力敏传感器PPT课件

1、传感器原理,第三章 力/压力敏传感器,第三章 力/压力敏传感器,主要内容： 电阻应变计 金属应变计 半导体应变计 应变计的测量原理和测量线路 电阻应变式传感器的应用 压电式力传感器 压电式传感器的基本原理 压电传感器的等效电路与测量线路 压电式传感器的应用,第三章 力/压力敏传感器,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,3.1 电阻应变计,电阻应变计，也称应变片，是进行应力和应变测量的关键元件，同时也是用来制造荷重、扭矩、加速

2、度、位移等传感器的关键元件 电阻应变式荷重传感器 电阻应变式扭矩传感器 电阻应变式加速度传感器 电阻应变式位移传感器 电阻应变效应是电阻应变计工作的基本原理,电阻应变计的分类,按敏感栅材料分类 金属应变片：丝式、箔式、金属薄膜应变计 半导体应变片：体型、扩散型、薄膜型半导体应变计 按基底材料分类 纸基、胶基、浸胶基、金属基应变片 按工作温区分类 低温、常温、中温、高温应变片,3.1.1 金属应变计,金属应变计是一种能将机械构件上应变的变化转换为电阻变化的传感元件 机械构件通常是弹性元件，弹性元件在外力的作用下能够产生弹性变形，外力撤销后，弹性元件又能回复原来的形状 从传感器的组成角度上看，弹性

3、元件属于敏感元件，金属应变计属于转换元件（传感元件） 电阻应变式传感器通常由弹性敏感元件和应变片构成,电阻应变式传感器的工作原理,怎么理解电阻应变式？ 应变是一种途径 电阻变化是结果 怎么理解电阻应变式传感器？ 它应该是通过应变而影响到传感器的输出电阻的变化的一种类型的传感器 电阻应变式传感器的基本结构是什么？ 被测量应变电阻,电阻应变式传感器的工作原理,实现电阻应变式传感器靠什么？测什么,被测量,应变,电阻,力,力矩,位移,加速度,弹性敏感元件,应变片,电阻应变式传感器的工作原理,构成 弹性敏感元件 电阻应变片 弹性敏感元件 感受被测量，产生变形 是传感器组成中的敏感元件 电阻应变片 是传感

4、器组成中的转换元件（传感元件） 它将应变转换为电阻值的变化,电阻应变式传感器的工作原理,电阻应变式传感器的基本原理是通过弹性敏感元件将被测量的变化转换成弹性变形，这个变形在应变片的作用下转换为电阻值的变化，再经过信号调节转换电路变成电压或电流信号的变化 通过测量电压或电流信号的变化来确认传感器输出电阻的变化，从而进一步依赖电阻变化与应变之间的关系，以及应变和被测量之间的关系来求得被测量的变化 通过不同的弹性敏感元件可以将不同的被测量转换为应变的形式，从而实现不同的测量目的,一、 金属应变计的基本原理,金属的电阻应变效应 金属丝的电阻随着它所受的机械变形（拉伸或压缩）的大小而发生相应的变化的现象

5、称为金属的应变效应。 金属应变计的工作原理就是利用了金属的电阻应变效应，将应变片感受到的应变转换为电阻的变化,金属的电阻应变效应,金属丝的电阻,L,L,d,d,F,F,F,金属的电阻应变效应,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，电阻变化和相对变化分别为： 因为,金属的电阻应变效应,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,则 金属丝的灵敏系数Ks 表示金属丝产生单位变形时，电阻相对变化的大小,金属丝几何尺寸变化引起,金属丝变形后引起电阻率的变化,金属的电阻应变效应,

6、实验证明，在金属丝变形的弹性范围内，电阻的相对变化于应变x是成正比的，Ks为一常数。 应变片的灵敏系数K恒小于同一材料金属丝的灵敏系数Ks。 标称灵敏系数是经抽样测定灵敏系数的平均值,二、金属应变片的结构和分类,金属应变片的典型结构,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,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

7、 散热性能好，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,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,三、金属应变片的参数,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,三、金属应变片的参数,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化与试件表面上安装应变片区域的轴向应变之

8、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,三、金属应变片的参数,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,三、金属应变片的参数,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

9、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,3.1.2 半导体应变片,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，表达如下,半导体的压阻效应,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,3.1.3 应变计的测量原理和测量线路,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

10、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,一、直流电压源单臂电桥,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,一、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,一、直流电

11、压源单臂电桥,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,一、直流电压源单臂电桥,当n1时，有： 输出电压变化和输入电阻相对变化之间具有近似的线性关系,一、直流电压源单臂电桥,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,二、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,三、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

12、变化之间为线性关系 灵敏度是单臂电桥的4倍,四、采用高内阻的恒流源电桥,电阻应变式传感器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,电阻应变式传感器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,电阻应变式传感器的温度误差及其补偿,应变丝的附加变形为： 折合为应变： 引起的电阻变化为,电阻应变式传感器的温度误差及其补偿,由上面的两种情况而

13、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,电阻应变式传感器的温度误差及其补偿,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,电阻应变式传感器的温度误差及其补偿,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，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

14、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,电阻应变式传感器的温度误差及其补偿,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,电阻应变式传感器的温度误差及其补偿,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，温度变化产生附加应变 被测量不

15、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,电阻应变式传感器的温度误差及其补偿,4.6.2 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,电阻应变式传感器的温度误差及其补偿,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,电阻应变式传感器的温度误差及其补偿,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

16、同（一个正，一个负）的特性，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,电阻应变式传感器的温度误差及其补偿,热敏电阻补偿法 热敏电阻Rt与应变片处在相同的温度条件下 热敏电阻能够补偿电桥的输出，实现灵敏度的补偿,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,应变片实例,应变片实例,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

17、矩传感器应用实例,扭矩传感器应用实例,扭矩传感器部分技术指标,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,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

18、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,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% 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

19、 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,悬臂梁式称重传感器,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 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%

20、 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 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

21、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,SAD系列应变模块,SAD系列应变模块,SAD系列应变模块是一个用于高速、高精度测试应变的工作单元。它把应变模拟电信号转换成数字信号，实现上千米距离的测量信号传送，抗干扰能力强。它可适合多种桥路接法。它接上键盘与显示单元就是一台微型、高速、高精度、单通道应变仪 该模

22、块输出有RS485、Ethernet等方式 该系列模块应变输出频率可分为12.5Hz、25Hz、50Hz、100Hz、1KHz、10KHz、50KHz等多种,胶带称原理与应用,电子皮带秤由称重桥架（包括称重传感器），测速系统（包括速度传感器）及积分仪三大部分组成。它的基本原理为：称重传感器支承的桥架和称重托辊检测皮带上的物料重量，产生一个正比与皮带载荷的电输出信号；速度传感器直接连接在主动滚筒或大径的测速滚筒上，产生一系列脉冲信号，每个速度代表一个皮带长度，脉冲的长度正比于皮带速度，积分仪将以下两种信号用积分方法，把皮带速度和皮带负荷（kg/mm/s）进行积算，并转换成选定的工程单位，在显示器

23、上分别显示出瞬时流量和累计重量,胶带称原理与应用,商用电子秤,商用电子秤,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,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

24、件程序设计 数据分析处理,3.2 压电式传感器,压电式传感器是一种有源传感器，它是以某些物质的压电效应为基础实现能量转换。 它可以用于力、加速度、速度、振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,3.2.1 压电式传感器的基本原理,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,3.2.1 压电式传感器的基本原理,逆压电效应 与正压电效应相反，当在

25、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,3.2.1 压电式传感器的基本原理,具有压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,3.2.1 压电式传感器的基本原理,压电式传感器的工作原理就是利用某些电介质的正压电效应，将被测量的变化转换为力的变化，当力作用在压电材料上时，传感器就有电荷（或电压）的输出。 压电式传感器的工作过程 被测量力电荷 被测量的认识过程 电荷（或电压）力被测量,3

26、.2.2 典型材料的压电效应,石英晶体 石英晶体是各向异性材料，不同晶向具有各异的物理特性,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

27、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,石英晶体的压电效应,晶体切片上电荷符号与受力方向的关系,石英晶体压电效应,石英晶体的压电效应,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,石英晶体的形变模式,对能量转换有意义的石英晶体变形方式,石英晶体的形变模式,厚度

28、变形（TE方式，纵向压电效应） 长度变形（LE方式，横向压电效应,石英晶体的形变模式,面剪切变形（FS方式） 厚度剪切变形（TS方式） 弯曲变形（BS方式） 弯曲变形不是基本的变形方式，而是拉、压应力和剪切应力共同作用的结果。应根据具体的晶体的切割及弯曲情况选择合适的压电常数进行计算,压电材料,转换性能：具有较大的压电常数 机械性能：强度高、刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率 电性能：高的电阻率，大介电常数，以期减弱外部分布电容的影响，获得好的低频特性 温度和湿度稳定性要好，具有较高的居里点，以期获得较高的工作温度范围 时间稳定性：压电特性不随时间蜕变,3.2.3 压电传感器的等效

29、电路,压电式传感器的基本结构 压电式传感器有两种等效电路,3.2.3 压电传感器的等效电路,压电式传感器放大器输入端等效电路 电压等效电路 电荷等效电路,3.2.3 压电式传感器的等效电路,压电片的连接方式 并联 电压不变 电荷量为2倍 电容2倍 串联 电压2倍 电荷量不变 电容一半,3.2.3 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 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

30、型和电荷型两种形式,电压放大器电路分析,传感器与电压放大器连接的等效电路 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,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