【文章內容簡介】 4章 機電一體化檢測系統(tǒng) 1. 壓電效應及壓電材料 圖 425表示晶體切片在 z軸和 y軸方向受壓力和拉力時電荷產生方向的情況 。 第 4章 機電一體化檢測系統(tǒng) 圖 425 晶體的壓電原理 第 4章 機電一體化檢測系統(tǒng) 2. 壓電傳感器的結構及特性 壓電傳感器一般由兩片或多片壓電晶體粘合而成 ,由于壓電晶片有電荷極性 ,因此接法上分成并聯(lián)和串聯(lián)兩種 （ 如圖 426所示 )。 第 4章 機電一體化檢測系統(tǒng) 圖 426 (a) 并聯(lián)； (b) 第 4章 機電一體化檢測系統(tǒng) 3. 壓電傳感器的應用 壓電加速度測試傳感器的結構如圖 427 所示。 圖 427 壓電加速度傳感器的結構 第 4章 機電一體化檢測系統(tǒng) 力、力矩檢測 1. 如圖 428所示 ,這種彈性元件結構簡單 ,可承受較大的載荷 ,常用于測量較大力的拉 （ 壓 ） 力傳感器中 ,但其抗偏心載荷和測向力的能力差 ,制成的傳感器高度大 。應變片在柱形和筒形彈性元件上的粘貼位置及接橋方法如圖 428所示 。 第 4章 機電一體化檢測系統(tǒng) 圖 428 柱形和筒形彈性元件組成的測力傳感器 第 4章 機電一體化檢測系統(tǒng) 若在彈性元件上施加一壓力 p,則筒形彈性元件的軸向應變 εL ε=2(1+μ)εL （ 421） 式中 : 。 p——作用于彈性元件上的載荷； E——圓筒材料的彈性模量； μ——圓筒材料的泊松系數(shù)； A——筒體截面積 ,A=π(D1D2) +2／ 4。 其中 ,D1為筒體外徑 , D2為筒體內徑 。 EApEL ???? (420) 第 4章 機電一體化檢測系統(tǒng) 2. 梁式彈性元件 （ 1） 懸臂梁式彈性元件 。 它的特點是結構簡單 ,容易加工 ,粘貼應變片方便 ,靈敏度較高 ,適用于測量小載荷的傳感器 。 圖 429所示為一截面懸臂梁彈性元件 ,在其同一截面正反兩面粘貼應變片 ， 組成差動工作形式的電橋輸出 。 第 4章 機電一體化檢測系統(tǒng) 圖 429 懸臂梁式測力傳感器示意圖 第 4章 機電一體化檢測系統(tǒng) 若梁的自由端有一被測力 p,則應變片感受的應變?yōu)? USC=KεU 0 （ 423） 式中 : 。 l——應變計中心處距受力點距離； b——懸臂梁寬度； h——懸臂梁厚度； E——懸臂梁材料的彈性模量； K——應變計的靈敏系數(shù) 。 (422) 第 4章 機電一體化檢測系統(tǒng) （ 2） 兩端固定梁 。 這種彈性元件的結構形狀 、 參數(shù)以及應變片粘貼組成橋的形式如圖 430所示 。 它的懸臂梁剛度大 ,抗側向能力強 。 粘貼應變片感受應變與被測力 p之 （ 424） 它的電橋輸出與式（ 423 204)4(3E b hll ???第 4章 機電一體化檢測系統(tǒng) 圖 430 兩端固定式測力傳感器示意圖 第 4章 機電一體化檢測系統(tǒng) （ 3） 梁式剪切彈性元件 。 與梁式彈性元件相比 ,它的線性好 、 抗偏心載荷和側向力的能力大 ,其結構和粘貼應變片的位置如圖 431所示 。 第 4章 機電一體化檢測系統(tǒng) 圖 431 梁式剪切型測力傳感器示意圖 第 4章 機電一體化檢測系統(tǒng) 粘貼應變片處的應變與被測力 p之間的關系近似為 （ 425 ） 式中 : G為彈性元件的剪切模量； b和 h為粘貼應變片處梁截面的寬度和高度 。 3. 扭矩測量圖 432所示為電阻應變轉矩傳感器 。 它的彈性元件是一個與被測轉矩的軸相連的轉軸 ,轉軸上貼有與軸線成 45176。 的應變片 ,應變片兩兩相互垂直 ,并接成全橋工作的電路方式 。 應變片感受的應變與被測試件的扭矩 MT的關系如下式： 第 4章 機電一體化檢測系統(tǒng) 圖 432 轉矩傳感器示意圖 第 4章 機電一體化檢測系統(tǒng) MT=2GWT （ 426） 式中 : G=E/2（ 1+μ） 為剪切彈性量； WT為抗扭截面模量 ,實心圓軸的 WT=πD +3/16,空心圓軸的 WT=πD3(1α +4)/16,α=d/D, d為空心圓柱內徑 ,D為外徑 。 1. 它的彈性元件為四周固定的等截面圓形薄板 ,又稱平膜板或膜片 。 其一表面承受被測分布壓力 ,另一側面貼有應變片 。 應變片接成橋路輸出 ,如圖 433所示 。 第 4章 機電一體化檢測系統(tǒng) 圖 433 膜式壓力傳感器 第 4章 機電一體化檢測系統(tǒng) 膜片上粘貼應變片處的徑向應變 εr和切向應變 εt與被測力 p之間的關系為 式中 : 。 x——應變計中心與膜片中心的距離； h——膜片厚度； r——膜片半徑； E——膜片材料的彈性模量； μ——膜片材料的泊松比 。 （ 427） （ 428） 第 4章 機電一體化檢測系統(tǒng) 為保證膜式傳感器的線性度小于 3％ ,在一定壓力作用下 , 2. 筒式壓力傳感器 如圖 434所示 ,工作應變片 R R3沿圓周方向貼在筒壁上 ,溫度補償應變計 R R4貼在筒底壁上 ,并接成全橋線路 。 這種傳感器適用于測量較大壓力 。 對于薄壁圓筒 (壁厚與臂的中面曲率半徑之比 1／ 20),筒壁上工作應變計處的切向應變與被測壓力 p的關系 , pEhr?(429) 第 4章 機電一體化檢測系統(tǒng) 圖 434 筒式壓力傳感器 第 4章 機電一體化檢測系統(tǒng) 對于厚壁圓筒 （ 壁厚與中面曲率半徑之比大于 1／20 ） , （ 431） 式中 : 。 D1——圓筒內孔直徑； D2——圓筒的外壁直徑； E——圓筒材料的彈性模量； μ——圓筒材料的泊松系數(shù) 。 pDDDt ????)(2)2(121??（ 430） pDDDt ????)(2)2(122212??第 4章 機電一體化檢測系統(tǒng) 測量放大器 圖 435為三個運放組成的測量放大器 ,差動輸入端U1和 U 2分別是兩個運算放大器 (A A2)的同相輸入端 ,因此輸入阻抗很高 。 采用