第四章 力敏传感器
第四篇力敏传感器
第四章力敏传感器教学目标：1．了解弹性敏感元件的特性和要求。
2．了解几种常用测力称重传感器的特点、3．掌握电阻应变效应及半导体的压阻效应4．了解电桥电路的作用。
5．掌握单臂、双臂和全桥测量电路的异同点。
6．理解压电式传感器的工作原理。
了解它的特点。
7．了解它们的应用。
力敏传感器是使用很广泛的一种传感器。
它是生产过程中自动化检测的重要部件。
它的种类很多，有直接将力变换为电量的如压电式、压阻式等，有经弹性敏感元件转换后再转换成电量的如电阻式、电容式和电感式等。
它主要用于两个方面：测力和称重。
本章介绍电阻应变式传感器、压阻式和压电式传感器。
§4-1（传感器中的）弹性敏感元件一、弹簧管压力表的组成：（如图4-1）图4-1弹簧管压力表的组成框图弹簧管——弹性敏感元件：将输入压力转换成自身的变形量（应变、位移或转角）。
二、弹性元件的基本特性：1．变形：物体在外力作用下改变原来尺寸或形状的现象。
2．弹性：物体因受外力作用而产生变形，外力去掉后又恢复原状的特性。
3．弹性元件：具有弹性变形特性的物体。
4．弹性变形：弹性元件受外力作用而产生的变形。
5．弹性特性：作用在元件上的外力与相应变形（应变、位移或转角）之间的关系。
（1）刚度：弹性元件产生单位变形所需的力。
（2）灵敏度：在单位力作用下弹性元件产生的变形。
刚度和灵敏度表示了弹性元件的软硬程度。
元件越硬，刚度越大，单位力作用下变形越小，灵敏度越小。
6．线性弹性元件：刚度和灵敏度为常数，作用力F与变形X成线性关系。
三、弹性敏感元件的基本要求及类型：弹性元件在传感器技术中占有极其重要的地位。
它首先把力、力矩或压力转换成相应的应变或位移，然后配合各种形式的传感元件，将被测力、力矩或压力变换成电量。
基本要求：（1）具有良好的机械特性（强度高、抗冲击、韧性好、疲劳强度高等）和良好的机械加工及热处理性能。
（2）良好的弹性特性（弹性极限高、弹性滞后和弹性后效小等）。
（3）弹性模量的温度系数小且稳定，材料的线膨胀系数小且稳定。
力敏传感器的原理
力敏传感器的原理
力敏传感器是一种能感知物体施加在其上的力的装置。
它基于荷兰物理学家皮埃尔·居里发现的压电效应。
压电效应指的是
某些材料在受到外力时会产生电位移，从而生成电荷。
因此，力敏传感器的原理可以简单概括为利用压电效应测量物体施加在其上的力。
具体来说，力敏传感器通常由一个或多个压电材料制成。
当施加在传感器上的力发生变化时，压电材料会产生相应的电位移。
这个电位移可以通过测量传感器的电阻或电荷来检测和量化。
传感器上的电阻或电荷的变化与力的大小成正比。
为了提高测量的准确性和灵敏度，力敏传感器通常结合了一些辅助电子元件和信号处理器。
这些元件可以对输出信号进行放大、滤波和校准，以便将物体施加在传感器上的力转化为精确的电信号。
力敏传感器在许多领域广泛应用，例如工业自动化、医疗设备、机器人技术等。
它们可以用于测量物体的重量、压力、拉力等参数，从而实现对物体的控制和监测。
除了压电效应外，力敏传感器还可以基于应变测量原理、纳米技术等进行设计和制造。
不同原理的力敏传感器适用于不同的应用场景，但它们的基本原理都是测量物体施加在传感器上的力。
第四章力敏材料与力传感器,
R R
Kx
2-1
K—电阻应变片的灵敏度
3. 测量电路——不平衡电桥
Uo
Ui 4
( R1 R1
R2 R2
R3 R3
R4 R4
)
2-3
由于 R R K
∴
力敏材料与力传感器
1. 弹性敏感元件 2. 应变式电阻传感器 3. 压阻式压力传感器 4. 压电式传感器 5. 电容式传感器 6. 电感式传感器 7. 转矩传感器
力是基本物理量之一，因此各种动态、静 态力的大小的测量是十分重要的。
力的测量需要通过力传感器间接完成，力 传感器是将各种力学量转换为电信号的器件。
Uo
Ui 4
K (1
2
3
4)
根据应用要求的不同，可接入不同数目的电阻 应变片，一般分为下面几种形式的电桥：
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 感受到的应变1~4）正负号相 间，就可以使输出电压Uo成倍
地增大。上述三种工作方式中， 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。采用全桥（或双 臂半桥）还能实现温度自补偿。
1
00 103 2 10
4章-力
图3-16 应变式加速度传感器
几种应变式传感器外形
几种应变式传感器外形
二、了解应变片的应用
—— 模拟电子称实验电路
电子称是将转换成电信号的称重传感器。电子台秤不仅 能快速、准确地称出商品的重量，用数码显示出来，而且具 有计算器的功能，使用起来更加方便。下面的实验为模拟电 子称实验。 一、实验目的 1、了解电阻应变式传感器的基本结构。 2、掌握电阻应变式传感器的使用方法。 3、掌握电阻应变式传感器测量电路的调试方法。
弹性敏感元件的输入量与输出量之间的关系称 为弹性敏感元件的基本特性。弹性敏感元件的基本 特性包括刚度、灵敏度、弹性滞后和弹性后效等。 （1）刚度 刚度是使弹性敏感元件产生单位变形所需要的 外部作用力。(或压力)其表达式为
（2）灵敏度
灵敏度是刚度的倒数，它表示弹性敏感元件 在承受单位输入量(力、压力等)时所产生的变形 大小，一般用K表示，即
[技能要点]
学会识别一般的电阻应变式传感器、压电式 传感器，了解电阻应变式传感器和压电式传感器 的基本结构和材料，通过实验掌握电阻应变式传 感器的使用方法，掌握电阻应变式传感器测量电 路的调试方法。
[知识要点] 了解电阻应变式传感器、压电式传感器的基本 结构、材料，掌握直流电桥的平衡条件及电压灵敏 度，熟悉电阻应变片的温度补偿方法。学习电阻应 变式、压电式传感器在相关领域的应用。
1、应变效应 电阻应变片的工作原理是基于应变效应，即 导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械形 变时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为 “应变效应”。 由电工学可知，金属丝电阻R可用下式表示：
（3－1） 式中 ρ──电阻率，Ω·m； l──电阻丝长度，m； A──电阻丝截面积，m2。
当沿金属丝的长度方向施加均匀力时，上式中ρ 、r、l 都将发生变化，导致电阻值发生变化。即得 到以下结论：金属丝受外力作用而伸长时，长度增 加，而截面积减少，电阻值会增大；当金属丝受外 力作用而压缩时，长度减小，而截面增加，电阻值 会减小。阻值变化通常较小。
力敏传感器的原理及应用
力敏传感器的原理及应用引言力敏传感器是一种能够测量并转换物体施加在其上的力的传感器。
它通过将受力物体的压力或应变转化为可测量的电信号，实现对力的测量和监控。
力敏传感器在许多领域具有广泛的应用，如工业自动化、机械设备、医疗领域等。
本文将介绍力敏传感器的工作原理以及其在各个领域的应用。
原理力敏传感器的工作原理基于应变表效应。
应变表是一种压敏传感器，它由电阻片或导线网格构成。
当力施加在力敏传感器上时，所受力的压力引起传感器中的应变，导致应变表发生形变。
应变表中的电阻随着应变的变化而发生改变，从而改变电阻值。
这个电阻值的变化通过电桥电路检测和测量，最终转换为电信号输出。
应用力敏传感器在许多领域都有广泛的应用，以下是一些常见的应用示例：1.工业自动化–力敏传感器可用于监测和控制机器人和自动化设备的力度和压力。
例如，在装配线上，力敏传感器可用于测量组装件的压力以确保正确的安装。
–在物流领域，力敏传感器可用于检测货物在传送带上的重量和压力，以实现自动分拣和包装。
2.机械设备–力敏传感器可用于监测和控制机械设备中的力度和扭矩。
例如，在一个工厂中，力敏传感器可用于监测机械装置的压力和力矩，以确保机器正常运行。
–在汽车工业中，力敏传感器可用于测量刹车和转向系统中的压力和力度，以实现精确的操控和安全性能。
3.医疗应用–在医疗领域，力敏传感器可用于监测和控制医疗设备的力度和压力。
例如，在手术中，力敏传感器可用于测量手术器械施加的力度和压力，以确保手术的准确性和安全性。
–在假肢领域，力敏传感器可用于检测假肢与残肢之间的力度和压力，以实现更加舒适和自然的运动。
优势力敏传感器相比其他传感器具有一些独特的优势：•灵敏度高：力敏传感器能够非常敏感地探测和测量微小的力度和压力变化。
•可靠性高：力敏传感器通常具有较长的使用寿命，并能够在恶劣的环境条件下正常工作。
•成本低：力敏传感器的制造成本相对较低，可以大规模应用于各个领域。
•多功能性：力敏传感器可用于测量不同类型的力，如压力、拉力和扭矩等。
简述力敏传感器测量原理
简述力敏传感器测量原理力敏传感器是一种用于检测微小变化的传感器，其特点是它可以检测的变化量很小，甚至可以检测到毫米级的微小变化，并且精度很高，稳定可靠。
力敏传感器的测量原理是将力传递到传感器的传感元件上，然后根据传感元件的变化，通过信号放大器放大信号，再通过数据处理芯片计算出变化的量，最后将数据解码输出。
力敏传感器可以根据力种类分为压力传感器、电工磁传感器、拉力传感器、触觉传感器、微动传感器、钢丝传感器、陀螺秤传感器等。
其中，压力传感器是将被测物体的压力变化传递到传感元件上，通过变换电阻信号，放大信号，最后在压力分析仪或测量仪表中进行读出。
电工磁传感器显示出分离式电磁效应，可以测量出场及电流的变化，并将信号放大以满足解码需要。
拉力传感器可用于测量各种拉力，如杆件、线材等，并可将变形精确地转换为拉力信号，再放大后输出数据。
触觉传感器是一种用于检测触觉信号的传感器，可以检测到压力、热量、振动等信号，能够捕捉到物体的触摸状态及表面结构等信息，并转换为控制信号输出，使得自动化控制的操作更加精准和可靠。
微动传感器用于检测物体的微小运动，通过测量物体的微小运动和线性位移，检测机器的正常运行及小部件是否有松动等。
钢丝传感器能够检测到拉力传感器无法检测到的微小变化，其特别优势是一种极低的响应阻抗，可以检测到更多的变化量。
陀螺秤传感器能够检测角度和角速度变化，常用于导航及仪表系统之中。
以上就是力敏传感器测量原理的简要介绍。
当然，不同的传感器的测量原理是不同的，但是本质上都是通过将力传递到传感元件，再经过变换、放大和数据处理等步骤获得变化量，最终将数据解码输出，以供应用程序使用。
力敏传感器具有体积小、可靠性高、数字量多以及抗干扰能力强等特点，因此得到了广泛的应用。
力敏传感器的测量原理已经大大改善了传感器的功能，使得传感器更加精准、可靠，从而为各种应用提供了实用的便利。
力敏传感器在工业自动化、航空航天、机器人技术、智能家居和智能手机等领域都有着广泛的应用前景，前景十分广阔。
力敏传感器
液体表面张力系数的测定液体的表面张力是表征液体性质的一个重要参数．测量液体的表面张力系数有多种方法，拉脱法是测量液体表面张力系数常用的方法之一．该方法的特点是，用秤量仪器直接测量液体的表面张力，测量方法直观，概念清楚．用拉脱法测量液体表面张力，对测量力的仪器要求较高，由于用拉脱法测量液体表面的张力约在1×10-3～1×10-2 N之间，因此需要有一种量程范围较小，灵敏度高，且稳定性好的测量力的仪器．近年来，新发展的硅压阻式力敏传感器张力测定仪正好能满足测量液体表面张力的需要，它比传统的焦利秤、扭秤等灵敏度高，稳定性好，且可数字信号显示，利于计算机实时测量，为了能对各类液体的表面张力系数的不同有深刻的理解，在对水进行测量以后，再对不同浓度的酒精溶液进行测量，这样可以明显观察到表面张力系数随液体浓度的变化而变化的现象，从而对这个概念加深理解。
[实验目的]1．用拉脱法测量室温下液体的表面张力系数2．学习力敏传感器的定标方法[实验原理]测量一个已知周长的金属片从待测液体表面脱离时需要的力，求得该液体表面张力系数的实验方法称为拉脱法．若金属片为环状吊片时，考虑一级近似，可以认为脱离力为表面张力系数乘上脱离表面的周长，即F=α·π(D1十D2) （1）式中，F为脱离力，D1，D2分别为圆环的外径和内径，α为液体的表面张力系数．硅压阻式力敏传感器由弹性梁和贴在梁上的传感器芯片组成，其中芯片由四个硅扩散电阻集成一个非平衡电桥，当外界压力作用于金属梁时，在压力作用下，电桥失去平衡，此时将有电压信号输出，输出电压大小与所加外力成正此，即△U=KF （2）式中，F为外力的大小，K为硅压阻式力敏传感器的灵敏度，△U为传感器输出电压的大小。
[实验装置]1.结构图图1 结构图1、水平调节螺丝2、升降螺丝3、玻璃器皿4、吊环5、力敏传感器6、支架7、固定螺丝8、航空插头9、底座 10、数字电压表 11、调零图2为实验装置图,其中,液体表面张力测定仪包括硅扩散电阻非平衡电桥的电源和测量电桥失去平衡时输出电压大小的数字电压表．其他装置包括铁架台,微调升降台,装有力敏传感器的固定杆,盛液体的玻璃皿和圆环形吊片,实验证明,当环的直径在3cm附近而液体和金属环接触的接触角近似为零时.运用公式(1)测量各种液体的表面张力系数的结果较为正确。
力敏传感器的原理
力敏传感器的原理力敏传感器是一种广泛应用于工业自动化、机器人、医疗设备等领域的传感器，用于测量和感知物体施加在其上的力的大小。
它基于材料的力学特性以及与物体接触的感知技术，可以精确地测量静态或动态的力，并将其转化为电信号输出。
力敏传感器的原理主要分为两种类型：压电式和变阻式力敏传感器。
1. 压电式力敏传感器压电式力敏传感器利用压电效应来实现力的测量。
压电效应是指某些晶体材料在受到机械应力时会产生电荷或电位变化的现象。
压电材料通常是由特殊晶体或陶瓷制成，如石英、锆酸钛等。
在压电式力敏传感器中，压电材料被安置在传感器的接触面上。
当外界力作用在传感器上时，力会通过接触面传递给压电材料。
由于压电效应，压电材料内部的电荷或电位会发生变化，这种变化可以通过感应电极捕捉到，并转化为电信号输出。
2. 变阻式力敏传感器变阻式力敏传感器则利用材料的电阻随受力变化的特性来实现力的测量。
在变阻式力敏传感器中，通常采用应变测量电阻（strain gauge）来感知受力。
应变测量电阻是一种以金属导线或薄膜材料制成的电阻，其电阻值会随着受力的变化而发生变化。
通常，应变测量电阻被粘贴或粘合在传感器的应变区域上，当外界力作用于传感器时，应变区域发生形变，从而导致应变测量电阻的电阻值发生变化。
为了测量电阻值的变化，变阻式力敏传感器通常需要一个电桥电路。
电桥电路由多个电阻组成，其中一个电阻为应变测量电阻，其余的为补偿电阻和标定电阻。
当外界力施加在传感器上时，应变测量电阻的电阻值发生变化，这会引起电桥电路不平衡，进而产生微小的电压差。
这个电压差可以通过电桥电路中的放大器放大，并转化为可供读取和处理的模拟电信号或数字信号输出。
总结起来，力敏传感器的原理主要包括压电效应和应变测量电阻。
压电式力敏传感器利用压电效应将受力转化为电荷或电位变化，并输出相应的电信号；而变阻式力敏传感器则利用应变测量电阻的电阻值随受力变化的特性，通过电桥电路将变化转化为电压差输出。
力敏传感器
3、主要特性
（1） 灵敏度系数 金属应变丝的电阻相对变化与它所感受的应变之间具有 线性关系，用灵敏度系数KS 表示。当金属丝做成应变片 后，其电阻—应变特性，与金属单丝情况不同。因此， 须用实验方法对应变片的电阻—应变特性重新测定。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。即
令 则
Ky
( n 1)r KS 2L
Kx
2nl (n 1)r KS 2L
R K x K y r R
可见，敏感栅电阻的相对变化分别是ε和εr作用的结果。 横向灵敏系数与轴向灵敏系数之比值，称为横向效 应系数H。 Ky n 1r H K x 2nl n 1r 由上式可见，r愈小，l愈大，则H愈小。即敏感栅越窄、 基长越长的应变片，其横向效应引起的误差越小。
（3） 机械滞后 应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加载 特性与卸载特性不重合，即为机械滞后。 产生原因：应变片在承受机械应变后，其内部会产生 残余变形，使敏感栅电阻发生少量不可逆变化；在制 造或粘贴应变片时，如果敏感栅受到不适当的变形或 者粘结剂固化不充分。
机械滞后值还与应变片所 承受的应变量有关，加载时的 机械应变愈大，卸载时的滞后 也愈大。所以，通常在实验之 前应将试件预先加、卸载若干 次，以减少因机械滞后所产生 的实验误差。
丝绕式应变片敏感栅半圆弧形部分dl2横向效应金属应变片由于敏感栅的两端为半圆弧形的横栅测量应变时构件的轴向应变使敏感栅电阻发生变化其横向应变也将使敏感栅半圆弧部分的电阻发生变化除了起作用外应变片的这种既受轴向应变影响又受横向应变影响而引起电阻变化的现象称为横向效应
第四章 力敏传感器
力敏传感器指对力学量敏感的虚假应变为
t R t K t e g t K R t
电子课件-《传感器技术与应用》-A05-3188 第四章 力敏传感器
第四章 力敏传感器
常见的压电式传感器
第四章 力敏传感器
2.压电材料特点和分类
用于制作压电元件的压电材料一般分为三大类： 一是压电晶体（单晶），它包括石英晶体和其他 压电单晶； 二是压电陶瓷； 三是新型压电材料，其中有压电半导体和有机高 分子压电材料两种。
第四章 力敏传感器
石英晶体薄片
压电陶瓷
第四章 力敏传感器
二、压电材料的主要特性参数
1.压电常数
压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数，它直接 关系到压电元件输出的灵敏度。
2.弹性常数
压电材料的弹性常数、刚度决定着压电元件的固有 频率和动态特性。
3.介电常数
对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容与介 电常数有关；而固有电容又影响着压电传感器的频率 下限。
电阻应变片的工作原理是利用导体或半导体材料 的电阻应变效应，即导体或半导体材料在外力作用下， 会产生机械变形，其电阻值也将随着发生变化的现象。
第四章 力敏传感器
实验表明，在金属丝的弹性变形范围内，当金属 丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，当 金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积 减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩 时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。
第四章 力敏传感器
二以使用面积和电阻值表示，如 （3×10）mm2，120Ω。
2.应变片的灵敏系数K 3.应变片允许工作电流 4.应变极限 5.横向效应
第四章 力敏传感器
三、电阻应变片的选用
1.电阻应变片的选择 （1）应变片结构形式的选择
第四章 力敏传感器
名称 丝式 箔式 薄膜式
特点 制造简单、价格便宜、性能稳定、易于粘贴等优点，但蠕 变较大，金属丝易脱胶，逐渐被箔式所取代，多用于大批量、 一次性试验 表面积与截面积之比大，散热条件好，允许通过较大电流， 从而增大输出信号，提高灵敏度；可根据测量需要制成任意 形状，在制造工艺上能保证敏感栅尺寸准确线条均匀；具有 较好的可挠性，有利于粘贴及应变的传递；易加工，适于批 量生产 应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作范围广，易实现 工业化生产，但难以控制电阻与温度和时间的变化关系，是 一种很有前途的新型应变片
力敏传感器测量原理
力敏传感器测量原理力敏传感器是一种用于测量压力或拉力的设备，其测量原理基于压阻效应。
当外力施加在敏感器上时，敏感元件内部的电阻值会发生变化，这个电阻值的变化可用于计算所施加的压力或拉力的大小。
力敏传感器通常由一个压阻片、一个弹簧、一个机械底座、一个电缆和连接器组成。
压阻片是敏感元件，它是由一个薄层的导电材料制成的，如硅、钨、销锌铝等。
当施加压力或拉力时，压阻片内的导电材料会发生微小的变形，导致阻值发生变化。
弹簧将敏感元件和测试对象联系在一起，它可以根据所施加的压力或拉力的大小而发生压缩或拉伸。
机械底座负责支撑传感器和测试对象，同时保持传感器的稳定性。
电缆和连接器将传感器和信号采集设备连接在一起，将压阻片内的变化转化为电信号输出。
使用力敏传感器进行测量时，需要将传感器放置在所需要测量的物体上。
当外力作用于该物体时，弹簧将传感器压缩或拉伸，此时压阻片的电阻值发生变化，电信号随之发生变化。
这个变化的大小可以通过信号采集设备进行读取和分析，从而计算出外力的大小。
力敏传感器有许多应用领域，例如：在机械制造业中，它们被用于测量机械零件的弹性变形和应力；在医学领域中，它们被用于测量骨骼和肌肉组织的应力和压力；在汽车行业中，它们被用于测量刹车系统的压力和转向系统的力量；在建筑领域中，它们被用于测量桥梁和建筑物的载荷。
力敏传感器是一种精密的测量设备，可以准确地测量所施加的压力或拉力的大小，其测量原理基于压阻效应。
通过使用力敏传感器，我们可以更好地了解物体的应力或压力的性质，有助于提高生产效率和产品质量。
除了测量原理，力敏传感器还有许多其他的重要参数需要考虑。
其中最重要的是灵敏度和线性度。
灵敏度是指传感器输出的电信号与施加在传感器上的外力之间的关系。
换句话说，灵敏度越高，传感器输出的电信号就会更精确地反映所施加的外力的大小。
灵敏度可以通过外力与电信号之间的比值来计算。
一个100牛顿的力敏传感器，当施加10牛顿的力时，其输出电信号为1伏特，则其灵敏度为10伏特/牛顿。
EQ情商-现代传感器第四章压力传感器 精品
压电式传感器的测量电路（2）
前置放大器电路有两种形式：
一是用电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电 压(即传感器的输出)成正比；
另一种是用带电容板反馈的电荷放大器，其输出电压 与输入电荷成正比。由于电荷放大器电路的电缆长度 变化的影响不大，几乎可以忽略不计，故而电荷放大 器应用日益广泛。
压电晶片的连接方式（2）
q 2q；U U；C 2C
压电晶片的连接方式（3）
串联方法正电荷集中于上极板，负电荷集中于下极板，传 感器本身的电容量小、响应快、输出电压大，故这种传感 器适用于测量以电压作输出的信号和频率较高的信号。
q q；U 2U；C 1 C 2
压电传感器的等效电路（1）
(a)
(b)
图5-15 压电传感器的完整等效电路 （a） 电压源; （b） 电荷源
压电式传感器的测量电路（1）
由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通常先 把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器 中，经过阻抗交换以后，方可用一般的放大检波 电路再将信号输入到指示仪表或记录器中。(其中， 测量电路的关键在于高阻抗输入的前置放大器。）
分类：
力敏传感器有机械式、电阻式、电容式、电感式、电 流式和压电式
敏感材料：金属、半导体、有机复合体和压电体等
二、压电式压力传感器
压电效应
当某些电介质受到一定方向外力作用而变形时， 其内 部便会产生极化现象， 在它们的上、 下表面会产生 符号相反的等量电荷； 当外力的方向改变时， 其表 面产生的电荷极性也随之改变； 当外力消失后又恢复 不带电状态， 这种现象称为压电效应。
如图4-1（b）所示。按照与z轴的不同夹角，多种切片可 形成一个系列家族，切片长边平行于y轴的称为X切族，平 行于x轴的称为Y切族。
第四章 力敏材料与力传感器,2012.11.09
平。但也可以选择输出为高电
平的型号。
液位限位传感器的设定
设定按钮 智能化液位传感器的设 定方法十分简单： 用手指压住设定按钮， 当液位达到设定值时，放开 按钮，智能仪器就记住该设
定。正常使用时，当水位高
于该点后，即可发出报警信 号和控制信号。
智能化液位限位传感器的设定按钮
正常工作 指示灯 电源 指示灯 超限灯
δ 、 S 和 εr 中的某一项或几项有变化时，就改变 了电容 C0 。 δ 或 S 的变化可以反映线位移或角位移 的变化，也可以间接反映压力、加速度等的变化 ；εr的变化则可反映液面高度、材料厚度等的变化 。 三种基本类型：
变极距(变间隙)(δ)型 变面积型(S)型 变介电常数(εr)型
θ Cθ = C 0 - C 0 π
电容量变化：
θ Δ Cθ = - π C 0
灵敏度为：
C0 Δ Cθ kθ = θ = - π
3.
变介电常数式
在电容器两极板间插入不同介质，电容器的电容量 就不同，利用这种原理制作的变介电常数型电容式传感 器常被用来测量液体的液位和材料的厚度。
电容液位计原理图
2 ( 0 )hx C A Khx ln(r2 / r1 ) ln(r2 / r1 )
A
dCx A K dx (d o x) 2
为了提高传感器灵敏度，减小 非线性误差，实际应用中大都采 用差动式结构。 如图示(1为动片、2为定片)， 中间电极若受力向上位移Δd，则 C1容量增加，C2容量减小，两电 容差值为：
ΔC
C0Δ d = C1 - C2 = C0 + d 0
C0Δ d - C0 + d 0
1. 变极距型电容传感器
《力敏传感器》课件
电容式力敏传感器
通过改变电容器两极板间 的距离来检测压力或力， 从而产生电容变化。
压电式力敏传感器
利用压电材料的压电效应 ，将力转换为电信号输出 。
力敏传感器的集成化与智能化
集成化
将多个力敏传感器集成在一个芯片上，实现多通道、高精度的测量。
智能化
通过微处理器和软件算法，实现力敏传感器的自校准、自补偿和数据融合等功能。
力敏传感器的微型化与轻量化
微型化
采用微纳米制造技术，减小力敏传感器 的尺寸，使其更加适合于小型化和便携 式应用。
VS
轻量化
采用轻质材料和优化结构设计，降低力敏 传感器的重量，使其更加适合于航空、航 天等高动态应用场景。
04
航空航天
总结词
力敏传感器在航空航天领域中具有特 殊的应用，能够用于检测和控制飞机 、火箭、卫星等航天器中的力和压力 参数。
详细描述
在航空航天领域中，力敏传感器需要 具备高精度、高可靠性、耐高温等特 点，以确保航天器的安全和稳定运行 。
03
力敏传感器的技术发展
新型力敏传感器的研发
01
02
03
压阻式力敏传感器
总结词
了解力敏传感器的线性范围和灵敏度
详细描述
通过施加不同大小和方向的静态力，观察力 敏传感器的输出变化，并记录线性范围和灵
敏度。
实验二：力敏传感器的动态特性测试
总结词
探究力敏传感器的响应速度和频率响应
详细描述
对力敏传感器施加不同频率和幅度的动态力，观察并 记录其输出变化，以评估响应速度和频率响应。
机器人技术
总结词
力敏传感器是实现机器人精准操作和 人机交互的重要组件，能够提高机器 人的柔顺性和安全性。
第四章 常用传感器原理及应用
Ca
Cc
R0
★ 由于后继电路的输入阻抗不可能为无穷大，而且压 电元件本身也存在漏电阻，极板上的电荷由于放电而无 法保持不变，从而造成测量误差。因此，不宜利用压电 式传感器测量静态或准静态信号，而适宜做动态测量。
★ 压电晶片有方形、圆形、圆环形等各种，而且往往 是两片或多片进行串联或并联。
+
并联：适于测缓变信号和以电荷为 输出量的场合
3、介电常数变化型 此类传感器可用来测量液体的液位和材料的厚度等。
两圆筒间的电容为：空气的介
21 L C ln(R r )
外电极 内半径
电常数
电极 长度
内电极 内半径
如果电极的一部分被非导电性液 体所浸没时，则会有电容量的增 量∆C产生：
2 ( 2 1 )l C ln(R r )
线圈
铁芯
衔铁
由于 δ 很小，可认为气隙磁场是均匀的 ，若忽略磁路的铁损，则总磁阻为：
线圈 铁芯
衔铁
l 2 Rm A 0 A0
由于铁心磁阻与气隙相比要小得多，可以忽略
2 Rm 0 A0
N 0 A0 L 2
传感器灵敏度： K
2
dL
N 2 0 A0 2
2
d
N 2 0 A0 2 2
这种传感器适用于较小位移 的测量，测量范围约在 0.001~1mm左右。
2、变面积式 原理：气隙长度不变，铁心与衔铁之间相 对而言覆盖面积随被测量的变化而改，导致 线圈的电感量发生变化。 特点：灵敏度比变气隙型的低，但其灵敏 度为一常数，因而线性度较好，量程范围可 取大些，自由行程可按需要安排，制造装配 也较方便，因而应用较为广泛。 3、螺管式 原理：衔铁随被测对象移动，线圈 磁力线路径上的磁阻发生变化，线圈 电感量也因此而变化。 特点：灵敏度更低，但测量范围大 ，线性也较好，同时自由行程可任意 安排，制造装配方便，应用较广泛。
力敏传感器的工作原理与分类
图2-5 直流电桥的连接方式
半桥双臂 （b）全桥电路
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，可提高灵敏度系数。
（2-3）
一般 ，可忽略，由此可得
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。
图2-4 直流电桥
（2-2）
若使此电桥平衡，即 ，只要 。一般我们取 即可实现。现将 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
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 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。
（1） 温度误差
（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同，电阻的变化量 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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R2 R3 R1R4 Rg ( R1 R2 )( R3 R4 ) R1R2 ( R3 R4 ) R3 R4 ( R1 R2 )
若检流计中没有电流流过，称电 桥处于平衡状态，此时，有
R2 R3 R1R4
根据电桥是否处于平衡状态，使 用电桥的方法可分为平衡电桥和 非平衡电桥
4.1.2.2 金属应变片的分类
箔式应变片
利用光刻、腐蚀方法将电阻箔材在其绝缘基 底下制成各种图形 优点
• • • • • • 可制成任意形状以适应不同的测量要求 粘合面积大 粘结情况好，传递试件应变性能好 散热性能好，允许通过较大的工作电流 横向效应可以忽略 蠕变、机械滞后小，疲劳寿命高
关于温度误差的理解
应变片的正常工作流程
被测量变化——感知应变——电阻变化 电阻变化——应变——被测量变化
温度电阻关系引起温度误差形成示意
被测量未变——应变未变——电阻不应变化 温度变化直接导致电阻变化 电阻变化——认为是应变产生——认为被测量变化 温度引起的电阻变化被体现为了被测量的变化，形 成误差
4.1.2.2 金属应变片的分类
薄膜应变片
采用真空蒸发或真空沉积等方法将电阻材料 在基底上制成一层各种形式敏感栅而形成应 变片 应变片灵敏系数高 易实现工业化生产 温度误差较难控制
4.1.2.4 金属电阻应变片的参数
应变片电阻值（R0）
指未安装的应变片，在不受外力的情况下 ，于室温条件测定的电阻值，也称原始阻 值。 应变片电阻值趋于标准化
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传感器与检测技术
第4 章 力敏传感器
主要内容
应变式电阻传感器
金属电阻应变片
• 工作原理 • 温度误差及补偿
电阻应变片的测量电路 电阻应变式传感器的应用
压电式传感器
压电效应 压电式传感器的等效电路和测量电路 压电式传感器的应用
第4章 力敏传感器
力/压力敏传感器可用于测量位移、加速度 、力、力矩、压力等各种参数，由于它们 都与机械应力有关，这类传感器常被称为 力学量传感器 常见的力学量传感器类型
4.1.2 金属电阻应变片
4.1.2.1金属电阻应变片的结构
图 4-1金属电阻应变片结构
4.1.2.1 金属电阻应变片的结构
4.1.2.2 金属应变片的分类
丝式应变片
用金属丝构成敏感栅粘结在各种绝缘基底上构成 回线式应变片
• 电阻丝绕制 • 存在横向效应
短接式应变片
• • • • 电阻丝焊接 克服横向效应 焊点多，容易出现疲劳破坏 制造工艺要求高
4.1.2.4 金属电阻应变片的参数
机械滞后
对粘贴的应变片，在温度一定时，增加和减 少机械应变过程中同一机械应变量下指示应 变的最大差值
零漂
指已粘贴好的应变片，在温度一定和无机械 应变时，指示应变随时间的变化
蠕变
已粘贴好的应变片在温度一定并承受一定的 机械应变时，指示应变值随时间的变化
将温度变化t时的电阻变化折合成应变，则 Rt / R0 t t K K K为应变片的灵敏系数
4.1.2.5 金属电阻应变片的温度误差及其补偿
试件材料与敏感栅材料的线膨胀系数不同， 使应变片产生附加应变
• 与材料的线膨胀系数相关 • 由于线膨胀系数不同，通过附加应变影响电阻 变化
4.1.2.5 金属电阻应变片的温度误差及其补偿
温度误差产生原因
温度变化引起应变片敏感栅电阻变化而产生 附加应变
• 与敏感栅材料的温度系数相关 • 直接影响电阻的变化，而不是通过应变作用 Rt R0 (1 t ) R0 R0t Rt Rt R0 R0t
• 局限性大，一种α 值的应变片只能在一种材料 上应用
金属应变片的温度补偿方法
双金属敏感栅自补偿应变片
• 利用两种材料的电阻温度系数不同（一个正， 一个负）的特性，通过串联的形式来达到温度 补偿的目的 • 这种方式主要是补偿温度系数带来的影响
4.1.3 半导体应变片
4.1.3.1 半导体应变片的分类和结构
金属丝几何尺寸 变化引起
金属的电阻应变效应小结
在受到轴向应力单独作用时金属丝的电阻相对变 化与轴向应变之间成线性关系 金属的电阻应变效应是金属应变片工作的基本原 理 金属丝材料的电阻应变效应以结构尺寸变化的影 响为主，很多时候电阻率变化带来的影响可以忽 略 金属应变片感受到的应变是整个敏感栅长度内各 处感受到应变的平均值 应变片的灵敏系数恒小于金属丝的灵敏系数
应变丝的伸长和膨胀量为：
lt1 l0 (1 丝 t ) l0 l0 丝 t
lt1 lt1 l0 l0 丝 t 试件的伸长和膨胀量为： lt 2 l0 (1 试 t ) l0 l0 试 t
lt 2 lt 2 l0 l0 试 t
F d’ F d F
ΔL
L
金属的电阻应变效应分析
当金属丝受到轴向力F而被拉伸（或压缩）时，其 L、A、ρ 均会发生变化，金属丝的电阻值随之发 生变化，电阻相对变化分别为：
ln R ln L ln A ln dR dL dA d R L A
因为
dA dr 2 A r
dV C V d dV dL dA C C C 1 2 x V A L
d
金属的电阻应变效应分析
于是
dR (1 2 ) x C (1 2 ) x (1 2 ) C (1 2 ) x R dR 金属丝几何尺寸 k s x 变化引起电阻率 R 的变化 k s (1 2 ) C (1 2 )
4.1.1 电阻应变片的种类
按敏感栅材料划分
金属应变片、半导体应变片
按基底材料划分
纸基、胶基、浸胶基、金属基应变片等
按工作温度划分
常温、中温、高温和低温应变片
按用途划分
一般用途和特殊用途应变片
4.1.2.3 金属应变片的工作原理
金属的电阻应变效应 L R A
按照材料类型分为P型硅应变片、N型硅应变片、 P-N互补型应变片；按照特性分为灵敏系数补偿 型应变片和非线性补偿应变片； 以材料的化学成分分为硅、锗、锑化铟、磷化嫁 、磷化铟等应变片； 按结构分类包括体型应变片、扩散型应变片和薄 膜型半导体应变计。
4.1.3.2 半导体应变片的工作原理
半导体材料的压阻效应 当半导体材料受到应力作用时，其晶 格间距就会发生变化，使得其电阻率 发生变化，这一现象称为压阻效应 半导体材料的电阻在外力作用下的相 对变化与金属相同，表达如下：
金属的电阻应变效应分析
金属丝的轴向应变 金属丝的径向应变
dL x L
dr y r
金属丝受拉时，沿轴向伸长，而沿径向缩 短，二者之间的关系为
y x
( 为金属丝材料的泊松系数)
金属的电阻应变效应分析
则
dR d (1 2 ) x R
通过实验发现，金属材料的电阻率相对变化与其 体积变化之间有如下关系
简单、方便 但是在温度变化梯度 较大的条件下，很难 做到工作片与补偿片 处于温度完全一致的 情况，因而影响到补 偿效果
金属应变片的温度补偿方法
应变片自补偿法
利用温度自补偿应变片来实现温度补偿的方 法称为应变片自补偿法 选择式自补偿应变片
• 利用温度系数与线膨胀系数的关系来达到温度 自补偿的目的 t t ( 试 丝 )t 0 K K ( 试 丝 )
绝缘电阻
敏感栅与基底间的电阻值，一般应大于 10G。
4.1.2.4 金属电阻应变片的参数
灵敏系数（K）
指应变片安装于试件表面，在其轴线方向的 单向应力作用下，应变片的阻值相对变化与 试件表面上安装应变片区域的轴向应变之比 。 灵敏系数的准确性直接影响测量精度，其误 差大小是衡量应变片质量优劣的主要标志 灵敏系数要求尽量大而稳定
电阻应变式传感器 压电式传感器 电容式传感器 电感式传感器
4.1 应变式电阻传感器
电阻应变式传感器通常是一种由电阻应变片和弹 性敏感元件组合起来的传感器 常用于力、力矩、压力、位移、加速度等参数的 测量 弹性敏感元件是应变式电阻传感器中的敏感元件 ，能够直接感受被测量，然后将被测量的变化转 换为应力或者应变 电阻应变片是应变式电阻传感器中的转换元件， 它可以将应力或者应变转换为电阻的变化
4.1.2.5 金属电阻应变片的温度误差及其补偿
由上面的两种情况而引起总电阻变化为
Rt Rt Rt R0t R0 K ( 试 丝 )t
总附加虚假应变量为
Rt / R0 t t ( 试 丝 )t K K
由温度变化引起 的电阻变化折合 为应变 由温度变化和线膨 胀系数不同而引起 的附加应变
4.1.4 电阻应变片的测量电路
应变片把应变转换为电阻的变化并没有达 到测量的最终目的，还需把这个电阻的变 化再转化为电压或电流的变化，以便显示 与记录应变的大小。 能完成上述作用的电路称为电阻应变式传 感器的信号调节电路 通常采用测量电桥来作为应变计的信号调 节电路
电桥的工作原理
电桥电路中，检流计流过的电流 可表达如下:
关于温度误差的理解
线膨胀系数不同导致温度误差的示意
被测量不变——应变不变——电阻不变 线膨胀系数不同，温度变化产生附加应变 被测量不变——附加应变产生——电阻变化 电阻变化——应变变化——被测量变化 附加应变被体现为了被测量的变化，形成误差
金属应变片的温理解
温度误差是由于温度变化引起的 这里讨论的温度误差的形成并不是因为温 度变化引起传感器被测量的变化，而是在 认为传感器感知的被测量并没有真正变化 时，由于传感器输出端的变化被折合为被 测量的变化