力敏传感器的工作原理与分类

1、长江工程职业技术学院自动化教研室 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。 长江工程职业技术学院自动化教研室 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

2、测量力值。 长江工程职业技术学院自动化教研室 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。 长江工程职业技术学院自动化教研室 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 长江工程职业

3、技术学院自动化教研室 （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。 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。 图2-2 金属丝式电阻应变片的基本结构图 长江工程职业技术学院自动化教研室 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

4、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。 长江工程职业技术学院自动化教研室 （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 长江工程职业技术学院自动化教研室 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

5、示为一直流电 桥，计算可知 图2-4 直流电桥 （2-2） 长江工程职业技术学院自动化教研室 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 0U0 4231 RRRR RRRRR 43211 R 42 R UE RR （2-3） RR 一般 ，可忽略，由此可得 长江工程职业技术学院自动化教研室 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，

6、如图2-5所示。图2-5（a）为半桥双臂，图2-5（b） 为全桥电路。 长江工程职业技术学院自动化教研室 （a）半桥双臂 （b）全桥电路 图2-5 直流电桥的连接方式 长江工程职业技术学院自动化教研室 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。 长江工程职业技术学院自动化教研室 3.温度误差及其补偿 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

7、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： u应变片的电阻丝(敏感栅)具有一定温度系数； u电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。 （1） 温度误差 长江工程职业技术学院自动化教研室 （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

8、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。 R 长江工程职业技术学院自动化教研室 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。 R 长江工程职业技术学院自动化教研室 热敏电阻补偿

9、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Uab的乘积 不变，热输出为零。 图2-6 热敏电阻补偿法 /R R 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）。 长江工程职业技术学院自动化教研室 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 通过一个悬臂梁 将力 转化成应变片的应力，从而达到测量加速 度 的目的。 a Fma a 长江工程职业技术学院自动化教研室 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

10、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。 长江工程职业技术学院自动化教研室 长江工程职业技术学院自动化教研室 长江工程职业技术学院自动化教研室 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。 （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

11、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。 长江工程职业技术学院自动化教研室 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。 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。 长江工程职业技术学院自动化教研室 图2-9 气隙型

12、差动变压器式传感器 当没有非电量输入时，衔 铁C与铁心A、B的间隔相同， 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。 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 向取决于位移的方向。） 长江工程职业技术学院自动化教研室 图2-10 截面积型差动变压器式传感器 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

13、量为角位移。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。 长江工程职业技术学院自动化教研室 一般来说，较小位移量的测量采用差动变压器，图2-11 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。 （a）电子秤 （b）偏心测量仪 图2-11 差动变压器应用实例 长江工程职业技术学院自动化教研室 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