情境四、力的检测.ppt

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情境四力的检测【情境描述情境描述】测力和秤重中都要用到力的测量，力的测量需要通过力敏传感器间接完成，力敏传感器是将各种力学量转换为电信号的器件，是使用广泛的一种传感器，它是生产过程中自动化监测的重要部件。

它的种类很多，有直接将力变换为电量的，如压电式、压阻式传感器等，有经弹性敏感元件或其他敏感元件变换后再转换成电量的，如电阻式、电容式、电感式传感器等。

2任务一重量的检测任务要求在日常生活中，广泛使用各种秤重设备。

为了方便使用，充分发挥秤重设备体积小巧、安全实用、成本低廉、便于携带等特点，一般会使用手提式电子秤，如图4-1所示，秤重范围为12000g，可选择电阻应变式测力传感器。

3任务一重量的检测知识引入力是物理基本量之一，因此各种动态、静态力的大小的测量十分重要，力学量包括质量、力、力矩、压力、应力等。

力学传感器是将各种力学量转换为电信号的器件，力学量可分为几何学量、运动学量及力学量三部分，其中几何学量指的是位移、形变、尺寸等，运动学量是指几何学量的时间函数，如速度、加速度等。

力传感器的测量示意图如图4-2所示。

4一、认识力传感器力学传感器的种类繁多，如应变式传感器、压阻式传力学传感器的种类繁多，如应变式传感器、压阻式传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。

如应用最为式压力传感器及电容式加速度传感器等。

如应用最为广泛的是应变式电阻传感器其外形如图广泛的是应变式电阻传感器其外形如图4-3所示，它具所示，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。

有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。

5一、认识力传感器1测力传感器的弹性敏感元件1）弹性敏感元件的基本概念

（1）刚度

（2）灵敏度（3）弹性滞后（4）弹性后效（5）固有振荡频率2）弹性敏感元件的基本要求6一、认识力传感器2电阻应变计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，金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种，半导体应变片是用锗或硅等半导体材料作为敏感栅，如图4-4所示。

7一、认识力传感器1）金属电阻应变片金属电阻应变片

（1）敏感栅

（2）基体与保护层（3）引线（4）黏贴剂2）半导体电阻应变片半导体电阻应变片

（1）体型半导体电阻应变片

（2）薄膜型半导体电阻应变片（3）扩散型半导体电阻应变片8一、认识力传感器3陶瓷压力传感器4扩散硅压力传感器5蓝宝石压力传感器6半导体压力传感器9二、力传感器的使用1电桥电路1）单臂电桥2）双臂电桥（差分半桥）3）差分全桥10二、力传感器的使用2应变片的粘贴工艺步骤1）应变片的检查与选择2）试件的表面处理3）底层处理4）贴片5）固化6）粘贴质量检查7）引线焊接与组桥连线11二、力传感器的使用3称重传感器使用注意事项

（1）选择称重传感器一定要考虑环境因素、适用范围和精度要求。

（2）选用的称重传感器一般工作在满量程的30%70%之间。

（3）称重传感器使用中最大载荷不能超过满量程的120%。

（4）传感器和仪表应定期进行标定，确保使用精度。

（5）电桥电压要稳定，稳漂、时漂要小，否则会引起测量误差。

12任务实施一、力传感器的选型一、力传感器的选型金属箔式应变片和丝式应变片相比较，有以下特点。

（1）金属箔栅很薄，因而它所感受的应力状态与试件表面的应力状态更为接近。

其次，当箔材和丝材具有同样的截面积时，箔材与粘接层的接触面积比丝材大，使它能更好地和试件共同工作。

第三，箔栅的端部较宽，横向效应较小，因而提高了应变测量的精度。

（2）箔材表面积大，散热条件好，故允许通过较大电流，因而可以输出较大信号，提高了测量灵敏度。

（3）箔栅的尺寸准确、均匀，且能制成任意形状，特别是为制造应变花和小标距应变片提供了条件，从而扩大了应变片的使用范围。

（4）便于成批生产。

（5）缺点：

电阻值分散性大，有的相差几十欧，故需要作阻值调整；生产工序较为复杂，因引出线的焊点采用锡焊，因此不适于高温环境下测量；此外价格较贵。

13二、力传感器的实际应用14三、测量参考电路数显电子秤电路原理如图数显电子秤电路原理如图4-13所示。

所示。

15四、总结调试该数显电子秤外形可参考图该数显电子秤外形可参考图4-1所示的形式。

其中形变钢所示的形式。

其中形变钢件可用普通钢锯条制作，其件可用普通钢锯条制作，其方法是：

首先将锯齿打磨平方法是：

首先将锯齿打磨平整，再将锯条加热至微红，整，再将锯条加热至微红，趁热加工成趁热加工成“U”形，并在对形，并在对应位置钻孔，以便以后安装。

应位置钻孔，以便以后安装。

然后再将其加热至橙红色然后再将其加热至橙红色（约约七八百摄氏度七八百摄氏度），迅速放入冷，迅速放入冷水中淬火，以提高刚度，最水中淬火，以提高刚度，最后进行表面处理工艺。

后进行表面处理工艺。

16能力拓展一、轮胎压力传感器一、轮胎压力传感器轮胎压力传感器是一种无源器件，无需电池，免维护，具有结构简单、可靠性高；低能量（约1mW）、成本低；重量轻（仅3g重），不影响动平衡等优点。

PT5轮胎压力传感器是基于声表面波原理，采用谐振技术，在直径不到半英寸形如纽扣的传感器内部，嵌入三个谐振子，如图4-15所示，除分别对压力和温度敏感的两个，另一个作为频率基准。

由于其体积小、无线等特性，可安装在轮胎内（如图4-16所示），提高了测量准确度。

17二、称重传感器电子计价秤通常选用如图电子计价秤通常选用如图4-17所所示的以铝合金为材料的双复梁式示的以铝合金为材料的双复梁式结构的称重传感器。

结构的称重传感器。

18三、数字式压力测量仪1压力传感器的基本结构和特性2温度补偿3传感器放大电路4A/D转换器5电路装调及压力连接6校准19任务二煤气灶压电点火检测任务要求利用压电元件受到冲击能产生电荷的现象，能将压电元件用来点火，如煤气灶、打火机、燃气热水器等点火装置都采用了压电传感器。

压电传感器体积小，重量轻，工作频带宽，是一种力敏传感器件，它可测量各种动态力，也可测量最终能变换为力的那些非电物理量，如压力、加速度、机械冲击与振动等。

通过煤气灶压电点火检测的任务训练，了解压电元件的材料，熟悉压电元件的基本工作原理，掌握压电元件的连接方法，掌握压电元件的应用。

20任务二煤气灶压电点火检测知识引入广义地讲，凡是利用压电材料各种物理效应构成的传感器，都可以称为压电式传感器。

压电传感器在各种动态力、机械冲击与振动测量以及声学、力学、医学、宇航等领域中得到广泛应用。

例如用它测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度、枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。

它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。

压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的。

21一、认识压电传感器常见的压电传感器如图常见的压电传感器如图4-21所示。

所示。

22一、认识压电传感器1压电效应1）单晶体的压电效应

（1）石英晶体的结构

（2）石英晶体的压电效应（3）石英晶体压电效应的物理解释2）多晶体的压电特性

（1）压电陶瓷的极化未加电场未加电场加电场加电场

（2）压电陶瓷力与电荷的关系3）新型压电材料的压电特性23一、认识压电传感器2压电式加速度传感器1）结构2）工作原理3压电式力传感器24二、压电传感器的使用1压电材料的主要特性指标2压电式传感器的等效电路3压电元件结构及组合形式25二、压电传感器的使用4压电式传感器的测量电路1）电压放大器（阻抗变换器）2）电荷放大器26二、压电传感器的使用5压电式传感器主要应用类型27任务实施一、压电传感器的选型一、压电传感器的选型压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。

压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多，所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。

极化处理后的压电陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温度有关，它的参数也随时间变化，从而使其压电特性减弱。

最早使用的压电陶瓷材料是钛酸钡（BaTiO3）。

它是由碳酸钡和二氧化钛按一定比例混合后烧结而成的。

它的压电系数约为石英的50倍，但使用温度较低，最高只有70，温度稳定性和机械强度都不如石英。

目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅（PZT系列），它是钛酸钡（BaTiO3）和锆酸铅（PbZrO3）组成的Pb（ZrTi）O3，其特点是有较高的压电系数和较高的工作温度。

28二、压电传感器的实际应用压电传感器的工作原理是基于压电效应，但压压电传感器的工作原理是基于压电效应，但压电传感器不能用于静态测量，这是因为当外力电传感器不能用于静态测量，这是因为当外力作用在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏的作用在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，这实际上是不可能的，所以情况下才能保存，这实际上是不可能的，所以压电元件不能用于静态测量。

而在交变力的作压电元件不能用于静态测量。

而在交变力的作用下，电荷可以不断补充，瞬时的电荷输出正用下，电荷可以不断补充，瞬时的电荷输出正比于外部作用力，故能用于动态测量。

比于外部作用力，故能用于动态测量。

利用压电元件受到冲击能产生电荷的现象，能利用压电元件受到冲击能产生电荷的现象，能将压电元件用来点火，如煤气灶、打火机、燃将压电元件用来点火，如煤气灶、打火机、燃气热水器等点火装置都采用了压电传感器。

图气热水器等点火装置都采用了压电传感器。

图4-33所示为煤气灶电子点火装置示意图。

所示为煤气灶电子点火装置示意图。

29三、测量参考电路煤气灶电子点火装置如图煤气灶电子点火装置如图4-33所示。

所示。

30四、总结调试当使用者将开关往里按时，用很大当使用者将开关往里按时，用很大的力冲击压电陶瓷，由于压电效应，的力冲击压电陶瓷，由于压电效应，在压电陶瓷上产生数千伏高压脉冲，在压电陶瓷上产生数千伏高压脉冲，通过电极尖端放电，产生了电火花；通过电极尖端放电，产生了电火花；使用者按下开关的同时，将开关旋使用者按下开关的同时，将开关旋转，把气阀门打开，电火花就将燃转，把气阀门打开，电火花就将燃烧气体点燃了。

烧气体点燃了。

31能力拓展一、压电式玻璃破碎报警器一、压电式玻璃破碎报警器压电式玻璃破碎报警器利用压电元件对振动敏感的特性来感知玻璃受撞击和破碎时产生的振动波。

传感器把振动波转换成电压输出，输出电压经放大、滤波、比较等处理后提供给报警系统，如图4-34所示。

32二、压电式金属加工切削力测量由于压电陶瓷元件的自振频率高，特别适合测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。

图量变化剧烈的载荷。

图4-35所示压电传感器位所示压电传感器位于车刀前部的下方，当进行切削加工时，切削于车刀前部的下方，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。

便测得切削力的变化。

33三、简易压电式传感器的制作压电式力传感器是以压电元件为转换元件，输压电式力传感器是以压电元件为转换元件，输出电荷与作用力成正比的力出电荷与作用力成正比的力-电转换装置。

制作电转换装置。

制作图图4-36所示的简易压电式力传感器可提高对压所示的简易压电式力传感器可提高对压电式传感器的认识，制作中应正确选用压电材电式传感器的认识，制作中应正确选用压电材料，也可选用不同的压电材料进行调试，以比料，也可选用不同的压电材料进行调试，以比较其各自的使用特性。

较其各自的使用特性。

34思考与练习题参见教材参见教材P9335