《傳感器及檢測(cè)技術(shù)》配套PPT課件

《傳感器及檢測(cè)技術(shù)》配套PPT課件,傳感器及檢測(cè)技術(shù),傳感器,檢測(cè),技術(shù),配套,PPT,課件 PPT模板下載： 力檢測(cè)目錄1 1任務(wù)一 電子臺(tái)秤的重量檢測(cè)2 2任務(wù)二 橋墩水下部位缺陷的檢測(cè) 項(xiàng)目四 力檢測(cè)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(cè)力稱(chēng)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(cè)量電路的異同點(diǎn)。會(huì)連接電橋電路并進(jìn)行測(cè)試。會(huì)對(duì)測(cè)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(cè)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(cè)任務(wù)提出 在超市、集貿(mào)市場(chǎng)等很多場(chǎng)所，我們都會(huì)用到稱(chēng)重電子秤，那么，電子秤又是如何稱(chēng)重的呢？本節(jié)就來(lái)討論這個(gè)問(wèn)題。首先要將稱(chēng)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(cè)力傳感器，然后經(jīng)過(guò)測(cè)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(cè)一、測(cè)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(cè)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(guò)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(cè)一、測(cè)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(cè)一、測(cè)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?lái)尺寸或形狀的現(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(lái)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(cè)一、測(cè)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(cè)一、測(cè)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(cè)一、測(cè)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(xiàn)與卸載特性曲線(xiàn)的不重合程度，稱(chēng)為彈性滯后。它是應(yīng)變式傳感器測(cè)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(guò)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(cè)量中的測(cè)量誤差。任務(wù)一 電子臺(tái)秤的重量檢測(cè)一、測(cè)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(lèi)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(xiàn)膨脹系數(shù)小且穩(wěn)定。抗氧化性和抗腐蝕性等化學(xué)性能良好。任務(wù)一 電子臺(tái)秤的重量檢測(cè)一、測(cè)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(lèi)型2.彈性元件的類(lèi)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(cè)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(cè)量范圍寬，可制成各種機(jī)械量傳感器，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕，可在超低溫、強(qiáng)振動(dòng)、強(qiáng)磁場(chǎng)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(cè)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(cè)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(chǎng)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(cè)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(lèi)傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(zhǎng)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(chē)衡、軌道衡等場(chǎng)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(cè)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(cè)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(chēng)重場(chǎng)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(cè)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(cè)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(zhǎng)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(chē)衡、軌道衡、料斗秤等場(chǎng)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(cè)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(chēng)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(chē)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(cè)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(cè)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(xiàn)上，因此它的受力穩(wěn)定，稱(chēng)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(cè)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(lèi)。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(lèi)型的電阻應(yīng)變片。（二）電阻應(yīng)變片的種類(lèi)與結(jié)構(gòu)任務(wù)一 電子臺(tái)秤的重量檢測(cè)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(xiàn)四部分組成。（二）電阻應(yīng)變片的種類(lèi)與結(jié)構(gòu)任務(wù)一 電子臺(tái)秤的重量檢測(cè)二、電阻應(yīng)變式傳感器（二）電阻應(yīng)變片的種類(lèi)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(guò)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(xiàn)焊接于敏感柵兩端，作連接測(cè)量導(dǎo)線(xiàn)之用。任務(wù)一 電子臺(tái)秤的重量檢測(cè)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(chēng)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(xiàn)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(xiàn)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(cè)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(cè)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(cè)任務(wù)實(shí)施 根據(jù)電子臺(tái)秤的稱(chēng)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(cè)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(cè)力傳感器的類(lèi)型任務(wù)一 電子臺(tái)秤的重量檢測(cè)二、正確使用測(cè)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(cè)二、正確使用測(cè)力傳感器（一）電橋電路2.雙臂電橋 根據(jù)被測(cè)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(chēng)為雙臂電橋電路，又稱(chēng)差動(dòng)半橋電路。任務(wù)一 電子臺(tái)秤的重量檢測(cè)二、正確使用測(cè)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(cè)二、正確使用測(cè)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(cè)二、正確使用測(cè)力傳感器（二）使用注意事項(xiàng)選擇稱(chēng)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(chēng)重傳感器一般工作在滿(mǎn)量程的30%70之間。稱(chēng)重傳感器使用中最大載荷不能超過(guò)滿(mǎn)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(cè)量誤差。任務(wù)一 電子臺(tái)秤的重量檢測(cè)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(chē)的能力，一般在吊桿上安裝有吊桿秤，如圖4-18所示，稱(chēng)重范圍在010t，可選擇電阻應(yīng)變式測(cè)力傳感器。任務(wù)一 電子臺(tái)秤的重量檢測(cè)其他案例（二）汽車(chē)衡 汽車(chē)衡也稱(chēng)地磅，如圖4-19所示，它是用于大宗貨物計(jì)量的主要稱(chēng)重設(shè)備。汽車(chē)衡主要由承重傳力機(jī)構(gòu)（秤體），高精度稱(chēng)重傳感器和稱(chēng)重顯示儀三部分組成。任務(wù)一 電子臺(tái)秤的重量檢測(cè)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(wàn)用表等，請(qǐng)你試著連接電路，并進(jìn)行調(diào)測(cè)，然后稱(chēng)出你及周?chē)瑢W(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(cè)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(guò)檢測(cè)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(cè)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(chēng)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(jiǎn)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(cè)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(cè)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(cè)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(xiàn)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(cè)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(lái)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(chēng)為正壓電效應(yīng)，簡(jiǎn)稱(chēng)壓電效應(yīng)。相反，在電介質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)，它會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，當(dāng)去掉外加電場(chǎng)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(chēng)為逆壓電效應(yīng)。任務(wù)二 橋墩水下部位缺陷的檢測(cè)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(xiàn)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(lái)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(cè)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(cè)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(cè)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(wú)關(guān)。任務(wù)二 橋墩水下部位缺陷的檢測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(wú)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(chǎng)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(chǎng)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(guò)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(cè)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(cè)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(lái)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(zhǎng)尺寸，因此價(jià)格便宜。其測(cè)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(cè)量精度的場(chǎng)合，如防盜、振動(dòng)測(cè)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(cè)三、壓電傳感器的等效電路與測(cè)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(cè)三、壓電傳感器的等效電路與測(cè)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(cè)三、壓電傳感器的等效電路與測(cè)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(cè)量慢變信號(hào)，以電荷輸出的場(chǎng)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(cè)三、壓電傳感器的等效電路與測(cè)量電路（三）壓電傳感器的測(cè)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(cè)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(cè)三、壓電傳感器的等效電路與測(cè)量電路（三）壓電傳感器的測(cè)量電路 壓電傳感器的測(cè)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(cè)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(cè)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(wú)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(cè)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(cè)量。任務(wù)二 橋墩水下部位缺陷的檢測(cè)任務(wù)實(shí)施一、合理選擇壓電傳感器的類(lèi)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(cè)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(cè)力和振動(dòng)傳感器；高分子壓電材料一般用作定性測(cè)量。任務(wù)二 橋墩水下部位缺陷的檢測(cè)任務(wù)實(shí)施一、合理選擇壓電傳感器的類(lèi)型 檢測(cè)橋墩水下及地表以下部位缺陷是通過(guò)放在橋墩上的傳感器感受橋墩的振動(dòng)，從而來(lái)檢測(cè)橋墩內(nèi)部有無(wú)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(cè)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(xiàn)，另一根輸出引線(xiàn)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(cè)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(cè)橋墩缺陷的工作原理 如圖4-34a所示，測(cè)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(guò)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(cè)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(cè)橋墩缺陷的工作原理任務(wù)二 橋墩水下部位缺陷的檢測(cè)其他案例（一）壓電式單向測(cè)力傳感器 如圖4-35所示為壓電式單向測(cè)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(cè)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(lái)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(kāi)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(guò)電極尖端放電，產(chǎn)生電火花；將開(kāi)關(guān)旋轉(zhuǎn)，把氣閥門(mén)打開(kāi)，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(cè)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(cè)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(guò)引線(xiàn)將電荷引出。任務(wù)二 橋墩水下部位缺陷的檢測(cè)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(cè)器。任務(wù)二 橋墩水下部位缺陷的檢測(cè)其他案例（五）高分子壓電材料用于交通監(jiān)測(cè) 如圖4-40所示，將兩根高分子壓電電纜埋在公路上，當(dāng)車(chē)輛經(jīng)過(guò)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(chē)速監(jiān)測(cè)、獲得車(chē)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(cè)其他案例（五）高分子壓電材料用于交通監(jiān)測(cè)任務(wù)二 橋墩水下部位缺陷的檢測(cè)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(xiě)一篇調(diào)研報(bào)告。