第四篇力敏傳感器

1、第四章力敏傳感器教學(xué)目標(biāo)：1了解彈性敏感元件的特性和要求。2了解幾種常用測(cè)力稱重傳感器的特點(diǎn)、3.掌握電阻應(yīng)變效應(yīng)及半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)4了解電橋電路的作用。5掌握單臂、雙臂和全橋測(cè)量電路的異同點(diǎn)。6理解壓電式傳感器的工作原理。了解它的特點(diǎn)。7.了解它們的應(yīng)用。力敏傳感器是使用很廣泛的一種傳感器。它是生產(chǎn)過(guò)程中自動(dòng)化檢測(cè)的重要部件。它的種類(lèi)很多，有直接將力變換為電量的如壓電式、壓阻式等，有經(jīng)彈性敏感元件轉(zhuǎn)換后再轉(zhuǎn)換成電量的如電阻式、電容式和電感式等。它主要用于兩個(gè)方面：測(cè)力和稱重。本章介紹電阻應(yīng)變式傳感器、壓阻式和壓電式傳感器。§4-1（傳感器中的）彈性敏感元件一、彈簧管壓力表的組成：（

2、如圖4-1）圖4-1彈簧管壓力表的組成框圖彈簧管一一彈性敏感元件：將輸入壓力轉(zhuǎn)換成自身的變形量（應(yīng)變、位移或轉(zhuǎn)角）二、彈性元件的基本特性：1 變形：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：物體因受外力作用而產(chǎn)生變形，外力去掉后又恢復(fù)原狀的特性。3 .彈性元件：具有彈性變形特性的物體。4彈性變形：彈性元件受外力作用而產(chǎn)生的變形。5彈性特性：作用在元件上的外力與相應(yīng)變形（應(yīng)變、位移或轉(zhuǎn)角）之間的關(guān)系。（1）剛度：彈性元件產(chǎn)生單位變形所需的力。s=l=（2）靈敏度：在單位力作用下彈性元件產(chǎn)生的變形。二汀剛度和靈敏度表示了彈性元件的軟硬程度。元件越硬，剛度越大，單位力作用下變形越小，靈敏度

3、越小。6線性彈性元件：剛度和靈敏度為常數(shù)，作用力F與變形X成線性關(guān)系。三、彈性敏感元件的基本要求及類(lèi)型：彈性元件在傳感器技術(shù)中占有極其重要的地位。它首先把力、力矩或壓力轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的應(yīng)變或位移，然后配合各種形式的傳感元件，將被測(cè)力、力矩或壓力變換成電量?；疽螅?1) 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。(2) 良好的彈性特性(彈性極限高、彈性滯后和彈性后效小等)。(3) 彈性模量的溫度系數(shù)小且穩(wěn)定，材料的線膨脹系數(shù)小且穩(wěn)定。(4) 抗氧化性和抗腐蝕性等化學(xué)性能良好。2彈性元件的形式：2根據(jù)彈性元件輸入量的不同，可以分成兩種基本類(lèi)型：(1)

4、變換力(力矩)彈性元件：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：彈簧管、波紋管、膜片(力、壓力均可以變換)等。§4-2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。而電阻應(yīng)變效應(yīng)是指導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外力作用下產(chǎn)生機(jī)械形變時(shí)，其電阻值也發(fā)生相應(yīng)變化的現(xiàn)象。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?？稍诔蜏亍?qiáng)振動(dòng)、強(qiáng)磁場(chǎng)等惡劣環(huán)境下工作等特點(diǎn)。§4-2-1電阻應(yīng)變式傳感器的外形結(jié)構(gòu)和性能部分電阻應(yīng)變式傳感器的外形:(a)(b)(c)(d)(e)

5、(f)圖4-2各種應(yīng)變式電阻傳感器的外形圖箔式壓力；(b)柱式；(c)懸臂梁式；(d)橋式；(e)波紋管式；(f)S型拉壓式主要用途及性能指標(biāo):(a)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)見(jiàn)表4-1所示：表4-1金屬箔式壓力傳感器的性能指標(biāo)量程2、5、10、20、30、50、100、150、200kg靈敏度12mv±0.1mv/V非線性±0.02%FS滯后誤差±0.02%FS重復(fù)性誤差±0.01%FS蠕變±0.05%FS/30min零點(diǎn)溫度系數(shù)

6、77;0.03%FS/10C輸出溫度系數(shù)±0.03%FS/10C輸入阻抗385±10Q輸出阻抗350±5Q絕緣電阻>5000MQ供橋電壓915VDC工作溫度范圍-20+70C允許過(guò)載負(fù)何150%FS材質(zhì)合金鋼接線方式電源(+)紅線電源(-)綠線1輸出(+)黃線輸出(-)白線(b)柱式傳感器: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、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好、密封性好等到特點(diǎn)。適用于地中衡、料斗秤、汽車(chē)衡、軌道衡等場(chǎng)所。量程：0.1200t;精度：土0.05%FSo(c) 懸臂梁式傳感器：采用了箔式應(yīng)變片貼在合金鋼做的彈性體上，一端固定、一端加載，拉、壓均可。具

7、有精度高、密封性好、易安裝等特點(diǎn)。適用于汽車(chē)衡、電子秤、料斗秤等場(chǎng)合。量程：0.0520t;精度：土0.03%FSo(d) 橋式傳感器：采用了箔式應(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)向力和抗偏荷能力強(qiáng)等特點(diǎn)。適用于各種汽車(chē)衡、軌道衡、料斗秤等場(chǎng)所。量程：550t;精度：土0.02%FSo(e) 波紋管式傳感器：采用懸臂剪切結(jié)構(gòu)、波紋管密封、充氮，可承受拉、壓兩種受力形式，具有精度高、防塵好、抗偏載、抗疲勞能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定、安裝方便等特點(diǎn)。適用于電子秤、皮帶秤、料斗秤等場(chǎng)所。量程：101000；精度：土0.02%FSo(f)S型拉壓式傳感器：采用S型結(jié)構(gòu)，拉壓均可

8、使用?？蓱?yīng)用于高濕度環(huán)境，具有優(yōu)越的抗扭、抗側(cè)、抗偏載能力，輸出對(duì)稱性好。精度高、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)。適用于配料秤、料斗秤、機(jī)電結(jié)合秤、吊鉤秤等場(chǎng)所。量程：0.0520t。精度：土0.02%F-So三、金屬電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)：(如圖4-3所示)1結(jié)構(gòu)：它由敏感柵、基體、覆蓋層(保護(hù)片)和引出線四部分組成。(1) 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。(2) 基體起絕緣作用。(3) 覆蓋層(保護(hù)片)起絕緣保護(hù)作用。(4) 引出線焊接于敏感柵兩端，作連接測(cè)量導(dǎo)線之用保護(hù)層全屬電KB應(yīng)更絲引線圖4-3金屬絲式應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)圖2類(lèi)型：電阻應(yīng)變片有金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)

9、體應(yīng)變片兩類(lèi)。金屬電阻應(yīng)變片有絲式、箔式和薄膜式等結(jié)構(gòu)形式。§4-2-2電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理原理框圖:測(cè)量電橋*F£-F圖4-4電阻應(yīng)變式傳感器的原理框圖、工作原理:電阻應(yīng)變式傳感器是通過(guò)彈性敏感元件將外部的應(yīng)力轉(zhuǎn)換成應(yīng)變£,再根據(jù)電阻應(yīng)變效應(yīng)，由電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻值的微小變化，通過(guò)測(cè)量電橋轉(zhuǎn)換成電壓或電流的輸出。§4-2-3應(yīng)變片的測(cè)量電路由于應(yīng)變片受力的電阻值變化范圍很小，如果直接用歐姆表測(cè)量其電阻值的變化將十分困難，且誤差很大。所以必須使用專門(mén)的電路來(lái)測(cè)量這種微弱的電阻變化，最常用的電路為電橋電路。一、電橋電路：（圖4-4所示）R2R

10、1=R2=R3=R4=R等Rl=R2=RR3=R4=R輸出對(duì)稱電橋oUoR4電源對(duì)稱電橋R3BOOUi圖4-4電橋電路由分析可知：當(dāng)R1R3=R2R4時(shí)，電橋平衡，輸出電壓UO=0。、單臂電橋：（圖4-5所示）圖中的電阻Ri為電阻應(yīng)變片。起始時(shí)，應(yīng)變片未承受應(yīng)變，電橋平衡：RiR3=R2R4，此時(shí)Uo=0。當(dāng)應(yīng)變片承受應(yīng)變時(shí)，則Ri增大為Ri+AR，對(duì)于等臂電橋和輸出對(duì)稱電橋，此時(shí)的輸出電壓圖4-5單臂電橋?yàn)?三、雙臂電橋（差動(dòng)半橋）：（圖4-6所示）電阻Ri、R2為應(yīng)變片，R3、R4為固定電阻。當(dāng)應(yīng)變片承受應(yīng)變時(shí)，Ri增大為Ri+AR,同時(shí)R2減小為R2-AR,此時(shí)的輸出電壓為單臂工作時(shí)的兩

11、倍。4-6差動(dòng)半橋圖4-7差動(dòng)全橋四、差動(dòng)全橋：圖4-7所示）電阻Ri、R2、R3、R4均為應(yīng)變片。當(dāng)應(yīng)變片承受應(yīng)變時(shí)，則Ri和R3增大AR,R2和R4減小AR,此時(shí)的輸出電壓為單臂工作時(shí)的四倍。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。§4-2-4電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用在電阻應(yīng)變式傳感器中，敏感元件一般為各種彈性體，傳感元件就是應(yīng)變片，測(cè)量轉(zhuǎn)換電路一般為橋路。只要將應(yīng)變片粘貼于各種彈性體上，并將其接到測(cè)量轉(zhuǎn)換電路，這樣就構(gòu)成了測(cè)量各種物理量的專用應(yīng)變式傳感器。它可以測(cè)量應(yīng)變應(yīng)力、彎矩、扭矩、

12、加速度、位移等物理量。一、電子臺(tái)秤：（圖4-8所示）二、吊桿秤：（圖4-9所示）三、汽車(chē)衡：（圖4-I0所示）圖4-8電子臺(tái)秤圖4-9吊桿秤圖4-10汽車(chē)衡§4-3壓阻式傳感器壓阻式傳感器是通過(guò)擴(kuò)散工藝將四個(gè)半導(dǎo)體應(yīng)變電阻制作在同一硅片上，利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)制成的傳感器。它由于工藝一致性好，靈敏度相等，因此漂移抵消，遲滯、蠕變非常小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好、溫度范圍寬、易小型化、能批量生產(chǎn)和使用方便。§4-3-1固態(tài)壓阻式傳感器的工作原理固態(tài)壓阻式傳感器的工作主要基于壓阻效應(yīng)，而壓阻效應(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。§

13、4-3-2半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)一、半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)：芳i片它由硅膜片、外殼和引線組成。核心：硅膜片（作為彈性敏感元件）圖4-11半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)二、半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片的特點(diǎn)：橫向效應(yīng)和機(jī)械滯優(yōu)點(diǎn)：靈敏系數(shù)比金屬電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)大數(shù)十倍,后極小。缺點(diǎn)：溫度穩(wěn)定性和線性度比金屬電阻應(yīng)變片差很多。§4-3-3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4-12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)是低壓腔，和大氣相通。圖4-12壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖1低壓腔2高壓腔3硅杯4引線5硅膜片當(dāng)膜片兩邊存在壓力差時(shí)，膜片上各點(diǎn)存在應(yīng)力。膜

14、片上的四個(gè)電阻在應(yīng)力作用下，阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，輸出電壓與膜片兩邊壓力差成正比。§4-4壓電傳感器壓電式傳感器是基于某些材料受力后在其表面產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)為轉(zhuǎn)換原理的傳感器。它是一種典型的有源傳感器，又稱自發(fā)電式傳感器。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)。§4-4-1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：（圖4-13所示）圖4-13壓電式振動(dòng)加速度傳感器外形圖、壓電振動(dòng)加速度傳感器技術(shù)指標(biāo):1.靈敏度：500mV/g量程：010g頻率范圍：4-4000Hz線性：1%5.分辨力：0.00004g安裝諧振點(diǎn)

15、:15kHz(a)(b)(c)(d)圖4-14各種壓電材料的外形圖(a)天然石英晶體；(b)石英晶體薄片；(C)壓電陶瓷；(d)高分子壓電薄膜§4-4-2壓電傳感器的工作原理一、壓電效應(yīng)：當(dāng)某些晶體或多晶體陶瓷在一定的方向上受到外力作用時(shí)，在某兩個(gè)對(duì)應(yīng)的晶面上,產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷。當(dāng)外力消失時(shí)，電荷也消失；當(dāng)外力改變方向時(shí)，兩晶面上的電荷符號(hào)也隨之改變。壓電傳感器就是以壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，將力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電量的器件。典型的具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)有石英晶體、壓電陶瓷和高分子壓電材料等。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4-15所示。X軸電軸，垂直于梵軸晶

16、面¥上的壓電蝕應(yīng)最顯著9f藝軸一一機(jī)械在電場(chǎng)作用下，止辟由的機(jī)械變形最顯著。乙軸一一光軸（中性軸），該軸方向上無(wú)壓電效應(yīng)。圖4-15石英晶體的坐標(biāo)軸和切片1縱向壓電效應(yīng)：沿著X軸對(duì)晶片施加力時(shí)，在垂直于X軸的表面上產(chǎn)生電荷如圖4-16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)。圖4-16晶片受力方向與電荷極性的關(guān)系2橫向壓電效應(yīng)：沿著丫軸對(duì)晶片施加壓力時(shí)，在垂直于X軸的表面上產(chǎn)生電荷。如圖4-16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)。3壓電效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理：（圖4-17所示）圖4-17壓電效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理三、壓電陶瓷的壓電效應(yīng)：壓電陶瓷是人工制造的具有電疇結(jié)構(gòu)的

17、多晶壓電材料。它的壓電機(jī)理與壓電晶體不同。原始的壓電陶瓷不具有壓電特性，電疇無(wú)規(guī)則排列。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)的壓電陶瓷受力后就產(chǎn)生了電荷。見(jiàn)圖4-18所示。壓電陶瓷的壓電系數(shù)比石英晶體的大得多，因此其靈敏度較高。圖4-18壓電陶瓷的極化過(guò)程和壓電特性§4-4-3壓電傳感器的測(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)電容與電壓源的串聯(lián)。4-19壓電傳感器的等效電路a）電荷源；b）電壓源二、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。其測(cè)量電路有兩種：電壓放