传感器与检测技术课件第三章

第一节测力传感器第二节扭矩力传感器第三节压力传感器用于测量力的传感器多为电气式。电气式测力传感器，根据转换方式不同又分为参量型和发电型两种。参量型测力传感器有电阻应变式、电容式、电感式等。发电型测力传感器有压电式、压磁式等。1.电阻应变式测力传感器工作原理电阻应变式测力传感器是将力作用在弹性元件上，弹性元件在力作用下产生应变。利用贴在弹性元件上的应变片将应变转换成电阻的变化。利用电桥将电阻变化转换成电压(或电流)的变化，再送人测量放大电路测量。利用标定的电压(或电流)和力之间的对应关系，可测出力的大小或经换算得到被测力。一、电阻应变式测力传感器在一组自相平衡的外力作用下物体内各个部分产生相互作用力，我们用应力来描写。给一根截面积为S的均匀直杆两端施加方向相反的拉力F。如果在杆中A点作一垂直于杆轴的截面并且考虑被这截面分开的左半段杆子，根据静力平衡要求，在此截面上分布有合力为F的力，这个力就是右半段杆子通过截面A作用到左半段杆子上的内力。我们把作用在单位面积上的内力叫做应力。1.应力的基本概念2.应变的基本概念杆件在轴向拉伸或压缩时，所产生的主要变形是沿轴线方向伸长或缩短；但是杆的横向尺寸还会缩小或增大，前者称为纵向变形，后者称为横向变形。实验证明，当受拉力时，杆的伸长量△l与拉力F和杆件原长成正比，与杆件的横截面积A成反比。可以用数学式表示为：如果引进一个比例系数，则上式就是轴向拉伸和压缩时纵向变形的计算公式，称为虎克定律2.应变的基本概念式中的E值与材料的性质有关，称为材料的弹性模量，其值越大，则杆件的变形越小，故它是衡量材料抵抗变形能力的一个指标。EA代表了杆件抵抗拉伸（压缩）变形的能力，称为杆件的抗拉（压）刚度。2.应变的基本概念2.应变的基本概念由上式还可以看到，在E、A、F相同的情况下，杆件的长度l愈大，则其绝对伸长量△l也愈大，故绝对伸长△l还不能说明杆件的变形程度。因此，需要运用相对伸长的概念，以单位长度的伸长来衡量杆件的变形程度。称为纵向线应变。2.应变的基本概念与轴向垂直方向上的径向应变（有时也称横向应变）用表示2.应变的基本概念实验证明，横向应变与径向应变的绝对值之比为一个常数，用μ来表示，称为泊松比，它是一个因材料而异的常数。2.应变的基本概念当纵向应变为伸长时，横向应变为缩短，所以它们之间的符号总是相反的。一、电阻应变式测力传感器2.弹性元件及计算公式测力传感器的结构虽各式各样，但其弹性元件的形式只有柱型、薄壁环型和梁型。柱型弹性元件柱型弹性元件有圆柱形、圆筒形和方柱形等几种。一、电阻应变式测力传感器2.弹性元件及计算公式当力或荷重沿中心线对其作用时，受力后的应变值为柱型弹性元件一、电阻应变式测力传感器2.弹性元件及计算公式一般用它的应变作为输出量在它的表面粘贴应变片，可以将应变进一步变换为电量。柱型弹性元件的特点是加工方便、加工精度高，但灵敏度较小，适用于载荷较大的场合。柱型弹性元件一、电阻应变式测力传感器2.弹性元件及计算公式当被测力较大时，一般用钢材制作弹性元件，钢的弹性模量为当被测力较小时，一般用铝合金或铜合金。铝的弹性模量为材料越软，弹性模量越小，灵敏度也就越高。薄壁环型弹性元件一、电阻应变式测力传感器2.弹性元件及计算公式测拉力测压力薄壁环型弹性元件圆环在拉力作用下，各断面所承受的弯矩为一、电阻应变式测力传感器2.弹性元件及计算公式薄壁环型弹性元件一、电阻应变式测力传感器2.弹性元件及计算公式最大弯矩在圆环A断面和B断面处，其值为两处的应变值分别为式中：b—薄壁环的宽度（m）

h—薄壁环的厚度（m）薄壁环型弹性元件一、电阻应变式测力传感器2.弹性元件及计算公式圆环受力后较易变形，因而它多用于测量较小的力。梁型弹性元件一、电阻应变式测力传感器2.弹性元件及计算公式梁型弹性元件灵敏度高。输出可以是应变也可以是挠度（位移）。由于它在相同力的作用下的变形比柱型和薄壁环型都大，所以多用于较小力的测量。根据其支承情况，常用的有悬臂梁式和两端固定梁式两种悬臂梁式，上下表面的应变值为梁型弹性元件一、电阻应变式测力传感器2.弹性元件及计算公式两端固定梁式，上下表面的应变值为梁型弹性元件一、电阻应变式测力传感器2.弹性元件及计算公式柱型一、电阻应变式测力传感器2.弹性元件及计算公式薄壁环型悬臂梁两端固定梁式弹性元件的尺寸和材料确定后，弹性元件在外力作用下所产生的应变与外力成正比一、电阻应变式测力传感器2.弹性元件及计算公式应变片是非电量电测中一种常见的转换元件。由于应变片使用简便，测量精度高，体积小，动态响应好，因而得到广泛应用。一、电阻应变式测力传感器3.应变片(1)工作原理应变效应当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化，这种现象称为金属的电阻应变效应。一、电阻应变式测力传感器3.应变片(1)工作原理设有一根长度为l、截面积为S、电阻率为ρ的金属丝，其电阻R为一、电阻应变式测力传感器3.应变片(1)工作原理设有一根长度为l、截面积为S、电阻率为ρ的金属丝，其电阻R为一、电阻应变式测力传感器3.应变片两边取对数，得等式两边取微分，得金属的轴向应变金属的径向应变令(1)工作原理一、电阻应变式测力传感器3.应变片由材料力学的知识：在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短，则轴向应变和径向应变的关系为：

εy=-μεx

μ为金属材料的泊松系数。(1)工作原理一、电阻应变式测力传感器3.应变片(1)工作原理一、电阻应变式测力传感器3.应变片为电阻丝电阻率的相对变化，根据压阻效应可得(1)工作原理一、电阻应变式测力传感器3.应变片由尺寸变化引起由压阻效应引起对于金属丝，第二部分可忽略不计。则：电阻应变片的分类金属电阻应变片半导体电阻应变片(2)电阻应变片一、电阻应变式测力传感器3.应变片一、电阻应变式测力传感器3.应变片金属电阻应变片:丝式、箔式、薄膜式基片覆盖层金属丝引线金属丝应变片结构金属丝式应变片K——金属电阻丝灵敏系数一、电阻应变式测力传感器3.应变片金属电阻应变片:丝式、箔式、薄膜式基片覆盖层金属丝引线金属丝应变片结构金属丝的作用是感受机械试件的应变变化，称它为敏感栅。电阻应变片的电阻值为60Ω、120Ω、200Ω等多种规格，以120Ω最为常用。

应变片栅长大小关系到所测应变的准确度，应变片测得的应变大小是应变片栅长和栅宽所在面积内的平均轴向应变量。一、电阻应变式测力传感器3.应变片基片覆盖层金属丝引线金属丝应变片结构对金属丝的要求1）具有较高的电阻系数2）具有尽可能大的电阻应变灵敏度系数，而且要求电阻应变灵敏度系数在尽可能大的应变范围内保持为常数。3）具有较小的温度系数4）具有较高的弹性极限，以便得到较宽的测量范围5）良好的加工性和焊接性6）对铜的热电动势要小一、电阻应变式测力传感器3.应变片基片覆盖层金属丝引线金属丝应变片结构基片（基底）用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置，覆盖层既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保护敏感栅。一、电阻应变式测力传感器3.应变片基片覆盖层金属丝引线金属丝应变片结构引线是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。对引线材料的性能要求：电阻率低、电阻温度系数小、抗氧化性能好、易于焊接。大多数敏感栅材料都可制作引线。一、电阻应变式测力传感器3.应变片基片覆盖层金属丝引线金属丝应变片结构用于将敏感栅固定于基片上，并将盖片与基片粘贴在一起。使用金属应变片时，也需用粘结剂将应变片基片粘贴在构件表面某个方向和位置上。以便将构件受力后的表面应变传递给应变计的基片和敏感栅。常用的粘结剂分为有机和无机两大类。有机粘结剂用于低温、常温和中温。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛树脂、有机硅树脂，聚酰亚胺等。无机粘结剂用于高温，常用的有磷酸盐、硅酸、硼酸盐等。粘结剂利用光刻、腐蚀等工艺制成一种很薄的金属箔栅，厚度一般在0.003~0.010mm，粘贴在基片上，上面再覆盖一层薄膜而制成。其优点：1）金属箔很薄2）箔式敏感栅表面积和截面积之比大，散热条件好，允许通过的电流较大，可制成各种需要的形状，便于批量生产。一、电阻应变式测力传感器3.应变片金属电阻应变片:丝式、箔式、薄膜式金属箔式应变片一、电阻应变式测力传感器3.应变片金属电阻应变片:丝式、箔式、薄膜式箔式应变片金属箔式应变片一、电阻应变式测力传感器3.应变片金属电阻应变片:丝式、箔式、薄膜式金属薄膜应变片

金属薄膜应变片是采用真空蒸镀或溅射式阴极扩散等方法，在薄的基底材料上制成一层金属电阻材料薄膜以形成应变片。这种应变片有较高的灵敏度系数，允许电流密度大，工作温度范围较广。

半导体应变片的工作原理是基于压阻效应。压阻效应是指固体受到应力作用时，其电阻率发生变化，这种现象称为压阻效应。一、电阻应变式测力传感器3.应变片半导体应变片