第四章 力敏传感器ppt课件

1、传感器与检测技术,第4章 力敏传感器,主要内容,应变式电阻传感器 金属电阻应变片 工作原理 温度误差及补偿 电阻应变片的测量电路 电阻应变式传感器的应用 压电式传感器 压电效应 压电式传感器的等效电路和测量电路 压电式传感器的应用,第4章 力敏传感器,力/压力敏传感器可用于测量位移、加速度、力、力矩、压力等各种参数，由于它们都与机械应力有关，这类传感器常被称为力学量传感器 常见的力学量传感器类型 电阻应变式传感器 压电式传感器 电容式传感器 电感式传感器,4.1 应变式电阻传感器,电阻应变式传感器通常是一种由电阻应变片和弹性敏感元件组合起来的传感器 常用于力、力矩、压力、位移、加速度等参数的测

2、量 弹性敏感元件是应变式电阻传感器中的敏感元件，能够直接感受被测量，然后将被测量的变化转换为应力或者应变 电阻应变片是应变式电阻传感器中的转换元件，它可以将应力或者应变转换为电阻的变化,4.1.1 电阻应变片的种类,按敏感栅材料划分 金属应变片、半导体应变片 按基底材料划分 纸基、胶基、浸胶基、金属基应变片等 按工作温度划分 常温、中温、高温和低温应变片 按用途划分 一般用途和特殊用途应变片,4.1.2.3 金属应变片的工作原理,金属的电阻应变效应,L,L,d,d,F,F,F,金属的电阻应变效应分析,当金属丝受到轴向力F而被拉伸（或压缩）时，其L、A、均会发生变化，金属丝的电阻值随之发生变化，

3、电阻相对变化分别为： 因为,金属的电阻应变效应分析,金属丝的轴向应变 金属丝的径向应变 金属丝受拉时，沿轴向伸长，而沿径向缩短，二者之间的关系为,金属的电阻应变效应分析,则 通过实验发现，金属材料的电阻率相对变化与其体积变化之间有如下关系,金属的电阻应变效应分析,于是,金属丝几何尺寸变化引起,金属丝几何尺寸变化引起电阻率的变化,金属的电阻应变效应小结,在受到轴向应力单独作用时金属丝的电阻相对变化与轴向应变之间成线性关系 金属的电阻应变效应是金属应变片工作的基本原理 金属丝材料的电阻应变效应以结构尺寸变化的影响为主，很多时候电阻率变化带来的影响可以忽略 金属应变片感受到的应变是整个敏感栅长度内各

4、处感受到应变的平均值 应变片的灵敏系数恒小于金属丝的灵敏系数,4.1.2 金属电阻应变片,4.1.2.1金属电阻应变片的结构,图 41金属电阻应变片结构,4.1.2.1 金属电阻应变片的结构,4.1.2.2 金属应变片的分类,丝式应变片 用金属丝构成敏感栅粘结在各种绝缘基底上构成 回线式应变片 电阻丝绕制 存在横向效应 短接式应变片 电阻丝焊接 克服横向效应 焊点多，容易出现疲劳破坏 制造工艺要求高,4.1.2.2 金属应变片的分类,箔式应变片 利用光刻、腐蚀方法将电阻箔材在其绝缘基底下制成各种图形 优点 可制成任意形状以适应不同的测量要求 粘合面积大 粘结情况好，传递试件应变性能好 散热性能

5、好，允许通过较大的工作电流 横向效应可以忽略 蠕变、机械滞后小，疲劳寿命高,4.1.2.2 金属应变片的分类,薄膜应变片 采用真空蒸发或真空沉积等方法将电阻材料在基底上制成一层各种形式敏感栅而形成应变片 应变片灵敏系数高 易实现工业化生产 温度误差较难控制,4.1.2.4 金属电阻应变片的参数,应变片电阻值（R0） 指未安装的应变片，在不受外力的情况下，于室温条件测定的电阻值，也称原始阻值。 应变片电阻值趋于标准化 绝缘电阻 敏感栅与基底间的电阻值，一般应大于10G。,4.1.2.4 金属电阻应变片的参数,灵敏系数（K） 指应变片安装于试件表面，在其轴线方向的单向应力作用下，应变片的阻值相对变

6、化与试件表面上安装应变片区域的轴向应变之比。 灵敏系数的准确性直接影响测量精度，其误差大小是衡量应变片质量优劣的主要标志 灵敏系数要求尽量大而稳定,4.1.2.4 金属电阻应变片的参数,允许电流 指不因电流产生热量影响测量精度，应变片允许通过的最大电流。 应变极限 在温度一定时，指示应变值和真实应变值的相对差值不超过一定数值时的最大真实应变数值，差值一般规定为10，当指示应变值大于真实应变的10时，真实应变值称为应变片的极限应变,4.1.2.4 金属电阻应变片的参数,机械滞后 对粘贴的应变片，在温度一定时，增加和减少机械应变过程中同一机械应变量下指示应变的最大差值 零漂 指已粘贴好的应变片，在

7、温度一定和无机械应变时，指示应变随时间的变化 蠕变 已粘贴好的应变片在温度一定并承受一定的机械应变时，指示应变值随时间的变化,4.1.2.5 金属电阻应变片的温度误差及其补偿,温度误差产生原因 温度变化引起应变片敏感栅电阻变化而产生附加应变 与敏感栅材料的温度系数相关 直接影响电阻的变化，而不是通过应变作用,4.1.2.5 金属电阻应变片的温度误差及其补偿,试件材料与敏感栅材料的线膨胀系数不同，使应变片产生附加应变 与材料的线膨胀系数相关 由于线膨胀系数不同，通过附加应变影响电阻变化 应变丝的伸长和膨胀量为： 试件的伸长和膨胀量为：,4.1.2.5 金属电阻应变片的温度误差及其补偿,应变丝的附

8、加变形为： 折合为应变： 引起的电阻变化为：,4.1.2.5 金属电阻应变片的温度误差及其补偿,由上面的两种情况而引起总电阻变化为 总附加虚假应变量为,由温度变化引起的电阻变化折合为应变,由温度变化和线膨胀系数不同而引起的附加应变,关于温度误差的理解,温度误差是由于温度变化引起的 这里讨论的温度误差的形成并不是因为温度变化引起传感器被测量的变化，而是在认为传感器感知的被测量并没有真正变化时，由于传感器输出端的变化被折合为被测量的变化,关于温度误差的理解,由于温度与电阻的关系而引起的电阻变化可以认为是并没有真正产生附加应变，而是电阻变化作为输出，折合到输入端体现为虚假的应变 由于线膨胀系数不同，

9、温度变化时，应变片本身的确可能产生了附加应变，而此附加应变将会导致输出电阻的变化，但此附加应变并不是由于传感器感受的被测量的变化带来的，也就是说再从输出折算输入的时候，此附加应变被认为是被测量的变化了，因此也是虚假的附加应变,关于温度误差的理解,应变片的正常工作流程 被测量变化感知应变电阻变化 电阻变化应变被测量变化 温度电阻关系引起温度误差形成示意 被测量未变应变未变电阻不应变化 温度变化直接导致电阻变化 电阻变化认为是应变产生认为被测量变化 温度引起的电阻变化被体现为了被测量的变化，形成误差,关于温度误差的理解,线膨胀系数不同导致温度误差的示意 被测量不变应变不变电阻不变 线膨胀系数不同，

10、温度变化产生附加应变 被测量不变附加应变产生电阻变化 电阻变化应变变化被测量变化 附加应变被体现为了被测量的变化，形成误差,金属应变片的温度补偿方法,桥路补偿法 简单、方便 但是在温度变化梯度较大的条件下，很难做到工作片与补偿片处于温度完全一致的情况，因而影响到补偿效果,金属应变片的温度补偿方法,应变片自补偿法 利用温度自补偿应变片来实现温度补偿的方法称为应变片自补偿法 选择式自补偿应变片 利用温度系数与线膨胀系数的关系来达到温度自补偿的目的 局限性大，一种值的应变片只能在一种材料上应用,金属应变片的温度补偿方法,双金属敏感栅自补偿应变片 利用两种材料的电阻温度系数不同（一个正，一个负）的特性

11、，通过串联的形式来达到温度补偿的目的 这种方式主要是补偿温度系数带来的影响,4.1.3 半导体应变片,4.1.3.1 半导体应变片的分类和结构 按照材料类型分为P型硅应变片、N型硅应变片、P-N互补型应变片；按照特性分为灵敏系数补偿型应变片和非线性补偿应变片； 以材料的化学成分分为硅、锗、锑化铟、磷化嫁、磷化铟等应变片； 按结构分类包括体型应变片、扩散型应变片和薄膜型半导体应变计。,4.1.3.2 半导体应变片的工作原理,半导体材料的压阻效应 当半导体材料受到应力作用时，其晶格间距就会发生变化，使得其电阻率发生变化，这一现象称为压阻效应 半导体材料的电阻在外力作用下的相对变化与金属相同，表达如

12、下：,4.1.3.2 半导体应变片的工作原理,半导体材料的电阻率的相对变化与应力T成正比 应力T与应变之间的关系遵从虎克定律,4.1.4 电阻应变片的测量电路,应变片把应变转换为电阻的变化并没有达到测量的最终目的，还需把这个电阻的变化再转化为电压或电流的变化，以便显示与记录应变的大小。 能完成上述作用的电路称为电阻应变式传感器的信号调节电路 通常采用测量电桥来作为应变计的信号调节电路,电桥的工作原理,电桥电路中，检流计流过的电流可表达如下: 若检流计中没有电流流过，称电桥处于平衡状态，此时，有 根据电桥是否处于平衡状态，使用电桥的方法可分为平衡电桥和非平衡电桥,平衡电桥的工作原理,平衡电桥多用

13、直流供电 常用零示法获取电阻的改变量 图示R3和R4称为比例臂，R2称为调节臂 测量前和测量时需作两次平衡 平衡电桥多用于静态测量 零示法的要点：图中1和2点具有相等的电位,直流单臂电桥电路,电桥电路中，R2为应变片 电桥输出电压为 初始时，电桥应处于平衡状态,直流电压源单臂电桥,当应变片R2受到应变时，电阻的变化为R2，则电桥的输出电压为,直流电源单臂电桥,电桥的电压灵敏度为 电桥的灵敏度正比于电桥的供桥电压，但是受功耗的限制，供桥电压不能无限制的提高 电桥的灵敏度是桥臂比n的函数，当供桥电压一定的时候，桥臂比n为1时，电桥灵敏度最大,直流电源单臂电桥,当n1时，有： 输出电压变化和输入电阻

14、相对变化之间具有近似的线性关系,单臂电桥非线性误差,非线性误差分析 在电阻相对变化比较小的情况下，非线性误差比较小，但在电阻相对变化较大的时候，非线性误差也就相应的增大,半桥差动电桥,半桥差动电桥的输出电压为 电压输出与电阻相对变化之间为线性关系 灵敏度是单臂电桥的两倍,全桥差动电桥,全桥差动电桥的输出电压为 电压输出与电阻相对变化之间为线性关系 灵敏度是单臂电桥的4倍,恒流源单臂电桥,4.1.4. 电阻应变片的测量电路,交流电桥电路 交流电桥的工作原理,交流电桥为不平衡电桥，是利用电桥输出电流或电压与电桥各参数间的关系进行工作的。,（a）交流电桥 （b）等效电路,图 4-10交流电桥,4.1

15、.4. 电阻应变片的测量电路,交流电桥的输出电压为,则交流电桥的平衡条件为,将桥臂上的复阻抗代入式上式可得,由此可知，由应变片构成的交流电桥，除了满足电阻平衡条件外，还必须满足电容平衡条件。为此，交流电桥上设置有电阻平衡调节和电容平衡调节。,4.1.4. 电阻应变片的测量电路,交流电桥平衡调节电路,(a，b)可变电阻调节 (c，d)电容调节,图 411交流电桥平衡调节电路,电阻应变式传感器图片,应变式称重测力传感器,应变式称重测力传感器,悬臂梁桥式传感器,高精度力传感器,轮辐拉压式传感器,悬臂梁剪切式荷重传感器,应变片图片,应变片图片,扭矩传感器应用实例,扭矩传感器的的测量原理：采用应变片电测

16、技术 ,在弹性轴上组成应变桥,向应变桥提供电源即可测得该弹性轴受扭的电信号。将该应变信号放大后，经过压/频转换，变成与扭应变成正比的频率信号。,扭矩传感器应用实例,扭矩传感器应用实例,扭矩传感器技术指标,高速定量分装系统,自动称重和装料装置。每个装料的箱子或袋子沿传送带运动，直到装有料的电子称下面，传送带停止运动，电磁线圈2通电，电子称料斗翻转，使料全部倒入箱子或袋子中，当料倒完，传送带马达再次通电，将装满料的箱子或袋子移出，并保护传送带继续运行，直到下一次空袋或空箱切断光电传感器的光源，与此同时，电子称料箱复位，电磁线圈1通电，漏斗给电子秤自动加料，重量由微机控制，当电子秤中的料与给定值相等

17、时，电磁线圈1断电，弹簧力使漏斗门关上。装料系统开始下一个装料的循环。,高速定量分装系统,本系统由微机控制称重传感器的称重和比较，并输出控制信号，执行定值称量，控制外部给料系统的运转，实行自动称量和快速分装的任务。 微机一方面把物重的瞬时数字量送入显示电路，显示出瞬时物重，另一方面则进行称重比较，开启和关闭加料口、放料于箱中等一系列的称重定值控制。,桥式称重传感器,产品型号 CL110（桥式称重传感器） 产品用途: 电子汽车衡（地磅）、轨道衡等 技术参数: 额定载荷: 1030（t） 输入阻抗 80010 灵 敏 度: 2.00.2%（mV/V） 输出阻抗 7002 非 线 性: 0.02%

18、F.S 绝缘电阻 5000 滞 后: 0.02% F.S 激励电压 912 VDC 重 复 度: 0.02% F.S 温度补尝范围 -10 +40 蠕 变: 0.02% F.S/30min 允许使用范围 -20 +55 零点温度影响: 0.02% F.S/10 安全过载范围 150% F.S 灵敏度温度影响: 0.02% F.S/10 极限过载范围 200% F.S 零点输出: 1% F.S,悬臂梁称重传感器,产品型号 CL803（悬臂梁称重传感器） 产品用途: 叉车秤，平台秤等 技术参数: 额定载荷: 100Kg5t 输入阻抗 40010 灵 敏 度: 3.00.1%（mV/V） 输出阻抗

19、3502 非 线 性: 0.02% F.S 绝缘电阻 5000 滞 后: 0.02% F.S 激励电压 912 VDC 重 复 度: 0.02% F.S 温度补尝范围 -10 +40 蠕 变: 0.03% F.S/30min 允许使用范围 -20 +55 零点温度影响: 0.02% F.S/10 安全过载范围 150% F.S 灵敏度温度影响: 0.02% F.S/10 极限过载范围 200% F.S 零点输出: 1% F.S,轮辐式称重传感器,产品型号 CL201（轮辐式称重传感器） 产品用途: 电子汽车衡（地磅）、料斗秤等 技术参数: 额定载荷: 130（t） 输入阻抗 80010 灵 敏

20、 度: 2.00.2%（mV/V） 输出阻抗 7002 非 线 性: 0.03% F.S 绝缘电阻 5000 滞 后: 0.03% F.S 激励电压 912 VDC 重 复 度: 0.02% F.S 温度补尝范围 -10 +40 蠕 变: 0.02% F.S/30min 允许使用范围 -20 +55 零点温度影响: 0.03% F.S/10 安全过载范围 150% F.S 灵敏度温度影响: 0.02% F.S/10 极限过载范围 200% F.S 零点输出: 1% F.S,商用电子秤,商用电子秤系统结构示意图,汽车电子衡,电子汽车衡主要由承重传力机构（秤体）、高精度称重传感器、称重显示仪表三大

21、主件组成，由此即可完成最基本的称重功能，也可根据不同用户的要求，可选配打印机、大屏幕显示器、电脑管理系统，以完成更高层次的数据管理及处理的要求。,汽车电子衡图片,数控车床切削力测量,在数控车床的加工中，切削力的测量甚为重要。通过对切削力的测量可以分析与研究数控车床各零部件、机构或结构的受力情况和工作状态，验证设计和计算结果的正确性，确定整机工作过程中的负载谱和某些物理现象的机理。,数控车床切削力测量,设计目的 理论分析，模型建立 硬件电路设计 软件程序设计 数据分析处理,4.1.5 电阻应变式传感器应用,柱（筒）式力传感器,图 412柱（筒）式力传感器,4.1.5 电阻应变式传感器应用,环式力

22、传感器,（a）环式弹性原件 （b）应力分布曲线,图 413环式力传感器,4.1.5 电阻应变式传感器应用,（a）等截面梁 （b）等强度梁,图 414悬臂梁,4.1.5 电阻应变式传感器应用,应变式加速度传感器,图 416应变式加速度传感器,当被测点的加速度沿图中箭头a,所示方向时，悬臂梁自由端 受惯性力,的作用，质量块向箭头,相反的方向相对于基座运动，使梁发生弯曲变形，应变片电阻发生变化，产生输出信号，输出信号大小与加速度成正比。,4.2 压电式力传感器,压电式力传感器是以压电材料的压电效应为工作原理，将力的变化转换为电信号输出从而实现非电量信号检测的一种传感器 它可以用于力、加速度、速度、振

23、动以及流量等参数的测量。 压电式传感器利用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的目的 压电式传感器是能量转换型传感器,4.2.1.1 压电效应,压电效应 某些电介质，当沿着一定方向受到拉力或压力作用而发生变形时，内部产生极化现象，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，这种现象称为压电效应 也称为正压电效应，可将机械能转换为电能,4.2.1.1 压电效应,逆压电效应 与正压电效应相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会产生变形，这种现象称为逆压电效应。 逆压电效应可将电能转换为机械能,4.2.1.1 压电效应,具有压

24、电效应的物体称为压电材料或压电元件。常见的压电材料有石英、钛酸钡、锆钛酸铅等 利用逆压电效应可以制成电激励的制动器（执行器） 基于正压电效应可制成机械能的敏感器（检测器），即压电式传感器。,石英晶体的压电效应,石英晶体是各向异性材料，不同晶向具有各异的物理特性。,4.2.1. 压电效应和压电材料,图 419石英晶体压电效应机理示意图,石英晶体的压电效应,沿x轴方向施加作用力 x轴：平行于正六面体的棱线，称为电轴 沿该方向受力产生的压电效应称为“纵向压电效应”。 当沿电轴方向施加作用力Fx时，则在与电轴垂直的YOZ平面上产生电荷Qx，它的大小为 电荷Qx的符号视Fx是受拉或受压而决定。 切片上产

25、生的电荷的多少与切片的几何尺寸无关,石英晶体的压电效应,沿y轴方向施加作用力 y轴：垂直于正六面体棱面，称为机械轴 沿机械轴方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”。 电荷仍出现在YOZ平面上，但极性方向相反，电荷的大小为,石英晶体的压电效应,沿机械轴方向的力作用在晶体上时产生的电荷与晶体切片的尺寸有关 沿y轴的压力所引起的电荷极性与沿x轴的压力所引起的电荷极性相反 沿z轴方向施加作用力 z轴：通过锥顶端的轴线，是纵向轴，称为光轴 沿光轴方向受力不会产生压电效应。,压电常数和表面电荷的计算,压电元件在受到力的作用时，就在相应的表面上产生表面电荷。 任意受力表面电荷密度方程组,压电常

26、数和表面电荷的计算,压电材料的压电特性可以用压电常数矩阵表示 石英晶体,4.2.2 压电传感器的等效电路与测量线路,压电元件等效电路,电容量为,输出端电荷为,输出端电压为,图 421压电原件等效电路,(a)电荷等效电路 (b)电压等效电路,4.2.2 压电传感器的等效电路与测量线路,(a)电压等效电路 (b) 电荷等效电路,压电传感器测试系统等效电路,压电传感器的测量电路,压电式传感器要求负载电阻RL必须很大，因此通常的压电式传感器后信号调节电路的接法是： 压电式传感器输出高输入阻抗的前置放大器放大电路或其他电路 压电式传感器的测量电路的关键在于高阻抗的前置放大器 把压电式传感器的微弱信号放大

27、 高阻抗到低阻抗输出变换 压电式传感器的前置放大器有电压型和电荷型两种形式,压电传感器电压放大器电路分析,等效电阻 等效电容,电压放大器电路分析,若作用在压电元件上的力F为 压电系数为d，则在F的作用下，产生的电荷 电流i为 输入电压为,电压放大器电路分析,前置放大器的输入电压幅值为 输入电压与作用力之间的相位差为 理想情况下，前置放大器的输入电压幅值为,电压放大器电路分析,电压放大器分析,当作用在压电元件上的力是静态力时，则前置放大器的输入电压等于零。这也就从原理上决定了压电式传感器不能测量静态物理量。 当作用力的变化频率与测量回路的时间常数的乘积远大于1时，前置放大器的输入电压随频率的变化不大。压电式传感器的高频响应好。 扩大压电式传感器低频响应范围的切实可行的办法是提高测量回路的电阻。测量回路的电阻主要取决于前置放大器的输入电阻。,电荷放大器电路分析,电荷放大器电路,4.2.3 压电式传感器的应用举例,压电式测力传感器,图 426压电式测力传感器的基本结构,4.2.3 压电式传感器的应用举例,压电式金属加工切削力测量,