(yīng)好、機(jī)械強(qiáng)度高、絕緣性能好、遲滯小、重復(fù)性好、線性范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。但石英晶體的壓電常數(shù)較小，一般用來制作成標(biāo)準(zhǔn)傳感器、高精度傳感器和使用溫度較高的傳感器。而普通測量中基本都采用壓電陶瓷。任務(wù)二 橋墩水下部位缺陷的檢測二、壓電傳感器的工作原理（二）石英晶體的壓電效應(yīng)石英晶體的外形是規(guī)則的六角棱柱體，它有三個(gè)晶軸，如圖4-27所示。任務(wù)二 橋墩水下部位缺陷的檢測二、壓電傳感器的工作原理（二）石英晶體的壓電效應(yīng)1.縱向壓電效應(yīng) 若從石英晶體上沿Y軸方向切下如圖4-27c所示的晶片，當(dāng)沿著X軸對(duì)晶片施加作用力時(shí)，在垂直于X軸的表面上產(chǎn)生電荷qX。如圖4-28a、b所示，產(chǎn)生的電荷與作用力的大小成正比，與晶片尺寸無關(guān)。任務(wù)二 橋墩水下部位缺陷的檢測二、壓電傳感器的工作原理（二）石英晶體的壓電效應(yīng)2.橫向壓電效應(yīng) 若在同一晶片上，沿Y軸對(duì)晶片施加作用力時(shí)，在垂直于X軸的表面上產(chǎn)生電荷。如圖4-28c、d所示，產(chǎn)生的電荷與作用力的大小成正比，與晶片尺寸有關(guān)。任務(wù)二 橋墩水下部位缺陷的檢測二、壓電傳感器的工作原理（二）石英晶體的壓電效應(yīng)任務(wù)二 橋墩水下部位缺陷的檢測二、壓電傳感器的工作原理（二）石英晶體的壓電效應(yīng)3.石英晶體壓電效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理 石英晶體的化學(xué)分子式為SiO2，每一個(gè)晶體單元中有三個(gè)硅離子和六個(gè)氧離子，它們交替排列，在垂直于Z軸平面上分布在正六邊形的頂角上，如圖4-29a所示。當(dāng)作用力為零時(shí)，正負(fù)電荷平衡，外部不帶電。任務(wù)二 橋墩水下部位缺陷的檢測二、壓電傳感器的工作原理（二）石英晶體的壓電效應(yīng)任務(wù)二 橋墩水下部位缺陷的檢測二、壓電傳感器的工作原理（三）壓電陶瓷的壓電效應(yīng) 原始的壓電陶瓷由于內(nèi)部各個(gè)電疇無規(guī)則排列，極化效應(yīng)抵消，因此不具有壓電效應(yīng)。當(dāng)外加直流電場時(shí)，使得電疇規(guī)則排列，這時(shí)壓電陶瓷就有了壓電特性。在極化電場去除后，電疇方向基本不變，留下了很強(qiáng)的剩余極化。極化過的壓電陶瓷受外力作用時(shí)，其表面能產(chǎn)生電荷，如圖4-30所示，所以壓電陶瓷也具有壓電效應(yīng)。壓電陶瓷的壓電系數(shù)比石英晶體的壓電系數(shù)大得多，因此其靈敏度較高，而且制造成本較低，被廣泛使用。任務(wù)二 橋墩水下部位缺陷的檢測二、壓電傳感器的工作原理（三）壓電陶瓷的壓電效應(yīng)任務(wù)二 橋墩水下部位缺陷的檢測二、壓電傳感器的工作原理（四）高分子壓電材料 高分子壓電材料是近年來發(fā)展很快的一種新型材料，是柔軟的、根據(jù)需要可制成薄膜或電纜套管等形狀的壓電材料。它不易破碎，具有防水性，可以大量連續(xù)拉制成較大面積或較長尺寸，因此價(jià)格便宜。其測量動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)80dB，頻率響應(yīng)范圍從0.1109Hz，壓電常數(shù)比壓電陶瓷高數(shù)十倍，在一些不要求測量精度的場合，如防盜、振動(dòng)測量等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。任務(wù)二 橋墩水下部位缺陷的檢測三、壓電傳感器的等效電路與測量電路（一）壓電傳感器的等效電路 壓電傳感器可以等效為一個(gè)與電容相并聯(lián)的電荷源或者是一個(gè)與電容相串聯(lián)的電壓源，如圖4-31所示。任務(wù)二 橋墩水下部位缺陷的檢測三、壓電傳感器的等效電路與測量電路（二）壓電傳感器的常用結(jié)構(gòu)形式 在實(shí)際使用中，如僅用單片壓電元件，必須有很大的作用力才能產(chǎn)生足夠的表面電荷。為了提高輸出靈敏度，常用兩片或多片組合在一起使用。由于壓電材料是有極性的，因此連接方法有兩種：任務(wù)二 橋墩水下部位缺陷的檢測三、壓電傳感器的等效電路與測量電路（二）壓電傳感器的常用結(jié)構(gòu)形式將兩塊壓電片串聯(lián)，在外力作用下，正電荷在上極板，負(fù)電荷在下極板，中間極板上片產(chǎn)生的負(fù)電荷與下片產(chǎn)生的正電荷抵消，因此串聯(lián)的總電荷量等于單片產(chǎn)生的電荷量，而輸出電壓為單片電壓的兩倍，使總電容減小為單片電容的一半。將兩塊壓電片并聯(lián)，在外力作用下，極板上產(chǎn)生的電荷量增加為單片的兩倍，而輸出電壓不變，使總電容增大為單片電容的兩倍。由于電荷提高，電容也提高了，適用于測量慢變信號(hào)，以電荷輸出的場合。1.串聯(lián)接法2.并聯(lián)接法任務(wù)二 橋墩水下部位缺陷的檢測三、壓電傳感器的等效電路與測量電路（三）壓電傳感器的測量電路 壓電傳感器具有內(nèi)阻抗很高，而輸出信號(hào)微弱的特點(diǎn)。因此要求測量電路的前級(jí)放大器有足夠高的阻抗，防止電荷迅速泄露，并且要完成信號(hào)放大。任務(wù)二 橋墩水下部位缺陷的檢測三、壓電傳感器的等效電路與測量電路（三）壓電傳感器的測量電路 壓電傳感器的測量電路有兩種：電壓放大器和電荷放大器。如圖4-32所示，圖中RS為內(nèi)部泄漏電阻。任務(wù)二 橋墩水下部位缺陷的檢測四、壓電傳感器的使用注意事項(xiàng) 壓電傳感器的工作原理是基于壓電效應(yīng)，但壓電傳感器不能用于靜態(tài)測量，這是因?yàn)楫?dāng)外力作用在壓電元件上產(chǎn)生的電荷只有在無泄漏的情況下才能保存，這實(shí)際上是不可能的，所以壓電元件不能用于靜態(tài)測量。而在交變力的作用下，電荷可以不斷補(bǔ)充，瞬時(shí)的電荷輸出正比于外部作用力，故能用于動(dòng)態(tài)測量。任務(wù)二 橋墩水下部位缺陷的檢測任務(wù)實(shí)施一、合理選擇壓電傳感器的類型 制作壓電傳感器的壓電材料可以是石英晶體、壓電陶瓷和高分子壓電材料等。它們的特性各有不同，因此用途也不一樣。石英晶體主要用于精密測量，大多用作實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)傳感器；壓電陶瓷靈敏度較高，機(jī)械強(qiáng)度較低，廣泛用作測力和振動(dòng)傳感器；高分子壓電材料一般用作定性測量。任務(wù)二 橋墩水下部位缺陷的檢測任務(wù)實(shí)施一、合理選擇壓電傳感器的類型 檢測橋墩水下及地表以下部位缺陷是通過放在橋墩上的傳感器感受橋墩的振動(dòng)，從而來檢測橋墩內(nèi)部有無缺陷的。因此可選用壓電陶瓷制作的壓電式加速度傳感器。任務(wù)二 橋墩水下部位缺陷的檢測二、正確使用壓電式加速度傳感器（一）壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu) 如圖4-33所示為壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)圖，它主要由壓電元件、質(zhì)量塊、預(yù)壓彈簧、機(jī)座及外殼等組成。壓電元件由兩片壓電晶片組成，在壓電片的兩個(gè)表面涂銀層，兩個(gè)壓電片之間夾一片金屬片，并引出一根輸出線，另一根輸出引線直接與傳感器的機(jī)座相連。任務(wù)二 橋墩水下部位缺陷的檢測二、正確使用壓電式加速度傳感器（二）壓電式加速度傳感器檢測橋墩缺陷的工作原理 如圖4-34a所示，測量時(shí)，將壓電式加速度傳感器的基座與橋墩固定在一起，然后通過放電炮的方式使放在橋墩上的水箱振動(dòng)，橋墩承受垂直方向的激勵(lì)，傳感器的基座同時(shí)承受振動(dòng)，內(nèi)部質(zhì)量塊也產(chǎn)生相同的振動(dòng)，并受到與加速度方向相反的慣性力的作用，這樣，質(zhì)量塊就有一正比于加速度的交變力作用在壓電片上。任務(wù)二 橋墩水下部位缺陷的檢測二、正確使用壓電式加速度傳感器（二）壓電式加速度傳感器檢測橋墩缺陷的工作原理任務(wù)二 橋墩水下部位缺陷的檢測其他案例（一）壓電式單向測力傳感器 如圖4-35所示為壓電式單向測力傳感器的結(jié)構(gòu)圖，主要由壓電晶片、絕緣套、電極、上蓋和基座等組成。任務(wù)二 橋墩水下部位缺陷的檢測其他案例（二）煤氣灶電子點(diǎn)火裝置 利用壓電元件受到?jīng)_擊能產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象，能將壓電元件用來點(diǎn)火，如煤氣灶、打火機(jī)、燃?xì)鉄崴鞯赛c(diǎn)火裝置都采用了壓電傳感器。如圖4-36所示為煤氣灶電子點(diǎn)火裝置示意圖。當(dāng)使用者將開關(guān)往里按時(shí)，有一很大的力沖擊壓電陶瓷，由于壓電效應(yīng)，在壓電陶瓷上產(chǎn)生數(shù)千伏高壓脈沖，通過電極尖端放電，產(chǎn)生電火花；將開關(guān)旋轉(zhuǎn)，把氣閥門打開，電火花就將燃燒氣體點(diǎn)燃。任務(wù)二 橋墩水下部位缺陷的檢測其他案例（三）壓電式壓力傳感器任務(wù)二 橋墩水下部位缺陷的檢測其他案例（三）壓電式壓力傳感器 壓電式壓力傳感器如圖4-37所示。壓電元件（一般為壓電陶瓷）夾于兩個(gè)彈性膜片之間，一個(gè)面與一膜片接觸并接地，另一面與另一膜片接觸并通過引線將電荷引出。任務(wù)二 橋墩水下部位缺陷的檢測其他案例（四）壓電式玻璃破碎報(bào)警器 如圖4-38所示為壓電式玻璃破碎傳感器的外形和內(nèi)部電路示意圖。它是利用壓電陶瓷的壓電效應(yīng)制成的玻璃破碎入侵探測器。任務(wù)二 橋墩水下部位缺陷的檢測其他案例（五）高分子壓電材料用于交通監(jiān)測 如圖4-40所示，將兩根高分子壓電電纜埋在公路上，當(dāng)車輛經(jīng)過時(shí)，壓電電纜受到擠壓，產(chǎn)生壓電脈沖，根據(jù)輸出信號(hào)可進(jìn)行車速監(jiān)測、獲得車型信息（包括軸數(shù)、軸距、輪距等）、闖紅燈拍照、收費(fèi)站地磅、道路監(jiān)控等。任務(wù)二 橋墩水下部位缺陷的檢測其他案例（五）高分子壓電材料用于交通監(jiān)測任務(wù)二 橋墩水下部位缺陷的檢測訓(xùn)練一下 上網(wǎng)查找各種壓電傳感器的資料，列出它們的型號(hào)、特點(diǎn)、性能、價(jià)格和應(yīng)用范圍等內(nèi)容，寫一篇調(diào)研報(bào)告。