力与压力检测在工程应用中的重要性及电阻应变原理分析

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力的检测在工程应用中极为重要，往往是确定设备安全使用的主要性能指标，在工况监测中广泛应用，如压力加工、水坝强度监测、机械制造等。又如气动设备需要进行压力检测，以防压力过大，对人员造成伤害。还有飞机气流分布、机翼的抖动等均要使用压力传感器进行检测。

力学量的检测在行业上主要使用电阻应变片将受力转换为应变，进而改变电阻引起电路参量变化。除了电阻应变以外，随着现代半导体技术的发展，压阻式、压磁式和压电式传感器也得到了长足发展，丰富了力的检测方法。如图2-1所示为一些常用压力传感器示例。

图2-1　常用压力传感器

（a）电阻应变式传感器；（b）压阻式传感器；（c）压电式传感器

相关知识

一、电阻应变式传感器

电阻应变式测力传感器多应用于工程检测上，如水坝、桥梁、涵洞等结构件的应力监测，也应用于变形测试和振动检测等行业中，在称重检测中也得到广泛的应用。

1.应变效应

导体或半导体材料在受到外界力（拉力或压力）作用时，产生机械变形，机械变形导致其阻值变化，这种因形变而使其阻值发生变化的现象称为“应变效应”。

以金属电阻丝为例，其电阻与金属材料的电阻率及其几何尺寸有关，未受力之前的金属电阻丝的电阻R 为：

式中 ρ——金属电阻丝的电阻率；

L——金属电阻丝的长度；

A——金属电阻丝的截面积。

如图2-2所示，当金属电阻丝受到外力作用时，导体或半导体的阻值随其机械应变而变化，因为当电阻丝受到拉力F 作用时，将伸长ΔL，横截面积相应减小ΔA，电阻率将因变形而改变Δρ，故引起电阻值相对变化量为：

式中 K0——金属电阻丝的灵敏度，为常数；

ε——金属电阻丝的轴向应变，。

图2-2　电阻应变效应示意图

由式（2-2）可知金属电阻丝的电阻相对变化量与轴向应变成正比关系，从而可以通过测量电阻的变化，得知金属材料应变的大小。金属电阻丝的灵敏度受两个因素影响：一个是受力后材料几何尺寸的变化；另一个是受力后材料的电阻率发生的变化。金属材料的灵敏度以受力后几何尺寸的变化为主，不同的金属材料虽然灵敏度有所差异，但是一般都在1～2 之间。而半导体材料则相反，受力后电阻率发生很大的变化，所以灵敏度比金属材料大几十倍。

2.电阻应变片的测量原理

实际应用时，通常将电阻丝做成电阻应变片后用于测量机械应变，如图2-3所示的是电阻应变片的结构示意图。以电阻应变片为例，将金属电阻丝排列成栅网状粘贴在绝缘基片上，上面覆盖一层薄膜，电阻丝两端焊有引出线，使它们变成一个整体，这就是电阻应变片的基本结构。图中电阻应变片的有效工作部分称为敏感栅，l 为敏感栅的长度，b 为敏感栅的宽度。

图2-3　电阻应变片的结构示意图

1—敏感栅；2—基片；3—覆盖层薄膜；4—引线

用电阻应变片测量试件的应变或应力时，首先将电阻应变片贴在试件表面，在外力作用下，试件产生微小机械变形，应变片随之发生变形，导致应变片电阻也发生相应变化。只要测得应变片电阻值变化量ΔR 时，便可得到试件的应变值ε，根据应力和应变的关系，得到应力值：

式中 F——试件的受力；

ε——试件的应变；

E——试件材料的弹性模量；

A——试件的横截面积。

由式（2-3）可知，试件受力F 正比于电阻值的相对变化量ΔR／R。在应变片的灵敏度K0 和试件的横截面积A 以及弹性模量E 均已知的情况下，只要测得ΔR／R 的数值，就可知试件所受的应力F 的大小。

3.电阻应变片的种类和结构

电阻应变片种类繁多，形式多样，但常用的应变片可分为两类：金属电阻应变片和半导体应变片。金属电阻应变片根据敏感栅分为丝式、箔式、薄膜式三种。

（1）金属丝式应变片

金属丝式应变片有回线式和短接式二种。如图2-4（a）、（c）所示为回线式金属丝式应变片，其制作简单，性能稳定，成本低，易粘贴，最为常用，但其应变横向效应较大。如图2-4（b）、（d）所示为短接式金属丝式应变片，其两端用直径比栅线直径大5～10 倍的镀银丝短接。优点是克服了横向效应，但制造工艺复杂。

图2-4　丝式应变片

（a）回线式；（b）、（c）短接式

（2）金属箔式应变片

金属箔式应变片是利用照相制版或光刻技术将厚0.003～0.01 mm 的金属箔片制成所需图形的敏感栅，也称为应变花。其优点为：①可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅，其栅长可做到0.2 mm，以适应不同的测量要求；②与被测件粘贴结面积大；③散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏度；④横向效应小；⑤蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长。但箔式应变片电阻值的分散性比金属丝式的大，有的相差几十欧姆，需做阻值调整。在常温下，金属箔式应变片已逐步取代了金属丝式应变片。各种箔式应变片如图2-5所示。

图2-5　箔式应变片

（3）金属薄膜应变片

金属薄膜应变片是采用真空蒸发或真空沉淀等方法在薄的绝缘基片上形成0.1 μm 以下的金属电阻薄膜的敏感栅，最后再加上保护层。它的优点是应变灵敏度系数大，允许电流密度大，工作范围广。

4.电阻应变片的测量转换电路

由于机械应变一般都很小，要把微小应变引起的微小电阻值的变化（5×10 -4～10 -1 Ω）直接使用欧姆表测量出来非常困难。因此要把电阻相对的变化ΔR／R 测量出来需要设计专用的测量电路，通常采用不平衡电桥测量微小的电阻值变化。实际应用中，常采用直流电桥作为不平衡电桥测量阻值的变化。

（1）直流电桥的平衡条件

直流电桥的基本形式如图2-6（a）所示。R1、R2、R3、R4 称为电桥的桥臂，RL 为其负载（可以是测量仪表内阻或其他负载）。当RL →＋（开路）时，电桥的输出电压Uo 应为：

当电桥平衡时，Uo＝0，由式（2-4）可得：

式（2-5）称为电桥平衡条件。

图2-6　直流电桥测量电路

（a）基本测量电路；（b）调零测量电路

在实际测量中，电桥的4 个桥臂可以由应变片来替代，微小应变引起微小电阻的变化，电桥则输出不平衡电压的微小变化。一般直流电桥的输出需要加入放大器放大，由于放大器的输入阻抗可以比桥路输出电阻高得多，所以此时仍视电桥为开路情况。为了获得最大的电桥输出，常采用全等臂电桥（R1＝R4＝R2＝R3）。当应变片受力时，若应变片电阻变化为ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4，当每个桥臂的电阻变化量ΔRi≪Ri 时，电桥输出电压Uo 为：

实际应用时，R1、R2、R3 和R4 不可能严格相等，所以在未受力时，桥路的输出电压Uo 也不一定为零，所以在直流电桥中一般设有调零电路，如图2-6（b）所示。调节Rp 可使电桥平衡，输出电压为零，图中的R5 为限流电阻。

（2）直流电桥的工作方式

根据不同的要求，直流电桥有不同的工作方式，如图2-7所示有单臂电桥、双臂电桥（半桥）、全桥三种工作方式。

图2-7　电桥测量电路

（a）单臂电桥；（b）双臂电桥；（c）全桥

单臂电桥就是将电桥中的一个桥臂用应变片来代替，其余3 个桥臂为固定电阻。如图2-7（a）所示。假设R1 为应变片，R2、R3 和R4 为固定电阻，应变片受力后产生的电阻变化量为ΔR1，则电桥的输出电压Uo 为

将两个应变相反的应变片（即一个应变片受拉，一个受压，应变符号相反）接入电桥的相邻臂上，其余两个桥臂为固定电阻，如图2-7（b）所示，称为双臂电桥或者半桥。若图中ΔR1＝-ΔR2，R1＝R2，该电桥输出电压Uo 为：

将4 个桥臂都用应变片替换，且两个应变片受拉，两个应变片受压，两个应变符号相同应变片的接入相对臂上，则构成全桥电路，如图2-7（c）所示。若满足ΔR1＝-ΔR2＝ΔR3＝-ΔR4，R1＝R2＝R3＝R4，则输出电压Uo 为：

由式（2-9）可知，全桥的输出灵敏度最高，是双臂电桥（半桥）的两倍，单臂电桥的四倍。并且采用双臂电桥（半桥）和全桥的工作方式可以实现温度补偿。在应变片实际使用时，除了应变会引起应变片电阻值变化，温度的变化也会引起应变片电阻值的变化。采用双臂电桥（半桥）或者全桥时，温度引起应变片的电阻值变化ΔRt 相同，代入式（2-8）、式（2-9）后，ΔRt 可以相互抵消，实现温度自动补偿。

5.电阻应变式传感器的应用

电阻应变式传感器主要用于力、压力、加速度等参量的测量，将应变片贴在各类弹性体上，并且将其接到测量转换电路，构成各类应变式传感器，下面就分别介绍几种电阻应变式力、压力、加速度传感器的结构及工作原理。

（1）电阻应变式力传感器

电阻应变式力传感器根据弹性体的不同可以分成柱式、环式和悬臂梁三种。

柱式应变式力传感器分为空心、实心两种，其结构是在圆筒或圆柱上按一定方式粘贴应变片，如图2-8（a）所示。应变片粘贴在弹性体外壁应力分布均匀的中间部分，对称地粘贴多片，然后接入电路构成差动电桥。汽车的称重传感器可以采用柱式力传感器。

环式应变式力传感器的弹性元件是圆形或扁形吊环，将电阻应变片贴在应变最大的地方，如图2-9所示，再接入差动电桥。在相同的情况下，环形弹性元件比柱式弹性元件抗载偏心能力强，测力范围大。环式应变式力传感器适合制作电子吊钩秤。

图2-8　柱式应变式力传感器

（a）结构；（b）侧面展开图

图2-9　环式应变式力传感器

家用的电子秤一般采用悬臂梁式应变式力传感器，如图2-10所示，当外力作用在悬臂梁的自由端时，固定端产生的应变最大，此位置上下两侧分别粘有4 只应变片，R1、R4 同侧；R3、R2 同侧，这两侧的应变方向刚好相反，且大小相等，可构成差动全桥，悬臂梁式应变式力传感器适用于测量500 kg 以下荷重。

（2）电阻应变式压力传感器

电阻应变式压力传感器也适合气体和液体的压力测量，常见的此类传感器采用的弹性元件是薄壁圆筒。如图2-11所示为电阻应变式圆筒型压力传感器，被测流体压力P 作用于筒体内部，沿筒周向贴应变片，检测应变，并将其通过测量转换电路检测出压力的变化。电阻应变式圆筒型压力传感器一般用于管道、枪（炮）受力测量。

图2-10　悬臂梁式应变式力传感器

图2-11　电阻应变式圆筒型压力传感器

（3）电阻应变式加速度传感器

如图2-12为电阻应变式加速度传感器的原理图。传感器由质量块、悬臂梁和底座组成。应变片贴在悬臂梁根部的两侧。如将底座固定在被测物体上，物体以加速度a 运动时，质量块受到与加速度方向相反的惯性力F＝ma。该力致使悬臂梁发生变形，从而引起应变片电阻值变化。

二、压阻式传感器

压阻式传感器是基于半导体材料（单晶硅）的压阻效应原理制成的传感器，单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出。压阻式传感器用于压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他物理量（如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度）的测量。

1.压阻效应

固体材料受到压力后，它的电阻率将发生一定的变化，所有的固体材料都有这个特点，其中以半导体最为显著。当半导体材料在某一方向上承受力时，它的电阻率将发生显著变化，这种现象称为半导体压阻效应，常用的半导体材料为硅。

2.压敏电阻的分类和结构

利用半导体压阻效应制成的电阻称为固态压敏电阻，也叫力敏电阻。用压敏电阻制成的器件有两类：一种是利用半导体材料制成粘贴式的应变片，称为体型半导体电阻应变片；另一种是在半导体的基片上用集成电路的工艺制成扩散型压敏电阻，用它作传感器元件制成的传感器，称为固态压阻式传感器，也叫扩散型压阻式传感器。

（1）体型半导体电阻应变片

体型半导体电阻应变片如图2-13所示，与电阻应变片相同，也是由敏感元件、基底和引线组成，所不同的是应变片的敏感栅是用半导体材料制成的。体型半导体应变片最突出的优点是灵敏度高，这为它的应用提供了有利条件。另外，由于机械滞后小、横向效应小以及它本身体积小等特点，扩大了体型半导体应变片的使用范围。其最大的缺点是温度稳定性差、灵敏度离散程度大（由于晶向、杂质等因素的影响）以及在较大应变作用下非线性误差大，给使用带来了一定困难。

图2-12　电阻应变式加速度传感器原理图

1—应变片；2—悬臂梁；3—质量块；4—底座

图2-13　体型半导体电阻应变片(www.xing528.com)

1—半导体；2—引出线；3—焊接电极；4—外引线；5—基底

（2）固态压阻式传感器

固态压阻式传感器，又称扩散型压阻式传感器，它采用集成工艺直接在硅膜片上按一定晶向制成扩散压敏电阻，直接通过硅膜片感受被测压力。如图2-14所示为压阻式压力传感器内部结构，硅膜片的一面是与被测压力连通的高压腔，另一面是可以与大气连通也可以封闭并抽成真空的低压腔。当硅膜片受压时，膜片的变形将使扩散电阻的阻值发生变化，硅膜片上的扩散电阻通常构成桥式测量电路，相对的桥臂电阻是对称布置的，电阻变化时，电桥输出电压与硅膜片所受压力差成对应关系：如果低压腔与大气相连，输出电压对应于“表压” 相当于大气压的压力；如果低压腔封闭并抽成真空，输出电压对应于“绝对压力”。

图2-14　压阻式压力传感器结构简图

1—低压腔；2—高压腔；3—硅杯；4—引线；5—硅膜片

固态压阻式传感器体积小，结构比较简单，使用广泛，动态响应也好，灵敏度高，能测出十几帕的微压，长期稳定性好，滞后和蠕变小，频率响应高，但测量准确度受到非线性和温度的影响。

3.压阻式传感器的测量电路

若采用固态压阻式传感器测量压力，当硅膜片受压时，硅膜片的变形将使扩散电阻的阻值发生微小变化，但微小的电阻变化很难测量出来。因此，在实际使用时，通常采用恒压源供电和恒流源供电桥式测量电路来测量微小的电阻值变化。

（1）恒压源供电

如图2-15（a）所示为恒压源供电电桥测量电路。假设4 个扩散电阻的起始阻值都相等且为R，当有应力作用时，其中两个电阻的阻值增加，增加量为ΔR，另外两个电阻的阻值减小，减小量为ΔR。另外，由于温度影响，使每个电阻都有ΔRt 的变化量。若忽略温度的影响，ΔRt＝0，电桥的输出电压为：

图2-15　压阻式传感器测量电路

（a）恒压源供电；（b）恒流源供电

由式（2-10）可知电桥输出电压与ΔR／R 成正比，同时又与电源电压U 成正比，表明电桥的输出与电源电压的大小与精度都有关。如ΔRt≠0 时，则USC与ΔRt 有关，而且电桥输出电压与温度的关系是非线性的，所以用恒压源供电时，不能消除温度的影响。

（2）恒流源供电

如图2-15（b）所示为恒流源供电电桥测量电路，4 个扩散电阻的起始阻值都相等且为R，当有应力作用时，其中两个电阻的阻值增加，增加量为ΔR，另外两个电阻的阻值减小，减小量为ΔR；另外由于温度影响，使每个电阻都有ΔRt 的变化量，电桥两个支路的电阻相等，即RABC＝RADC＝2（R＋ΔRt），电桥的输出电压为：

由式（2-11）可知恒流源电桥的输出电压与电阻的变化量成正比，同时也与电源电流I 成正比，即输出电压与恒流源的供给电流大小与精度有关，不受温度影响，故固态压阻式传感器通常采用恒流源供电方式。

4.压阻式传感器应用

压阻式传感器广泛应用于航天、航空、石油化工、动力机械、生物医学工程、气象、地质、地震测量等各个领域。根据压阻效应制成的压阻式传感器主要用来测量压力和加速度，常见的压阻式传感器有扩散型压阻式压力传感器、差频压阻式压力传感器和压阻式加速度传感器，扩散型压阻式压力传感器在之前的知识中已介绍过。

（1）差频压阻式压力传感器

在实际应用中，为了提高压阻式压力传感器的灵敏度和克服零点漂移，一般都采用差频输出的形式。也就是在选择适当的晶向和扩散电阻的位置，做成两套相移振荡器并连接宽带放大器和频率综合器，将其组合在一起构成差频压阻式压力传感器，如图2-16所示。

（2）压阻式加速度传感器

如图2-17所示，压阻式加速度传感器利用单晶硅作为悬臂梁，在其根部扩散出4 个电阻。当悬臂梁（应变梁）自由端的质量块有加速度作用时，悬臂梁受到弯矩作用，产生应力，使4 个电阻阻值发生变化。

图2-16　差频压阻式压力传感器

图2-17　压阻式加速度传感器

1—基座；2—应变梁；3—质量块；4—扩散电阻

三、压电式传感器

压电式传感器是以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面产生电荷，从而实现非电量测量。压电式传感器的敏感元件是力敏元件，所以它能测量最终能变换为力的非电量，例如动态力、动态压力、振动、加速度等，但不能用于静态参数的测量。

1.压电效应

某些电介质在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生变形时，其表面上会产生电荷；若将外力去掉时，它们又重新回到不带电的状态，这种现象就称为“正压电效应”，如图2-18（a）所示。在电介质的两个电极面上，如果加以交流电压，那么电介质能产生机械变形，即在电极方向上有伸缩的现象，这种现象称为“电致伸缩效应”，也叫作“逆压电效应”，如图2-18（b）所示。能产生压电效应的电介质称为压电材料或者压电元件，依据压电效应研制的一类传感器称为压电传感器。常见的压电材料有石英、钛酸钡、锆钛酸铅等。

在晶体的弹性限度内，压电材料受力后，产生的电荷Q 和所施的力F 之间的关系是：

式中 d——压电材料的压电系数。

图2-18　压电效应原理图

（a）正压电效应——外力使晶体产生电荷；（b）逆压电效应——外加电场使晶体产生形变

2.常用的压电材料

压电传感器中的压电材料有石英晶体、压电陶瓷、新型压电材料等。

（1）石英晶体

石英晶体是一种具有良好压电特性的天然晶体，压电系数d11＝2.31×10 -12 C／N，理想的几何形状为正六面体晶柱，如图2-19所示。其压电常数和压电系数的温度稳定性相当好，在常温范围内几乎不随温度变化。石英晶体的突出优点是性能非常稳定，机械强度高，绝缘性能也相当好。但石英晶体价格昂贵，且压电系数比压电陶瓷低得多，因此一般仅用于标准仪器或要求较高的传感器中。

图2-19　石英晶体

（a）晶体外形；（b）切割方向；（c）晶片

（2）压电陶瓷

压电陶瓷是人工制造的一种多晶压电体，原始的压电陶瓷没有压电效应，这主要是压电陶瓷的结构决定的。压电陶瓷由无数电畴组成，每个电畴都有压电效应，由于各个电畴杂乱分布，它们的压电效应相互抵消，所以不具有压电效应。要使之有压电性，必须做极化处理，即在一定温度下对其施加强直流电场，迫使电畴趋向外电场方向做规则排列，如图2-20（b）所示。经极化处理的压电陶瓷具有非常高的压电系数，为石英晶体的几百倍，但机械强度较石英晶体差，由于压电陶瓷的制造成本较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及非铅系压电陶瓷（如BaTiO3 等）。

图2-20　压电陶瓷极化处理

（a）未极化的陶瓷；（b）正在极化的陶瓷；（c）极化后的陶瓷

（3）新型压电材料

高分子压电材料又称压电聚合物，如偏聚氟乙烯（PVDF）（薄膜）及其他为代表的有机压电（薄膜）材料。这类材料是化学性能稳定的柔性材料，成型性能良好、耐冲击、弹性柔软性好，可制造大面积薄膜。它们可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状，经极化处理后就显现出压电特性。具有不易破碎、防水性、可以大量连续控制等特点。在一些不要求测量准确度的场合，例如水声测量、防盗、振动测量等领域中获得应用。

3.压电式传感器的等效电路

压电元件在承受沿敏感轴方向的外力作用后，就会产生正负等量电荷，所以可以把它看成是一个电荷发生器。又由于压电元件上聚集正负电荷的两个表面类似于电容器的两个极板，所以压电元件也可看成是一个电容器，其电容量为：

式中 ε0——真空介电常数；

εr——压电材料的相对介电常数；

d——压电元件的厚度；

S——压电元件极板面积。

因此，可以把压电元件等效成一个与电容相并联的电荷源，也可以等效为一个电压源与电容串联，如图2-21所示。

图2-21　压电元件的等效电路

（a）电荷源；（b）电压源

压电式传感器与测量电路连接时，还应考虑连接线路的分布电容Cc，放大电路的输入电阻Ri，输入电容Ci 及压电式传感器的内阻Ra。所以压电式传感器的实际等效电路如图2-22所示。

图2-22　压电式传感器的实际等效电路

（a）电荷源；（b）电压源

4.压电式传感器的测量电路

压电式传感器的输出信号非常微弱，因此需要接入一个前置放大器，前置放大器的作用有两个：一是把压电元件的高阻抗输出变为传感器的低阻抗输出；二是把传感器的微弱信号进行放大。根据压电式传感器的工作原理及其等效电路，它的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，因此设计前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。

（1）电压放大器

串联输出型压电元件可以等效为电压源，如图2-23所示为电压放大器。理想情况下，电压放大器的输入电压为：

压电式电压放大器的特点是把压电元件的高输出阻抗变换为传感器的低输出阻抗，并保持输出电压与输入电压成正比。

（2）电荷放大器

由于电压前置放大器的输出电压与电缆的分布电容Cc 有关，当压电式传感器和电压放大器之间的连接电缆更换或长度发生变化时，连接电缆的分布电容Cc 也发生变化，进而影响测量结果，所以现在常用的是电荷放大器。并联输出型压电元件可以等效为电荷源，电荷放大器实际上是一个具有反馈电容Cf 的高增益运算放大器电路，如图2-24所示。电荷放大器的输出电压为：

图2-23　电压放大器

图2-24　电荷放大器

电荷放大器的输出电压仅与输入电荷Q 和反馈电容Cf 有关，电缆的分布电容Cc 等其他因素的影响可以忽略不计，因此其灵敏度不受电缆变化的影响，适合远距离传输。

5.压电式传感器的应用

当外力作用在压电元件上产生的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存，因此压电式传感器只能够测量动态的应力，压电式传感器不能用于静态测量。压电式传感器主要用于加速度、动态压力和动态力等的测量。

（1）压电式测力传感器

如图2-25所示为压电式测力传感器结构图，图中两片电荷极性相反的电极安装在钢壳中。压电片之间的导电片为一电极，钢壳为另一电极。作用力F 通过上盖均匀地传递到压电片时，两电极间产生电动势差。这种传感器具有轻巧、频率响应范围宽等特点，适用于测量动态力、冲击力和短时间作用的静态力等。压电式测力传感器可用于机床动态切削力的测量。

（2）压电式压力传感器

基于压电效应的压力传感器种类和型号繁多，按弹性敏感元件和受力机构的形式可分为膜片式和活塞式两类。

如图2-26所示为膜片式测压传感器结构图，它由基座、压电晶片、受压膜片及电极等组成。压电元件支撑于本体上，由膜片将被测压力传递给压电元件，则在压电晶片上产生电荷，此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于被测压力的电信号。这种传感器的特点是体积小、动态特性好、耐高温等。

图2-25　压电式测力传感器

1—石英晶片；2—上盖；3—绝缘套；4—电极；5—基座

图2-26　膜片式测压传感器

1，3—压电元件；2—电极；4—膜片；5—支撑螺杆；6—基座

（3）压电式加速度传感器

压电式加速度传感器的结构一般有纵向效应型、横向效应型和剪切效应型三种。纵向效应型是最常见的，如图2-27所示。当传感器感受振动时，质量块感受与传感器基座相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力的作用，此力为F＝ma。这样，质量块就有一正比于加速度的交变力作用在压电片上。由于压电片压电效应，两个表面上就产生交变电荷，当振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器的输出电荷（电压）与作用力成正比，也与试件的加速度成正比。

输出电量由传感器输出端引出，输入到前置放大器后就可以用普通的测量仪器测出试件的加速度，如在放大器中加进适当的积分电路，就可以测出试件的振动速度或位移。

图2-27　压电式加速度传感器结构图

1—壳体；2—弹簧；3—质量块；4，6—压电片；5—输出端