传感器技术及其应用教学课件作者陈黎敏第3章节力传感器课件

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1、第3章力传感器3.1弹性敏感元件3.2应变式电阻传感器3.3压阻式压力传感器3.4压电式传感器3.5电容式传感器3.6电感式传感器3.7转矩传感器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

2、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

3、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）弹簧管变换压力的弹性敏感元件(a)弹簧管；(b)波纹管；(c)等截面薄板；(d)膜盒；(e)薄壁圆筒；(f)薄壁半球（2）波纹管波纹管是有许多同心环状皱纹的薄壁圆管.（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。波纹管膜片波纹的形状（4）薄壁圆筒薄壁圆

4、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。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。半导体应变片及金属丝式应变片的结构半导体应变片外形金属丝式应变片的内部结构箔式应变片的外形在平面力场中，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

5、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。a—丝式应变花；b—箔式应变花应变花的基本形式应变片的工作原理金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大。金属电阻丝应变效应3.2.1电阻应变片的结构及工作原理1.结构电阻应变片（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。电阻应变片的结构2.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”。应变片的工作原理设有一长度为l、截面积为A、半径为r、电阻率为的金属单丝，它的电阻值R可表示为、、当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）时，

6、上式中、r、l都将发生变化，从而导致电阻值R发生变化。例如金属丝受拉时，l将变长、r变小，均导致R变大；又如，某些半导体受拉时，将变大，导致R变大。实验证明，电阻丝及应变片的电阻相对变化量RR与材料力学中的轴向应变x的关系在很大范围内是线性的，即K—电阻应变片的灵敏度∴由于根据应用要求的不同，可接入不同数目的电阻应变片，一般分为下面几种形式的电桥：3.测量电路——不平衡电桥单臂电桥全桥四臂工作方式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最低。双臂电桥R1、R2为应变片，R3、R4为固定电阻。应变片R1、R2感受到的应变1~2以及产生的电阻增量正负号相间，可以使

7、输出电压Uo成倍地增大。四臂全桥全桥的四个桥臂都为应变片，如果设法使试件受力后，应变片R1~R4产生的电阻增量（或感受到的应变1~4）正负号相间，就可以使输出电压Uo成倍地增大。上述三种工作方式中，全桥四臂工作方式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最低。采用全桥（或双臂半桥）还能实现温度自补偿。3.2.2应变式电阻传感器使用注意事项1.应变片的粘贴：(1)去污：采用手持砂轮工具除去构件表面的油污、漆、锈斑等，并用细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力，用浸有酒精或丙酮的纱布片或脱脂棉球擦洗。(2)