传感器技术及其工程应用金发庆第3章节力传感器

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1、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力传感器应用实例3.7实训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

2、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

3、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，如图3-4所示。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

4、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）薄壁圆筒薄壁圆筒弹性敏感元件的结构如图3-6所示。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

5、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

6、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=

7、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，

8、另一个受压。可以计算输出电压为3.3压电传感器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