力敏传感器的工作原理与分类.ppt

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1、长江工程职业技术学院自动化教研室课题一力敏传感器的工作原理与分类任务目标★掌握电阻应变式力敏传感器的工作原理；★掌握电感应变式力敏传感器的工作原理；★了解电阻应变式和电感应变式力敏传感器之间的区别。长江工程职业技术学院自动化教研室一、力敏传感器概述力敏传感器，顾名思义就是能对各种力或能转化为力的物理量产生反应，并能将其转变为电参数的装置或元件。很显然，要成为真正实用意义上的力敏传感器，这个由力转化为电参数的过程最好能成线性关系。根据由力至电参数转变的方式不同，力敏传感器一般有电阻应变式传感器、电位计式传感器、电感式传感器、压电式传感器、电容式传感器等，它们也可用来测

2、量力值。长江工程职业技术学院自动化教研室二、电阻应变式传感器电阻应变式传感器是目前工程测力传感器中应用最普遍的一种传感器，它测量精度高，范围广，频率响应特性较好，结构简单，尺寸小，易实现小型化，并能在高温、强磁场等恶劣环境下使用，并且工艺性好，价格低廉。它主要应用在力作用下，将材料应变转变为电阻值的变化，从而实现力值的测量。组成电阻应变片的材料一般为金属或半导体材料。长江工程职业技术学院自动化教研室1．电阻应变式传感器工作原理（1）应变效应由物理学可知，电阻丝的电阻R与电阻丝的电阻率、导体长度及截面积存在如下关系（2-1）图2-1电阻丝应变效应长江工程职业技术学院自

3、动化教研室（2）电阻应变式传感器的结构及特性金属电阻应变片分为金属丝式和金属箔式两种。①金属丝式电阻应变片。金属丝式电阻应变片的基本结构图如图2-2所示。由敏感栅1、基底2和盖层3、引线4和黏结剂几个基本部分组成。图2-2金属丝式电阻应变片的基本结构图长江工程职业技术学院自动化教研室②金属箔式应变片。如图2-3所示，它与金属丝式电阻应变片相比，有如下优点：用光刻技术能制成各种复杂形状的敏感栅；横向效应小；散热性好，允许通过较大电流，可提高相匹配的电桥电压，从而提高输出灵敏度；疲劳寿命长，蠕变小；生产效率高。但是，制造箔式应变片的电阻值的分散性要比丝式应变片的大，有的

4、能相差几十欧姆，需要调整阻值。金属箔式应变片因其一系列优点而将逐渐取代丝式应变片，并占主要地位。长江工程职业技术学院自动化教研室（a）箔式单向应变片（b）箔式转矩应变片（c）箔式压力应变片（d）箔式花状应变片图2-3各种箔式应变片长江工程职业技术学院自动化教研室2．电阻应变片传感器基本应用电路将电阻应变片粘贴于待测构件上，应变片电阻将随构件应变而改变，将应变片电阻接入相应的电路中，使其转化为电流或电压输出，即可测出力值。通常将应变片接入电桥来实现电阻至电压或电流的转换。根据电桥电源不同，又分直流电桥和交流电桥。这里主要介绍直流电桥。图2-4所示为一直流电桥，计算可知

5、图2-4直流电桥（2-2）长江工程职业技术学院自动化教研室若使此电桥平衡，即，只要。一般我们取即可实现。现将换成电阻应变片，即组成半桥单臂电桥，随构件产生应变造成传感器电阻变化时，式（2-2）变成（2-3）一般，可忽略，由此可得长江工程职业技术学院自动化教研室可见，输出电压与电阻变化率成线性关系，也即和应变成线性关系，由此即可测出力值，由式（2-3）可得半桥单臂工作输出的电压灵敏度（2-4）为了提高输出电压灵敏度，可以采用半桥双臂或全桥电路，如图2-5所示。图2-5（a）为半桥双臂，图2-5（b）为全桥电路。长江工程职业技术学院自动化教研室（a）半桥双臂（b）全桥电

6、路图2-5直流电桥的连接方式长江工程职业技术学院自动化教研室对于半桥双臂（2-5）全桥（2-6）即半桥双臂可使电压灵敏度比半桥单臂提高一倍，而全桥电路电压灵敏度又比半桥双臂电压灵敏度提高一倍。可见，利用全桥，并提高供电电压E，可提高灵敏度系数。长江工程职业技术学院自动化教研室3.温度误差及其补偿用作测量应变的金属应变片，希望其阻值仅随应变变化，而不受其它因素的影响。实际上应变片的阻值受环境温度(包括被测试件的温度)影响很大。由于环境温度变化引起的电阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，从而产生很大的测量误差，称为应变片的温度误差，又称热输出。因环境温度

7、改变而引起电阻变化的两个主要因素：应变片的电阻丝(敏感栅)具有一定温度系数；电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。（1）温度误差长江工程职业技术学院自动化教研室（2）温度补偿一般采用桥路补偿法、应变片补偿法或热敏电阻补偿法。所谓桥路补偿法，如图2-4所示，当ab间接入应变片传感器，bc间也接入同样的应变片，但bc间接入的应变片不受构件应变力的作用，将它用同样的方法粘贴在与ab间应变片所贴构件材料相同的材料上，并与ab间应变片处于同一温度场中，这样ab、bc间应变片的阻温效应相同，电阻的变化量也相同，由电桥理论可知，它们起了互相抵消作用，对输出电压没有影响。长江工