第七章力敏传感器

1、LOGOStrain Gauge Sensors力敏传感器力敏传感器Company Logo电阻式应变传感器电阻式应变传感器一、导电材料的应变电阻效应一、导电材料的应变电阻效应 电阻应变片的工作原理是基于应变效应，即导体或半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变形时，其电阻值发导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值发生变化，生变化， 这种现象称为这种现象称为“应变效应应变效应”。 AlR导体受拉伸后的参数变化导体受拉伸后的参数变化dAdAldlRdRCompany Logo电阻式应变传感器电阻式应变传感器二、半导体材料的压阻效应二、半导体材料

2、的压阻效应 压阻效应是指半导体材料，当某一轴向受外力作用时，压阻效应是指半导体材料，当某一轴向受外力作用时，其电阻率其电阻率发生变化的现象。发生变化的现象。Ed式中：式中：半导体材料的压阻系数半导体材料的压阻系数;半导体材料的所受应半导体材料的所受应变力变力; E半导体材料的弹性模量半导体材料的弹性模量;半导体材料的应变。半导体材料的应变。Company Logo电阻式应变传感器电阻式应变传感器三、电阻应变计的结构与类型三、电阻应变计的结构与类型结构：结构： 典型应变计的结构及组成典型应变计的结构及组成(a)丝式丝式 (b)箔式箔式 (c)半导体半导体1敏感栅敏感栅 2基底基底 3引线引线 4

3、盖层盖层 5粘结剂粘结剂 6电极电极Company Logo电阻式应变传感器电阻式应变传感器(1)(1)敏感栅敏感栅实现应变实现应变- -电阻转换的敏感元件。电阻转换的敏感元件。 通常由直径为通常由直径为0.0150.0150.05mm0.05mm的金属丝绕成栅状，或用金的金属丝绕成栅状，或用金属箔腐蚀成栅状。属箔腐蚀成栅状。(2)(2)基底基底为保持敏感栅固定的形状、尺寸和位置，通常用粘为保持敏感栅固定的形状、尺寸和位置，通常用粘结剂将其固结在纸质或胶质的基底上。基底必须很薄，一般为结剂将其固结在纸质或胶质的基底上。基底必须很薄，一般为0.020.020.04mm0.04mm。 (3)(3)

4、引线引线起着敏感栅与测量电路之间的过渡连接和引导作用。起着敏感栅与测量电路之间的过渡连接和引导作用。通常取直径约通常取直径约0.10.10.15mm0.15mm的低阻镀锡铜线，并用钎焊与敏感栅的低阻镀锡铜线，并用钎焊与敏感栅端连接。端连接。(4)(4)盖层盖层用纸、胶作成覆盖在敏感栅上的保护层；起着防潮、用纸、胶作成覆盖在敏感栅上的保护层；起着防潮、防蚀、防损等作用。防蚀、防损等作用。(5)(5)粘结剂粘结剂制造应变计时，用它分别把盖层和敏感栅固结于制造应变计时，用它分别把盖层和敏感栅固结于基底；使用应变计时，用它把应变计基底粘贴在试件表面的被测基底；使用应变计时，用它把应变计基底粘贴在试件表

5、面的被测部位。因此它也起着传递应变的作用。部位。因此它也起着传递应变的作用。Company Logo电阻式应变传感器电阻式应变传感器四、电阻应变计的应用四、电阻应变计的应用（1 1）选择类型）选择类型使用目的、要求、对象、环境等使用目的、要求、对象、环境等（2 2）材料考虑）材料考虑使用温度、时间、最大应变量及精度使用温度、时间、最大应变量及精度（3 3）阻值选择）阻值选择根据测量电路和仪器选定标称电阻根据测量电路和仪器选定标称电阻（4 4）尺寸考虑）尺寸考虑试件表面、应力分布、粘贴面积试件表面、应力分布、粘贴面积（5 5）其他考虑）其他考虑特殊用途、恶劣环境、高精度特殊用途、恶劣环境、高精度

6、1 1、应变计的选用、应变计的选用Company Logo电阻式应变传感器电阻式应变传感器（1 1）粘结剂的选择）粘结剂的选择 通常在室温工作的应变片多采用常温、指压固化条件通常在室温工作的应变片多采用常温、指压固化条件的粘结剂如聚脂树脂、环氧树脂类。的粘结剂如聚脂树脂、环氧树脂类。（2 2）应变计的粘贴）应变计的粘贴 准备准备试件和应变片；试件和应变片；涂胶；涂胶；贴片；贴片；复查；复查；接线；接线；防护。防护。2 2、应变计的使用、应变计的使用Company Logo电容式应变传感器电容式应变传感器 由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器

7、，当忽略边缘效应影响时，其电容量与介电常数器，当忽略边缘效应影响时，其电容量与介电常数0 0 、极板的有效面积极板的有效面积A A以及两极板间的距离以及两极板间的距离有关：有关：电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介质电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型型三种类型 。0ACCompany Logo变极距型电容传感器原理图变极距型电容传感器原理图(1)(1)变极距型电容传感器只变极距型电容传感器只有在有在|0 0/0 0| | 很小很小( (小小测量范围测量范围) )时，才有近似的时，才有近似的线性输出；线性输出； (2)(2)灵敏度灵敏度S S与初始极距与初始极距0 0的

8、平方成反比，故可用减少的平方成反比，故可用减少0 0的办法来提高灵敏度。的办法来提高灵敏度。例如在电容式压力传感器中，例如在电容式压力传感器中，常取常取0 00.10.10.2mm0.2mm，C C0 0在在2020100pF100pF之间。由于变之间。由于变极距型的分辨力极高，可测极距型的分辨力极高，可测小至小至0.01m0.01m的线位移，故的线位移，故在微位移检测中应用最广在微位移检测中应用最广电容式应变传感器电容式应变传感器Company Logo电容式应变传感器电容式应变传感器变面积型电容传感器原理图变面积型电容传感器原理图 这种传感器的输出特性呈线性。因而其量程不受这种传感器的输出

9、特性呈线性。因而其量程不受线性范围的限制，适合于测量较大的直线位移和角位线性范围的限制，适合于测量较大的直线位移和角位移。只在初始极距移。只在初始极距0精确保持不变时成立，否则将导精确保持不变时成立，否则将导致测量误差。致测量误差。Company Logo电容式应变传感器电容式应变传感器 变面积型电容传感器与变极距型相比，其灵敏度较低。因此，在实际应用中，也采用差动式结构，以提高灵敏度。当动极板C随角位移()输入而摆动时两组电容值一增一减，差动输出。Company Logo电容式应变传感器电容式应变传感器变介质型电容传感器原理图变介质型电容传感器原理图Company Logo电容式应变传感器电

10、容式应变传感器优点：优点：.温度稳定性好温度稳定性好.结构简单结构简单.动态响应好动态响应好缺点：缺点：.输出阻抗高，负载能力差输出阻抗高，负载能力差.寄生电容影响大寄生电容影响大Company Logo电容式应变传感器电容式应变传感器 图中图中C C为传感器电容，为传感器电容，RpRp为低频损耗并联电阻，为低频损耗并联电阻，它包含极板间漏电和介质损耗；它包含极板间漏电和介质损耗；RsRs为高湿、高温、为高湿、高温、高频激励工作时的串联损耗电组，它包含导线、极高频激励工作时的串联损耗电组，它包含导线、极板间和金属支座等损耗电阻；板间和金属支座等损耗电阻；L L为电容器及引线电为电容器及引线电感

11、；感；CpCp为寄生电容，克服其影响，是提高电容传感为寄生电容，克服其影响，是提高电容传感器实用性能的关键之一。器实用性能的关键之一。电容传感器的等效电路电容传感器的等效电路 Company Logo电容式应变传感器电容式应变传感器消灭寄生电容消灭寄生电容驱动电缆法驱动电缆法 它实际上是一种等电位屏蔽它实际上是一种等电位屏蔽法。如图所示：在电容传感器与法。如图所示：在电容传感器与测量电路的前置级之间采用双层测量电路的前置级之间采用双层屏蔽电缆，并接入增益为屏蔽电缆，并接入增益为1 1的驱的驱动放大器。动放大器。驱动电缆法原理图驱动电缆法原理图该方法的难处是，要在很宽的该方法的难处是，要在很宽的

12、频带上严格实现放大倍数等于频带上严格实现放大倍数等于1 1，且输出与输入的相移为零。且输出与输入的相移为零。Company Logo电容式应变传感器电容式应变传感器. .采用组合式与集成技术采用组合式与集成技术 一种方法是将测量电路的前置级或全部装在紧靠传感一种方法是将测量电路的前置级或全部装在紧靠传感器处，缩短电缆；另一种方法是采用超小型大规模集成器处，缩短电缆；另一种方法是采用超小型大规模集成电路，将全部测量电路组合在传感器壳体内；更进一步电路，将全部测量电路组合在传感器壳体内；更进一步就是利用集成工艺，将传感器与调理等电路集成于同一就是利用集成工艺，将传感器与调理等电路集成于同一芯片，构

13、成集成电容式传感器。芯片，构成集成电容式传感器。. .整体屏蔽法整体屏蔽法 所谓整体屏蔽是将整所谓整体屏蔽是将整个电桥个电桥( (包括电源、电缆包括电源、电缆等等) )统一屏蔽起来；其关统一屏蔽起来；其关键在于正确选取接地点。键在于正确选取接地点。Company Logo压电传感器压电传感器 一些离子型晶体的电介质不仅在电场力作用下，而且一些离子型晶体的电介质不仅在电场力作用下，而且在机械力作用下，都会产生极化现象。在机械力作用下，都会产生极化现象。 当外力消失，电介质又恢复不带电原状；当外力变向，当外力消失，电介质又恢复不带电原状；当外力变向，电荷极性随之而变。这种现象称为正压电效应，或简称

14、压电荷极性随之而变。这种现象称为正压电效应，或简称压电效应。电效应。压电效应（压电效应（Piezoelectric EffectPiezoelectric Effect）逆压电效应逆压电效应 若对上述电介质施加电场作用时，同样会引起电介质若对上述电介质施加电场作用时，同样会引起电介质内部正负电荷中心的相对位移而导致电介质产生变形，这内部正负电荷中心的相对位移而导致电介质产生变形，这种现象称为逆压电效应，或称电致伸缩。种现象称为逆压电效应，或称电致伸缩。Company Logo压电传感器压电传感器压电效应图压电效应图 (a)(a)正压电效应；正压电效应；(b)(b)压电效应的可逆性压电效应的可逆

15、性Company Logo压电传感器压电传感器压电材料压电材料1、压电晶体、压电晶体(SiO2)(SiO2)石英晶体不是在任何方向上都存在压电效应石英晶体不是在任何方向上都存在压电效应 压电晶体的正压电效应和逆压电效应是对应存压电晶体的正压电效应和逆压电效应是对应存在的，哪个方向上有正压电效应，则在此方向上在的，哪个方向上有正压电效应，则在此方向上必定存在逆压电效应，而且力必定存在逆压电效应，而且力- -电之间呈线性关系。电之间呈线性关系。 目前传感器中使用的均目前传感器中使用的均是以居里点为是以居里点为573573，晶体，晶体的结构为六角晶系的的结构为六角晶系的-石石英。英。Company

16、Logo压电传感器压电传感器2、压电陶瓷、压电陶瓷 压电陶瓷是人工多晶铁电体，原始的压电陶瓷呈现各压电陶瓷是人工多晶铁电体，原始的压电陶瓷呈现各向同性不具有压电性，因此，必须作极化处理，即在一定向同性不具有压电性，因此，必须作极化处理，即在一定温度下对其施加强直流电场，迫使电畴趋向外电场方向作温度下对其施加强直流电场，迫使电畴趋向外电场方向作规则排列；极化电场去除后，趋向电畴基本保持不变，形规则排列；极化电场去除后，趋向电畴基本保持不变，形成很强的成很强的剩余极化剩余极化，从而呈现出压电性。，从而呈现出压电性。Company Logo压电传感器压电传感器常用的压电陶瓷常用的压电陶瓷(1)(1)二元系压电陶瓷二元系压电陶瓷(2)(2)三元系压电陶瓷三元系压电陶瓷(3)(3)综合性能更