第四章力敏材料与力传感器

力敏材料与力传感器1.弹性敏感元件2.应变式电阻传感器3.压阻式压力传感器4.压电式传感器5.电容式传感器6.电感式传感器7.转矩传感器

力是基本物理量之一，因此各种动态、静态力的大小的测量是十分重要的。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力传感器的测量示意图1.弹性敏感元件

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；保证长期使用和温度变化时的稳定性。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，一般用k表示。

2.灵敏度灵敏度是指弹性敏感元件在单位力作用下产生形变的大小，在弹性力学中称为弹性元件的柔度。它是刚度的倒数，用K表示。

3.弹性滞后实际的弹性元件在加载/卸载的正向/反向行程中形变曲线是不重合的，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的，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。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）弹簧管变换压力的弹性敏感元件

(a)弹簧管；(b)波纹管；(c)等截面薄板；(d)膜盒；(e)薄壁圆筒；(f)薄壁半球

（2）波纹管

波纹管是有许多同心环状皱纹的薄壁圆管。（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，这就是波纹膜片。波纹管膜片波纹的形状（4）薄壁圆筒薄壁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。

薄壁圆筒弹性敏感元件的结构

2.电阻应变片传感器电阻应变片的分类

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。半导体应变片及金属丝式应变片的结构半导体应变片外形金属丝式应变片的内部结构箔式应变片的外形

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—箔式应变花应变花的基本形式应变片的工作原理

金属丝受拉时，L变长、r变小，导致R变大。金属电阻丝应变效应2.1电阻应变片的结构及工作原理1.结构电阻应变片（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。电阻应变片的结构2.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”。

应变片的工作原理

设有一长度为l、截面积为A、半径为r

、电阻率为

的金属单丝，它的电阻值R可表示为：

当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）时，上式中

、r、l都将发生变化，从而导致电阻值R发生变化。例如金属丝受拉时，l将变长、r变小，均导致R变大；又如，某些半导体受拉时，

将变大，导致R变大。实验证明，电阻丝及应变片的电阻相对变化量

R

R与材料力学中的轴向应变

x的关系在很大范围内是线性的，即K—电阻应变片的灵敏度∴由于

根据应用要求的不同，可接入不同数目的电阻应变片，一般分为下面几种形式的电桥：3.测量电路——不平衡电桥

单臂电桥

全桥四臂工作方式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最低。双臂电桥

R1、R2为应变片，R3、R4为固定电阻。应变片R1、R2感受到的应变

1~

2以及产生的电阻增量正负号相间，可以使输出电压Uo成倍地增大。四臂全桥

全桥的四个桥臂都为应变片，如果设法使试件受力后，应变片R1~

R4产生的电阻增量（或感受到的应变

1~

4）正负号相间，就可以使输出电压Uo成倍地增大。上述三种工作方式中，全桥四臂工作方式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最低。采用全桥（或双臂半桥）还能实现温度自补偿。2.2应变式电阻传感器使用注意事项1.应变片的粘贴：

(1)去污：采用手持砂轮工具除去构件表面的油污、漆、锈斑等，并用细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力，用浸有酒精或丙酮的纱布片或脱脂棉球擦洗。(2)贴片：在应变片的表面和处理过的粘贴表面上，各涂一层均匀的粘贴胶，用镊子将应变片放上去，并调好位置，然后盖上塑料薄膜，用手指揉和滚压，排出下面的气泡。（3）测量：从分开的端子处，预先用万用表测量应变片的电阻，发现端子折断和坏的应变片。（4）焊接：

将引线和端子用烙铁焊接起来，注意不要把端子扯断。

（5）固定：

焊接后用胶布将引线和被测对象固定在一起，防止损坏引线和应变片。2.实际应用中电桥电路的调零

调节RP，最终可以使R1

/R2

=R4/R3（R1

、R2

是R1、R2并联RP后的等效电阻），电桥趋于平衡，Uo被预调到零位，这一过程称为调零。

图中的R5是用于减小调节范围的限流电阻。

当环境温度升高时，桥臂上的应变片温度同时升高，温度引起的电阻值漂移数值一致，可以相互抵消，所以全桥的温漂较小；半桥也同样能克服温漂。3．传感器的温度补偿2.3应变式电阻荷重传感器及其应用

应变效应的应用十分广泛。它可以测量应变应力、弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。电阻应变片的应用可分为两大类：第一类是将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量转换电路，这样就构成测量各种物理量的专用应变式传感器。

第二类是将应变片贴于被测试件上，然后将其接到应变仪上就可直接从应变仪上读取被测试件的应变量。应变式力传感器FFFF各种悬臂梁FF固定点固定点电缆应变片在悬臂梁上的粘贴及变形

应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置FR1R2R4应变式荷重传感器外形及受力位置（续）FF荷重传感器原理演示

荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形。轴向变短，径向变长。汽车衡汽车衡（以下参考北京远亚兴业商贸有限公司资料）汽车衡称重系统荷重传感器计算公式

当KF为常数时，桥路所加的激励源电压Ui越高，满量程输出电压Uom也越高。

思考：综合考虑灵敏度与功耗发热，Ui的取值范围多少为好？荷重传感器应用估算

例：现用铭牌指标为F=

100

103N，KF=2mV/V的荷重传感器称重。当桥路电压6V时，测得桥路的输出电压为24mV，求被测荷重为多少吨。

解由荷重传感器铭牌上得到，Uom=24mV。被测荷重

荷重传感器应用估算

在上面介绍过的汽车衡示意图中，共使用了4个荷重传感器，量程Fm=20t，灵敏度KF=2.5mV/V，使用4个独立的桥路电源，每一个电源电压均相等，Ui=12V，四个荷重传感器的输出串联，总的输出电压Uo=24mV，请估算汽车的质量。

汽车在钢板上有少许的前、后、左、右偏位，是否会影响测量结果？为什么？

荷重传感器用于构件的称重

荷重传感器（共3个，120度分布，以达到均衡目的，另两个未拍出）底座垫块电缆电子秤

磅秤超市打印秤远距离显示电子天平电子天平的精度可达十万分之一人体秤

吊钩秤

便携式

图示应变式电阻加速度传感器由基座(用来固定在被测物体上)、等截面悬臂梁、质量块和4个电阻应变片组成，以等截面悬臂梁为弹性敏感元件。加速度传感器l一基座；