力学量传感器
电阻应变式传感器的构成
电阻应变式传感器的构成一、电阻应变式传感器的概述电阻应变式传感器是一种常见的力学量测量传感器，它利用材料的应变与电阻值之间的关系，将物理量转换为电信号输出。
由于其结构简单、灵敏度高、可靠性好等优点，在工业生产和科学研究中得到广泛应用。
二、电阻应变式传感器的原理电阻应变式传感器利用了材料在受力作用下会发生形变这一物理现象。
当一个金属或合金材料受到外力作用时，其形状和尺寸会发生改变，这种改变被称为应变。
而材料的电阻值与其长度、截面积及导体材料有关，当材料发生形变时，导体长度和截面积也会随之改变，进而影响其电阻值。
因此，通过测量材料在受力作用下发生的应变程度以及相应的电阻值改变大小，就可以确定外力的大小。
三、电阻应变式传感器的构成1. 应力臂：是指将外力作用于该部位，并将该部位产生的应力转移到敏感元件上。
通常采用弹性杆或弹性薄片作为应力臂。
2. 敏感元件：是指将应变转化为电信号的部分，通常采用金属或合金材料制成，其电阻值随外力的大小而发生变化。
3. 支撑结构：支撑敏感元件和应力臂，使其能够承受外力作用并保持稳定。
4. 引线：将敏感元件的电信号传输到测量仪器中。
五、电阻应变式传感器的分类根据敏感元件的不同，电阻应变式传感器可以分为：1. 金属片式电阻应变式传感器：由薄金属片组成，当外力作用于其上时，产生形变从而改变其电阻值。
2. 金属箔式电阻应变式传感器：与金属片式类似，但由多个叠加在一起的薄金属箔组成，并采用绝缘材料隔开。
3. 桥式电阻应变式传感器：由四个敏感元件组成一个桥路电路，在测量中可消除温度对测量结果的影响。
4. 液体电阻应变式传感器：利用液体在受压作用下的体积变化，改变电阻值从而测量压力。
六、电阻应变式传感器的应用电阻应变式传感器广泛应用于工业生产和科学研究中，例如：1. 材料力学性能测试：如金属、塑料、橡胶等材料的拉伸、压缩、弯曲等性能测试。
2. 结构安全监测：如桥梁、大型建筑物等结构的安全监测。
力学传感器的原理
力学传感器的原理
力学传感器是一种测量物体力学特性的装置，它可以将物体所受到的力量转化为电信号或其他形式的输出。
其原理基于胡克定律，即物体受力时会产生形变，通过测量物体的形变来间接测量所受力的大小。
力学传感器一般由两个主要部分组成：弹性元件和传感器。
弹性元件通常由金属或弹性体制成，其形状和材料会在受力时产生一定程度的形变。
传感器则用于检测弹性元件的形变，并将其转化为相应的电信号。
在力学传感器中，常见的弹性元件有压力传感器中的弹簧或弹性体，以及称重传感器中的弹性梁或弹性片。
当物体施加在弹性元件上时，弹性元件会发生形变，并且其形变的大小与所受力的大小成正比。
传感器通过测量弹性元件形变的方式来间接测量所受力的大小。
传感器可以采用不同的工作原理来测量形变，常见的包括应变片、压阻传感器、压电传感器等。
应变片是将弹性元件表面粘贴或固定上一块薄片，当弹性元件受力形变时，应变片也会发生相应的形变，导致其电阻值或电容值发生变化，通过测量这些变化可以计算出所受力的大小。
压阻传感器则是利用阻性材料的电阻值与形变呈正相关的特性来测量形变。
压电传感器则是利用压电材料的特性，当压电材料受力时会产生电压输出。
总之，力学传感器通过测量物体形变来间接测量力的大小，其原理基于胡克定律和弹性元件的特性。
不同类型的力学传感器
使用不同的传感器来测量形变，并将其转化为电信号或其他形式的输出。
这些传感器在各种应用中都具有广泛的应用，如工业自动化、汽车工程、医疗设备等。
力学传感器的应用
力学传感器的奇妙世界：从日常到高科技的亲密接触嘿，小伙伴们，今天咱们来聊聊一个既神秘又接地气的科技小伙伴——力学传感器。
你可能觉得这名字听起来挺高大上，其实啊，它就像是我们生活中的“大力士侦探”，悄无声息地工作在咱们身边，让很多事情变得既智能又方便。
什么是力学传感器？简单来说，力学传感器就像是一个超级敏感的“触觉大师”，它能感知到各种各样的力，比如压力、拉力、重力，甚至是微小的震动和加速度。
一旦感受到这些力的变化，它就会立刻把这些信息转化成电信号或者其他我们能理解的形式，告诉给需要知道这些信息的设备或者系统。
日常生活中的力学传感器1. 手机里的“隐形保镖”咱们天天不离手的手机，里面就藏着好几个力学传感器呢！比如，当你玩游戏时，手机能根据你的手势和倾斜角度来操作角色，这就是重力传感器的功劳。
还有，当你轻点屏幕时，屏幕下的压力传感器能感知到你的触摸力度，让打字和滑动更加精准。
2. 智能家居的“小秘书”在智能家居里，力学传感器也是大显身手。
比如，智能门锁能通过指纹识别或者密码输入来判断你是不是主人，这里的指纹识别模块就是一种高级的力学传感器。
再比如，智能体重秤，它能精确测量你的体重变化，靠的就是下面的压力传感器。
3. 汽车的“安全卫士”开车的时候，你可能没注意到，汽车的安全气囊系统里也有力学传感器的身影。
当车辆发生碰撞时，碰撞传感器会立即感知到冲击力，并迅速向气囊控制系统发出信号，让气囊在极短的时间内充气保护乘客。
这背后，就是力学传感器在默默守护我们的安全。
工业和高科技领域的力学传感器1. 机器人的“感觉器官”在自动化生产线上，机器人就像不知疲倦的工人，它们之所以能灵活地完成各种复杂的任务，很大程度上得益于力学传感器的帮助。
比如，机器手臂上的力反馈传感器能感知到抓取物体的力度，确保既不会损坏物体，又能稳定地拿起和放下。
这样，机器人就能像人一样，拥有“手感”。
2. 航空航天的“精密助手”在航空航天领域，力学传感器的应用更是至关重要。
传感器的三种常见分类方法有哪些
传感器的三种常见分类方法有哪些传感器的三种常见分类方法包括基于测量原理的分类、基于感知物理量的分类和基于应用领域的分类。
第一种分类方法是基于测量原理的分类。
根据传感器的工作原理不同，可以将传感器分为电学传感器、光学传感器、热学传感器、生物化学传感器以及力学传感器等几个类别。
电学传感器是利用电磁感应、电阻、电容、电流等电学原理进行测量的传感器，常见的有温度传感器、压力传感器和液位传感器等。
光学传感器则是利用光的衍射、散射、吸收和透射等原理进行测量的传感器，常见的有光电传感器、光纤传感器和光谱传感器等。
热学传感器主要通过测量物体的温度来获取信息，常见的有红外传感器和热电偶传感器等。
生物化学传感器则是应用于生物领域，通过测量生物体的微量化学变化来获得信息，常见的有血糖传感器和DNA传感器等。
力学传感器主要测量物体的力、压力、重量等力学量，常见的有压力传感器、力传感器和称重传感器等。
第二种分类方法是基于感知物理量的分类。
根据传感器感知的物理量不同，可以将传感器分为温度传感器、压力传感器、湿度传感器、位移传感器以及光传感器等几个类别。
温度传感器用于测量物体的温度，常见的有热电偶型温度传感器和热敏电阻型温度传感器等。
压力传感器用于测量物体的压力，常见的有压阻式压力传感器和压电式压力传感器等。
湿度传感器用于测量空气中的湿度，常见的有湿敏电阻式湿度传感器和电容式湿度传感器等。
位移传感器用于测量物体的位移或位置，常见的有光电式位移传感器和电感式位移传感器等。
光传感器用于测量光的强度、颜色和波长等，常见的有光电传感器和光纤传感器等。
第三种分类方法是基于应用领域的分类。
根据传感器应用的领域和需求不同，可以将传感器分为工业传感器、环境传感器、生物医学传感器、农业传感器以及安防传感器等几个类别。
工业传感器主要应用于工业生产过程中，如温度传感器、压力传感器和流量传感器等，用于监测和控制生产过程中的关键参数。
环境传感器主要用于测量环境的温度、湿度、气压、湿度和污染物浓度等，用于环境监测和保护。
自动检测技术及应用力学传感器及力学量检测最全PPT
2. 恒流源供电的直流电桥的 工作原理
Ø 如图2-12所示为恒流源供电的直流 电桥测量电路。电桥输出为：
U0I1R 1I2R 4R 1R 1R R 3 2 R R 2 3R 4R 4I
恒压源电桥输出
U0U baU da(R 1R 1R R 3 2) (R R 3 2R 4R 4)U i 图2-12
自动检测技术及应用力学传感器及 力学量检测
学习要点
➢了解力的概念及力的测量原理。 ➢掌握常用力、压力传感器的测量原理。 ➢掌握电阻应变片的测量电路及补偿原理 ➢掌握电容式传感器的测量原理 ➢熟悉应变式、压电式、电容式等传感器 的应用。
2.1 概述
u 力是物质之间的一种相互作用
物 体
使物体产生变形；
u 根据电桥电源的不同，电桥可分为直流电桥和交流电桥。可采用恒压源 或恒流源供电。
u 由于直流电桥比较简单，交流电桥原理与它相似，所以我们只分析直流 电桥的工作原理。
恒压源供电的直流电桥的工作原理
u 如图2-11a所示为恒压源供电的直流 电桥测量电路。其特点是，当被测量 无变化时，电桥平衡时输出为零。当 被测量发生变化时，电桥平衡被打破， 有电压输出。输出的电压与被测量的 变化成比例。电桥的输出电压为:
应
变
片
图2-8 电阻应变片类型
形
状
图2-9 应变花的形状
箔式应变片外形
电阻应变片工作原理
u 电阻应变片式传感器是利用了金属和半导体材料的“应变效应” u 应变效应——金属和半导体材料的电阻值随它承受的机械变形大小而
发生变化的现象就称为“应变效应”。 u 如图2-10所示，当电阻丝受到拉力F时，其阻值发生变化。材料电阻
得出单臂电桥输出：U014RRUi 14kUi
传感器的分类_传感器的原理与分类_传感器的定义和分类
传感器的分类_传感器的原理与分类_传感器的定义和分类传感器的分类_传感器的原理与分类_传感器的定义与分类传感器的分类⽅法很多.主要有如下⼏种:(1)按被测量分类,可分为⼒学量、光学量、磁学量、⼏何学量、运动学量、流速与流量、液⾯、热学量、化学量、⽣物量传感器等。
这种分类有利于选择传感器、应⽤传感器(2)按照⼯作原理分类,可分为电阻式、电容式、电感式,光电式,光栅式、热电式、压电式、红外、光纤、超声波、激光传感器等。
这种分类有利于研究、设计传感器,有利于对传感器的⼯作原理进⾏阐述。
(3)按敏感材料不同分为半导体传感器、陶瓷传感器、⽯英传感器、光导纤推传感器、⾦属传感器、有机材料传感器、⾼分⼦材料传感器等。
这种分类法可分出很多种类。
(4)按照传感器输出量的性质分为摸拟传感器、数字传感器。
其中数字传感器便⼲与计算机联⽤,且坑⼲扰性较强,例如脉冲盘式⾓度数字传感器、光栅传感器等。
传感器数字化就是今后的发展趋势。
(5)按应⽤场合不同分为⼯业⽤,农⽤、军⽤、医⽤、科研⽤、环保⽤与家电⽤传感器等。
若按具体便⽤场合,还可分为汽车⽤、船舰⽤、飞机⽤、宇宙飞船⽤、防灾⽤传感器等。
(6)根据使⽤⽬的的不同,⼜可分为计测⽤、监视⽤,位查⽤、诊断⽤,控制⽤与分析⽤传感器等。
主要特点传感器的特点包括:微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、⽹络化,它不仅促进了传统产业的改造与更新换代,⽽且还可能建⽴新型⼯业,从⽽成为21世纪新的经济增长点。
微型化就是建⽴在微电⼦机械系统(MEMS)技术基础上的,已成功应⽤在硅器件上做成硅压⼒传感器。
主要功能常将传感器的功能与⼈类5⼤感觉器官相⽐拟:光敏传感器——视觉声敏传感器——听觉⽓敏传感器——嗅觉化学传感器——味觉压敏、温敏、传感器(图1)流体传感器——触觉敏感元件的分类:物理类,基于⼒、热、光、电、磁与声等物理效应。
化学类,基于化学反应的原理。
⽣物类,基于酶、抗体、与激素等分⼦识别功能。
力传感器的应用方案
力传感器的应用方案
力传感器是一种能够测量物体所受的力大小的设备，具有广泛的应用场景。
以下是几个力传感器的应用方案：
1. 工业自动化：力传感器可以用于机器人、生产线等自动化设备，监测机器人的工作状态、工件的重量、生产线的生产效率等。
2. 汽车制造：力传感器可以用于汽车制造过程中的质量控制，例如检测零部件的重量、测量车轮轴承的压力等。
3. 医疗设备：力传感器可以用于医疗设备，例如测量人体肌肉的收缩力度、体重和身高等。
4. 体育训练：力传感器可以用于运动员的训练，例如测量运动员的力量、速度和爆发力等。
5. 研究领域：力传感器可以在科研领域发挥作用，例如用于测量材料的强度、电子元器件的力学特性等。
总的来说，力传感器在工业、医疗、体育和科研领域都有着广泛的应用，可以帮助人们更好地了解并控制物体的力学特性。
- 1 -。
力学传感器及其应用
3Fl 4bh2 E
式中：l—梁的长度(m)； b—梁的宽度(m)； h—梁的厚度(m)； F—受力（N）； E—元件材料的弹性模量（Pa）
16
2、弹性元件力与应变关系的结论★
在电阻应变式测力传感器中，当弹性元件的 尺寸和材料确定后，弹性元件在外力作用下所产 生的应变与外力成正比。
17
3．应变片
A
1.908FR0 bh 2 E
B
1.092FR0 bh 2 E
h
4.35FR bh2 E
式中：εA一A处的应变值
εB一B处的应变值
εh一电桥输出的应变值； R0一薄壁环平均半径(m)；
R一薄壁环内圆半径(m)； b—薄壁环的宽度(m)；
h一薄壁环的厚度(mm)。 F—受力（N）；
E—元件材料的弹性模量（Pa）
电气式测力传感器的分类有：
参量型测力传感器： 将被测物理量转化为电参数。如电阻、电容或电感等。 发电型测力传感器： 将被测物理量转换为电源性参量。如电动势、电荷等。
4
2、测力传感器的种类 ★
电气式测力传感器
参量型测力传感器
发电型测力传感器
电阻应变式 电容式 测力传感器 电感式
压电式 压磁式
测力传感器
电阻应变片(简称应变片)的作用是把导体的 机械应变转换成电阻应变，以便进一步电测。
实际的应变片根据敏感元件材料的不同，主 要分为金属电阻应变片和半导体应变片两类。
金属电阻应变片分为体型和薄膜型。 半导体应变片常见的有体型、薄膜型、扩散 型、外延型、PN结及其他形式。
18
金属电阻应变片的工作原理
设金属电阻丝长度为L，截面积为S，电阻率为ρ，则
K
dR/R受两个因素影响: ①受力后材料几何尺寸的变化, 即(1+2μ)ε; ②受力后材料压阻效应产生的变化, 即πLEε。
力传感器应用举例及原理
力传感器应用举例及原理力传感器是一种用于测量物体的压力与扭矩的装置，它广泛应用于医疗设备、机械工业、汽车工业、航空航天、建筑工程等领域。
本文将介绍一些关于力传感器的应用举例及原理。
一、应用举例1. 汽车工业：力传感器可用于汽车的刹车测试、悬挂系统力测试、转向力测试和发动机输出扭矩测试等多个场景。
2. 医疗设备：力传感器可以测量人体的肌肉力量和身体的重量等信息，可以用于研究人体的生理变化。
3. 建筑工程：力传感器可用于检测混凝土中的拉力和压力等信息，判断结构是否受到很好的支撑。
4. 航空航天：力传感器可以分别测量飞行器的起飞力、着陆力和飞行中受到的各种力。
二、原理力传感器的实质是将物体受到的压力或扭矩转化为电信号，然后再进行处理。
其原理主要为：在传感器中，由于受到物体的压力或扭矩，传感器会发生微小的形变，这种形变会改变电路中的输出信号。
常见的力传感器主要有应变式和压电式两种。
1. 应变式力传感器应变式力传感器主要是应变计测量的，应变计是一种电阻器，它的阻值受力作用后会有变化。
将应变计粘贴于力传感器内部，当力传感器受到压力或扭矩时，应变计会产生形变，导致输出电阻的变化。
接下来，对这种变化的电阻进行更精确的测量，就可以获取得到它所受到的压力或扭矩大小。
2. 压电式力传感器在压电式力传感器中，它的压电晶体将受到力后产生电荷的变化，从而输出电压的值，所受到的力越大，输出电压值越高。
压电效应是指特定的物质在受力后会产生电荷，在力传感器中，压电晶体被放置在支撑结构上，当受到力时，压电晶体就会发生位移并输出电压信号。
总的来说，力传感器通过将物体的压力或扭矩转化为电信号，进行量化和处理，使得我们可以准确地得到物体所受到的各种力，对于科学研究与实际应用场景都具有非常重要的作用。
力传感器原理
力传感器原理力传感器是一种能够测量物体施加在其上的力的设备。
力传感器的原理是根据力的作用方式和力的效应来进行测量的。
下面将介绍力传感器的原理及其应用。
1. 力的作用方式力可以分为压力、拉力和剪力三种作用方式。
对于不同的作用方式，力传感器采用不同的传感原理来进行测量。
2. 力的效应施加在物体上的力会引起物体发生形变或产生应变。
力传感器通过检测物体的形变或应变来间接测量物体所受的力大小。
3. 力传感器的传感原理（1）压阻式传感器：压阻式力传感器是利用材料的压阻效应来进行测量的。
当力作用在传感器上时，传感器内部的材料会发生形变，从而改变电阻值。
通过测量电阻值的变化，可以得到施加在传感器上的力的大小。
（2）应变式传感器：应变式力传感器是利用材料的应变效应来进行测量的。
当力作用在传感器上时，传感器内部的应变片会发生形变，从而改变电阻或电容的值。
通过测量电阻或电容的变化，可以得到施加在传感器上的力的大小。
（3）电磁式传感器：电磁式力传感器是利用磁场的变化来进行测量的。
当力作用在传感器上时，传感器内部的磁场会发生变化，从而引起感应电动势的变化。
通过测量感应电动势的变化，可以得到施加在传感器上的力的大小。
4. 力传感器的应用力传感器广泛应用于工业自动化、仪器仪表、机器人、汽车等领域。
例如，在工业生产中，力传感器可以用于测量机器人的抓取力度，以保证产品的质量和稳定性。
在汽车制造中，力传感器可以用于测量刹车系统的压力，以确保刹车的准确性和安全性。
总结：力传感器是一种能够测量物体施加在其上的力的设备，其原理是根据力的作用方式和力的效应进行测量的。
根据不同的作用方式，力传感器采用不同的传感原理来进行测量。
力传感器在工业自动化、仪器仪表、机器人、汽车等领域有着广泛的应用。
通过力传感器的使用，可以实现对力的精确测量，提高生产效率和产品质量。
第3章 力传感器知识
汽车衡
汽车衡（以下参考北京远亚兴业商贸有限公司资料 ）
汽车衡称重系统
荷重传感器计算公式
Uo
F Fm
U om
KFUi Fm
F
当KF 为常数时，桥路所加的激励源电压 Ui 越高，满量程输出电压Uom也越高。
思考：综合考虑灵敏度与功耗发热， Ui 的取值范围多少为好？
平膜片加工制成具有环状同心波纹的圆形薄膜，这 就是波纹膜片。
波纹管膜片波纹的形状
（4）薄壁圆筒 薄壁圆筒的壁厚一般小于圆筒直径的二十分
之一。 薄壁圆筒弹性敏感元件的灵敏度取决于圆筒
的半径和壁厚，与圆筒长度无关。
薄壁圆筒弹性敏感元件的结构
3.2 电阻应变片传感器
电阻应变片的分类
电阻应变片主要分为金属电阻应变片和半导体 应变片两类。
单臂电桥
全桥四臂工 作方式的灵敏 度最高，双臂 半桥次之，单 臂半桥灵敏度 最低。
双臂电桥
R1、 R2为应变片， R3、R4为固定电阻 。 应变片R1 、R2 感受
到的应变1~2以及
产生的电阻增量正 负号相间，可以使 输出电压Uo成倍地 增大。
四臂全桥
全桥的四个桥臂都为应变片， 如果设法使试件受力后，应变片 R1 ~ R4产生的电阻增量（或感受
6 103 24
12.5103 N 1.3t
荷重传感器应用估算
Uo
F Fm
U om
KFUi Fm
F
在上面介绍过的汽车衡示意图中，共使用了4
个荷重传感器，量程Fm =20t， 灵敏度KF =2.5mV/V， 使用4个独立的桥路电源，每一个电源电压均相等，
力传感器的工作原理
力传感器的工作原理力传感器是一种能够测量物体受到的外界力大小的装置。
它的工作原理通常基于弹性变形、压电效应、电阻、电容等原理。
下面将详细介绍几种常见的力传感器的工作原理。
1.弹性变形原理弹性变形原理是力传感器中最常用的工作原理之一、它利用被测物体在受力时发生的弹性变形来间接测量外界力的大小。
传感器通常由金属弹簧或弹性体组成，当受力作用于传感器时，弹簧或弹性体会发生变形，其变形量与外界力成正比。
传感器中通常会嵌入应变片以测量变形量，并将其转化为相应的电信号输出。
2.压电效应原理压电效应原理是一种通过压电材料来测量外界力的工作原理。
压电材料的结构使其在受力作用下会发生电荷极化现象，产生电势差，该电势差与外界力的大小成正比。
压电效应的应用广泛，常见的压电材料有石英、压电陶瓷等。
传感器中通常会使用压电材料作为传感元件，通过测量其输出电荷或电势差来间接测量外界的力。
3.电阻效应原理电阻效应原理是一种通过电阻的变化来测量外界力的工作原理。
该原理通常基于材料的电阻随外界力发生的压力或扭转变化而变化。
传感器中通常会使用电阻片或薄膜作为传感元件，当受力作用于传感器时，电阻发生变化，通过测量电阻值的变化来间接测量外界的力。
4.电容效应原理电容效应原理是一种通过电容的变化来测量外界力的工作原理。
该原理通常基于材料的电容随外界力的作用而发生变化。
传感器中通常会使用电容传感元件，当受力作用于传感器时，电容值会随之改变，通过测量电容值的变化来间接测量外界的力。
以上介绍了几种常见的力传感器的工作原理，每种原理都有其特点和适用范围。
力传感器的选择应根据测量要求进行，传感器的精度、灵敏度、线性度以及可靠性等因素都需要考虑。
由于涵盖了多个原理，力传感器在工业控制、机械设备、自动化系统等领域有着广泛的应用。
挖掘机上的传感器都有哪些作用？
挖掘机上的传感器都有哪些作用？
力敏传感器是使用最广泛的一种传感器，它是检测气体、液体、固体等所有物质间作用力能量的总称，也包括测量高于大气压的压力计以及测量低于大气压的真空计。
力敏传感器的种类甚多、传统的测量方法是利用弹性元件的形变和位移来表示，但它的体积大、笨重、输出非线性。
随着微电子技术的发展，利用半导体材料的压阻效应和良好的弹性，研制出半导体力敏传感器，主要有硅压阻式和电容式两种，它们具有体积小、重量轻、灵敏度高等优点，因此半导体力敏传感器得到广泛应用。
当对一块半导体在某一晶向上施加应力时，其电阻率会产生一定的变化。
这种导体电阻率变化和应力之间的相互关系称为半导体压阻效应，利用此效应制成的力学量传感器称为压阻式力敏传感器，它有两种类型，一类是将半导体应变计粘贴在弹性元件上制成的传感器，称为粘贴型压阻式传感器，另一类是在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成的扩散电阻，使应变计与硅衬底形成同一整体的传感器，称为扩散型压阻式传感器。
粘贴型压阻式力敏传感器由四只半导体应变片接成全桥形式，用粘合剂贴在弹性元件上构成，它具有很高的应变灵敏系数，一般为20～200，因此输
出高，输出灵敏度一般为15～0mV／V，但易发生零点漂移与蠕变，同时还存在半导体应变片和弹性元件热膨胀所带来的温度漂移等影响。
扩散型压阻式力敏传感器大都采用单晶硅和半导体平面工艺制成的。
一般以N型硅为衬底，采用氧化、扩散等工艺将硼原子沿给定的晶向扩散到n型硅衬底材料中，。
力度传感器原理及应用
力度传感器原理及应用力度传感器是一种测量或检测物体受力大小的装置，主要通过转换物体受力产生的位移、压缩、膨胀或弯曲等形变，将其转化为电信号输出。
该传感器在工业自动化、机器人控制、汽车制造、医疗设备等领域有广泛的应用。
力度传感器的工作原理基于一些基本概念和物理效应，如应变、电阻、电容、电感、Hall效应、薄膜等。
下面将介绍其中几种常见的力度传感器原理及其应用：1. 应变式力度传感器：应变式力度传感器通过测量物体在受力作用下产生的应变，来间接测量施加在物体上的力的大小。
常见的应变式力度传感器有金属应变式、薄膜式和纳米应变式传感器。
应变式力度传感器广泛应用于压力测量、力控测试、材料性能研究等领域。
2. 压阻式力度传感器：压阻式力度传感器是一种利用材料电阻值随力的大小而产生变化的原理来测量力度的传感器。
当受力作用于该传感器时，材料电阻发生变化，通过测量电阻值的变化来确定力度的大小。
压阻式力度传感器可以应用于测量压力、重量、触探力等场合。
3. 电容式力度传感器：电容式力度传感器是一种通过测量电容器两极板的电容值的变化来间接测量力度的传感器。
当受力作用于所测物体时，物体上的电容器两极板之间的距离发生变化，进而导致电容值的变化。
电容式力度传感器常应用于测量微小力度或振动的场合，如微机械系统、触摸屏等。
4. 磁电式力度传感器：磁电式力度传感器是利用磁电效应来间接测量物体受力大小的传感器。
该传感器将受力物体放置在磁电陶瓷材料上，当受力物体的应力施加到磁电材料上时，产生相应的电压信号输出。
磁电式力度传感器多应用于测量动态力度的场合，如机械振动、冲击、碰撞等。
力度传感器的应用十分广泛，下面列举几个具体的应用领域：1. 工业自动化：力度传感器在工业自动化中可用于监测机器设备的工作状态，检测零件装配的力度，确保产品质量和设备的稳定性。
2. 机器人控制：力度传感器可用于机器人控制中的力控任务，使机器人能够感知和适应不同环境下的外力，从而实现更精确的操作和更高的安全性能。
force sensor工作原理
force sensor工作原理
力传感器（Force Sensor）是一种用于测量物体施加在其上的
力的设备。
它们可以通过不同的工作原理来实现，下面我将从多个
角度全面解释力传感器的工作原理。
1. 压阻式力传感器工作原理：
压阻式力传感器使用压阻效应来测量施加在其上的力。
当外
力作用在传感器上时，传感器内部的压阻材料会发生形变，从而改
变其电阻值。
这种电阻值的变化可以被测量并转换为相应的力值。
压阻式力传感器通常包括一个弹性材料和敏感电阻，外力导致弹性
材料变形，从而改变敏感电阻的电阻值。
2. 容量式力传感器工作原理：
容量式力传感器利用电容变化来测量外力。
当外力施加在传
感器上时，传感器内部的电容会发生变化。
这种电容变化可以被测
量并转换为相应的力值。
容量式力传感器通常包括两个平行的电极，当外力作用时，电极之间的距离会发生变化，从而改变电容值。
3. 应变片式力传感器工作原理：
应变片式力传感器利用应变片的电阻值随外力变化的特性来测量力。
当外力作用在传感器上时，应变片会发生形变，从而改变其电阻值。
这种电阻值的变化可以被测量并转换为相应的力值。
应变片式力传感器通常包括一个或多个应变片，外力导致应变片发生形变，从而改变电阻值。
综上所述，力传感器的工作原理主要是利用材料的特性随外力变化而发生变化，通过测量这种变化来实现对外力的测量。
不同类型的力传感器采用不同的原理，但都能准确地测量外力的大小。
这些传感器在工业自动化、医疗设备、机器人技术等领域都有广泛的应用。
力传感器工作原理
力传感器工作原理
力传感器是一种测量物体受力大小的设备。
它利用压阻效应、压电效应、电容效应或电磁效应等原理，将物体所受力转化为电信号输出。
压阻力传感器是最常见的一种。
它由一块薄膜及其两侧的电极组成。
当物体受到外力时，膜片产生弯曲变形，从而改变了薄膜电阻的大小。
薄膜上的电阻随着力的作用而变化，进而产生了电压或电流信号。
通过测量电阻的变化，就能计算出物体受到的力的大小。
压电力传感器则是利用压电材料的压电效应。
当压电材料受到外力作用时，会产生相应的电荷信号。
这些信号经过放大和转换，最终被捕获和计算出物体所受到的力的大小。
电容力传感器利用电容效应来感应力的大小。
它由一个固定的电容器和一个可以移动的金属衬片构成。
当物体受力时，金属衬片的位置发生变化，改变了电容值。
通过测量电容值的变化，便能得知物体所受的力的大小。
电磁力传感器则利用电流与磁场之间的相互作用。
当物体受到外力时，会改变电磁场的分布，进而改变感应电流的大小。
通过测量感应电流的变化，就能推断出物体所受到的力的大小。
综上所述，力传感器通过不同的原理实现力的测量与转换，使得力可以以电信号的形式输出，方便了对力的监测和控制。
2g-力传感器
l
可见，δ只取决于
δ（%）
1.62 0.52
1/10 1/20
由表可知，应变片栅长与正弦应变波波长之比愈小，δ愈小。 当应变片栅长为应变波长的1/10~1/20时，δ小于2%。 取l/=1/10，则由=v/f 得：f=0.1v/l。 若已知应变波在材料内的传播速度v，由上式可得栅长 为l的应变片贴在该种材料上的可测动态应变最高频率。
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2.1 电阻应变式传感器
（3）机械滞后、零漂和蠕变* 机械滞后
应变片安装在试件上以后，在 加载和卸载过程中，对同一机械应 变量，两过程的特性曲线并不重合， 卸载时的指示应变高于加载时的指 示应变，这种现象称为应变片的机 械滞后。 产生机械滞后的主要原因是敏感 栅、基底和粘合剂在承受机械应变 之后留下的残余变形所致。
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2.1 电阻应变式传感器
2.1.3 电阻应变片的主要特性 （1）应变片的灵敏系数 K
R R t
K 表示安装在被测试件上的应变片在其轴向受单向应 力时，引起的电阻相对变化R/R与其单向应力引起的试件
表面轴向应变t之比。应变片的K值的准确性直接关系应变 测量精度，其误差大小是衡量质量优劣的重要标志。 实验表明，金属应变片的电阻相对变化与应变ε在很宽 的范围内均为线性关系。 注意，应变片的K并不等于其敏感栅整体长度的材料的 灵敏系数k0，一般，K<k0。K值是通过实验测定的。
ε
ε1 l x1 λ
20
应变片
ε0
x
应变片对应变波的动态响应
2.1 电阻应变式传感器
设应变波波长为λ，则λ=v/f；应变片栅长为l，t时刻应 变波沿构件轴向（栅长方向）的分布为
x 0 sin
列举所学传感器
列举所学传感器
力学量传感器：光电式位移、位置传感器。
热学量传感器：光纤温度传感器。
光纤传感器流量计：光纤传感器涡轮流量计。
传感器（英文名称：transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
传感器的特点包括：微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化。
它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
传感器的存在和发展，让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，让物体慢慢变得活了起来。
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其中第一个角注i表示晶体的极化方向。当产生电荷的表面垂直于x袖(y轴
或z铀)时，记作i＝1(或2或3)。 ② 第二个下角注j＝1或2，3和 4，5，6，分别表示在沿x轴、y轴、z轴方向 作用的单向应力和在垂直于x轴、y轴、z轴的平面内(即yz平面、xz平面、 xy平面)作用的剪切力。 ③ 单向应力的符号规定拉应力为正而压应力为负；剪切力的正号规定为自 旋转轴的正向看去使其I、II象限的对角线伸长。
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天然结构的石英晶体，它是个六角形晶柱。 在直角坐标系中． z轴表示其纵向轴，称为光轴； x轴平行于正六面体的棱线，称为电轴； y轴垂直于正六面体棱面，称为机械轴。 通常把沿电轴 (x 袖 ) 方向的力作用下产生电荷的 压电效应称为“纵向压电效应”； 而把沿机械轴 (y 轴 ) 方向的力作用下产生电荷的 压电效应称为“横向压电效应”； 在光轴(z轴)方向受力时则不产生压电效应
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• ① ② ③ ④ ⑤ ⑥
由压电常数矩阵还可以看出，对能量转换有意义的石英晶 体变形方式有： 厚度变形〔简称为TE方式)，如图 (a)所示。 长度变形(简称LE方式）。如图 (b)所示， 面剪切变形(简称FS方式)。如图 (d)所示。 厚度的切变形(简称TS方式)。如图 (c)所示。 弯曲变形(简称BS方式)。 体积变形(简称VE方式)。
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4.2
•
① ②
压电材料
选用压电材料机械性能：压电元件作为受力元件，希望它的强度高、刚度大、性范
围和高的固有振动频率；
③ 电性能；希望具有高的电阻率和大的介电常数，以期减弱外部分布电 容的影响并获得良好的低频特性； ④ 温度和湿度稳定性要好，具有较高的居里点，以期得到较宽的工作温 度范围； ⑤ 时间稳定性：压电特性不随时间蜕变。
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产生压电效应的原因：(2)y轴上受力 如果沿 y 轴方向上压缩，如图 7—4(c) 所示，硅离子 3 和氧离子 2 以 及硅离子 5 和氧离子 6 都向内移动同一数值，故在电极 C 和 D 上仍 不呈现电荷，而由于相对把硅离子l和氧离子4向外挤，则在A和B 表面上分别呈现正电荷与负电荷。若受拉力，则在表面A和B上电 荷符号与前者相反。
压电式传感器的工作原理是以某些物质的压电效应为基础的。 •概念：当某些材料在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生 变形时，其表面上会产生电荷；若将外力去掉时，它们又重新 回到不带电的状态，这种现象就称为压电效应。而具有这种压 电效应的物体称为压电材料或压电元件。常见的压电材料有石
英、钛酸钡、锆钛酸铅等
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压电陶瓷
① 钛酸钡 (BaTiO3) 压电陶瓷。具有比较高的压电系效 (d33 ＝ 107×10 -12C／N)和介电常数，机械强度不及石英。 ② 锆 钛 酸 铅 系 压 电 陶 瓷 (PZT) ． 压 电 系 数 较 高 (d33 ＝ (200500)× -12C／N )，各项机电参数随温度、时间等外界条件 的变化小，在锆钛酸铅的基方中添加一二种微量元素，如 La ， Nb， Sb， Sn， Mn， W等，可以获得不同性能的 PZT 材料。 ③ 铌酸盐系压电陶瓷。 这一系中是以铁电体铌酸钾和铌酸铅 为基础的。铌酸铅的介电常数低。在铌酸铅中用钡或锶替 代一部分铅．可引起性能的根本变化，从而得到具有较高 机械品质因素Qm的铌酸盐压电陶瓷。铌酸钾是通过热压过 程制成的，特点是适用于作10-40MHz的高频换能器。 ④ 铌镁酸铅压电陶瓷(PMN)．具有较高的压电系数(d33 ＝800900×10 -12C／ N )，在压力大至700kg／cm2时仍能继续工 作，可作为高温下的力传感器。
•概念：压电材料有三类：压电晶体、压电陶瓷、有机压电材料
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压电晶体
① 石英。它是一种天然晶体，现在已有高化学 纯度和结构完善的人工合成的石英晶体，压 电系数 d11② 水熔性压电晶体。属于单斜晶系的有酒石酸 钾钠，酒石酸乙烯二铵 ( 简称 EDT) ，酒石酸 二钾(简称DKT)，硫酸理 ③ 属于正方晶系的有磷酸二氢钾 (简称KDP)， 磷酸二氢氨 (N 简称 ADP) ，砷酸二氢钾 ( 简称 KDA)．砷酸二氢氨(简称ADA)。
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产生压电效应的原因：(1)x轴上受力 如果在x轴方向压缩，如图7—4(b)所示，则硅离子1 就挤入氧离子2和6之间，而氧离子4就挤入硅离子3和5 之间。结果在表面A上呈现负电荷、而在表面B呈现正 电荷。如果所受的力为拉伸 ，则硅离子1和氧离子4向 外移，在表面A和B上的电荷符号就与前者正好相反。
第 4章
压电式力学量传感器
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目录
4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6
压电式传感器的工作原理 压电材料 压电式传感器的等效电路 压电式传感器的信号调节电路 压电式加速度传感器 压电式测力传感器
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4.1 压电式传感器的工作原理
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•特点： •Ⅰ 当某些材料在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生变 形时，其表面上会产生电荷； •Ⅱ 若将外力去掉时，它们又重新回到不带电的状态； •Ⅲ 晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比； •Ⅳ 如对晶体施加一负变电场，晶体本身将产生机械变形，这 种现象称为逆压电效应
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产生压电效应的原因：（3）在z轴方向受力时 在z轴方向受力时，由于硅离和氧 离于是对称平移、故
在表面上没有电荷呈现，因而没有压电效应。
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压电常数和表面电荷的计算
压电元件在受到力作用时，就在相应的表面上产生表面电荷。其计算公式如下
①