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2.3 压电式测力传感器的应用
2.3.1 压电式测力传感器的分类
压电式力传感器按其用途和压电元件组成可分为单向力、双向力和三向力传感器。它可以测量几百至几万牛顿的动态力。
1、单向力传感器
单向力传感器的压电元件采用 （即 ）切型石英晶体，利用其纵向压电效应，通过 实现力——电转换。
2、双向力传感
双向力传感器基本上有两种组合，其一是垂直分力与切向分力，即 与 （或 ）；其二是测量互相垂直的两个切向分力，即 与 。无论那一种组合，传感器的结构形式相似。
3、三向力传感器
三向力传感器可以对空间任一个或三个力同时进行测量。传感器有三组石英晶片，三组输出的极性相同。
2.3.2 压电式测力传感器的应用及工作原理
1、单向力传感器：
如图3-1所示：两片压电晶片沿电轴方向叠在一起，采用并联接法，中间为片形电极（负极），它收集负电荷。底座与传力盖形成正极，绝缘套使正、负极隔离。
图 单向压电石英力传感器结构
压电式测力传感器由石英晶片、绝缘套、电极、上盖及底座等组成。传感器上盖为传力元件，被测力F通过上盖使压电晶片沿电轴方向受压力作用，将产生弹性形变，将力传递到两片并联的压电晶片上，产生电荷，负电荷由中间电极输出，正电荷直接与底座连接输出。
这种传感器有以下特点：
①、体积小，重量轻（仅10g）；
②、固有频率高（约50—60KHz）；
③、可检测高达5000N（变化频率少于20KHz）的动态力，
④、分辩率高，可达10-3N 。
2、压电式金属加工切削力测量
图 金属加工力测量示意图
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。如图3-2所示，图中压电传感器位于车刀前部的下方, 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。
3、梁式力传感器
图 粱式力传感器图示
等强度弹性元件的悬臂梁如图3-4所示：梁的固定端宽度为 ，自由端宽度为 ，梁长为 ，梁厚为 。当集中力 作用在自由端时，距作用力任何距离x的截面上的应力 相等。因此，沿着梁的长度方向上的截面抗弯模量 的变化与弯矩 的变化成正比，即
（3.1）图 等强度弹性元件的悬臂梁
在等强度的设计中，往往采用矩形截面，保持截面厚度不变，只改变梁的宽度。设沿梁长度方向上某一截面到力的作用点的距离为 ， 为与 值相应的梁宽，则等强度梁各点的应变值为 （3.2）式中： 为传感器的弹性模量。
如果当电桥的供电电压为 时，其输出电压 为 （3.3）
带入上式消去 ，可得 （3.4）
整理可得： （3.5）粱式力传感器弯曲悬臂梁结构，外形高度低，结构强度高。用于拉伸力或压缩力测量，抗偏、抗侧向力强； 防尘密封，量程范围广，精度高，性能稳定可靠，安装使用方便；拉式或压式承载；适用于电子秤、衡器等各种测力/称重的工业自动化测量控制系统。
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