4.2桥墩水下部位缺陷的检测（课件）-《传感器及检测技术》同步教学（江苏凤凰教育出版社）

项目四 力检测 项目四 力检测 目 录 1 任务一 电子台秤的重量检测 2 任务二 桥墩水下部位缺陷的检测 项目四 力检测 学习目标 能了解弹性敏感元件的特性和要求。 能了解几种常用测力称重传感器的特点、用途等。 掌握电阻应变效应及半导体的压阻效应。 掌握单臂、双臂和全桥测量电路的异同点。 会连接电桥电路并进行测试。 会对测试数据进行分析。 能理解压电式传感器的工作原理及特点。 能理解测力传感器与压电传感器的应用电路。 任务二 桥墩水下部位缺陷的检测 任务提出 桥墩水下及地表以下部位由于各种原因会产生一些缺陷，如图4-24所示，它是很难发现的，但又直接威胁到桥梁的安全。用压电式加速度传感器通过检测桥墩对振动的响应，再进行频谱分析，可判定桥墩的内部缺陷。 任务二 桥墩水下部位缺陷的检测 相关知识 压电式传感器是利用某些物质的压电效应制作的传感器。它是一种典型的有源传感器，又称自发电式力敏感传感器。它具有体积小、重量轻、频率宽、灵敏度高、结构简单、工作可靠等特点。因此在各种动态力、机械冲击与振动的测量，以及声学、医学、力学等方面得到了广泛的应用。 任务二 桥墩水下部位缺陷的检测 一、压电传感器、压电材料的外形和技术指标 （一）压电式振动加速度传感器的外形 压电式振动加速度传感器的外形如图4-25所示。 任务二 桥墩水下部位缺陷的检测 一、压电传感器、压电材料的外形和技术指标 （二）压电加速度传感器的技术指标 ①灵敏度：500mV/g ②量程：0~10 g ③频率范围：4～4000Hz ④线性度：≤1% ⑤分辨力：0．00004 g ⑥安装谐振点：15kHz 任务二 桥墩水下部位缺陷的检测 二、压电传感器的工作原理 （一）压电效应 压电效应是可逆的，即有两种压电效应。当某些电介质在一定的方向上受到外力作用而变形时，内部产生极化现象，同时在其表面上产生电荷；当外力消失时，电荷也消失，又回到原来不带电的状态。这种机械能转变为电能的现象，称为正压电效应，简称压电效应。相反，在电介质的极化方向上施加电场，它会产生机械变形，当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失。这种将电能转换为机械能的现象称为逆压电效应。 任务二 桥墩水下部位缺陷的检测 二、压电传感器的工作原理 （二）石英晶体的压电效应 石英晶体是一种性能良好的压电晶体，它具有性能稳定（在20~200℃的范围内，压电常数的变化率仅为-0．0001/℃）、自振频率高、动态相应好、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。但石英晶体的压电常数较小，一般用来制作成标准传感器、高精度传感器和使用温度较高的传感器。而普通测量中基本都采用压电陶瓷。 任务二 桥墩水下部位缺陷的检测 二、压电传感器的工作原理 （二）石英晶体的压电效应 石英晶体的外形是规则的六角棱柱体，它有三个晶轴，如图4-27所示。 任务二 桥墩水下部位缺陷的检测 二、压电传感器的工作原理 （二）石英晶体的压电效应 1.纵向压电效应 若从石英晶体上沿Y轴方向切下如图4-27c所示的晶片，当沿着X轴对晶片施加作用力时，在垂直于X轴的表面上产生电荷qX。如图4-28a、b所示，产生的电荷与作用力的大小成正比，与晶片尺寸无关。 任务二 桥墩水下部位缺陷的检测 二、压电传感器的工作原理 （二）石英晶体的压电效应 2.横向压电效应 若在同一晶片上，沿Y轴对晶片施加作用力时，在垂直于X轴的表面上产生电荷。如图4-28c、d所示，产生的电荷与作用力的大小成正比，与晶片尺寸有关。 任务二 桥墩水下部位缺陷的检测 二、压电传感器的工作原理 （二）石英晶体的压电效应 任务二 桥墩水下部位缺陷的检测 二、压电传感器的工作原理 （二）石英晶体的压电效应 3.石英晶体压电效应的产生机理 石英晶体的化学分子式为SiO2，每一个晶体单元中有三个硅离子和六个氧离子，它们交替排列，在垂直于Z轴平面上分布在正六边形的顶角上，如图4-29a所示。当作用力为零时，正负电荷平衡，外部不带电。 任务二 桥墩水下部位缺陷的检测 二、压电传感器的工作原理 （二）石英晶体的压电效应 任务二 桥墩水下部位缺陷的检测 二、压电传感器的工作原理 （三）压电陶瓷的压电效应 原始的压电陶瓷由于内部各个电畴无规则排列，极化效应抵消，因此不具有压电效应。当外加直流电场时，使得电畴规则排列，这时压电陶瓷就有了压电特性。在极化电场去除后，电畴方向基本不变，留下了很强的剩余极化。极化过的压电陶瓷受外力作用时，其表面能产生电荷，如图4-30所示，所以压电陶瓷也具有压电效应。压电陶瓷的压电系数比石英晶体的压电系数大得多，因此其灵敏度较