力敏传感器的工作原理与分类

图2-4 直流电桥
•（2-2）
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•若使此电桥平衡，即U 0 ，只要R1R3 R2R4 0 。 一般我们取 R1 R2 R3 R4 R 即可实现。现将R1 换成电阻应变片，即组成半桥单臂电桥，随构件产 生应变造成传感器电阻变化时，式（2-2）变成
•一般R = R
•课题一 力敏传感器的工作原理与分类
•任务目标 •★ 掌握电阻应变式力敏传感器的工作原理； •★ 掌握电感应变式力敏传感器的工作原理； •★ 了解电阻应变式和电感应变式力敏传感器之间 的区别。
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一、力敏传感器概述
•力敏传感器，顾名思义就是能对各种力或能 转化为力的物理量产生反应，并能将其转变为 电参数的装置或元件。很显然，要成为真正实 用意义上的力敏传感器，这个由力转化为电参 数的过程最好能成线性关系。根据由力至电参 数转变的方式不同，力敏传感器一般有电阻应 变式传感器、电位计式传感器、电感式传感器、 压电式传感器、电容式传感器等，它们也可用 来测量力值。
应变片的电阻丝(敏感栅)具有一定温度系数；
电阻丝材料与测长江试工程材职业料技术的学院线自动膨化教胀研 系数不同。 室
•（2） 温度补偿
•一般采用桥路补偿法、应变片补偿法或热敏电 阻补偿法。
•所谓桥路补偿法，如图2-4所示，当ab间接入 应变片传感器，bc间也接入同样的应变片，但 bc间接入的应变片不受构件应变力的作用，将 它用同样的方法粘贴在与ab间应变片所贴构件 材料相同的材料上，并与ab间应变片处于同一 温度场中，这样ab、bc间应变片的阻温效应相
•下面简单介绍其中一种较为常见的传感器：变压 器式传感器。
•变压器式传感器工作原理：变压器式传感器是将 非电量转换为线圈间互感的一种磁电动机构，很像 变压器的工作原理，因此常称其为变压器式传感器。 这种传感器多采用差动形式。
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•当没有非电量输入时，衔 铁C与铁心A、B的间隔相
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• （a）半桥双臂
（b）全桥电路
•
图2-5 直流电桥的连接
方式
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•对于半桥双臂
•（2-5）
•全桥
•（2-6）
•即半桥双臂可使电压灵敏度比半桥单臂提高一倍， 而全桥电路电压灵敏度又比半桥双臂电压灵敏度
提高一倍。可见，利用全桥，并提高供电电压E，
•但是，制造箔式应变片的电阻值的分散性要比丝式 应变片的大，有的能相差几十欧姆，需要调整阻值。 金属箔式应变片因其一系列优点而将逐渐取代丝式 应变片，并占主要地位。
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•（a）箔式单向应变片
（b）箔式转矩应变片 （c）箔式压力应变片 （d）箔式花状应变片
•图2-3 各种箔式应变片
•图2-2 金属丝式电阻应变片的基本结构图
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•② 金属箔式应变片。如图2-3所示，它与金属丝式 电阻应变片相比，有如下优点：用光刻技术能制成 各种复杂形状的敏感栅；横向效应小；散热性好， 允许通过较大电流，可提高相匹配的电桥电压，从 而提高输出灵敏度；疲劳寿命长，蠕变小；生产效 率高。
•（a）电子秤
Байду номын сангаас
（b）偏心测量仪
•图2-11 差动变压器应用实例
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•为了测量列车运行的速度和加速度的大小，可采用如 图所示的装置，它是由一块安装在列车头底部的强磁 体和埋设在轨道地面的一组线圈及电流测量仪组成的 （测量仪未画出）。当列车经过线圈上方时，线圈中 产生的电流被记录下来，就能求出列车在各位置的速 度和加速度。
同，电阻的变化量R 也相同，由电桥理论可知， 它们起了互相抵消作用，对输出电压没有影响。
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•应变片补偿法分自补偿和互补偿两种。自补偿法的 原理是合理选择应变片阻温系数及线膨胀系数，使之 与被测构件线膨胀系数匹配，使应变片温度变化时，
由热造成的输出值为0。应变片互补偿法的原理是检
加速度a 的目的。
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三、电感式传感器
•1．工作原理 •电感式传感器是利用线圈自感或互感的变化来实现 测量的一种装置，可以用来测量位移、振动、压力、 流量、重量、力矩和应变等多种物理量。电感式传 感器的核心部分是可变自感或可变互感，在被测量 转换成线圈自感或互感的变化时，一般要利用磁场 作为媒介或利用铁磁体的某些现象。这类传感器的 主要特征是具有绕组。
•B
•O •S
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•阶段小结
• 力敏传感器是将动态或静态力的大小转换成便于 测量的电量的装置。本模块介绍了电阻应变式传感器， 其将外力转化成电阻值的变化，再利用电桥电路检测 出电阻值的变化值，从而得出对应的力变化量。还讲 述了电感式传感器，其将外力引起的微小位移量转化 成电感参数的变化，从而得出相应力的变化量。如位 移量很小，可采用差动变压器来放大信号的方式，以 提高传感器的灵敏度。
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二、电阻应变式传感器
•电阻应变式传感器是目前工程测力传感器中应 用最普遍的一种传感器，它测量精度高，范围 广，频率响应特性较好，结构简单，尺寸小， 易实现小型化，并能在高温、强磁场等恶劣环 境下使用，并且工艺性好，价格低廉。它主要 应用在力作用下，将材料应变转变为电阻值的 变化，从而实现力值的测量。组成电阻应变片 的材料一般为金属或半导体材料。
同，则绕组W1a和W2a间的 互感ma与绕组W1b和W2b 间的互感mb相等。
•当衔铁的位置改变时，
则ma不等于mb，ma和 mb的差值即可反映被测量
值的大小。
•图2-9 气隙型差动变压器式传
•为反映差值互感，将两个一次绕组的同名端顺向串联，并施加交
流电压u，二次绕组的同名端反向串联，同时测量串联后的合成 电动势e2为：e2=e2a-e2b （e2值的大小取决于被测位移的大小， e2的方向取决于位移的长方江工向程职。业）技术学院自动化教研
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•2．电阻应变片传感器基本应用电路
•将电阻应变片粘贴于待测 构件上，应变片电阻将随构 件应变而改变，将应变片电 阻接入相应的电路中，使其 转化为电流或电压输出，即 可测出力值。通常将应变片 接入电桥来实现电阻至电压 或电流的转换。根据电桥电 源不同，又分直流电桥和交 流电桥。这里主要介绍直流 电桥。图2-4所示为一直流 电桥，计算可知
图2-10
截面积型差动变压器
也随之改变。
•将绕组w2a和w2b反相串联并测量合成电动势e2，就可
以判断出非电量的大小及方向。
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•一般来说，较小位移量的测量采用差动变压器，图211列出其应用实例。图2-11（a）为测物体重量的电子 秤，用差动变压器把弹簧的位移变为电信号，换算为重 量即可；图2-11（b）为偏心测量仪，以起始点作为基 准，用正负量来显示转体的偏心程度。
器处在同一温度场中，适当调
整R5值，可使 R与/URab的
乘积不变，热输出为零。
•图2-6 热敏电阻补偿法
•电阻应变式传感器广泛应用在测力及可以转化为力值 的量（如加速度等）。
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•图2-8 应变式加速度传感器原理图
•加速度传感器就是将被测加速度a 通过一个悬臂
梁将F力 ma 转化成应变片的应力，从而达到测量
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•2．优点和缺点
•（1）优点
•结构简单可靠，输出功率大，抗干扰能力强，对工作环 境要求不高，分辨力较高（如在测量长度时一般可达 0.1mm），示值误差一般为示值范围的0.1%~0.5%， 稳定性好。
测用的应变片敏感栅由两种材料组成，在温度变化时， 它们的阻值变化量 R 相同，但符号相反，这样就可 抵消由于温度变化而造成传感器误输出。使用中要注 意选配敏感栅电阻丝材料。
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•热敏电阻补偿法如图2-6所示，
图中R5为分流电阻，Rt为NTC 热敏电阻，使Rt与应变式传感
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1．电阻应变式传感器工作原理 •（1）应变效应 •由物理学可知，电阻丝的电阻R与电阻丝的电阻 率、导体长度及截面积存在如下关系
•（2-1）
•图2-1 电阻丝应变效应
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•（2）电阻应变式传感器的结构及特性 •金属电阻应变片分为金属丝式和金属箔式两种。 •① 金属丝式电阻应变片。金属丝式电阻应变片 的基本结构图如图2-2所示。由敏感栅1、基底2 和盖层3、引线4和黏结剂几个基本部分组成。
•（2）缺点
•频率响应低，不宜用于快速动态测量。一般来说，电感 式传感器的分辨力和示值误差与示值范围有关。示值范 围大时，分辨力和示值精度将相应降低。
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•3．种类
•电感式传感器种类很多，有利用自感原理的自感式 传感器（通常称电感式传感器），有利用互感原理 的差动变压器式传感器。此外，还有利用涡流原理 的涡流式传感器，利用压磁原理的压磁式传感器和 利用互感原理的感应同步器等。
可提高灵敏度系数。
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•3.温度误差及其补偿
•（1） 温度误差
•用作测量应变的金属应变片，希望其阻值仅随应 变变化，而不受其它因素的影响。实际上应变片 的阻值受环境温度(包括被测试件的温度)影响很大。 由于环境温度变化引起的电阻变化与试件应变所 造成的电阻变化几乎有相同的数量级，从而产生 很大的测量误差，称为应变片的温度误差，又称 热输出。因环境温度改变而引起电阻变化的两个 主要因素：
室
•图2-10所示为改变气隙有效截面
积型差动变压器式传感器，输入
非电量为角位移Δα。它是一个
山字形铁芯A上绕有三个绕组，
•衔铁B以O点为轴转动，衔铁B转
动时由于改变了铁芯与衔铁间磁
路上的垂直有效截面积s，也就改
变了绕组间的互感，使其中一个
互感增大，另一个互感减小，因 此两个二次绕组中的感应电动势
•
得
U R E 4R 2R
，可忽略，由此可
•（2-3）
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•可见，输出电压与电阻变化率成线性关系，也即和应 变成线性关系，由此即可测出力值，由式（2-3）可得 半桥单臂工作输出的电压灵敏度
•（2-4）
•为了提高输出电压灵敏度，可以采用半桥双臂或全桥 电路，如图2-5所示。图2-5（a）为半桥双臂，图2-5 （b）为全桥电路。