力敏传感器

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1、4.1 应变式压力传感器4.2压阻式压力传感器4.3压电式压力传感器4.4谐振式压力传感器,第4章 力敏传感器,返 回 主 目 录,第4章 力敏传感器, 力敏传感器是将力学量转换为电压、电流等电信号形式的传感器。根据测量原理的不同，力敏传感器可以分为应变式力传感器、压阻式力传感器、压电式力传感器和谐振式力传感器等。4.1 应变式压力传感器 电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器, 传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。当被测物理量作用在弹性元件上时, 弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化, 通过转换电路将其转变成电量输出, 电量变化的大小反映了被测物理量的大小

2、。应变式电阻传感器是目前测量力、力矩、 压力、加速度、重量等参数应用最广泛的传感器。,4.1.1 应变式压力传感器的基本原理,1、金属的应变效应 电阻应变片的工作原理是基于金属的应变效应。金属丝的电阻随着它所受的机械形变（拉伸或者压缩）的大小而发生相应的变化，这个现象就称为金属的电阻应变效应。 如图1所示, 一根金属电阻丝, 在其未受力时, 原始电阻值为 R=式中: 电阻丝的电阻率; L电阻丝的长度; S电阻丝的截面积。,（4 -1）,当电阻丝受到拉力F作用时, 将伸长L, 横截面积相应减小S, 电阻率的变化为, 故引起电阻值相对变化量为,式中L/L是长度相对变化量, 用应变表示,S/S为圆形

3、电阻丝的截面积相对变化量, 即,（4-3）,（4-2）,（4-4）,由材料力学可知, 在弹性范围内, 金属丝受拉力时, 沿轴向伸长, 沿径向缩短, 那么轴向应变和径向应变的关系可表示为,式中: 电阻丝材料的泊松比, 负号表示应变方向相反。 将式（4-3）,式（4-4），式（4-5）代入式（4-2）, 可得 或,（4-6）,（4-7）,（4-5）,通常把单位应变能引起的电阻值的相对变化称为电阻丝的灵敏度系数。其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量, 其表达式为,（4-8）,灵敏度系数受两个因素影响: 一个是受力后材料几何尺寸的变化, 即（1+2）; 另一个是受力后材料的电阻率发生的变化, 即

4、（/）/。 对金属材料电阻丝来说, 灵敏度系数表达式中（1+2）的值要比（/）/）大得多, 而半导体材料的（/）/）项的值比（1+2）大得多。 大量实验证明, 在电阻丝拉伸极限内, 电阻的相对变化与应变成正比, 即 K为常数。,用应变片测量应变或应力时, 根据上述特点, 在外力作用下, 被测对象产生微小机械变形, 应变片随着发生相同的变化, 同时应变片电阻值也发生相应变化。当测得应变片电阻值变化量为R时, 便可得到被测对象的应变值。根据应力与应变的关系, 得到应力值为 =E （3 - 9）式中 : 试件的应力; 试件的应变; E试件材料的弹性模量。 由此可知, 应力值正比于应变, 而试件应变正

5、比于电阻值的变化, 所以应力正比于电阻值的变化, 这就是利用应变片测量应变的基本原理。,2、应变式压力传感器的结构 应变式压力传感器由电阻应变计、弹性元件、外壳及补偿电阻组成。弹性敏感元件感受被测量，产生变形，在表面形成应变，粘贴在弹性敏感元件表面的电阻应变片随机产生应变，其阻值也相应发生变化。因此，可以通过测量电阻应变片的阻值变化来确定被测量的大小。可以说，电阻应变片的作用就是传感器中的转换元件，是电阻应变式传感器的核心元件。,4.1.2 电阻应变片特性, 一、 电阻应变片的种类 电阻应变片品种繁多, 形式多样。 但常用的应变片可分为两类: 金属电阻应变片和半导体电阻应变片。 金属电阻应变片

6、有丝式、 箔式和薄膜式三种（根据敏感栅的不同分类）。金属电阻丝应变片由敏感栅、 基片、 覆盖层和引线等部分组成, 如图2 所示。 敏感栅是应变片的核心部分, 它粘贴在绝缘的基片上, 其上再粘贴起保护作用的覆盖层, 两端焊接引出导线。,箔式应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的金属箔栅, 其厚度一般在0.0030.01mm。其优点是散热条件好, 允许通过的电流较大, 可制成各种所需的形状, 便于批量生产。 薄膜应变片是采用真空蒸发或真空沉淀等方法在薄的绝缘基片上形成0.1m以下的金属电阻薄膜的敏感栅, 最后再加上保护层。它的优点是应变灵敏度系数大, 允许电流密度大, 工作范围广。图2中，

7、称为应变片的标距或工作基长；b称为应变片的工作宽度；b 称为应变片的规格，一般以面积和电阻值来表示，如310mm2，120,二、 横向效应 直的金属丝受到单向拉伸时，其任一微段所感受的应变都相同，且每一段都伸长。因此，线材每一段电阻都增加，总电阻的增加为各微段电阻增加的总和。当同样长度的线材制成应变片时，在电阻丝的弯段，电阻的变化率与直线段明显不同。由弯曲部分的横向缩短作用引起的电阻值的减少量对由轴向伸长作用引起的电阻值的增加量起抵消作用，它使所测应变数值偏小或者说使应变片灵敏度降低，这种现象就称为横向效应，它给测量带来误差，并且弯曲半径越大，横向效应也越大。,三、 应变片的温度误差及补偿 1

8、. 应变片的温度误差 由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差, 称为应变片的温度误差。 由于温度的变化所引起的应变片电阻变化与试件（弹性敏感元件）应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，如果不采取必要的措施克服温度变化的影响，测量精度将无法保证。,2. 电阻应变片的温度补偿方法 电阻应变片的温度补偿方法通常有桥路补偿法和应变片自补偿两大类。 1) 桥路补偿法 电桥补偿是最常用的且效果较好的线路补偿法。图3-4所示是电桥补偿法的原理图。电桥输出电压Uo与桥臂参数的关系为 Uo=A（R1R4- RBR3） ,式中: A由桥臂电阻和电源电压决定的常数。 R1工作应变片； RB补偿应变片 由

9、上式可知, 当R3和R4为常数时, R1和RB对电桥输出电压Uo的作用方向相反。利用这一基本关系可实现对温度的补偿。 测量应变时, 工作应变片R1粘贴在被测试件表面上, 补偿应变片RB粘贴在与被测试件材料完全相同的补偿块上, 且仅工作应变片承受应变。 如图 3 - 4 所示。,当被测试件不承受应变时, R1和RB又处于同一环境温度为t 的温度场中, 调整电桥参数，使之达到平衡, 有 Uo=A（R1R4-RBR3）=0,工程上, 一般按R1 = RB = R3 = R4 选取桥臂电阻。当温度升高或降低t = t-t0时, 两个应变片的因温度而引起的电阻变化量相等, 电桥仍处于平衡状态, 即 Uo

10、=A（R1+R1t）R4-(RB+RBt)R3=0 若此时被测试件有应变的作用, 则工作应变片电阻R1又有新的增量R1=R1K, 而补偿片因不承受应变, 故不产生新的增量, 此时电桥输出电压为 Uo = AR1R4K 由上式可知, 电桥的输出电压Uo仅与被测试件的应变有关, 而与环境温度无关。 应当指出, 若实现完全补偿, 上述分析过程必须满足四个条件:, 在应变片工作过程中, 保证R3 =R4。 R1和RB两个应变片应具有相同的电阻温度系数, 线膨胀系数, 应变灵敏度系数K和初始电阻值R0。 粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测试件材料必须一样, 两者线膨胀系数相同。 两应变片应处于同一

11、温度场。 这种补偿方法有两个缺点（1）两个应变片只有一个是工作片，利用率只有50%；（2）要求工作片与应变片处于同一温度场中，感受相同的温度，对于变化梯度较大的温度场来说，很难达到温度补偿的目的。,应变片的差动补偿法 这种温度补偿法是不另设补偿块，而将应变片直接粘帖在被测试件上，如图4所示。将 R1和R2分别接入电桥的相邻桥臂，因温度变化引起的电阻变化量相互抵消，可以起到温度补偿的作用。,2）应变片自补偿粘帖在被测部位上的是一种特殊应变片，当温度变化时，产生的附加应变为零或者相互抵消，这种特殊的应变片称为温度自补偿应变片。a）选择式自补偿应变片首先确定被测试件材料，然后选择合适的应变片敏感栅材

12、料制作温度自补偿应变片进行温度补偿。很显然，该方法只能用于一种材料上，局限性很大。b）双金属敏感栅自补偿应变片（组合式自补偿应变片）利用两种电阻丝材料的电阻温度系数不同（一个为正，一个为负）的特性，将二者串联绕制成敏感栅。若两段敏感栅由于温度变化而产生的电阻变化大小相等符号相反，即可实现温度补偿。,4.1.3 电阻应变片的测量电路,由于机械应变一般都很小, 要把微小应变引起的微小电阻变化测量出来, 同时要把电阻相对变化R/R转换为电压或电流的变化。因此, 需要有专用测量电路用于测量应变变化而引起电阻变化的测量电路, 通常采用直流电桥和交流电桥。 一、直流电桥 四臂中任何一个电阻都可以用应变片替

13、代。,1、2两点电压,无应变时检流计输出为0，即 有 如果第一臂用应变片代替，应变片引起的电阻变化为R1，电桥失去平衡，调节R2为R2+ R2时，电桥平衡，则有,二、 交流电桥 1. 交流电桥平衡条件 电桥如图3-5 所示, U为电源, R1、R2、R3及R4为桥臂电阻, RL为负载电阻。,（3-28）,当电桥平衡时, =0, 则有 R1R4 = R2R3 或,（3-29）,式（3 - 29）称为电桥平衡条件。这说明欲使电桥平衡, 其相邻两臂电阻的比值应相等, 或相对两臂电阻的乘积相等。,2. 电压灵敏度 R1为电阻应变片，R2, R3, R4为电桥固定电阻，这就构成了单臂电桥。应变片工作时,

14、 其电阻值变化很小, 电桥相应输出电压也很小, 一般需要加入放大器放大。由于放大器的输入阻抗比桥路输出阻抗高很多, 所以此时仍视电桥为开路情况。 当产生应变时, 若应变片电阻变化为R1, 其它桥臂固定不变, 电桥输出电压Uo0, 则电桥不平衡输出电压为,设桥臂比n = R2/R1, 由于R1 R1, 分母中R1/R1可忽略, 并考虑到平衡条件R2/R1= R4/R3, 则上式可写为,电桥电压灵敏度定义为,从上式分析发现: 电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压, 供电电压越高, 电桥电压灵敏度越高, 但供电电压的提高受到应变片允许功耗的限制, 所以要作适当选择; 电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数, 恰当地选择桥臂比n的值, 保证电桥具有较高的电压灵敏度。 当U值确定后, n值取何值时使KU最高？ ,由dKU /dn = 0求RU的最大值, 得 （3 -33）求得n=1时, KU为最大值。这就是说, 在电桥电压确定后, 当R1=R2=R3=R4时, 电桥电压灵敏度最高, 此时有 （3 - 34） KU = （3- 35）,