第3章 力传感器

第3章力传感器

3.1弹性敏感元器件

3.2电阻应变片传感器

3.3压电传感器

3.4电容式传感器

3.5电感式传感器

3.6加速度传感器

3.7力传感器应用实例

3.8实训3.1弹性敏感元器件

力是物理基本量之一，因此各种动态、静态力的大小的测量十分重要。

力的测量需要通过力传感器间接完成，力传感器是将各种力学量转换为电信号的器件。力敏感元件转换元件显示设备F图3-1力传感器的测量示意图弹性敏感元件把力或压力转换成了应变或位移，然后再由传感器将应变或位移转换成电信号。弹性敏感元件是一个非常重要的传感器部件，应具有：良好的弹性、足够的精度，长期使用和温度变化时的稳定性。3.1.1弹性敏感元件的特性1.刚度刚度是弹性元件在外力作用下变形大小的量度。

2.灵敏度灵敏度是指弹性敏感元件在单位力作用下产生变形的大小。它是刚度的倒数。

3.弹性滞后实际的弹性元件在加载／卸载的正反行程中变形曲线是不重合的，这种现象称为弹性滞后现象,它会给测量带来误差。4.弹性后效

当载荷从某一数值变化到另一数值时,弹性元件变形不是立即完成相应的变形，而是经一定的时间间隔逐渐完成变形，这种现象称为弹性后效。5.固有振荡频率弹性敏感元件都有自己的固有振荡频率f0，它将影响传感器的动态特性。传感器的工作频率应避开弹性敏感元件的固有振荡频率。往往希望f0较高。3.1.2弹性敏感元件的分类弹性敏感元件在形式上可分为两大类：变换力的弹性敏感元件。变换压力的弹性敏感元件。1.变换力的弹性敏感元件如图3-2所示。有：（1）等截面圆柱式（2）圆环式（3）等截面薄板式（4）悬臂梁式（5）扭转轴图3-2一些变换力的弹性敏感元件形状2.变换压力的弹性敏感元件（1）弹簧管图3-3弹簧管的结构（2）波纹管波纹管是有许多同心环状皱纹的薄壁圆管。图3-4波纹管的外形（3）波纹膜片和膜盒平膜片在压力或力作用下位移量小，因而常把平膜片加工制成具有环状同心波纹的圆形薄膜。

图3-5波纹膜片波纹的形状

（4）薄壁圆筒圆筒的壁厚一般小于圆筒直径的二十分之一。薄壁圆筒弹性敏感元件的灵敏度取决于圆筒的半径和壁厚，与圆筒长度无关。图3-6薄壁圆筒弹性敏感元件的结构3.2电阻应变片传感器电阻应变片（简称应变片）的作用是把导体的机械应变转换成电阻应变，以便进一步电测。电阻应变片的典型结构如图3-7所示。图3-7金属电阻应变片结构3.2.1电阻应变片工作原理电阻应变片式传感器是利用了金属和半导体材料的“应变效应”。

金属和半导体材料的电阻值随它承受的机械变形大小而发生变化的现象就称为“应变效应”。图3-8金属电阻丝应变效应

设电阻丝长度为L，截面积为S，电阻率为ρ，则电阻值为

当电阻丝受到拉力F时，一是受力后材料几何尺寸L、S变化；二是受力后材料的电阻率ρ也发生了变化，则其阻值发生变化。3.2.2电阻应变片的分类

电阻应变片主要分为金属电阻应变片和半导体应变片两类。

金属电阻应变片分体型和薄膜型。属于体型的有电阻丝栅应变片、箔式应变片、应变花等。

半导体应变片是用锗或硅等半导体材料作为敏感栅。a—丝绕式（u型）；b—短接式（H型）；c—箔式；d—半导体应变式图3-9应变片的类型

在平面力场中，为测量某一点上主应力的大小和方向，常需测量该点上两个或三个方向的应变。

为此需要把两个或三个应变片逐个粘结成应变花，或直接通过光刻技术制成。

应变花分互成45°的直角形应变花和互成60°的等角形应变花两种基本形式。a—丝式应变花；b—箔式应变花图3-10应变花的基本形式

3.2.3电阻应变片的测量电路

弹性元件表面的应变传递给电阻应变片敏感丝栅，使其电阻变化。测量出电阻变化，便可知应变（被测量）大小。

图3-11（a）、（b）为半桥测量电路

图（a）中，无应变时，R1=R2=R3=R4=R，则桥路输出电压为a-半桥式(单臂工作);b-半桥式(双臂工作);c-全桥式(双臂工作);d-全桥式(四臂工作)

图3-11基本测量电路

有应变时，代入

由可得

在图（b）中，R1、R2均为相同应变测量片，又互为补偿片。

有应变时，一片受拉，另

一片受压，此时阻值为R1+ΔR1和R2-ΔR2，按上述同样的方法，可以计算输出电压为

在图（c）中，R1、R3为相同应变测量片，有应变时，两片同时受拉或同时受压。R2、R4为补偿片。可以计算输出电压为

图（d）是四个桥臂均为测量片的电路，且互为补偿，有应变时，必须使相邻两个桥臂上的应变片一个受拉，另一个受压。可以计算输出电压为

3.3压电传感器某些晶体，受一定方向外力作用而发生机械变形时，相应地在一定的晶体表面产生符号相反的电荷，外力去掉后，电荷消失；

力的方向改变时，电荷的符号也随之改变。

这种现象称为压电效应或正压电效应。

当晶体带电或处于电场中时，晶体的体积将产生伸长或缩短的变化。

这种现象称为电致伸缩效应或逆压电效应。

3.3.1石英晶体的压电效应

石英晶体成正六边形棱柱体。a—石英晶体结构；b、c、d、e—压电效应示意图

图3-12石英晶体结构及压电效应

晶体沿轴线切下的薄片称“晶体切片”。

图3-13所示是垂直于电轴Ｘ切割的石英片，在与Ｘ轴垂直的两面覆以金属。

沿Ｘ方向施加作用力Ｆx时，在与电轴垂直的表面上产生电荷Ｑxx为

在覆以金属极面间产生的电压为

图3-13垂直于电轴X切割的石英晶体切片

如果在同一切片上，沿机械轴Y方向施加作用力Fy时，则在与X轴垂直的平面上产生电荷为

d12为石英晶体的横向压电系数。由石英晶体的轴对称条件得d12=-d11,所以

产生电压为

3.3.2压电陶瓷的压电效应

压电陶瓷具有铁磁材料磁畴结构类似的电畴结构。

当压电陶瓷极化处理后，陶瓷材料内部存有很强的剩余场极化。

当陶瓷材料受到外力作用时，电畴的界限发生移动，引起极化强度变化，产生了压电效应。

具有非常高的压电系数，约为石英晶体的几百倍，但机械强度较石英晶体差。a—Z向施力；b—X向施力

图3-14压电陶瓷的压电效应

当压电陶瓷在极化面上受到沿极化方向（Z向）的作用力Fz时（作用力垂直于极化面）。则在两个镀银（或金）的极化面上分别出现正负电荷，电荷量Qzz与力Fz成比例，即：

dzz为压电陶瓷的纵向压电系数。输出电压为

当沿X轴方向施加作用力Fx时，在镀银极化面上产生电荷Qzx为

同理

dz1、dz2是压电陶瓷在横向力作用时的压电系数，且均为负值；电荷除以压电陶瓷片电容Cz可得电压输出。

3.3.3压电元器件的串联和并联

(a)并联(b)串联图3-15压电元器件的串联与并联

3.3.4压电测力传感器结构

通常为荷重垫圈式。图3-16所示为YDS-781型压电式单向传感器结构，它由

底座、传力上盖、片式电极、石英晶片、绝缘件及电极引出插座等组成。

当外力作用时，

上盖将力传递到石英晶片，石英晶片实现力—电转换。

电信号由电极传送到插座后输出。1-传力上盖；2-压电片；3-片式电极；4-电极引出插头；5-绝缘材料；6-底座图3-16YDS-781型压电式单向力传感器结构3.3.5单片集成硅压力传感器

采用单晶硅晶体制成，英文缩写为ISP（integratedsiliconpressure）。

其内部除传感器单元外，还有信号放大、温度补偿和压力修正电路。

美国Motorola公司生产的单片集成硅压力传感器，有MPX2100、MPX4100A、MPX5100和MPX5700等型号。图3-17MPX4100A封装形式MPX4100A测量压力范围为15～115kPa，温度补偿范围为－40～＋125℃。MPX4100A有多种封装形式。6个引脚从左到右依次为输出端（UO）、公共地（GND）、电源（US），其余为空脚。

内部电路由3个部分组成，如图3-18所示。图3-18MPX4100A电路组成单晶硅压电传感器单元如图3-19所示。

当它受到垂直方向上的压力p时，该压力进入热塑壳体，作用于单晶硅压电传感器管芯，与密封真空室的参考压力相比较，使输出电压大小与压力p成正比，为UO＝US（0.01059p－0.01518±αpγ）

经A/D转换成数字量后，可由微处理器计算出被测压力值。图3-19MPX4100A型集成硅压力传感器结构

3.4电容式传感器

当S、d或ε改变，则电容量c也随之改变。

若保持其中两个参数不变，通过被测量的变化改变其中一个参数，就可以把被测量的变化转换为电容量的变化。

电容式传感器结构简单，可用于力、压力、压差、振动、位移、加速度、液位、粒位、成分含量等测量。平行板电容器如图3-20所示，电容量为

图3-20平行板电容器图

3.4.1变极距式电容传感器

平行板电容器的ε和S不变，只改变电容器两极板间距离d，为变极距型电容传感器，常用于压力的测量。图3-21变极距式传感元件原理图

初始状极距为d0时，电容器容量C0为：

电容器受外力作用，极距减小Δd，则电容器容量改变为

电容值相对变化量为此时C1与Δd的关系呈线性关系。

实际应用中大都采用差动式结构。

如图3-22所示，中间电极若受力向上位移Δd，则C1容量增加，C2容量减小，两电容差值为

电容传感器做成差动式之后，灵敏度提高一倍。得到：图3-22差动式电容传感元件

为消除极板的边缘效应的影响,可采用保护环。保护环与极板具有同一电位，把电极板间的边缘效应移到了保护环与极板2的边缘，极板1与极板2之间的场强分布变得均匀了。

图3-23加保护环消除极板边沿电场的不均匀性

3.4.2变面积式电容传感器

如图3-24所示。

图（a）所示平板形位移x后，电容量由初始值变为电容量变化：

灵敏度为

a—平板形电容；b—旋转形电容；c—圆柱形电容图3-24变面积式电容结构原理图

图（b）所示为角位移传感器，设两片极板全重合（θ=0）时的电容量为C0，动片转动角度θ后，电容量变为电容量变化：

灵敏度为

图（c）为圆柱形电容式位移传感器，设内外电极长度为L，起始电容量为C0，动极向上位移y后，电容量变为

电容量变化：

灵敏度为

a—平板形差动电容；b—旋转形差动电容；c—圆柱形差动电容图3-25变面积差动电容结构原理图

图3-25所示是变面积式差动电容结构，传感器输出和灵敏度均提高一倍。3.4.3变介电常数式电容传感器

如图3-26所示。介质没进入电容器时（x=0），电容量为

介质进入电容x后，电容量为

整理可得：

图3-26变介质位移式传感电容结构原理图

3.5电感式传感器电感传感器利用电磁感应将被测非电量（如压力、位移等）转换成电感量的变化输出。

常用的有自感式和互感式两类。

电感式压力传感器大都采用变隙式电感做为检测元件，它和弹性敏感元件组合在一起构成电感式压力传感器。3.5.1自感式传感器

图3-27所示为闭磁路式自感传感器。1-线圈；2-铁芯（定铁芯）；3-衔铁（动铁芯）图3-27闭磁路式自感传感器原理结构图

电感量L为：

当衔铁受外力作用使气隙厚度减小，则线圈电感变化为：

电感的相对变化为：气隙变化量Δδ越小，非线性失真越小；气隙δo越小，灵敏度越高。常用差动变隙式。1-线圈；2-铁芯；3-衔铁；4-导杆图3-28差动变隙式电感传感器图3-29所示为交流电桥测量电路

把传感器的两个线圈作为电桥的两个桥臂Z1和Z2,另外二个相邻的桥臂用纯电阻代替。

对于高Q值(Q=ωL/R)的差动式电感传感器，其输出电压；

图3-29交流电桥测量电路

3.5.2互感式传感器

互感传感器有初级线圈和次级线圈。初级接入激励电源后，次级将因互感而产生电压输出。

当线圈间互感随被测量变化时，输出电压将产生相应的变化。次级线圈一般有两个，接线方式又是差动的，故又称为差动变压器。

差动变压器结构形式较多，有变隙式、变面积式和螺线管式等。1.工作原理

非电量测量中，应用最多的是螺线管式差动变压器。

如图3-30所示，由初级线圈、两个次级线圈和插入线圈中央的圆柱形铁芯等组成。

可以测量1～100mm范围内的机械位移，具有：

测量精度高，灵敏度高，结构简单，性能可靠等优点。1-活动衔铁；2-导磁外壳；3-骨架；4-匝数为n1的初级绕组；5-匝数为n2a的次级绕组；6-匝数为n2b的次级绕组图3-30螺线管式差动变压器结构

螺线管式差动变压器按线圈绕组排列方式的不同，可分为一节、二节、三节、四节和五节式等类型。(a)一节式；(b)二节式；(c)三节式；(d)四节式；(e)五节式图3-31线圈排列方式

差动变压器即传感器中两个次级线圈反向串联。图3-32差动变压器等效电路2.差动变压器输出电压

二次侧开路时有：

二次连通后分三种情况：①活动衔铁处于中间位置时，M1=M2=M，故：＝0②活动衔铁向上移动，M1=M+ΔMM2=M-ΔM

，故：，

与同极性③活动衔铁向下移动，M1=M-ΔMM2=M+ΔM故：，

与同极性。3.6加速度传感器3.6.1加速度传感器组成

加速度传感器可应用于环境监视、工程测振、地质勘探等仪器仪表中，也可以用于物体移动和倾倒的报警和保护。

加速度传感器有多种型式，用电容传感器做成的加速度传感器结构如图3-33所示。图3-33加速度传感器物理结构组成a）结构组成b）等效电路

加速度传感器有两个测力单元（也叫重力传感器）。

测力单元为差动式结构的变极距电容传感器。

上下两块极板a、b为固定极板，与加速度传感器壳体固定成一体。中间极板c是活动的，与活动框连成一体，经弹簧锚定在壳体上。

加速度传感器壳体可以水平方向固定在被测设备上，测被测设备的水平方向加速度；

也可以竖直方向固定在被测设备上，测被测设备的竖直方向加速度（重力加速度以外）或静止时受到地球引力（重力）。

图3-33（b)为加速度传感器壳体竖直方向固定在被测设备上时，一个测力单元的等效电路。

被测设备竖直方向加速度（重力加速度以外）或静止时受到地球引力（重力），会使活动框连带中间极板上下移动。

向下移动时，C2电容量增大，C1减小；向上移动时，C1电容量增大，C2减小。C1、C2与外接电阻R1、R2组成电桥测量电路，如图3-34所示，可测出加速度（重力加速度以外）或静止时地球引力。图3-34差动式电容传感器电桥电路

加速度传感器有单轴和双轴两种。

单轴加速度传感器的两个测力单元是同方向的，两个测力单元电容变化相叠加，可增加输出信号强度。

双轴加速度传感器的两个测力单元分别为X和Y方向，两个测力单元电容变化量相减，不仅可以测出加速度或静止时地球引力的大小，还可以测出方向。3.6.2ADXL320双轴加速度传感器

为美国ANALOGDEVICES公司生产，超小型±5g双轴加速度传感器，体积为4mm×4mm×1.45mm。

它可以检测到X、Y轴两个方向的加速度或静止时的地球引力（重力）。

引脚功能如表3-1所示。1NC空脚9NC空脚2STSelf-test10YOUTY轴电压输出3COM接地11N.C.空脚4NC空脚12XOUTX轴电压输出5COM接地13NC空脚6COM接地14VS电源7COM接地15VS电源8NC空脚16NC空脚表3-1双轴加速度传感器ADXL320引脚功能ADXL320集成电路平面处水平方向时，XOUT＝1.500V，YOUT＝1.500V。

集成电路平面处垂直方向作360°内旋转时，受地球引力（重力）作用，XOUT和YOUT输出电压

在1.326V～1.674V之间变化。

电压值如图3-35所示。图3-35ADXL320受地球引力作用端口输出电压3.6.3物体移动和倾倒报警电路图3-36用ADXL320设计的物体移动报警电路ADXL320按图中所示方向放置时，XOUT＝1.500V，YOUT＝1.674V，分别接电压比较器A1、A2。Va、Vb电压可设为1.550V和1.650V。

物体移动和倾倒时，XOUT和YOUT端口输出电压变化。

一旦高于Va或低于Vb时，A1、A2就会输出高电平，经VD1、VD2隔离，A3放大后，输出高电平启动报警器报警。3.6.4MMA1220D单轴加速度传感器

为Motorola公司生产的单轴加速度传感器，由一个测力单元（重力传感器）和放大器、滤波器组成，16脚SOIC（减小空间的表面贴片）封装。

加速度灵敏度为250mV/g，响应时间2ms，最大工作加速度为11g，最高工作频率为200Hz。

电路连接如图3-37所示。

图3－37MMA1220D加速度传感器电路连接MMA1220D在静止状态下，向左或向右放置，重力加速度都为0g，输出为2.5V；

向上放置，受到1g重力加速度，输出为2.75V；

向下放置，受到－1g重力加速度，输出为2.25V。

如图3－38所示。图3－38MMA1220D静止状态放置输出电压3.6.5手机跌落关机保护MMA1220D加速度传感器可以用于手机跌落关机保护。

在手机发生跌落时，加速度传感器处于自由落体状态（失重），上下左右4个方向都没有重力作用，输出电压为2.5V。

该输出电压送入比较器，与2.5V电压相减，为0时，产生触发信号送入微处理器，进入关机程序，及时关机，以保护手机软硬件不受损坏。3.7力传感器应用实例3.7.1煤气灶电子点火器如图3-39所示，让高压跳火来点燃气。

当使用者将开关往里压时，把气阀打开；

将开关旋转，则使弹簧往左压，此时，弹簧有一个很大的力撞击压电晶体。

产生高压放电，导致燃烧盘点火。图3-39煤气灶电子点火装置

3.7.2压电式玻璃破碎报警器

BS-D2压电式玻璃破碎传感器的外形及内部电路如图3-40所示。

传感器把振动波转换成电压输出，输出电压经放大、滤波、比较等处理后提供给报警系统。

传感器的最小输出电压为100mV，内阻抗为15～20KΩ。

报警器的电路框图如图3-41所示。图3-40BS-D2压电式玻璃破碎传感器

(a)外形；(b)内部电路图3-41压电式玻璃破碎报警器电路框图3.7.3带温度补偿的压力电子开关

用压力传感器MPX2100P和NTC热敏电阻构成的带温度补偿的压力电子开关如图3-42所示。

压力传感器MPX2100P将压力转换成电信号，经A1、A2两级放大，输出信号送比较器A3反相输入端。

由NTC热敏电阻降压后的参考电压加到比较器A3同相输入端。图3-42带温度补偿的压力电子开关

当压力传感电压大于参考电压时，A3输出低电平，触发执行器电路工作。

当温度降低时，压力传感电压减小。

由于温度降低NTC热敏电阻值增大，降压增大，参考电压降低，保持A3输出低电平，起了温度补偿的作用。3.7.4电阻应变片称重传感器

如图3-43所示，主要由弹性元件、电阻应变片、测量电路和传输电缆部分组成。

电阻应变片贴在弹性元件上，弹性元件受力变形时，电阻应变片随之变形，并导致电阻值改变。

测量电路测出电阻值的变化并转换为电信号输出。图3-43电阻应变片称重传感器结构

校准电阻器用来调整输出电信号的大小。

电信号经处理后以数字形式显示出被测物体的重量。

电阻应变片称重传感器有柱形、箱形、悬臂梁形、剪切梁形、圆环形和轮幅形等多种类型。3.7.5指套式电子血压计

指套式电子血压计是利用放在指套上的压力传感器，把手指的血压变为电信号，由电子检测电路处理后，直接显示出血压值的一种微型测量血压装置。

图3-44是指套式血压计的外形图，它由指套、电子电路及压力源三部分组成。图3-44指套式电子血压计外形图

指套的外圈为硬性指环，中间为柔性气囊。它直接和压力源相连。

旋动调节阀门时，柔性气囊便会被充入气体，使产生的压力作用到手指的动脉上。

电子血压计电路框图如图3-45所示。

手臂式电子血压计原理与指套式类似。图3-45指套式电子血压计电路框图

时钟放大器压电传感器门控触发移位寄存器幅值比较器移位寄存器幅值比较器A/D转换器译码驱动显示器显示器译码驱动S3.7.6CL-YZ-320型力敏传感器

以金属棒为弹性梁的测力传感器。

在弹性梁的圆柱面上沿轴向均匀粘贴4只半导体应变片，两个对臂分别组成半桥，两个半桥分别用于每个轴向的分力测量。

当外力作用于弹性梁的承载部位时，弹性梁将产生一个应变值，通过半导体应变片将此应变值转换成相应的电阻变化量，传感器随之输出相应的电信号。图3-46力敏传感器外形图3-47力敏传感器结构

3.7.7手机和平板电脑的横竖显示转换ADXL320双轴加速度传感器可用于手机和平板电脑的屏幕横竖显示方向自动转换。

称为手机或平板电脑的G－Se