力传感器分类与综述

§3.3力传感器和压力传感器一、 变换力或压力的弹性元件力、压力输入量转换弹性元应变、位移传感器电信号等一输出量变换力的弹性元件常见的有：等截面圆柱式、圆环式、等截面薄板式、悬臂梁式样、扭转轴式等弹性元件。变换压力的弹性元件常见的有：弹簧管、波纹管、波纹膜片、薄壁圆筒等。二、 电阻应变片及其应变测量金属导线的电阻：R=pL (p:dcm2/m)S应变引起电阻变化：AR/R=K8应变片重要参数：型号敏感栅结构形式阻值R(O)灵敏系数K0敏感栅尺寸(9x6mm2)820圆角线栅1182.00+1901.8x2.8PJ120圆角线栅1201.9〜2.112X3PB-5箔式1202.0〜2.25X32X1.5箔式352.052X1.5应变桥式测量电路:U=R1R3击2R4Uout iR]+R2)R3+R4)令u=0,则R]R3=R2R4 (平衡条件)全等臂电桥：初始电阻R]=R2=R3=R4=R，则U=0半等臂电桥：R]=R2=R，，R3=R4=R〃，但是RJR〃

令四个桥臂电阻都有变化:u=9]+△%)、+△%)JK+or?)R+△%?uout(aR+aR+3R+R)(R2+AR2+R4+AR4)1 2 1 2 3 3 4 4略去二阶小量，考虑rr=RR,并令R/r=rUoutruJar+72UoutruJar+7271r1-iar ar 2+ 3R2r3君x|1+r1+r"2全桥及半桥均满足r=R2=1，故R1uoutU~4AR 1ruoutU~4AR 1r1ararar"r^R441+ar1+r1ar2+r2AR3+AR4]R3 R4^-1非线性因子的误差在小应变时可以忽略，则有线性关系:uoutU~4AR_ar ar aruoutU~4R「R； R； R44即输出电压与相邻两臂的电阻变化率之差（或相对两臂电阻变化率之和）成正比•两臂均为应变片时:U=孩G-8+8f)out4 12 3 4•半桥式中：R]=R2,R]=r+AR]做应变片，R2做补偿片时:U=outU=outar+arar^r__-*AR]=kUR48可消去温度误差。•平面应变测量：物体自由表面的应力状态:

bx〈byTOC\o"1-5"\h\zbx〈by= 'e +m1-E12（\y）=1 'e +^e 7t=Gyxy xy若主方向可以确定，则通过两个应变匕和e2的测量，得到—e+e80i 2—e+e80i 2ycos20+^xysin202 i2i解出8、e和8，再从而求得主应变与主方向:xyz—e+ee1,2 —e+ee1,2 2±12=1y中tan-1 xy—2e-e三、测力传感器1.筒式（圆柱，圆筒，方柱）弹性元件:，R处：=2（1+p）e一rES在R2，R3处：2(1+u)&— PrES2.悬臂梁式弹性元件:在距离载荷P为l处：一6pl8———xbh2E为消除由于P的作用点变化引起的误差，可采用测量剪力Q(=P)的双应变方法：EW=(ar-ar)EW,

ekabeRkq=AM=EW=(ar-ar)EW,

ekabeRkAx ee(设R=Rb=R)即Q次(AR-AR)，当R与R接在半桥的相邻两臂时，它们的差值与电桥输出成正比。环形弹性元件：利用其结构简单、稳定、灵敏度高的优点。对于等截面圆环对径受压，任一截面处弯矩为:在内壁贴电阻片，由半桥式可获得较大输出。

S形双孔梁式弹性元件:优点：灵敏度高，线性好，抗偏心能力强。将双孔两端简化为双梁，并考虑两端固定，将P简化为每梁承受P/2，及弯矩M/2，令每梁弯矩以线性反对称分布，则在孔内4个位置上应变绝对值相等，符号相反：8=8，8=8=-则由全桥接法得到Ma—12P(l-r)8—48— — 0 1EW Ebh2其中：2'双孔最大内间距。四、膜片式压力传感器周边固定的圆形膜片受到压力作用，在另一面则可以由应变片测得径向应变与环向应变:—3P—3P8—r 8h2E3P8— e8h2E-R2，，2—3X2/-.2)(2—X2)其中：h膜片厚度，P压力。膜片中心8与8e到达正的最大值：8 =8 =3」(—R2)r2rmax0max 8h2E膜片边缘80=0，8达到负的最大值8 =-(—R2)r2rmin 4h2E

=0在x=a=r/(3-0.58处,s=0双片测定法：R1粘贴在正应变区内(例如x=0处)%粘贴在负应变区内(例如x>a处)R1与R2组成半桥，使输出较大，并有温度补偿测压用箔式应变花：周边辐射部分测定负的s，中部圆弧部分测定正的％四部分接成全桥。§3.4光耦合传感器一、 光电耦合器特点：以光为媒介的传输，保证了输入端和输出端之间的绝缘电荷都很高(>1010Q)。传输具有单向性，符号不会反馈，输出信号不会影响输入端。发光源使用神化铉发光二极管，具有低阻抗特点，可抑止干扰，消除噪音。响应速度快，可用于高频电路。结构简单，体积小。光断续器：透过型、反光型。二、CCD图象传感器电荷耦合器件（CCD器件）金属一氯化物一半导体电容器（MOS电容）金属电极，二氯化硅，P型硅。P型硅：主要导电粒子为带正电空穴。金属电极：加正电压，则在电场作用下，P型硅内空穴被赶尽形成耗尽区：对负电子形成一个低势能区一电子势阱。光照硅面：光生电子收入势阱内，同时光生空穴被电场排斥出耗尽区。势阱内电荷的多少反映了入射光的强弱一光生电子量可代表入射光的信息。每个MOS电容构成一象元，组成光电子图象。电荷耦合器工作原理基本结构：并列MOS电容。电极1,4,7,...与中1相连2,5,8,...与中2相连电极上加正电压，则硅片上形成一系列的势阱。被收集在势阱内的信号电荷称为电荷包。时钟脉冲：t=t时，时钟8的电压为V，8，4为零。电荷1 1 2 3存在电极1,4,7,...下面的势阱中。t=t时，时钟8的电压上升到V，8减少，8为零。电荷存TOC\o"1-5"\h\z2 2 1 3在电极2,5,8,…的势阱中。载流子输运：势阱的深浅与电极上所加的电压成正比。随着8上电压减少，8势阱变浅，而此时8的势阱达到最深，81 1 2 1上的电荷包向8电极下转移。t=t时，8下降为零，电荷包2 3 1全部转入82下。输出：输出端结构：PN结。给PN结以反向偏置，则转移到中端的电压被PN结收集。在负载RL上形成脉冲电流，脉冲幅度正比与电荷包中电荷的数量。CCD器件功能：存储、转移电荷、逐一读出信号电荷一固体自扫描半导体摄像器件。CCD图象传感器硅面正面二氧化硅层：8,8,8，…,8TOC\o"1-5"\h\z1 2 3 1008',8',8'，…,8'1 2 3 100水平放置与垂直放置耦合排列。光线照射下：光学图象落在100X100耦合器件组成的感光矩阵上。8,8,8时钟脉冲以三相方式工作，――电荷包转移一水平1 2 3PN法输出。略峪％时钟脉冲以三相方式工作，一一电荷包转移一垂直PN法输出。逐行逐列读出电子图象一一经电路还原成图象MOS电容感光T光敏二级管感光T彩色矩阵滤光片。§3.5压电传感器•典型的有源传感器（自发电式、电势式传感器）――某些晶体受力后其表面产生电荷一一压电效应例如：石英晶体，多晶陶瓷（如钛酸钡等）•体积小，重量轻，结构简单一一典型的机一电转换元件，适与动态（高频量）例如：超声波，水声转换器，拾音器，滤波器。压电效应正压电效应：一些晶体受外力时，内部发生极化现象，某些表面产生符号相反的电荷。作用力方向改变，电荷方向也改变，作用力撤去，电荷消失一一力传感器的基础。负压电效应：对晶体施加应变电场，品体本身则产生机械变形，即电致伸缩效应 超声波换能器基础。压电材料：三大类：压电品体，压电陶瓷（力学传感器常用），有机压电材料。（1） 石英晶体结构：结品六边形体系，棱柱体上三个主轴：光轴：（Z轴）对称轴。光线穿过时不产生双折射现象，此方向无压电效应。电轴：（X轴）该轴方向压电效应最显著。机械轴：（Y轴）电场作用下，此方向机械变形最显著。取平行六面体：品面分别平行与电轴，光轴和机械轴。在垂直光轴上作用力Fx或Fy，则晶体极化。q作用：纵向压电效应。Fy作用：横向压电效应。（2） 压电陶瓷：例如钛酸钡BaTiO3及错钛酸钡Pb（ZrTi）O3）钛酸钡品格：正立方体中心：钡离子；正立方体的八个角：钛离子；正方体各边中心：氧离子；每个钛离子又被六个氧离子包围。晶格结构随温度变化：高于居里点120oC：正立方体。5~120oC：矩形立方体。-70~5oC:单斜体品格。居里温度以下时，由于晶格结构的变化，钡离子能够由中心位置偏移，与氯离子组成偶极子一一形成单晶自发极