哈尔滨工业大学博实精密测控有限责任公司

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1、哈尔滨工业大学博实精密测控有限责任公司第1章微力传感器的本体设计1.1总体方案的确定传感器有很多种分类方法，按利用场的定律还是利用材料的物质法可分为结构型传感器和物性型传感器，由结构型和物性型组合而成兼有两者特征的传感器成为复合型传感器；按输出量是模拟量还是数字量可分为模拟量传感器和数字量传感器；等等。最常用的分类方法是下述两种：第一种是按工作原理分，如应变式、压阻式、压电式、光电式⋯。第二种按被测量分类，如力、位移、速度、加速度⋯。当前几乎所有的技术领域都在使用电阻应变式力传感器。采用应变式传感器，这不仅是由于应变片具有可靠性好，灵敏度高的特点，还因为应变电桥的检测技术比较成熟。根据力传感

2、器弹性组件上安装电阻应变敏感组件处的变形形式，可以分成拉压式力传感器，剪切式力传感器和弯曲式力传感器。在测量小力值时，我们通常采用弯曲式力传感器。综合以上分析，我们决定采用电阻应变式力传感器。根据以往设计的思想，我们设计了如图2-1，图2-2两种形式的本体结FFZZ图1-1图1-2构。对比图1-1和图1-2，我们就会发现，在同样的受力情况下，图1-1的应变要比图1-2的应变大一倍，但是，图1-2所示的结构具有刚度大，抵抗斜应力的能力强。所以，我们采用了图1-2所示的结构。1.2金属应变片的工作原理金属应变片是利用其电阻应变效应来工作的。电阻应变效应是指金属系材料在外力作用下产生机械变形，再由

3、应变引起电阻变化这一现象。2设一长为l，截面积为S（设S=pr），电阻率为ρ的金属丝，未受力时，电阻值R为：lR=r（1-1）S哈尔滨工业大学博实精密测控有限责任公司电阻丝受到拉力F作用时，将伸长l，截面积相应减少S（S=2pr×r），因晶格畸变引起能带结构变化导致电阻率变化r。如果将上述变化引起的电阻变化R，用全微分表示为rrlldR=-+dldSdr2SSSdRdldSdr=-+（1-2）RlSr2代入Sr=p与dS=×2prdr，式（1-2）写成dRdldrdr=-+2（1-3）Rlrr上式中，dRR---电阻相对变化量dll----纵向相对变化量（即轴向应变）drr---半径相对变化

4、量（即径向应变）drr--电阻率相对变化量由材料力学可知，在弹性范围内轴向应变与径向应变关系有dll==e,drr-me上式中，m---泊松比，金属材料约为0.3e---轴线方向上的线应变整理后可得：dRdr=+(12)me+（1-4）Rr由上式可知电阻相对变化量由两方面因素决定：一是几何尺寸变化（应变）引起的；一是电阻率变化引起的。对金属材料，前一项是主要的；而对半导体材料，后一项是主要的。大量实验证明，对金属材料在不超过拉伸比例极限范围内，应变e是常数。据此，定义金属材料的灵敏系数K为0dRK==()/12e+m（1-5）0R即单位应变所引起的电阻变化率，金属材料约为1.7左右。式（1-

5、5）说明金属材料在一定应变范围内电阻变化率与应变成正比，而灵敏系数为常数。此[11]为应变式传感器的理论基础。1.3应变式电桥测量电路哈尔滨工业大学博实精密测控有限责任公司在外力作用下，弹性体机械变形，粘贴在弹性体上的应变片产生相应应变引起其电阻变化，再经电桥将阻值变化转换成电压或电流输出。但其阻值变化很小，经电桥输出电压也很小。这一微小电压输出必须经放大和滤波电路，成为与微机匹配的模拟量，经A/D转换送入微机，由标定建立起被测量与电量的关系，根据纪录或显示的电压值可知被测力的大小。本节讨论电桥测量电路的有关问题。1.3.1电桥的平衡条件不考虑电容和电感的影响，由纯电阻组成直流电桥，如图2-

6、3所示，AC两端接电源电压U，桥臂电阻为R，R，R及R，BD两端为输电压出端U，12340它接至内组为R的放大器或检测仪表。0RBR12II12R0ARDRC34II34I0U图1-3直流电桥电路根据电工学中的克希霍夫定律可得I=+II210I=+II340IRIRU+=3344IRIRIR+-=0330011IRIRIR--=0442200由上述式子联立得到输出端的电流为URRRR()-1424I=（1-6）0R()RRRRR++()()()++RRRRRRR++0123412343412输出端的电压为URRRR()-1424UI==R（1-7）000()R++RRR()+1/RRRRRR

7、RRR[()()+++]1234012343412由式（1-6）和式（1-7）可见，若哈尔滨工业大学博实精密测控有限责任公司RR-=RR01423则I=0，U=0。此时电桥为平衡状态，检测仪表的指示为零。001.3.2直流电桥（输出）电压灵敏度目前大部分电阻应变式传感器的电桥输出端是与直流放大器连接，直流放大器的输入端电阻R比电桥电阻大得多。为此可将电桥输出端看成开路情0况，即R=¥，这种电桥称为“电压输出桥