力敏传感器的工作原理与分类 PPT
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电阻的变化量 也相 R 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。
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 R 相同，但符号相反，这样就可抵
（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，
（2-3）
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。
（a）半桥双臂
（b）全桥电路
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
Байду номын сангаас（2-1）
图2-1 电阻丝应变效应
（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。
（2-2）
大家有疑问的，可以询问和交流
可以互相讨论下，但要小声点
9
若使此电桥平衡，即U0，只要 R1R3R2R4。0一般
我们取
R 1R 2R 3即R 可4 实R 现。现将 换成电R阻1
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
U R E 4R2R
一般 R=R ，可忽略，由此可得
图2-2 金属丝式电阻应变片的基本结构图
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。
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。
课题一 力敏传感器的工作原理与分类
★ 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。
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。
图2-5 直流电桥的连接方式
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。
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： 应变片的电阻丝(敏感栅)具有一定温度系数； 电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。
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
（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
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2-8 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
将力F ma转化成应变片的应力，从而达到测量加速
度 的a 目的。
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。
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。
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。
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 器处在同一温度场中，适当调 整R5值，可使 与RU/abR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）。
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 R 相同，但符号相反，这样就可抵
（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，
（2-3）
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。
（a）半桥双臂
（b）全桥电路
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
Байду номын сангаас（2-1）
图2-1 电阻丝应变效应
（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。
（2-2）
大家有疑问的，可以询问和交流
可以互相讨论下，但要小声点
9
若使此电桥平衡，即U0，只要 R1R3R2R4。0一般
我们取
R 1R 2R 3即R 可4 实R 现。现将 换成电R阻1
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
U R E 4R2R
一般 R=R ，可忽略，由此可得
图2-2 金属丝式电阻应变片的基本结构图
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。
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。
课题一 力敏传感器的工作原理与分类
★ 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。
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。
图2-5 直流电桥的连接方式
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。
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： 应变片的电阻丝(敏感栅)具有一定温度系数； 电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。
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
（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
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2-8 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
将力F ma转化成应变片的应力，从而达到测量加速
度 的a 目的。
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。
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。
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。
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 器处在同一温度场中，适当调 整R5值，可使 与RU/abR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）。