力敏傳感器的工作原理與分類

1、長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室課題一 力敏傳感器的工作原理與分類任務(wù)目標(biāo) 掌握電阻應(yīng)變式力敏傳感器的工作原理； 掌握電感應(yīng)變式力敏傳感器的工作原理； 了解電阻應(yīng)變式和電感應(yīng)變式力敏傳感器之間的區(qū)別。長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室一、力敏傳感器概述力敏傳感器，顧名思義就是能對(duì)各種力或能轉(zhuǎn)化為力的物理量產(chǎn)生反應(yīng)，并能將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡妳?shù)的裝置或元件。很顯然，要成為真正實(shí)用意義上的力敏傳感器，這個(gè)由力轉(zhuǎn)化為電參數(shù)的過程最好能成線性關(guān)系。根據(jù)由力至電參數(shù)轉(zhuǎn)變的方式不同，力敏傳感器一般有電阻應(yīng)變式傳感器、電位計(jì)式傳感器、電感式傳感器、壓電式傳感器、電容式傳感器等，它們也可用來測量力值。長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)

2、院自動(dòng)化教研室二、電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器是目前工程測力傳感器中應(yīng)用最普遍的一種傳感器，它測量精度高，范圍廣，頻率響應(yīng)特性較好，結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，易實(shí)現(xiàn)小型化，并能在高溫、強(qiáng)磁場等惡劣環(huán)境下使用，并且工藝性好，價(jià)格低廉。它主要應(yīng)用在力作用下，將材料應(yīng)變轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮柚档淖兓?，從而?shí)現(xiàn)力值的測量。組成電阻應(yīng)變片的材料一般為金屬或半導(dǎo)體材料。長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室1電阻應(yīng)變式傳感器工作原理 （1）應(yīng)變效應(yīng)由物理學(xué)可知，電阻絲的電阻r與電阻絲的電阻率、導(dǎo)體長度及截面積存在如下關(guān)系（2-1） 圖2-1 電阻絲應(yīng)變效應(yīng)長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室（2）電阻應(yīng)變式傳感器的結(jié)構(gòu)及特性 金屬

3、電阻應(yīng)變片分為金屬絲式和金屬箔式兩種。 金屬絲式電阻應(yīng)變片。金屬絲式電阻應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)圖如圖2-2所示。由敏感柵1、基底2和蓋層3、引線4和黏結(jié)劑幾個(gè)基本部分組成。圖2-2 金屬絲式電阻應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)圖 長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室 金屬箔式應(yīng)變片。如圖2-3所示，它與金屬絲式電阻應(yīng)變片相比，有如下優(yōu)點(diǎn)：用光刻技術(shù)能制成各種復(fù)雜形狀的敏感柵；橫向效應(yīng)?。簧嵝院?，允許通過較大電流，可提高相匹配的電橋電壓，從而提高輸出靈敏度；疲勞壽命長，蠕變?。簧a(chǎn)效率高。但是，制造箔式應(yīng)變片的電阻值的分散性要比絲式應(yīng)變片的大，有的能相差幾十歐姆，需要調(diào)整阻值。金屬箔式應(yīng)變片因其一系列優(yōu)點(diǎn)而將逐漸取代絲

4、式應(yīng)變片，并占主要地位。長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室（a）箔式單向應(yīng)變片 （b）箔式轉(zhuǎn)矩應(yīng)變片 （c）箔式壓力應(yīng)變片 （d）箔式花狀應(yīng)變片圖2-3 各種箔式應(yīng)變片長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室2電阻應(yīng)變片傳感器基本應(yīng)用電路將電阻應(yīng)變片粘貼于待測構(gòu)件上，應(yīng)變片電阻將隨構(gòu)件應(yīng)變而改變，將應(yīng)變片電阻接入相應(yīng)的電路中，使其轉(zhuǎn)化為電流或電壓輸出，即可測出力值。通常將應(yīng)變片接入電橋來實(shí)現(xiàn)電阻至電壓或電流的轉(zhuǎn)換。根據(jù)電橋電源不同，又分直流電橋和交流電橋。這里主要介紹直流電橋。圖2-4所示為一直流電橋，計(jì)算可知圖2-4 直流電橋（2-2） 長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室若使此電橋平衡，即 ，只要 。一

5、般我們?nèi)?即可實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)將 換成電阻應(yīng)變片，即組成半橋單臂電橋，隨構(gòu)件產(chǎn)生應(yīng)變?cè)斐蓚鞲衅麟娮枳兓瘯r(shí)，式（2-2）變成0u04231rrrrrrrrr43211r42ruerr （2-3） rr 一般 ，可忽略，由此可得長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室可見，輸出電壓與電阻變化率成線性關(guān)系，也即和應(yīng)變成線性關(guān)系，由此即可測出力值，由式（2-3）可得半橋單臂工作輸出的電壓靈敏度（2-4） 為了提高輸出電壓靈敏度，可以采用半橋雙臂或全橋電路，如圖2-5所示。圖2-5（a）為半橋雙臂，圖2-5（b）為全橋電路。長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室 （a）半橋雙臂 （b）全橋電路 圖2-5 直流電橋的連接方式長

6、江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室對(duì)于半橋雙臂 （2-5） 全橋 （2-6） 即半橋雙臂可使電壓靈敏度比半橋單臂提高一倍，而全橋電路電壓靈敏度又比半橋雙臂電壓靈敏度提高一倍?？梢姡萌珮?，并提高供電電壓e，可提高靈敏度系數(shù)。 長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室3.溫度誤差及其補(bǔ)償用作測量應(yīng)變的金屬應(yīng)變片，希望其阻值僅隨應(yīng)變變化，而不受其它因素的影響。實(shí)際上應(yīng)變片的阻值受環(huán)境溫度(包括被測試件的溫度)影響很大。由于環(huán)境溫度變化引起的電阻變化與試件應(yīng)變所造成的電阻變化幾乎有相同的數(shù)量級(jí)，從而產(chǎn)生很大的測量誤差，稱為應(yīng)變片的溫度誤差，又稱熱輸出。因環(huán)境溫度改變而引起電阻變化的兩個(gè)主要因素：u應(yīng)變片的電阻

7、絲(敏感柵)具有一定溫度系數(shù)；u電阻絲材料與測試材料的線膨脹系數(shù)不同。（1） 溫度誤差長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室（2） 溫度補(bǔ)償一般采用橋路補(bǔ)償法、應(yīng)變片補(bǔ)償法或熱敏電阻補(bǔ)償法。 所謂橋路補(bǔ)償法，如圖2-4所示，當(dāng)ab間接入應(yīng)變片傳感器，bc間也接入同樣的應(yīng)變片，但bc間接入的應(yīng)變片不受構(gòu)件應(yīng)變力的作用，將它用同樣的方法粘貼在與ab間應(yīng)變片所貼構(gòu)件材料相同的材料上，并與ab間應(yīng)變片處于同一溫度場中，這樣ab、bc間應(yīng)變片的阻溫效應(yīng)相同，電阻的變化量 也相同，由電橋理論可知，它們起了互相抵消作用，對(duì)輸出電壓沒有影響。r長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室應(yīng)變片補(bǔ)償法分自補(bǔ)償和互補(bǔ)償兩種。自補(bǔ)償

8、法的原理是合理選擇應(yīng)變片阻溫系數(shù)及線膨脹系數(shù)，使之與被測構(gòu)件線膨脹系數(shù)匹配，使應(yīng)變片溫度變化時(shí)，由熱造成的輸出值為0。應(yīng)變片互補(bǔ)償法的原理是檢測用的應(yīng)變片敏感柵由兩種材料組成，在溫度變化時(shí)，它們的阻值變化量 相同，但符號(hào)相反，這樣就可抵消由于溫度變化而造成傳感器誤輸出。使用中要注意選配敏感柵電阻絲材料。 r長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室熱敏電阻補(bǔ)償法如圖2-6所示，圖中r5為分流電阻，rt為ntc熱敏電阻，使rt與應(yīng)變式傳感器處在同一溫度場中，適當(dāng)調(diào)整r5值，可使 與uab的乘積不變，熱輸出為零。圖2-6 熱敏電阻補(bǔ)償法 /r r電阻應(yīng)變式傳感器廣泛應(yīng)用在測力及可以轉(zhuǎn)化為力值的量（如加速度等

9、）。 長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室圖2-8 應(yīng)變式加速度傳感器原理圖 加速度傳感器就是將被測加速度 通過一個(gè)懸臂梁將力 轉(zhuǎn)化成應(yīng)變片的應(yīng)力，從而達(dá)到測量加速度 的目的。afmaa長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室三、電感式傳感器1工作原理電感式傳感器是利用線圈自感或互感的變化來實(shí)現(xiàn)測量的一種裝置，可以用來測量位移、振動(dòng)、壓力、流量、重量、力矩和應(yīng)變等多種物理量。電感式傳感器的核心部分是可變自感或可變互感，在被測量轉(zhuǎn)換成線圈自感或互感的變化時(shí)，一般要利用磁場作為媒介或利用鐵磁體的某些現(xiàn)象。這類傳感器的主要特征是具有繞組。 長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室長江工程

10、職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室2優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)（1）優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡單可靠，輸出功率大，抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)工作環(huán)境要求不高，分辨力較高（如在測量長度時(shí)一般可達(dá)0.1mm），示值誤差一般為示值范圍的0.1%0.5%，穩(wěn)定性好。（2）缺點(diǎn)頻率響應(yīng)低，不宜用于快速動(dòng)態(tài)測量。一般來說，電感式傳感器的分辨力和示值誤差與示值范圍有關(guān)。示值范圍大時(shí)，分辨力和示值精度將相應(yīng)降低。長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室3種類電感式傳感器種類很多，有利用自感原理的自感式傳感器（通常稱電感式傳感器），有利用互感原理的差動(dòng)變壓器式傳感器。此外，還有利用渦流原理的渦流式傳感器，利用壓磁原理的壓磁式傳感器和利用互感原理的感應(yīng)同步器等。下面簡單介

11、紹其中一種較為常見的傳感器：變壓器式傳感器。變壓器式傳感器工作原理：變壓器式傳感器是將非電量轉(zhuǎn)換為線圈間互感的一種磁電動(dòng)機(jī)構(gòu)，很像變壓器的工作原理，因此常稱其為變壓器式傳感器。這種傳感器多采用差動(dòng)形式。長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室圖2-9 氣隙型差動(dòng)變壓器式傳感器 當(dāng)沒有非電量輸入時(shí)，銜鐵c與鐵心a、b的間隔相同，則繞組w1a和w2a間的互感ma與繞組w1b和w2b間的互感mb相等。 當(dāng)銜鐵的位置改變時(shí)，則ma不等于mb，ma和mb的差值即可反映被測量值的大小。為反映差值互感，將兩個(gè)一次繞組的同名端順向串聯(lián)，并施加交流電壓u，二次繞組的同名端反向串聯(lián)，同時(shí)測量串聯(lián)后的合成電動(dòng)勢e2為：e2

12、=e2a-e2b （e2值的大小取決于被測位移的大小，e2的方向取決于位移的方向。） 長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室 圖2-10 截面積型差動(dòng)變壓器式傳感器 圖2-10所示為改變氣隙有效截面積型差動(dòng)變壓器式傳感器，輸入非電量為角位移。它是一個(gè)山字形鐵芯a上繞有三個(gè)繞組， 銜鐵b以o點(diǎn)為軸轉(zhuǎn)動(dòng)，銜鐵b轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)由于改變了鐵芯與銜鐵間磁路上的垂直有效截面積s，也就改變了繞組間的互感，使其中一個(gè)互感增大，另一個(gè)互感減小，因此兩個(gè)二次繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢也隨之改變。 將繞組w2a和w2b反相串聯(lián)并測量合成電動(dòng)勢e2，就可以判斷出非電量的大小及方向。長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室一般來說，較小位移量的測量采用差動(dòng)變壓器，圖2-11列出其應(yīng)用實(shí)例。圖2-11（a）為測物體重量的電子秤，用差動(dòng)變壓器把彈簧的位移變?yōu)殡娦盘?hào)，換算為重量即可；圖2-11（b）為偏心測量儀，以起始點(diǎn)作為基準(zhǔn)，用正負(fù)量來顯示轉(zhuǎn)體的偏心程度。（a）電子秤 （b）偏心測量儀 圖2-11 差動(dòng)變壓器應(yīng)用實(shí)例 長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室為了測量列車運(yùn)行的速度和加速度的大小，可采用如圖所示的裝置，它是由一塊安裝在列車頭底部的強(qiáng)磁體和埋設(shè)在軌道地面的一組線圈及電流測量儀組成的（測量儀未畫出）。當(dāng)列車經(jīng)過線圈上方時(shí)，線圈中產(chǎn)生的電流被記錄下來，就能求出列車在各位置的速度