第四章力敏传感器.

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
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。
4.1.5 电阻应变式传感器应用
图 4-14悬臂梁
（a）等截面梁
（b）等强度梁
4.1.5 电阻应变式传感器应用
应变式压力传感器 圆筒外表面沿圆周方 向产生的环向应变为
对于薄壁圆筒，环向 应变为
图 4-15筒式压力传感器
4.1.5 电阻应变式传感器应用
应变式加速度传感器 当被测点的加速度沿图中箭头a 所示方向时，悬臂梁自由端 受惯性力
图 4-33电容式集成电容传感器
4.3.3 电容式集成压力传感器
4.3.3.2 电容式集成压力传感器的电路
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图 4-34电容式集成压力传感器电路
4.4 电感式压力传感器
电感式传感器具有以下特点： 结构简单、可靠，测量力小。 灵敏度和分辨力高。能测出0.1μm甚至更小的机 械位移；输出信号强，电压灵敏度可达每毫米数 百毫伏。 重复性好，线性度优良。在几十微米到数百毫米 的位移范围内，传感器的非线性误差可做到 0.05%~0.1%，输出特性的线性度较好，且比较 稳定。 能实现远距离传输、记录、显示和控制。 响应频率低，不宜于高频动态测量。
图 4-24压电传感器与电荷放大器连接的等效电路
4.2.2 压电传感器的等效电路与测量线路
图 4-25电荷放大器电路
4.2.3 压电式传感器的应用举例
压电式测力传感器
图 4-26压电式测力传感器的基本结构
4.2.3 压电式传感器的应用举例
4.2.3.2 压电式加速度传感器
图 4-27压电式加速度传感器的结构图
V=
式中
=
，为金属丝材的应变灵敏系数（简称灵敏
系数）。
4.1.2 金属电阻应变片
4.1.2.4金属电阻应变片的参数
① ② ③ ④ ⑤ 应变片电阻值 灵敏系数K 机械滞后 横向效应及横向效应系数H 零漂P和蠕变
⑥ 绝缘电阻
（1）温度误差 讨论应变片特性，通常是以室温恒定为前提条件 的。实际在应用时，环境（工作）温度经常会发 生变化，使应变片上的条件改变，影响其输出特 性。这种单纯由温度变化引起的应变片电阻值变 化的现象，称为温度效应。 设环境引起的构件温度变化为 时，粘贴在试件表 面的应变片敏感栅材料的电阻温度系数为 ，则应 变片产生的电阻相对变化为 （4-7）
4.5 谐振式压力传感器
4.6.1. 工作原理和特性
谐振式压力传感器的工作原理
为振子材料的刚度； 为振子的等效振动质量
图 4-39谐振式传感器的组成
4.6.2 谐振式压力传感器的特性
同时，由于敏感栅材料和被测构件材料两者的线 膨胀系数不同，当 存在时，引起应变片的附加应 变。其值为 （4-8） 为试件材料的线膨胀系数， 为敏感栅材料的线膨胀系数。
由温度变化形成的总电阻相对变化为
温度变化所引起的总的输出应变为
温度补偿
单丝自补偿应变片 若使应变片在温度变化 时热输出值为零，必须满 足条件
4.1.4. 电阻应变片的测量电路
b) 采用差动电桥
图 4-7半桥差动电路
图 4-8全桥差动电路
4.1.4. 电阻应变片的测量电路
电桥输出电压
电桥初始时是平衡 ，则
在对称情况下，
与
成线性关系，差动电桥无非线性误差
4.1.4. 电阻应变片的测量电路
给电桥的四臂接入四片应变片，使两个桥臂应变 片受到拉力，两个桥臂应变片受到压，将两个应 变符号相同的接入相对桥臂上，则构成全桥差动 电路。若电桥初始是平衡的，在对称情况下有 ：
当被测试件材料确定后，就可以选择合适的应变 片敏感栅材料满足上 式，以达到温度补偿的目的 。
双丝自补偿应变片 双丝自补偿应变片也称为组合式的补偿片或双金 属敏感栅自补偿片。这种应变片的敏感栅是由电 阻温度系数为一正一负的两种合金丝串联而成的 。有丝绕式和短接式两种形式，如图所示。
电桥补偿法
4.2.3 压电式传感器的应用举例
压电式金属加工切削力测量
图 4-28压电式刀具切削力的示意图
4.2.4 压电式传感器的主要性能及其影响因素
4.2.4.1 压电式传感器的主要性能 1. 灵敏度 2. 频率响应
图 4-29压电式加速度传感器的频响特性
4.3 电容式力传感器
4.3.1.电容式传感器的特点 一，优点： 1．温度稳定性好 2.结构简单，适应性强 3．动态响应好 二，电容式传感器有一下不足之处： 1.输出阻抗高，负载能力差 2.寄生电容影响大
的作用，质量块向箭头
相反的方向相对于基座运动， 使梁发生弯曲变形，应变片电 阻发生变化，产生输出信号， 输出信号大小与加速度成正比
。
图 4-16应变式加速度传感器
4.2 压电式力传感器
4.2.1. 压电效应和压电材料 压电效应 某些电介质在受到一定方向的外力作 用下发生形变时，内部会产生极化现象，同时在 其表面会产生电荷，且所产生的电荷量与外力的 大小成正比。
4.1.4. 电阻应变片的测量电路
③ 非线性误差及其补偿方法
理想情况下电桥输出电压
实际清空下电桥输出电压
非线性误差
4.1.4. 电阻应变片的测量电路
消除非线性误差的方法 a) 提高桥臂比 提高桥臂比 可减小非线性误差。但是从电压灵敏度
来考虑，提高桥臂比会降低电压灵敏度。因此，为 达到既减小非线性误差，又不降低电压灵敏度，必 须适当提高电源电压。
差动桥路的输出电压 电压灵敏度比单片提 高了四倍，比半桥差动电路提高了一倍。
4.1.4. 电阻应变片的测量电路
图 4-9恒流源电桥
电桥输出电压为
比前面的单臂供压电桥的 非线性误差减少了50%。
图 4-9恒流源电桥
4.1.4. 电阻应变片的测量电路
交流电桥电路 ① 交流电桥的工作原理 交流电桥也称为不平衡电桥，是利用电桥输出电 流或电压与电桥各参数间的关系进行工作的。
4.2.1. 压电效应和压电材料
2,石英晶体的压电效应
图 4-18石英晶体
4.2.1. 压电效应和压电材料
图 4-19石英晶体压电效应机理示意图
4.2.1 压电效应和压电材料
3,压电陶瓷的压电效应
图 4-20钛酸钡BaTiO_3的压电效应
(a)未极化
(b)极化
(c)极化后
4.2.1. 压电效应和压电材料
式中
---电阻的相对变化； ---电阻率的相对变化； ---金属丝长度相对变化,用 表示， 为金属丝长度方向的应变或轴向应变
---截面积的相对变化，因为，
则
；r为金属丝的半径，
为金属丝半径的相对变，即径向
应变
。
4.1.2 金属电阻应变片
金属应变片的工作原理
为金属材料的泊松比。 =C
=C
C由一定的材料和加工方式决定的常数；
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 金属电阻应变片
4.1.2.2金属电阻应变片的分类
1. 丝式应变片（分回线式和短接式两种）
① ② 回线式应变片 短接式应变片
2.箔式应变片
图 4-3 箔式应变片
3.薄膜应变片
4.1.2 金属电阻应变片
金属应变片的工作原理
4. 新型压电材料 压电半导体
有机高分子压电材料
4.2.2 压电传感器的等效电路与测量线路
4.2.2.1 电容量为 等效电路
输出端电荷为
输出端电压为
图 4-21压电原件等效电路 (a)电荷等效电路 (b)电压等效电路
4.2.2 压电传感器的等效电路与测量线路
(a)电压等效电路
(b) 电荷等效电路
（a）交流电桥 图 4-10交流电桥
（b）等效电路
4.1.4. 电阻应变片的测量电路
交流电桥的输出电压为
则交流电桥的平衡条件为
将桥臂上的复阻抗代入式上式可得
由此可知，由应变片构成的交流电桥，除了满足电 阻平衡条件外，还必须满足电容平衡条件。为此， 交流电桥上设置有电阻平衡调节和电容平衡调节。
4.1.4. 电阻应变片的测量电路
4.3.2 电容式压力传感器
4.3.3.3 电容式压力传感器工作原理和结构
1.电容式压力传感器的工作原理： 2. 电容式压力传感器的结构：
图 4-31差分式电容式压力传感器
4.3.2 电容式压力传感器
4.3.3.4 测量电路
图 4-32双T型电桥电路
4.3.3 电容式集成压力传感器
4.3.3.1 电容式集成压力传感器的结构
图 4-17压电效应
(a)正压电效应
(b)正压电效应的可逆性
4.2.1. 压电效应和压电材料
1, 压电材料的主要特性参数 压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数，它直接关系到 压电输出灵敏度。 弹性常数压电材料的弹性常数决定着压电器件的固有频率 和动态特性。 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。 机电耦合系数它定义为：在压电效应中，转换输出的能量 （如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根。它 是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。 电阻压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏，从而改善压电 传感器的低频特性。 居里点即压电材料开始丧失压电性的温度。
4.4.1 电感式压力传感器
电感
磁阻
4.4.1 电感式压力传感器 电感式压力传感器
图 4-35变隙式电感压力传感器工作原理图
4.4.1 电感式压力传感器
变隙式差动电感压力传感器
图 4-36变隙电感式压力传感器结构图
图 4-37变隙式差动电感压力传感器
4.4.2 差动变压器式传感器
图 4-38差动分变压器式压力传感器
4.1.4. 电阻应变片的测量电路
② 电压灵敏度
电桥电压灵敏度
4.1.4. 电阻应变片的测量电路
a) 电桥的电压灵敏度正比于电桥电源电压。电源 电压愈高，电压灵敏度愈高。但是，电源电压的 提高，受到两方面的限制：一是应变片的允许温 升，即应变片的允许功耗；二是应变片电阻的温 度误差。所以，电源电压应适当选择，一般取1～ 3V。 b) 电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数，即 和电桥各桥臂的初始比值有关
图 4-22压电式传感器测试系统等效电路
4.2.2 压电传感器的等效电路与测量线路
4.2.2.2 测量电路 1. 电压放大器
(a)等效电路
(b)简化后的等效电路
图 4-23压电式传感器与电压放大器连接的等效电路
4.2.2 压电传感器的等效电路与测量线路
2. 电荷放大器 电荷放大器的输出电压
4.1.3 半导体应变片
4.1.3.2 半导体应变片的工作原理
4.1.4. 电阻应变片的测量电路
4.1.4.
电阻应变片的测量电路 1 直流电桥电路 2 交流电桥电路
4.1.4. 电阻应变片的测量电路
4.1.4.4 直流电桥电路 ① 直流电桥平衡条件
图 4-6直流电桥电路
电桥的输出电压为
从而得到被测力F为
4.1.5 电阻应变式传感器应用
② 环式力传感器
图 4-13环式力传感器
（a）环式弹性原件
（b）应力分布曲线
4.1.5 电阻应变式传感器应用
悬臂梁式力传感器是一种结构简单、高精度、应 变片容易黏贴、抗偏、抗侧性能优越的称重测力 传感器。最小可以测几十克，最大可以测几十吨 的质量，精度可达到0.02%FS。 悬臂梁有两种：一种为等截面梁，另一种为等强 度梁
交流电桥平衡调节电路
(a，b)可变电阻调节
(c，d)电容调节
图 4-11交流电桥平衡调节电路
4.1.5 电阻应变式传感器应用
1，应变式力传感器
2，应变式压力传感器 3，应变式加速度传感器
4.1.5 电阻应变式传感器应用
① 柱（筒）式力传感器
图 4-12柱（筒）式力传感器
4.1.5 电阻应变式传感器应用
LOGO
第4章
力敏传感器
第4章 力敏传感器
4.1
应变式电阻传感器
4.2
压电式力传感器
4.3
电容式力传感器
4.1 应变式电阻传感器
4.1.1电阻应变片的种类 4.1.2金属电阻应变片 4.1.3半导体应变片 4.1.4电阻应变片的测量电路 4.1.5电阻应变式传感器应用
4.1.2 金属电阻应变片