第四章力敏传感器.doc

第四章   力敏传感器

教学目标：
1．了解弹性敏感元件的特性和要求。
2．了解几种常用测力称重传感器的特点、
3．掌握电阻应变效应及半导体的压阻效应
4．了解电桥电路的作用。
5．掌握单臂、双臂和全桥测量电路的异同点。
6．理解压电式传感器的工作原理。了解它的特点。    
7．了解它们的应用。

力敏传感器是使用很广泛的一种传感器。它是生产过程中自动化检测的重要部件。它的种类很多，有直接将力变换为电量的如压电式、压阻式等，有经弹性敏感元件转换后再转换成电量的如电阻式、电容式和电感式等。它主要用于两个方面：测力和称重。本章介绍电阻应变式传感器、压阻式和压电式传感器。

§4-1（传感器中的）弹性敏感元件
一、弹簧管压力表的组成：（如图4-1）

图4-1　弹簧管压力表的组成框图
弹簧管——弹性敏感元件：将输入压力转换成自身的变形量（应变、位移或转角）。

二、弹性元件的基本特性：
1．变形：物体在外力作用下改变原来尺寸或形状的现象。
2．弹性：物体因受外力作用而产生变形，外力去掉后又恢复原状的特性。
3．弹性元件：具有弹性变形特性的物体。
4．弹性变形：弹性元件受外力作用而产生的变形。
5．弹性特性：作用在元件上的外力与相应变形（应变、位移或转角）之间的关系。
（1）刚度：弹性元件产生单位变形所需的力。
（2）灵敏度：在单位力作用下弹性元件产生的变形。
刚度和灵敏度表示了弹性元件的软硬程度。元件越硬，刚度越大，单位力作用下变形越小，灵敏度越小。
6．线性弹性元件：刚度和灵敏度为常数，作用力F与变形X成线性关系。

三、弹性敏感元件的基本要求及类型：
弹性元件在传感器技术中占有极其重要的地位。它首先把力、力矩或压力转换成相应的应变或位移，然后配合各种形式的传感元件，将被测力、力矩或压力变换成电量。
1．基本要求：
（1）具有良好的机械特性（强度高、抗冲击、韧性好、疲劳强度高等）和良好的机械加工及热处理性能。
（2）良好的弹性特性（弹性极限高、弹性滞后和弹性后效小等）。
（3）弹性模量的温度系数小且稳定，材料的线膨胀系数小且稳定。
（4）抗氧化性和抗腐蚀性等化学性能良好。
2．弹性元件的形式：
2．根据弹性元件输入量的不同，可以分成两种基本类型：
（1）变换力（力矩）弹性元件：等截面柱式、悬臂梁、圆环式和等截面薄板等。
（2）变换压力弹性元件：弹簧管、波纹管、膜片（力、压力均可以变换）等。
§4-2  电阻应变式传感器
电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将力学量转换为电信号的传感器。而电阻应变效应是指导体或半导体材料在外力作用下产生机械形变时，其电阻值也发生相应变化的现象。
电阻应变式传感器具有精度高，性能稳定，测量范围宽，可制成各种机械量传感器；并且结构简单，体积小，重量轻。可在超低温、强振动、强磁场等恶劣环境下工作等特点。

§4-2-1 电阻应变式传感器的外形结构和性能
一、        部分电阻应变式传感器的外形：

(a)                     (b)                            (c)

　（d）            　　　                  (e)                 　                (f)
图4-2　各种应变式电阻传感器的外形图
(a)箔式压力；(b)柱式；(c)悬臂梁式；(d)桥式；(e)波纹管式；(f)S型拉压式

二、主要用途及性能指标：
（a）     金属箔式压力传感器：
采用了箔式应变片贴在合金钢做的弹性体上，具有精度高、温度特性好等特点。适用于电子皮带秤、配料秤等场所。它的性能指标见表4-1所示：

表4-1　金属箔式压力传感器的性能指标
量程
2、5、10、20、30、50、100、150、200 kg
灵敏度
1～2mv±0.1mv/V
非线性
±0.02%F·S
滞后误差
±0.02%F·S
重复性误差
±0.01%F·S
蠕变
±0.05　％F·S /30min
零点温度系数
±0.03%F·S/10℃
输出温度系数
±0.03%F·S/10℃
输入阻抗
385±10Ω
输出阻抗
350±5Ω
绝缘电阻
≥5000 MΩ
供桥电压
9～15 VDC
工作温度范围
-20～ +70℃
允许过载负荷
150%F·S
材质
合金钢
接线方式
电源（+）红线　　电源（-）绿线

输出（+）黄线　　输出（-）白线
(b)柱式传感器：
采用了箔式应变片贴在合金钢做的弹性体上，具有精度高、长期稳定性好、密封性好等到特点。适用于地中衡、料斗秤、汽车衡、轨道衡等场所。
量程：0.1～200ｔ；精度：±0.05%F·S。
(c)悬臂梁式传感器：
采用了箔式应变片贴在合金钢做的弹性体上，一端固定、一端加载，拉、压均可。具有精度高、密封性好、易安装等特点。适用于汽车衡、电子秤、料斗秤等场合。
量程：0.05～20ｔ；精度：±0.03%F·S。
(d)桥式传感器：
采用了箔式应变片贴在合金钢弹性体上，具有精度高、长期稳定性好、密封性能好、抗侧向力和抗偏荷能力强等特点。适用于各种汽车衡、轨道衡、料斗秤等场所。
量程：5~50ｔ；精度：±0.02%F·S。
(e)波纹管式传感器：
采用悬臂剪切结构、波纹管密封、充氮，可承受拉、压两种受力形式，具有精度高、防尘好、抗偏载、抗疲劳能力强、性能稳定、安装方便等特点。适用于电子秤、皮带秤、料斗秤等场所。
量程：10～1000；精度：±0.02%F·S。
(f)S型拉压式传感器：
采用S型结构，拉压均可使用。可应用于高湿度环境，具有优越的抗扭、抗侧、抗偏载能力，输出对称性好。精度高、结构紧凑等特点。适用于配料秤、料斗秤、机电结合秤、吊钩秤等场所。
量程：0.05～20ｔ。精度：±0.02%F·S。

三、金属电阻应变片的结构：（如图4-3所示）
1．结构：它由敏感栅、基体、覆盖层（保护片）和引出线四部分组成。
（1）敏感栅是转换元件，由金属丝、金属箔制成，它被粘贴在基体上。通过基体把应变传递给它。
（2）基体起绝缘作用。
（3）覆盖层（保护片）起绝缘保护作用。
（4）引出线焊接于敏感栅两端，作连接测量导线之用。

图4-3　金属丝式应变片的结构图
2．类型：
电阻应变片有金属电阻应变片和半导体应变片两类。金属电阻应变片有丝式、箔式和薄膜式等结构形式。

§4-2-2  电阻应变式传感器的工作原理
一、        原理框图：
测量电桥

电阻
应变片

弹性
敏感元件

   F                   ε              　　　　　　ｕ或i
图4-4  电阻应变式传感器的原理框图

二、工作原理：
电阻应变式传感器是通过弹性敏感元件将外部的应力转换成应变ε，再根据电阻应变效应，由电阻应变片将应变转换成电阻值的微小变化，通过测量电桥转换成电压或电流的输出。

§4-2-3 应变片的测量电路
由于应变片受力的电阻值变化范围很小，如果直接用欧姆表测量其电阻值的变化将十分困难，且误差很大。所以必须使用专门的电路来测量这种微弱的电阻变化，最常用的电路为电桥电路。

一、电桥电路：（图4-4所示）
R1

A

                        R1 = R2=R3 = R4=R——等臂电桥
R2

                        R1 = R2=R  R3 = R4=R’——输出对称电桥
D

C

UO

                        R1 = R3=R  R2 = R4=R’——电源对称电桥

R4

R3

B

Ui

图4-4　电桥电路
　　由分析可知：当R1 R3= R2 R4时，电桥平衡，输出电压UO=0。

二、单臂电桥：（图4-5所示）
　　　　　　　　　　　　　　　图中的电阻R1为电阻应变片。起始时，应变片未承受应变，电桥平衡：R1 R3= R2 R4 ，此时     UO=0。
　　　　　　　　　　　　　　　当应变片承受应变时，则R1增大为R1+ΔR，
　　　　　　　　　　　　　对于等臂电桥和输出对称电桥，此时的输出电压

图4-5　单臂电桥　　　为：

三、双臂电桥（差动半桥）：（图4-6所示）
电阻R1、R2为应变片，R3、R4为固定电阻。当应变片承受应变时，R1增大为R1+ΔR，同时R2减小为R2－ΔR，此时的输出电压为单臂工作时的两倍。

图4-6　差动半桥　　　　　　　　　　图4-7　差动全桥

四、差动全桥：（图4-7所示）
电阻R1、R2 、R3、R4均为应变片。当应变片承受应变时，则R1和R3增大ΔR，R2和R4减小ΔR，此时的输出电压为单臂工作时的四倍。
结论：上述三种工作方式中，差动全桥工作方式的灵敏度最高，差动半桥次之，单臂电桥灵敏度最低。采用全桥（或双臂半桥）还能实现温度变化的自动补偿。

§4-2-4  电阻应变式传感器的应用
在电阻应变式传感器中，敏感元件一般为各种弹性体，传感元件就是应变片，测量转换电路一般为桥路。只要将应变片粘贴于各种弹性体上，并将其接到测量转换电路，这样就构成了测量各种物理量的专用应变式传感器。它可以测量应变应力、弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。
一、        电子台秤：（图4-8所示）
二、吊杆秤：（图4-9所示）
三、汽车衡：（图4-10所示）

图4-8　电子台秤　　　　　图4-9　吊杆秤　　　　　　　图4-10　汽车衡
§4-3  压阻式传感器
压阻式传感器是通过扩散工艺将四个半导体应变电阻制作在同一硅片上，利用半导体材料的压阻效应制成的传感器。它由于工艺一致性好，灵敏度相等，因此漂移抵消，迟滞、蠕变非常小，动态响应快，测量精度高、稳定性好、温度范围宽、易小型化、能批量生产和使用方便。

§4-3-1  固态压阻式传感器的工作原理
固态压阻式传感器的工作主要基于压阻效应，而压阻效应是在半导体材料上施加作用力时，其电阻率将发生显著变化的现象。

§4-3-2  半导体电阻应变片的结构和特点
一、半导体电阻应变片的结构：
    它由硅膜片、外壳和引线组成。核心：硅膜片（作为弹性敏感元件）。

图4-11  半导体电阻应变片的结构

二、半导体电阻应变片的特点：
优点：灵敏系数比金属电阻应变片的灵敏系数大数十倍，横向效应和机械滞后极小。
缺点：温度稳定性和线性度比金属电阻应变片差很多。

§4-3-3  压阻式压力传感器
固态压阻式压力传感器的结构如图4-12所示，传感器硅膜片两边有两个压力腔。一个是和被测压力相连接的高压腔，另一个是低压腔，和大气相通。

图4-12  压阻式压力传感器结构图
1—低压腔   2—高压腔   3—硅杯   4—引线   5—硅膜片

当膜片两边存在压力差时，膜片上各点存在应力。膜片上的四个电阻在应力作用下，阻值发生变化，电桥失去平衡，输出电压与膜片两边压力差成正比。
§4-4  压电传感器
压电式传感器是基于某些材料受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理的传感器。它是一种典型的有源传感器，又称自发电式传感器。它具有体积小，重量轻，频率宽，灵敏度高，结构简单，工作可靠等特点。

§4-4-1 压电传感器、压电材料的外形和技术指标
一、压电式振动加速度传感器的外形：（图4-13所示）

图4-13　压电式振动加速度传感器外形图

二、压电振动加速度传感器的技术指标：
1. 灵敏度：500mV/g
2．量程：0~10g
3．频率范围：4-4000Hz
4．线性：≤1%
5．分辨力：0.00004g
6．安装谐振点:15kHz

三、压电材料的外形：（见图4-14所示）

　　（ａ）　　　　　　（ｂ）　　　　　　（ｃ）　　　　　　　　（ｄ）
图4-14  各种压电材料的外形图
（ａ）天然石英晶体；（b）石英晶体薄片；（c）压电陶瓷；（d）高分子压电薄膜

§4-4-2 压电传感器的工作原理
一、压电效应：
当某些晶体或多晶体陶瓷在一定的方向上受到外力作用时，在某两个对应的晶面上，会产生符号相反的电荷。当外力消失时，电荷也消失；当外力改变方向时，两晶面上的电荷符号也随之改变。
    压电传感器就是以压电效应为基础，将力学量转换为电量的器件。
    典型的具有压电效应的物质有石英晶体、压电陶瓷和高分子压电材料等。

二、石英晶体的压电效应：
石英晶体的外形是规则的六角棱柱体，它有三个晶轴，如图4-15所示。

图4-15　石英晶体的坐标轴和切片
1．纵向压电效应：沿着X轴对晶片施加力时，在垂直于X轴的表面上产生电荷。如图4-16所示。产生的电荷与作用力的大小成正比，与晶片尺寸无关。

图4-16　晶片受力方向与电荷极性的关系
2．横向压电效应：沿着Y轴对晶片施加压力时，在垂直于X轴的表面上产生电荷。如图4-16所示。产生的电荷与作用力的大小成正比，与晶片尺寸有关。
3．压电效应的产生机理：（图4-17所示）

图4-17　压电效应的产生机理
三、压电陶瓷的压电效应：
压电陶瓷是人工制造的具有电畴结构的多晶压电材料。它的压电机理与压电晶体不同。
原始的压电陶瓷不具有压电特性，电畴无规则排列。当外加直流电场时，使得电畴规则排列，这时压电陶瓷就有了压电特性。在极化电场去除后，电畴方向基本不变，留下了很强的剩余极化。极化过的压电陶瓷受力后就产生了电荷。见图4-18所示。压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多，因此其灵敏度较高。

图4-18　压电陶瓷的极化过程和压电特性

§4-4-3  压电传感器的测量电路
一、        压电传感器的等效电路：
压电传感器可以等效为一个与电容相并联的电荷源或者是一个电容与电压源的串联。

图4-19　压电传感器的等效电路
a)电荷源；b)电压源
二、压电传感器的测量电路：
压电传感器具有内阻抗很高，而输出信号微弱的特点。因此要求测量电路的前级放大器有足够高的阻抗，防止电荷迅速泄露；并且要完成信号放大。
其测量电路有两种：电压放大器和电荷放大器。

§4-4-4  压电传感器的应用
一、         压电式单向测力传感器：（图4-20所示）
用于机床动态切削力的测量。

二、压电式加速度传感器：（图4-21所示）
当传感器感受振动时，质量块感受与传感器基座相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力的作用。这样，质量块就有一正比于加速度的交变力作用在压电片上。由于压电片压电效应，两个表面上就产生交变电荷，当振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器的输出电荷（电压）与作用力成正比，亦即与试件的加速度成正比。

图4-20　压电式单向测力传感器　　　　　　　　图4-21　压电式加速度计