《传感器技术及其工程应用》课件-第3章 力传感器

第3章力传感器

3.1弹性敏感元件

3.2电阻应变片传感器

3.3压电传感器

3.4电容式传感器

3.5电感式传感器

3.6加速度传感器

3.7力传感器应用实例

3.8实训-应变片力传感器装调3.1弹性敏感元件

力是物理基本量之一，因此各种动态、静态力的大小的测量十分重要。力的测量需要通过力传感器间接完成，力传感器是将各种力学量转换为电信号的器件。力敏感元件转换元件显示设备F图3-1力传感器的测量示意图3.1弹性敏感元件

弹性敏感元件把力或压力转换成了应变或位移，然后再由传感器将应变或位移转换成电信号。弹性敏感元件是一个非常重要的传感器部件，应具有：良好的弹性、足够的精度，应保证长期使用和温度变化时的稳定性。3.1.1弹性敏感元件的特性

1.刚度刚度是弹性元件在外力作用下变形大小的量度,一般用k表示。

2.灵敏度灵敏度是指弹性敏感元件在单位力作用下产生变形的大小，在弹性力学中称为弹性元件的柔度。它是刚度的倒数，用K表示。

3.弹性滞后实际的弹性元件在加载／卸载的正反行程中变形曲线是不重合的,这种现象称为弹性滞后现象,它会给测量带来误差。4.弹性后效当载荷从某一数值变化到另一数值时,弹性元件变形不是立即完成相应的变形，而是经一定的时间间隔逐渐完成变形的，这种现象称为弹性后效。5.固有振荡频率弹性敏感元件都有自己的固有振荡频率f0，它将影响传感器的动态特性。传感器的工作频率应避开弹性敏感元件的固有振荡频率。往往希望f0较高。3.1.2弹性敏感元件的分类

弹性敏感元件在形式上可分为两大类：变换力的弹性敏感元件。变换压力的弹性敏感元件。1.变换力的弹性敏感元件这类弹性敏感元件如图3-2所示。有：（1）等截面圆柱式（2）圆环式（3）等截面薄板式（4）悬臂梁式（5）扭转轴图3-2一些变换力的弹性敏感元件形状2.变换压力的弹性敏感元件（1）弹簧管图3-3弹簧管的结构（2）波纹管

波纹管是有许多同心环状皱纹的薄壁圆管。

图3-4波纹管的外形（3）波纹膜片和膜盒平膜片在压力或力作用下位移量小，因而常把平膜片加工制成具有环状同心波纹的圆形薄膜，这就是波纹膜片。

图3-5波纹膜片波纹的形状

（4）薄壁圆筒圆筒的壁厚一般小于圆筒直径的二十分之一。薄壁圆筒弹性敏感元件的灵敏度取决于圆筒的半径和壁厚，与圆筒长度无关。

图3-6薄壁圆筒弹性敏感元件的结构3.2电阻应变片传感器电阻应变片（简称应变片）的作用是把导体的机械应变转换成电阻应变，以便进一步电测。电阻应变片的典型结构如图3-7所示。

图3-7金属电阻应变片结构3.2.1电阻应变片工作原理

电阻应变片式传感器是利用了金属和半导体材料的“应变效应”。金属和半导体材料的电阻值随它承受的机械变形大小而发生变化的现象就称为“应变效应”。

设电阻丝长度为，截面积为，电阻率为，则电阻值为

当电阻丝受到拉力F时，一是受力后材料几何尺寸变化；二是受力后材料的电阻率也发生了变化，则其阻值发生变化。如图3-8所示。图3-8金属电阻丝应变效应

3.2.2电阻应变片的分类

电阻应变片主要分为金属电阻应变片和半导体应变片两类。金属电阻应变片分体型和薄膜型。属于体型的有电阻丝栅应变片、箔式应变片、应变花等。半导体应变片是用锗或硅等半导体材料作为敏感栅。如图3-9所示。a—丝绕式（u型）；b—短接式（H型）；c—箔式；d—半导体应变式图3-9应变片的类型

在平面力场中，为测量某一点上主应力的大小和方向，常需测量该点上两个或三个方向的应变。为此需要把两个或三个应变片逐个粘结成应变花，或直接通过光刻技术制成。应变花分互成45°的直角形应变花和互成60°的等角形应变花两种基本形式。如图3-10所示。a—丝式应变花；b—箔式应变花图3-10应变花的基本形式

3.2.3电阻应变片的测量电路

弹性元件表面的应变传递给电阻应变片敏感丝栅，使其电阻变化。测量出电阻变化，便可知应变（被测量）大小。图3-11（a）、（b）为半桥测量电路。图（a）中，无应变时，R1=R2=R3=R4=R，则桥路输出电压为有应变时，代入

由可得

a-半桥式(单臂工作);b-半桥式(双臂工作);c-全桥式(双臂工作);d-全桥式(四臂工作)

图3-11基本测量电路

在图（b）中，R1、R2均为相同应变测量片，又互为补偿片。有应变时，一片受拉，另

一片受压，此时阻值为R1+ΔR1和R2-ΔR2，按上述同样的方法，可以计算输出电压为

在图（c）中，R1、R3为相同应变测量片，有应变时，两片同时受拉或同时受压。R2、R4为补偿片。可以计算输出电压为

图（d）是四个桥臂均为测量片的电路，且互为补偿，有应变时，必须使相邻两个桥臂上的应变片一个受拉，另一个受压。可以计算输出电压为

3.3压电传感器某些晶体，受一定方向外力作用而发生机械变形时，相应地在一定的晶体表面产生符号相反的电荷，外力去掉后，电荷消失；力的方向改变时，电荷的符号也随之改变。这种现象称为压电效应或正压电效应。当晶体带电或处于电场中时，晶体的体积将产生伸长或缩短的变化。这种现象称为电致伸缩效应或逆压电效应。

3.3.1石英晶体的压电效应

石英晶体成正六边形棱柱体，如图3-12所示。

a—石英晶体结构；b、c、d、e—压电效应示意图

图3-12石英晶体结构及压电效应

晶体沿轴线切下的薄片称“晶体切片”。图3-13所示是垂直于电轴Ｘ切割的石英片，在与Ｘ轴垂直的两面覆以金属。沿Ｘ方向施加作用力Ｆx时，在与电轴垂直的表面上产生电荷Ｑxx为

式中d11—石英晶体的纵向压电系数在覆以金属极面间产生的电压为

图3-13垂直于电轴X切割的石英晶体切片

如果在同一切片上，沿机械轴Y方向施加作用力Fy时，则在与X轴垂直的平面上产生电荷为

式中d12—石英晶体的横向压电系数。根据石英晶体的轴对称条件可得d12=-d11,所以

产生电压为

3.3.2压电陶瓷的压电效应

压电陶瓷具有铁磁材料磁畴结构类似的电畴结构。当压电陶瓷极化处理后，陶瓷材料内部存有很强的剩余场极化。当陶瓷材料受到外力作用时，电畴的界限发生移动，引起极化强度变化，产生了压电效应。经极化处理的压电陶瓷具有非常高的压电系数，约为石英晶体的几百倍，但机械强度较石英晶体差。a—Z向施力；b—X向施力

图3-14压电陶瓷的压电效应

如图3-14a所示，当压电陶瓷在极化面上受到沿极化方向（Z向）的作用力Fz时（即作用力垂直于极化面），则在两个镀银（或金）的极化面上分别出现正负电荷，电荷量Qzz与力Fz成比例，即：

式中dzz—压电陶瓷的纵向压电系数。输出电压为

当沿X轴方向施加作用力Fx时，如图3-14b所示，在镀银极化面上产生电荷Qzx为

同理

式中的dz1、dz2是压电陶瓷在横向力作用时的压电系数，且均为负值；电荷除以压电陶瓷片电容Cz可得电压输出。

3.3.3压电式传感器的测量电路1.压电元件的串联与并联

(a)并联(b)串联图3-15压电元件的串联与并联

2.压电传感器的等效电路

压电传感器可等效为如图3-16(a)所示的电压源,也可等效为一个电荷源，如图3-16(b)所示。

图3-16压电传感器电压源与电荷源等效电路

压电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及压电传感器的内阻Ra。

图3-17压电传感器实际等效电路3.压电传感器测量电路

压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器。①电压放大器（阻抗变换器）

(a)放大电路；(b)输入端器简化等效电路图3-18电压放大器电路原理及其等效电路图

②电荷放大器电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的放大器。考虑到Ra、Ri阻值极大，电荷放大器等效电路如图3-19所示。图3-19电荷放大器等效电路

3.3.4压电式传感器结构

压电测力传感器的结构通常为荷重垫圈式。图3-20所示为YDS-781型压电式单向传感器结构，它由底座、传力上盖、片式电极、石英晶片、绝缘件及电极引出插座等组成。当外力作用时，上盖将力传递到石英晶片，石英晶片实现力—电转换，电信号由电极传送到插座后输出。1-传力上盖；2-压电片；3-片式电极；4-电极引出插头；5-绝缘材料；6-底座图3-20YDS-781型压电式单向力传感器结构3.3.5单片集成硅压力传感器单片集成硅压力传感器采用单晶硅晶体制成，英文缩写为ISP（integratedsiliconpressure）。其内部除传感器单元外，还有信号放大、温度补偿和压力修正电路。美国Motorola公司生产的单片集成硅压力传感器，有MPX2100、MPX4100A、MPX5100和MPX5700等型号。MPX4100A测量压力范围为15～115kPa，温度补偿范围为－40～＋125℃，电源电压为＋4.85～＋5.35V，电源电流为7.0mA。

MPX4100A有多种封装形式，如图3-21所示。

6个引脚从左到右依次为输出端（UO）、公共地（GND）、电源（US），其余为空脚。图3-21MPX4100A封装形式MPX4100A内部电路由3个部分组成：（1）单晶硅压电传感器单元，（2）薄膜温度补偿器和第一级放大器，（3）第二级放大器和模拟电压输出电路，如图3-22所示。图3-22MPX4100A电路组成

单晶硅压电传感器单元结构如图3-23所示。在管道内，当它受到垂直方向上的压力p时，该压力进入热塑壳体，作用于单晶硅压电传感器管芯，与密封真空室的参考压力相比较，使输出电压大小与压力p成正比，为UO＝US（0.01059p－0.01518±αpγ）经A/D转换成数字量后，可由微处理器计算出被测压力值。图3-23MPX4100A型集成硅压力传感器结构

3.4电容式传感器

当S、d或ε改变，则电容量c也随之改变。若保持其中两个参数不变，通过被测量的变化改变其中一个参数，就可把被测量的变化转换为电容量的变化。这就是电容传感器的基本工作原理。电容式传感器结构简单，可用于力、压力、压差、振动、位移、加速度、液位、粒位、成分含量等测量。平行板电容器如图3-24所示

，电容量为

图3-24平行板电容器图

3.4.1变极距型电容传感器平行板电容器的ε和S不变，只改变电容器两极板间距离d，为变极距型电容传感器，常用于压力的测量。如图3-25所示，压力作用使极距改变Δd。图3-25变极距式传感元件原理图

初始状极距为d0时，电容器容量C0为：

电容器受外力作用，极距减小Δd，则电容器容量改变为

电容值相对变化量为此时C1与Δd的关系呈线性关系。

为了提高传感器灵敏度，减小非线性误差，实际应用中大都采用差动式结构。如图3-26所示(1为动片、2为定片)，中间电极若受力向上位移Δd，则C1容量增加，C2容量减小，两电容差值为

电容传感器做成差动型后之后，灵敏度提高一倍。

得到：图3-26差动式电容传感元件

为消除极板的边缘效应的影响,可采用图3-27所示保护环。保护环与极板具有同一电位,这就把电极板间的边缘效应移到了保护环与极板2的边缘，极板1与极板2之间的场强分布变得均匀了。

图3-27加保护环消除极板边沿电场的不均匀性

3.4.2变面积式电容传感器

变面积式电容传感元件结构原理如图3-28所示。

图（a）所示平板形位移x后，电容量由初始值变为电容量变化：

灵敏度为

a—平板形电容；b—旋转形电容；c—圆柱形电容图3-28变面积式电容结构原理图

对于角位移传感器，图（b），设两片极板全重合（θ=0）时的电容量为C0，动片转动角度θ后，电容量变为电容量变化：

灵敏度为

圆柱形电容式位移传感器，图（c），设内外电极长度为L，起始电容量为C0，动极向上位移y后，电容量变为

电容量变化

：

灵敏度为a—平板形差动电容；b—旋转形差动电容；c—圆柱形差动电容图3-29变面积差动电容结构原理图

图3-29所示是变面积式差动电容结构，传感器输出和灵敏度均提高一倍。3.4.3变介电常数式

变介质常数位移式电容传感器结构原理如图3-30所示。介质没进入电容器时（x=0），电容量为

介质进入电容x后，电容量为

整理可得：

图3-30变介质位移式传感电容结构原理图

3.5电感式传感器电感传感器的基本原理是电磁感应原理。利用电磁感应将被测非电量（如压力、位移等）转换成电感量的变化输出。常用的有自感式和互感式两类。电感式压力传感器大都采用变隙式电感做为检测元件，它和弹性敏感元件组合在一起构成电感式压力传感器。3.5.1自感式传感器图3-31所示为闭磁路式自感传感器。1-线圈；2-铁芯（定铁芯）；3-衔铁（动铁芯）图3-31闭磁路式自感传感器原理结构图

电感量L为：

当衔铁受外力作用使气隙厚度减小，则线圈电感也发生变化，为：

电感的相对变化量近似为：

气隙变化量Δδ越小，非线性失真越小；气隙δo越小，灵敏度越高。实际应用中常用差动变隙式自感传感器。如图3-32所示。

1-线圈；2-铁芯；3-衔铁；4-导杆图3-32差动变隙式电感传感器3.5.2互感式传感器互感传感器有初级线圈和次级线圈。初级接入激励电源后，次级将因互感而产生电压输出。当线圈间互感随被测量变化时，输出电压将产生相应的变化。这种传感器次级线圈一般有两个，接线方式又是差动的，故又称为差动变压器。差动变压器结构形式较多，有变隙式、变面积式和螺线管式等，但其工作原理基本一样。1.工作原理非电量测量中，应用最多的是螺线管式差动变压器，螺线管式差动变压器结构如图3-33所示，它由初级线圈、两个次级线圈和插入线圈中央的圆柱形铁芯等组成。它可以测量1～100mm范围内的机械位移，并且具有：测量精度高，灵敏度高，结构简单，性能可靠等优点。1-活动衔铁；2-导磁外壳；3-骨架；4-匝数为n1的初级绕组；5-匝数为n2a的次级绕组；6-匝数为n2b的次级绕组图3-33螺线管式差动变压器结构

螺线管式差动变压器按线圈绕组排列方式的不同，可分为一节、二节、三节、四节和五节式等类型，如图3-34所示。

(a)一节式；(b)二节式；(c)三节式；(d)四节式；(e)五节式图3-34线圈排列方式2.差动变压器输出电压如图3-35所示。二次侧开路时有：

，

图3-35差动变压器等效电路①活动衔铁处于中间位置时，M1=M2=M，故：②活动衔铁向上移动，M1=M+ΔMM2=M-ΔM，故：与同极性二次侧接通时，两个次级线圈反向串联，在忽略铁损、导磁体磁阻和线圈分布电容的理想条件下，分三种情况：③活动衔铁向下移动，M1=M-ΔMM2=M+ΔM故：，

与同极性。3.5.4差动变压器式传感器测量电路为了达到能辨别移动方向及消除零点残余电压的目的，常采用差动整流电路和相敏检波电路。差动整流电路是把差动变压器的两个次级输出电压分别整流，然后将整流的电压或电流的差值作为输出，图3-36给出了几种典型电路形式。(a)半波电压输出(b)半波电流输出(c)全波电压输出(d)全波电流输出

图3-36差动整流电路以图3-36(c)电路为例，不论两个次级线圈的输出瞬时电压极性如何，流经电容C1的电流方向从2到4，流经电容C2的电流方向从6到8，故整流电路的输出电压为：U2=U24-U68当衔铁在零位时，因为U24=U68，所以U2=0；当衔铁在零位以上时，因为U24>U68，则U2>0；而当衔铁在零位以下时，因为U24<U68，则U2<0。差动整流电路结构简单、不需要考虑相位调整和零点残余电压的影响，分布电容影响小，便于远距离传输，获得广泛应用。3.6加速度传感器

加速度传感器有多种型式。

用电容传感器组成的加速度传感器结构如图3-37所示。图3-37加速度传感器物理结构组成a）结构组成b）等效电路

由图a可见，加速度传感器内部有两个测力单元（也叫重力传感器），为两个差动式结构的变极距电容传感器。

其上下两块极板a、b为固定极板，与加速度传感器壳体固定成一体。

中间极板c是活动的，与活动框连成一体，经弹簧锚定在壳体上。

加速度传感器壳体竖直方向固定在被测设备上时，一个测力单元的等效电路如图b所示。

被测设备竖直方向加速度（重力加速度以外）或静止时受到的地球引力（重力），会使活动框连带中间极板上下移动。

向下移动时，C2电容量增大，C1减小；向上移动时，C1电容量增大，C2减小。

用电桥电路测出C1、C2变化量，可计算竖直方向加速度或静止时地球引力（重力）。

加速度传感器有单轴和双轴两种。

单轴加速度传感器的两个测力单元是同方向的，两个测力单元电容变化相叠加，可增加输出信号强度。

双轴加速度传感器的两个测力单元分别为X和Y方向，两个测力单元电容变化量相减，可以测出加速度或静止时地球引力的大小，还可以测出加速度方向。ADXL320超小型双轴加速度传感器，为美国ANALOGDEVICES公司生产，长、宽、高尺寸4mm×4mm×1.45mm，最大测量加速度±5g。MMA1220D为Motorola公司生产的单轴加速度传感器，由一个测力单元（重力传感器）和放大器、滤波器组成，灵敏度为250mV/g，响应时间2ms，最大测量加速度11g。

加速度传感器可应用于环境监视、工程测振、地质勘探等仪器仪表中，也可以用于物体移动和倾倒的报警和保护。

新型手机配置有移动事件识别功能，横竖屏幕显示转换功能。

都是利用手机上的加速度计和陀螺仪采集手机摇晃、移动或手握方向变化信息，通知应用程序响应和处理。3.7力传感器应用实例3.7.1煤气灶电子点火器煤气灶电子点火装置如图3-38所示，是让高压跳火来点燃气。当使用者将开关往里压时，把气阀打开；将开关旋转，则使弹簧往左压，此时，弹簧有一个很大的力撞击压电晶体，产生高压放电，导致燃烧盘点火。图3-38煤气灶电子点火装置

3.7.2压电式玻璃破碎报警器

BS-D2压电式玻璃破碎传感器的外形及内部电路见图3-39所示。传感器把振动波转换成电压输出，输出电压经放大、滤波、比较等处理后提供给报警系统。传感器的最小输出电压为100mV，内阻抗为15～20KΩ。报警器的电路框图见图3-40所示。

(a)外形；(b)内部电路图3-39BS-D2压电式玻璃破碎传感器

图3-40压电式玻璃破碎报警器电路框图3.7.32S5M压力传感器压力测量电路图3-41是采用2S5M传感器的压力测量电路。运放A1构成恒流电路，流入传感器电流为4mA。这时，输出电压VS为12～39mV，因此，测量电路中运放增益需要77～250倍。

2S5M传感器的失调电压为-7.8mV。可在2S5M的1与6脚间接50Ω电位器调失调电压。如果失调电压偏到负侧（-10mV），在6脚再串接10Ω电阻即可。图3-41采用2S5M的压力测量电路（恒流工作）3.7.4指套式电子血压计指套式电子血压计是利用放在指套上的压力传感器