力敏傳感器及其應用

1、 教師：金浙良教師：金浙良模塊二模塊二 力敏傳感器及其應用力敏傳感器及其應用1課題一 力敏傳感器的工作原理與分類u任務目標：1、掌握電阻應變式力敏傳感器的工作原理；2、掌握電感應變式力敏傳感器的工作原理；3、了解電阻應變式和電感應變式力敏傳感器之間的區(qū)別。4、使用電阻應變式力敏傳感器設計出一種能超限報警的電子秤，u學習重點：1、了解電阻、電感力敏傳感器的原理和區(qū)別；2、利用力敏傳感器設計電子秤。2一、力敏傳感器概述力敏傳感器，顧名思義就是能對各種力或能轉對各種力或能轉化為力的物理量產生反應化為力的物理量產生反應，并能將其轉變?yōu)殡娹D變?yōu)殡妳?shù)的裝置或元件參數(shù)的裝置或元件。很顯然，要成為真正實用意

2、義上的力敏傳感器，這個由力轉化為電參數(shù)的過程最好能成線性關最好能成線性關系系。根據(jù)由力至電參數(shù)轉變的方式不同，力敏傳感器一般有電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器、電位計式傳電位計式傳感器感器、電感式傳感器電感式傳感器、壓電式傳感器壓電式傳感器、電容式電容式傳感器傳感器等，它們也可用來測量力值。3二、電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器是目前工程測力傳感器中應用最普遍最普遍的一種傳感器，它測量精度高，范圍廣，測量精度高，范圍廣，頻率響應特性較好，結構簡單，尺寸小，易實現(xiàn)頻率響應特性較好，結構簡單，尺寸小，易實現(xiàn)小型化，并能在高溫、強磁場等惡劣環(huán)境下使用，小型化，并能在高溫、強磁場等惡劣

3、環(huán)境下使用，并且工藝性好，價格低廉并且工藝性好，價格低廉。它主要應用在力作用下，將材料應變轉變?yōu)殡娮鑼⒉牧蠎冝D變?yōu)殡娮柚档淖兓瑥亩鴮崿F(xiàn)力值的測量值的變化，從而實現(xiàn)力值的測量。組成電阻應變片的材料一般為金屬或半導體材料。41電阻應變式傳感器工作原理 （1）應變效應應變效應 由物理學可知，電阻絲的電阻R與電阻絲的電阻率、導體長度及截面積存在如下關系（2-1） 圖2-1 電阻絲應變效應5（2）電阻應變式傳感器的結構及特性電阻應變式傳感器的結構及特性 金屬電阻應變片分為金屬絲式金屬絲式和金屬箔式金屬箔式兩種。 金屬絲式電阻應變片金屬絲式電阻應變片。金屬絲式電阻應變片的基本結構圖如圖2-2所示。由敏

4、感柵敏感柵1、基底基底2和蓋層蓋層3、引線引線4和黏結劑黏結劑幾個基本部分組成。圖2-2 金屬絲式電阻應變片的基本結構圖 6 金屬箔式應變片金屬箔式應變片。如圖2-3所示，它與金屬絲式電阻應變片相比，有如下優(yōu)點：用光刻技術能制成各種復雜形復雜形狀的敏感柵；橫向效應?。簧嵝院?，允許通過較大電流，狀的敏感柵；橫向效應??；散熱性好，允許通過較大電流，可提高相匹配的電橋電壓，從而提高輸出靈敏度；疲勞壽可提高相匹配的電橋電壓，從而提高輸出靈敏度；疲勞壽命長，蠕變??；生產效率高命長，蠕變?。簧a效率高。逐漸取代私式應變片。逐漸取代私式應變片。（2）電阻應變式傳感器的結構及特性電阻應變式傳感器的結構及特性

5、 （a）箔式單向應變片 （b）箔式轉矩應變片 （c）箔式壓力應變片 （d）箔式花狀應變片72電阻應變片傳感器基本應用電路基本應用電路將電阻應變片粘貼于待測構件上，應變片電阻將隨構件應變而改變，將應變片電阻接入相應的電路中，使其轉化為將應變片電阻接入相應的電路中，使其轉化為電流或電壓輸出，即可測出力值電流或電壓輸出，即可測出力值。通常將應變片接入電橋將應變片接入電橋來實現(xiàn)電阻至電壓或電流的轉換來實現(xiàn)電阻至電壓或電流的轉換。根據(jù)電橋電源不同，又分直流電橋和交流電橋。這里主要介紹直流電橋。圖2-4所示為一直流電橋，計算可知圖2-4 直流電橋（2-2） 8若使此電橋平衡，即 ，只要 。一般我們取一般我

6、們取 即可實現(xiàn)即可實現(xiàn)?，F(xiàn)將 換成電阻應變片，即組成半橋單臂電橋，隨構件產生應變造成傳感器電阻變化時，式（2-2）變成0U04231RRRRRRRRR43211R42RUERR （2-3） RR 一般 ，可忽略，由此可得9可見，輸出電壓與電阻變化率成線性關系輸出電壓與電阻變化率成線性關系，也即和應變成線性關系，由此即可測出力值，由式（2-3）可得半橋單臂工作輸出的電壓靈敏度半橋單臂工作輸出的電壓靈敏度（2-4） 為了提高輸出電壓靈敏度，可以采用半橋雙臂或全為了提高輸出電壓靈敏度，可以采用半橋雙臂或全橋電路橋電路，如圖2-5所示。圖2-5（a）為半橋雙臂，圖2-5（b）為全橋電路。10 （a）半

7、橋雙臂 （b）全橋電路 圖2-5 直流電橋的連接方式應變片對稱布置應變片對稱布置11對于半橋雙臂 （2-5） 全橋 （2-6） 即半橋雙臂可使電壓靈敏度比半橋單臂提高一倍半橋雙臂可使電壓靈敏度比半橋單臂提高一倍，而全橋電路電壓靈敏度又比半橋雙臂電壓靈敏度全橋電路電壓靈敏度又比半橋雙臂電壓靈敏度提高一倍提高一倍。可見，利用全橋，并提高供電電壓E，可提高靈敏度系數(shù)。 12回顧下幾個圖半橋單臂半橋雙臂全橋133.溫度誤差及其補償用作測量應變的金屬應變片，希望其阻值僅隨應變變化，而不受其它因素的影響。實際上應變片的阻值受環(huán)境溫度實際上應變片的阻值受環(huán)境溫度(包括被測試件的溫度包括被測試件的溫度)影響很

8、大影響很大。由于環(huán)境溫度變化引起的電阻變化與試件應變所造成的電阻變化幾乎有相同的數(shù)量級，從而產生很大的測量誤差，稱為應變片的溫度誤差應變片的溫度誤差，又稱熱輸出。因環(huán)境溫度改變而引起電阻變化的兩個主要兩個主要因素因素：u應變片的電阻絲(敏感柵)具有一定溫度系數(shù)；u電阻絲材料與測試材料的線膨脹系數(shù)不同。（1） 溫度誤差14（2） 溫度補償 一般采用橋路補償法橋路補償法、應變片補償法應變片補償法或熱敏熱敏電阻補償法電阻補償法。 橋路補償法：橋路補償法： 15應變片補償法分自補償和互補償兩種。自補償法的原理是合理選擇應變片阻溫系數(shù)及線膨脹系數(shù)，使之與被測構件線膨脹系數(shù)匹配，使應變片溫度變化時，由熱造

9、成的輸出值為0。應變片互補償法的原理是檢測用的應變片敏感柵由兩種材料組成，在溫度變化時，它們的阻值變化量 相同，但符號相反，這樣就可抵消由于溫度變化而造成傳感器誤輸出。使用中要注意選配敏感柵電阻絲材料。 R應變片補償法：應變片補償法：16熱敏電阻補償法如圖2-6所示，圖中R5為分流電阻，Rt為NTC熱敏電阻，使Rt與應變式傳感器處在同一溫度場中，適當調整R5值，可使 與Uab的乘積不變，熱輸出為零。圖2-6 熱敏電阻補償法 /R R電阻應變式傳感器廣泛應用在測力及可以轉化為力值的量（如加速度等）。 電阻應變式傳感器的應用測重傳感器測重傳感器2134四個相同的應變片，沿同一高度均勻分布，接入全校

10、測量電路。如果把輸出電壓和稱重對應，可送儀表直接讀出稱重量。18圖2-8 應變式加速度傳感器原理圖 加速度傳感器加速度傳感器就是將被測加速度 通過一個懸臂梁將力 轉化成應變片的應力，從而達到測量加速度 的目的。aFmaa19三、電感式傳感器1工作原理 電感式傳感器是利用線圈自感或互感的變化來利用線圈自感或互感的變化來實現(xiàn)測量的一種裝置實現(xiàn)測量的一種裝置，可以用來測量位移、振動、測量位移、振動、壓力、流量、重量、力矩和應變等多種物理量壓力、流量、重量、力矩和應變等多種物理量。電感式傳感器的核心部分是可變自感或可變互感核心部分是可變自感或可變互感，在被測量轉換成線圈自感或互感的變化時，一般要利用磁

11、場作為媒介或利用鐵磁體的某些現(xiàn)象。這類傳感器的主要特征是具有繞組。 2021222優(yōu)點和缺點（1）優(yōu)點優(yōu)點 結構簡單可靠，輸出功率大，抗干擾能力強，對工作環(huán)境要求不高，分辨力較高（如在測量長度時一般可達0.1mm），示值誤差一般為示值范圍的0.1%0.5%，穩(wěn)定性好。（2）缺點缺點 頻率響應低，不宜用于快速動態(tài)測量。一般來說，電感式傳感器的分辨力和示值誤差與示值范圍有關。示值范圍大時，分辨力和示值精度將相應降低。233種類電感式傳感器種類很多，有利用自感原理的自感式自感式傳感器傳感器（通常稱電感式傳感器），有利用互感原理的差動變壓器式傳感器差動變壓器式傳感器。此外，還有利用渦流原理的渦流式傳感

12、器渦流式傳感器，利用壓磁原理的壓磁式傳感器壓磁式傳感器和利用互感原理的感應同步器感應同步器等。變壓器式傳感器變壓器式傳感器工作原理：變壓器式傳感器是將非電量轉換為線圈間互感的一種磁電動機構，很像變壓器的工作原理，因此常稱其為變壓器式傳感器。這種傳感器多采用差動形式。24圖2-9 氣隙型差動變壓器式傳感器 當沒有非電量輸入時，銜鐵C與鐵心A、B的間隔相同，則繞組W1a和W2a間的互感ma與繞組W1b和W2b間的互感mb相等。 當銜鐵的位置改變時，則ma不等于mb，ma和mb的差值即可反映被測量值的大小。為反映差值互感，將兩個一次繞組的同名端順向串聯(lián)，并施加交流電壓u，二次繞組的同名端反向串聯(lián)，同

13、時測量串聯(lián)后的合成電動勢e2為：e2=e2a-e2b （e2值的大小取決于被測位移的大小，e2的方向取決于位移的方向。） 25 圖2-10 截面積型差動變壓器式傳感器 圖2-10所示為改變氣隙有效截面積型差動變壓器式傳感器，輸入非電量為角位移。它是一個山字形鐵芯A上繞有三個繞組， 銜鐵B以O點為軸轉動，銜鐵B轉動時由于改變了鐵芯與銜鐵間磁路上的垂直有效截面積s，也就改變了繞組間的互感，使其中一個互感增大，另一個互感減小，因此兩個二次繞組中的感應電動勢也隨之改變。 將繞組w2a和w2b反相串聯(lián)并測量合成電動勢e2，就可以判斷出非電量的大小及方向。26一般來說，較小位移量的測量采用差動變壓器，圖2

14、-11列出其應用實例。圖2-11（a）為測物體重量的電子測物體重量的電子秤秤，用差動變壓器把彈簧的位移變?yōu)殡娦盘?，換算為重量即可；圖2-11（b）為偏心測量儀偏心測量儀，以起始點作為基準，用正負量來顯示轉體的偏心程度。（a）電子秤 （b）偏心測量儀 圖2-11 差動變壓器應用實例 27為了測量列車運行的速度和加速度的大小，可采用如圖所示的裝置，它是由一塊安裝在列車頭底部的強磁體和埋設在軌道地面的一組線圈及電流測量儀組成的（測量儀未畫出）。當列車經過線圈上方時，線圈中產生的電流被記錄下來，就能求出列車在各位置的速度和加速度。SOB任務實施過程電子秤的工作原理：是直接把重量裝換為電信號，同時將信號

15、放大顯示。任務實施過程30階段小結階段小結 力敏傳感器是將動態(tài)或靜態(tài)力動態(tài)或靜態(tài)力的大小轉換成便于測量的電量電量的裝置。本模塊介紹了電阻應變式傳感器，其將外力外力轉化成電阻值電阻值的變化，再利用電橋電路檢測出電阻值的變化值，從而得出對應的力變化量。還講述了電感式傳感器，其將外力引起的微小位移量微小位移量轉化成電感參數(shù)電感參數(shù)的變化，從而得出相應力的變化量。如位移量很小，可采用差動變壓器來放大信號的方式，以提高傳感器的靈敏度。31課題二 壓電傳感器的轉換原理u任務目標1、掌握壓電式力敏傳感器的工作原理；2、掌握電容應變式力敏傳感器的工作原理；3、了解壓電應變式和電感應變式力敏傳感器之間的區(qū)別；4

16、、使用壓電式力敏傳感器設計出一種能振動超限報警的電子裝置。u學習重點：1、了解壓電傳感器的原理；2、壓電傳感器的應用。32壓電傳感器是利用某些半導體材料的壓電效應來實現(xiàn)由力至電量的轉化，屬于有源傳感器類。由于其靈敏系數(shù)高，信噪比高，使用頻帶寬，體積小，方便耐用等優(yōu)點已廣泛應用在工業(yè)、軍事及民用等方面。壓電傳感器材料一般有三類：壓電單晶、壓電陶瓷和有機壓電薄膜。 一、壓電傳感器331壓電轉換元件的工作原理（1）壓電效應某些晶體或有機薄膜，當沿著一定方向受到外力作用時，內部極化，某兩個面產生符號相反的電荷，當外力去掉后，又恢復到不帶電狀態(tài)，當作用力方向改變時，電荷的極性也改變，晶體受力所產生的電量

17、與外力的大小成正比，即 式中，是壓電常數(shù)，它反映了壓電效應的強弱。上述現(xiàn)象稱正壓電效應。反之，如對晶體施加一交變電場，晶體本身將產生變形，此稱電致伸縮現(xiàn)象，也稱逆壓電效應，如圖2-14所示。 QdF（2-9） 34 （a）材料受壓 （b）材料受拉 （c）材料受壓 （d）材料受拉圖2-14 壓電效應（2）壓電傳感器材料及特性常用壓電傳感器的材料一般有壓電單晶、壓電陶瓷和有機壓電薄膜。35 石英單晶分人工石英和天然石英。它們是單晶中使用頻率最高的一種傳感器。其特點是介電和壓電常數(shù)的溫度穩(wěn)定性好，如圖2-15所示。適用的工作溫度范圍寬，動態(tài)響應快，機械強度大，彈性系數(shù)高，穩(wěn)定性好。（a）壓電常數(shù)與溫

18、度的關系 （b）介電常數(shù)與溫度的關系36石英晶體的外形是規(guī)則的六角棱柱體，它有三個晶軸，如下圖所示。石英晶體的坐標軸和切片 縱向壓電效應：沿著X軸對晶片施加力時，在垂直于X軸的表面上產生電荷。 橫向壓電效應：沿著Y軸對晶片施加力時，在垂直于X軸的表面上產生電荷。 37 壓電陶瓷是多晶體。最常見的有鈦酸鋇、鋯鈦鉛系列等。壓電陶瓷屬于鐵電體一類的物質，是人工制造的多晶壓電材料，它具有類似鐵磁材料磁疇結構的電疇結構。電疇是分子自發(fā)形成的區(qū)域，它有一定的極化方向，從而存在一定的電場。在無外電場作用時，各個電疇在晶體上雜亂分布，它們的極化效應被相互抵消，因此原始的壓電陶瓷內極化強度為零，經過人工極化后，

19、保留很強的剩余極化的情況下才能作為壓電材料使用 。38 有機壓電薄膜隨著科技的進步發(fā)展也較快。它既具有高分子材料的柔軟性又具有壓電陶瓷的特性，可以做成較大面積，主要用于微壓測量和機器人的觸覺。 （）天然石英晶體 （b）石英晶體薄片 （c）壓電陶瓷 （d）高分子壓電薄膜各種壓電材料的外形圖39（3）壓電傳感器的結構壓電傳感器是一種有源傳感器，同時又是一個電容器，其結構如圖2-17（a）所示。它是在壓電晶片的兩個工作面上進行金屬蒸鍍，形成金屬膜，引出兩個電極。實際應用中常將兩個以上晶片進行串聯(lián)或并聯(lián)。如圖2-17（b）、（c）所示，就如同將兩個電容器串聯(lián)和并聯(lián)一樣。串聯(lián)輸出的電壓高，自身電容小；并

20、聯(lián)輸出電荷量大，電容量大。串聯(lián)主要用在以電壓為輸出量及測量電路輸入阻抗很高的場合，而并聯(lián)由于時間常數(shù)大，主要用于以電荷為輸出量的場合，適于測量緩變信號。40（a）壓電晶片 （b）串聯(lián) （c）并聯(lián)圖2-17 壓電晶片及壓電傳感器結構 （4）壓電傳感器基本應用電路根據(jù)后續(xù)放大電路是電壓放大還是電荷放大，可將壓電傳感器等效為電壓源電路和電荷源電路，如圖2-18所示，Ca為等效電容。 41（a）電荷源等效電路 （b）電壓源等效電路 圖2-18 壓電傳感器等效電路由于壓電傳感器產生的電量非常小，且內阻極高，就要求測量電路的輸入電阻盡量大，這樣才能減小測量誤差，因此在壓電式傳感器的輸出端總是接入高輸入阻抗

21、的前置放大器，然后再接入一般的放大電路。 前置放大器有兩個作用：第一是將壓電傳感器的輸出信號放大；第二是將高阻抗輸出變換為低阻抗輸出。壓電式傳感器的測量電路有電荷型與電壓型兩種，相應的前置放大器也有電荷型與電壓型兩種型式。 42下面簡單介紹電荷型放大電路，如圖2-19所示。 （a）等效電路 （b）簡化電路圖2-19 壓電式傳感器電荷放大的電路43圖2-19（a）中Ra為壓電傳感器的絕緣電阻，Cc為連接電纜的傳輸電容，Ri為前置放大器的輸入電阻，Ci為前置放大器輸入電容；圖（b）中為等效綜合電容， =Ci+Ca+Cc， 即為等效綜合電阻，兩圖中Rf 、Cf為反饋電阻和電容，分析計算可得輸出電壓C

22、aiai/ ()RR RRRfQUC （2-10） 可見輸出電壓值主要決定于和Cf，因此要得到必要的測量精度，反饋電容Cf的溫度和時間穩(wěn)定性要好。在實際應用中，考慮到不同的量程，Cf的容量一般做成可調式，范圍在10010000pF之間。 442幾種常見的壓電傳感器（1）壓電式單向測力傳感器壓電式單向測力傳感器結構如圖2-20所示，主要由石英晶片、絕緣套、電極、上蓋及基座等組成。傳感器上蓋為傳力元件，其外緣壁厚為0.10.5mm，當受外力F作用時，它將產生彈性變形，將力傳遞到石英晶片上。石英晶片采用xy型，利用其縱向壓電效應。 45圖2-20 壓力式單向測力傳感器結構圖 46（2）壓電式加速度傳

23、感器壓電式加速度傳感器結構如圖2-21所示。主要由壓電元件、質量塊、預壓彈簧、基座及外殼等組成，整個部件裝在外殼內，并用螺栓加以固定。當壓電式加速度傳感器和被測物體一起受到沖擊振動時，壓電元件受質量塊慣性力的作用，根據(jù)牛頓第二定律，此慣性力F是加速度a的函數(shù)，即 F=ma （2-11）式中 F質量塊產生的慣性力； m質量塊的質量； a加速度。47圖2-21 壓電式加速度傳感器結構圖48慣性力F作用于壓電元件上而產生電荷q，當傳感器選定后，質量塊的質量m為常數(shù)，則傳感器輸出電荷q為 q=d11F=d11ma （2-12）式中 d11壓電系數(shù)。由式（2-12）可見，壓電式測力傳感器輸出電荷q與加速

24、度成正比。因此，測得加速度傳感器輸出的電荷便可知加速度的大小。49（3）壓電式金屬加工切削力的測量50（4）壓電式傳感器在測漏中的應用如果地面下一均勻的自來水直管道某點O漏水，水漏引起的振動從O點向管道兩端傳播，在管道A、B兩點放兩只壓電傳感器，由從兩個傳感器接收到的由O點傳來的t0時刻發(fā)出的振動信號所用的時間差可計算出LA或LB。51兩者時間差為ABABttt( LL ) / v 又L=LA+LB，所以AL+ t vL =2 BL- t vL =2 52二、電容式傳感器電容式傳感器是一種能將被測物理量轉變?yōu)閭鞲衅鞯碾娙萘孔兓?，然后再通過一定的電路將此電容的變化轉換為電壓、電流或頻率等信號的輸出，從而實現(xiàn)對物理量的測量。電容式傳感器具有如下優(yōu)點：結構簡單輕巧易于制造，功率小阻抗高靈敏度高；動態(tài)特性好，能在高低溫及強輻射的惡劣環(huán)境中工作，能進行非接觸測量等。當然，電容式傳感器也有其不足之處，如負載能力差，寄生電容影響較大，輸出為非線性等。隨著電子技術的發(fā)展，電容式傳感器的性能已得到了很大的改善，在位移、壓力、液位等物理量測量中得到廣泛應用。531電容式傳感器工作原理電容傳感器的工作原理可從平板電容器加以說明，如圖2-23所示。由物理學可知，兩平板組成的電容器，如不考慮邊緣效應，其電容量可用下式表示SC（2-13） 式中 S兩極板相互遮蓋的面