传感技术-第二章10

(c1k2 k1c2 )s k1k2
2.1.1双量程动态测力弹性体系统
这种串联式复合弹性体结构紧凑合理，结 构稳定性好，有过载保护，可用于测量压缩力、 推力、拉力及制动转矩和拖曳转矩。系统的线 性度、迟滞、重复性均小于满量程的千分之一。
2.1.2 六维测力弹性体系统
目前六维测力弹性体的结构主要有以下四类： ① 三垂直筋结构 ② 筒形结构 ③ 十字交叉梁式结构 ④ 组合式弹性体结构
3）灵敏度高。半导体Ge、Si薄膜应变片的阻值较 大，灵敏系数一般在30以上。
4）温度系数小。Ge、Si薄膜应变片的温度系数约
为10-5℃-1数量级，多层结构的溅射薄膜应变片 的温度系数约为0.018％℃-1。
2.2.1 薄膜应变片
5）工作温度范围宽。多层结构的溅射薄膜应变片
的工作温度达-100℃～180℃。
当测量大力值时，δ1=0压头和弹性体成为一 体，可简化成只有一个质量块的单自由度系统。 系统的幅频特性和相频特性与一般的二阶系统的 特性完全相同。
2.1.1 双量程动态测力弹性体系统
高量程时传感器的力学模型图
2.1.1 双量程动态测力弹性体系统
当测量小量程时，δ1≠0，测小力值和大力值的 两弹性体都是受力的，应简化成有两个质量块的二 自由度系统。串联二自由度测力传感器的力学模型 及受力分析如图所示，图中，f(t)为外界向系统实施
三垂直筋结构
上下分别为两个圆 环，中间由筋相连，这类 弹性体结构简单，承载能 力强，抗冲击力强。主要 缺点是测量沿垂直筋方向 力的灵敏度低，应用受到 限制。在垂直筋内表面贴 应变片测拉压应力，在垂 直筋外表面贴应变片测剪 切应力。
筒形结构
在一个圆柱整体上加工 出两层竖筋，相当两个四 垂直筋结构叠层组合。弹 性体敏感部分位于上圆环 （横梁）和下层竖筋（竖 梁），在八个变形处的对 称表面贴有八组应变片， 组成八组输出电桥。该结 构线性度好，重复性好， 迟滞小，有温度补偿作用， 但结构复杂不易加工，高 度方向尺寸大，刚度低。
2.2.2 E形膜片
E形膜片的硬中心将均布压力转换为集中力，在小 位移下易产生较高应力。相对平膜片，增加了有 效面积，在膜片应变式压力传感器中有广泛应用。
2.2.2 E形膜片
图为E形膜片的应 力分布，最大弯曲应力 在r=R和r=r0膜片上表层 处，计算公式为
3 pR2 r 2
( r )rR ( r )rr0
2.1.1 双量程动态测力弹性体系统
双量程测力传感器结构
2.1.1 双量程动态测力弹性体系统
这种复合结构传感器适用于大力值测量，又能 保证在小力值范围内具有足够的灵敏度。
当F<F2时，空隙δ1≠0，小量程段应变片电桥 输出有效，对应小力值测量；
当F>F2时，空隙δ1=0，小量程段电桥满输出， 而δ2≠0，大量程段电桥输出有效，对应为大力值 测量。
2.1.1 双量程动态测力弹性体系统
双量程测力传感器可以在保证第一级大推 力测量精度的同时，解决第二级小推力的测量 问题，提高了其灵敏度和测量精度，使之达到 与第一级有同等的测量精度。
一、结构
在实际中，双量程测力传感器大都采用了 轮辐式结构，将弹性体串联成一体的复合弹性 体，分别用于测量小力值和大力值。其特点是 结构紧凑、合理可靠；高度小，结构稳定性好； 有过载保护等 。
传感技术
第二章
力学量传感器
2.1 多维测力弹性体系统 2.2 膜片压力传感器 2.3 光纤压力传感器 2.4 转矩传感器
第二章 力学量传感器
力学量通常是指狭义力学量：力、力矩、应 力、压力等物理量。
力学量传感器，又称力敏传感器，是应用最 广泛的一类传感器。 力学量作用的结果
使器件结构尺寸变化，引起相关的电阻、电 容、电感等电参量变化，构成结构型传感器。
的激励力，m1、m2分别为两个质量体的集中质量， k1、k2分别为两个弹性体的刚度，c1、c2分别为两个
自由度结构的阻尼系数。
2.1.1 双量程动态测力弹性体系统
f(t) y1
m1
k1
c1
k1( y1 y2 )
m2
y2
k2
c2
k2 y2
f(t)
m1
c1(
dy1 dt
dy2 dt
)
m2
c2
dy2 dt
六维测力（矩）弹 性体是组合式结构， 分上下两个组件。上 部组件是中空正方形 薄壁筒，四个侧面贴 有应变片4和4，5和5。 当薄壁筒有微应变时， 应变片能测出作用力 矩
2.2 膜片压力传感器
2.2.1 薄膜应变片
传统的应变片是采用金属丝粘贴或硅扩散 的方法来制作敏感栅，价格便宜、结构简单、 使用方便，因此成为电阻应变片传感器中十分 广泛的力敏器件。但是粘贴式应变片的敏感层 与基片之间的传递性能不好，存在蠕变、机械 滞后、零漂等不足，影响了它的测量精度。
十字交叉梁式结构
弹性体敏感部分是十字 梁的四个臂，每个臂的四面 均贴有应变片。弹性体为铝 合金总体式结构，外形尺寸 较大，对外机械连接麻烦。 可以满足各分力和分力矩的 一定灵敏度要求，各维力间 干扰可控制在一定范围内。 十字梁外端由薄片支撑，超 载能力低，动态响应特性不 易提高。
组合式弹性体结构
4h2
(1 0 ) R2
2.2.2 E形膜片
E形膜片改善了平膜片因大挠度带来的非 线性误差问题。
常采用E形膜片作为差压传感器的敏感器件， 差压传感器不同于压力传感器，所测差压值 （压差）比较小，而在膜片两侧有很高的静压 值，要有过压保护装置。
2.3 光纤压力传感器
在光通信系统中，光纤用作远距离传输光波 信号的载体。光纤传感技术是随光通信技术发展 逐步形成的。与其他类型的传感器相比，光纤传 感器有灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘 性好、光路可弯曲等优点，而且易于联接计算机、 结构简单、体积小、耗电少。
串联二自由度测力传感器模型及受力分析
2.1.1 双量程动态测力弹性体系统
于是可以根据系统受力分析，列写出描述 二自由度系统输入-输出关系的微分方程组：
f
(t)
m1
d 2 y1 dt 2
c1(
dy1 dt
dy2 dt
)
k1(
y1
y2 )
c1(
dy1 dt
dy2 dt
)
k1(
y1
y2
)
m2
d 2 y2 dt 2
当F>F1时，空隙δ2=0，达到过载保护状态。 两组轮辐上，应变片粘贴方式一致(都受拉应 力)，分别由四片电阻应变片组成全电桥电路。
2.1.1 双量程动态测力弹性体系统
二、动态数学模型
从动力学观点来看，串联结构的应变片式测力 传感器的弹性结构部分可以抽象为二自由度的振 动系统。假定传感器安置于完全理想刚性的基体 上，则传感器可等效为串联的二阶弹簧—质量— 阻尼（kmc）系统。
2.2.1 薄膜应变片
薄膜应变片的稳定性是指蠕变和零漂的大 小。蠕变和零漂是难以补偿的误差。 蠕变：在恒定的温度条件下，一恒定的负载施 加到薄膜应变片上，应变片的电阻随时间发生 单方向变化的现象。 零漂：在负载为零的情况下，应变片的电阻随 时间发生单方向变化的现象。
2.2.1 薄膜应变片
薄膜应变片采用溅射或蒸发的方法，将半 导体或金属敏感材料直接镀制于弹性基片上。 相对于金属粘贴式应变片而言，薄膜应变片的 应变传递性能极大地得到改善．几乎无蠕变， 并且具有稳定性好、可靠性高、尺寸小等优点， 是一种很有发展前途的力敏传感器。
2.2.1 薄膜应变片
薄膜应变片测量应变的机理利用的是敏感 材料的压阻效应。也就是说，在应变的作用下， 一方面，材料发生几何形变引起材料的电阻发 生变化；另一方面，因材料晶格的变形等因素 引起材料的电子自由程度发生变化，导致材料 的电阻率变化，从而使材料的电阻发生变化。
2.2.1 薄膜应变片
薄膜应变片的敏感薄膜是器件的关键部分， 制作敏感薄膜的工艺有溅射、蒸发、沉积等。 由于溅射的分子具有很大的能量，不像蒸发只 是凝结在表面，故附着力强，膜的性能好。
k1 m1
X
1
(s)
X 4 (s)
X
3 (s)
c1 m1
X
2
(s)
X
4
(s)
1 m1
F (s)
sX 4 (s)
k1 m2
X2 m2
X 3(s)
c1 c2 m2
X 4 (s)
2.1.1 双量程动态测力弹性体系统
由上式可解出，当激励F(s)存在时，其两个
c2
dy2 dt
k2
y2
2.1.1 双量程动态测力弹性体系统 现设x1、x2、x3、x4为状态变量，于是有：
x1 y1
x
2
dy1 dt
dx1 dt
x3
y2
x
4
dy2 dt
dx3 dt
2.1.1 双量程动态测力弹性体系统
可写出状态方程：
dx1
dt
x2
dx2 dt
k1 m1
( x1
x3 )
2.2.1 薄膜应变片
与传统的应变片相比，薄膜应变片具有如 下优点： 1）稳定性好。薄膜应变片的蠕变和滞后低，
例如：溅射合金薄膜应变片在温度高达230℃
时蠕变和滞后低于0.1％，而金属丝和粘贴式应
变片在100℃以上的温度下，由于粘结材料的
性能，使得蠕变和滞后十分严重。
2.2.1 薄膜应变片
2）使用寿命长。能承受106次以上的重复加载，工 作仍十分正常。
引起器件物理性能变化，如压阻效应、压电 效应、压磁效应等，构成物性型传感器。
本章主要介绍一些常用的力学量传感器。
2.1 多维测力弹性体系统
传统的应变片式测力传感器具有坚固耐用、 长期稳定、成本低等优点。