力传感噐传感器教学课件

1、传感器应用技术,常州信息职业技术学院,传知万物 感创未来,学习内容,常州信息职业技术学院,传知万物 感创未来,力传感器,各类力传感器,剪切式测力传感器,油井专用负荷传感器,BLR14拉式称重传感器,拉压式称重传感器,3.1 弹性敏感元件,力传感器弹性敏感元件,弹性敏感元件的特性 变换力的敏感元件 变换压力的敏感元件,一、弹性敏感元件的特性 1、刚度：是弹性元件受外力作用下变形大小的量度表示，即弹性元件产生单位位移所需要的力或压力。 2、灵敏度：是刚度的倒数，即它是作用于弹性元件上单位力或压力所产生的变形。,力传感器弹性敏感元件,3、弹性滞后：理想的弹性元件在弹性变形范围内，反复循环进行加载或卸

2、载时，由于没有弹性误差存在，所以加、卸载时的位移曲线应重合。但实际的弹性元件在加、卸载的正反行程中，位移曲线是不重合的，而是构成一个弹性滞后环。,力传感器弹性敏感元件,4、弹性后效： 弹性元件材料的变形不仅是载荷的函数，也是时间的函数。弹性滞后是不取决于时间的，而弹性后效是在载荷不变的情况下，弹性元件在一段时间内还会继续产生类似蠕动的位移。这种变形落后于载荷和时间有关的现象称弹性后效。弹性后效使传感器出现负的测量误差、零点漂移等，应尽力设法减小。 弹性元件在工作中的滞后和后效现象是同时发生的，统称为弹性滞后误差，在设计传感器时要力求减少。,力传感器弹性敏感元件,5、固有振荡频率 弹性元件的固有

3、频率（即其无阻尼自由振动频率），在很大程度上决定传感器的动态特性，对很多传感器，为了减小动态误差应提高传感器的固有频率。传感器的工作频率应避开弹性敏感元件的固有振荡频率。,力传感器弹性敏感元件,二、变换力的敏感元件： F ,1、悬臂梁 2、实心轴 3、扭转轴,力传感器弹性敏感元件,1、悬臂梁：,等截面型悬臂梁 等强度型悬臂梁 变形的悬臂梁,力传感器弹性敏感元件,等截面型悬臂梁 等强度型悬臂梁 变形的悬臂梁,力传感器弹性敏感元件,2、实心轴,纵向应变 横向应变,3、扭转轴,：弹性模量 A：横截面积 ：泊松系数,力传感器弹性敏感元件,三、变换压力的敏感元件 FP,1、 膜片 2、 膜盒 弹簧管 波

4、纹管,力传感器弹性敏感元件,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,力传感器弹性敏感元件,波纹管膜片波纹的形状,力传感器弹性敏感元件,薄壁圆筒弹性敏感元件的结构,力传感器弹性敏感元件,应变：用于表征形变大小的量，是量纲为1的数，通常很小。 正负：拉伸应变为正、压缩应变为负 单位：应变()、微应变() 1= 110-6 ,注：对金属材料而言，当它受力之后所产生的轴向应变最好不要大于110-3，即1000m/m，否则有可能超过材料的极限强度而导致断裂。,力传感器弹性敏感元件,常州信息职业技术学院,传知万物 感创未来,力传感器

5、,金属应变式传感器的主要特性 电阻应变式传感器的工作原理 应变片的种类与结构 电阻应变式传感器的测量电路 电阻应变式传感器的应用,力传感器应变式,一、金属应变式传感器的主要特性 金属应变片式传感器的核心元件是金属应变片，它可将试件上的应变变化转换成电阻变化。 主要优点： 精度高，测量范围广 频率响应特性较好 结构简单，尺寸小，重量轻 可在高(低)温、高速、高压、强烈振动、强磁场及核辐射和化学腐蚀等恶劣条件下正常工作 易于实现小型化、固态化 价格低廉，品种多样，便于选择,力传感器应变式,主要缺点： 具有非线性；输出信号微弱；抗干扰能力较差，因此信号线需要采取屏蔽措施；只能测量一点或应变栅范围内的

6、平均应变，不能显示应力场中应力梯度的变化等；不能用于过高温度场合下的测量。,力传感器应变式,二、电阻应变式传感器的工作原理 导体或半导体材料在外界力的作用下，会产生机械变形，其电阻值也将随着发生变化，这种现象称为应变效应。 电阻应变式传感器主要由电阻应变片及测量转换电路等组成。,力传感器应变式,金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大 。,力传感器应变式,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。,K电阻应变片的灵敏度,力传感器应变式,对于不同的金属材料，K

7、 略微不同，一般为2左右。而对半导体材料而言，由于其感受到应变时，电阻率 会产生很大的变化，所以灵敏度比金属材料大几十倍。,在材料力学中，x=l/l 称为电阻丝的轴向应变，也称纵向应变，是量纲为1的数。 x通常很小，常用10-6表示之。例如，当 x为0.000001时，在工程中常表示为110-6或m/m。在应变测量中，也常将之称为微应变()。,力传感器应变式,R = (/ r),R +R= ( + ) (+)/ (r - r),金属： l ，r变化 几何尺寸变化是主要的 半导体: 变化 压阻效应是主要的,力传感器应变式,为金属电阻丝的应变灵敏度系数，它表示单位应变所引起的电阻相对变化。 大小由

8、两个因素引起： 由几何尺寸的改变所引起的变化； 材料的电阻率随应变所引起的变化（压阻效应）。 实验表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与轴向应变成正比。通常在1.83.6范围内。,力传感器应变式,三、应变片的种类与结构,应变片可分为金属应变片及半导体应变片两大类。前者可分成金属丝式、箔式、薄膜式三种。目前箔式应变片应用较多。金属丝式应变片使用最早，有纸基、胶基之分。由于金属丝式应变片蠕变较大，金属丝易脱胶，有逐渐被箔式所取代的趋势。但其价格便宜，多用于应变、应力的大批量、一次性试验。,力传感器应变式,箔式应变片中的箔栅是金属箔通过光刻、腐蚀等工艺制成的。箔的材料多为电阻率高、热稳定性好的

9、铜镍合金。箔式应变片与片基的接触面积大得多，散热条件较好，在长时间测量时的蠕变较小，一致性较好，适合于大批量生产。还可以对金属箔式应变片进行适当的热处理，使其线胀系数、电阻温度系数以及被粘贴的试件的线胀系数三者相互抵消，从而将温度影响减小到最小的程度，目前广泛用于各种应变式传感器中。,力传感器应变式,箔式应变片的外形,力传感器应变式,半导体应变片外形,金属丝式应变片的内部结构,力传感器应变式,1-基底 2-敏感栅（电阻丝） 3-覆盖层 4 -引出线,力传感器应变式,上表中，哪几个型号是半导体应变片？依据是什么？,力传感器应变式,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、

10、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。,力传感器应变式,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 。,力传感器应变式,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。,力传感器应变式,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。,力传感器应变式,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。,力传感器应变式,四、电阻应变式传感器的测量电路,金属应变片的电阻变

11、化范围很小，如果直接用欧姆表测量其电阻值的变化将十分困难，且误差很大。 例如：某传感器弹性元件在额定载荷下产生的应变是100010-6，应变片的阻值为120，应变灵敏度系数是2，则电阻相对变化量为？,力传感器应变式,1、电桥电路的分类 按照电源分类：直流电桥、交流电桥 按照输出分类：电流输出、电压输出 电流输出：当电桥的输出信号较大，输出端又接入电阻值较小的负载时，电桥以电流形式输出。 电压输出：当电桥输出端接放大器时，由于放大器输入阻抗很高，认为电桥的负载电阻无穷大，这时电桥以电压形式输出。,力传感器应变式,按照电阻分类：等臂、电源对称、输出对称 等臂电桥： R1=R2=R3=R4=R 电源

12、对称电桥： R1=R4=R R2=R3=R 输出对称电桥： R1=R2=R R3=R4=R 按照应变片分类：单臂、双臂、四臂,力传感器应变式,力传感器应变式,2、电桥电路的分析,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。,电桥平衡的条件 ：R1/R2=R4/R3,力传感器应变式,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。,力传感器应变式,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

13、变12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。,力传感器应变式,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14）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。,力传感器应变式,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。,全桥的温度补偿原理,力传感器应变式,五、应变效应的应用,应变效应的应用十分广泛。它可

14、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： 1、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。应变式传感器中，敏感元件一般为各种弹性体，传感元件就是应变片，测量转换电路一般为桥路； 2、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。,力传感器应变式,应变式力传感器,力传感器应变式,各种悬臂梁,力传感器应变式,F,F,固定点,固定点,电缆,力传感器应变式,应变片在悬臂梁上的粘贴及变形,力传感器应变式,工业电子秤形变情况,力传感器应变式,应变式荷重传感器的外形及应变片

15、的粘贴位置,F,力传感器应变式,F,F,应变式荷重传感器外形及受力位置,力传感器应变式,F,F,力传感器应变式,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。,荷重传感器原理演示,力传感器应变式,汽车衡,力传感器应变式,汽车衡,力传感器应变式,汽车衡称重系统,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）,底座,垫块,电缆,电子秤,磅秤,超市打印秤,远距离显示,力传感器应变式,电子天平,电子天平的精度可达十万分之一,力传感器应变式,人体秤,力传感器应变式,吊钩秤,便携式,力传感器应变式,应变式数显扭矩扳手,可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械

16、制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的装配扭矩。量程2500N.m，耗电量10mA，有公制/英制单位转换、峰值保持、自动断电等功能。,力传感器应变式,常州信息职业技术学院,传知万物 感创未来,力传感器,压阻式固态压力传感器 利用扩散工艺制作的四个半导体应变电阻处于同一硅片上，工艺一致性好，灵敏度相等，漂移抵消，迟滞、蠕变非常小，动态响应快。,力传感器压阻式,隔离、承压膜片可以将腐蚀性的气体、液体与硅膜片 隔离开来。,压阻式固态压力传感器的隔离、承压膜片,力传感器压阻式,压阻式固态 压力传感器 内部结构,信号处理电路,力传感器压阻式,小型压阻式固态压力传感器,高压进气口,低压进气口,绝对压力传

17、感器,呼吸、透析和注射泵设备中用的压力传感器,p1进气管,p2进气管,固态压力传感器,力传感器压阻式,表压压力传感器,p1进气管,力传感器压阻式,投入式液位计,压阻式固态压力传感器用于投入式液位计：p1的进气孔用柔性不锈钢隔离膜片隔离，并用硅油传导压力而与液体相通。,投入式液位传感器安装方便，适应于深度为 几米 至 几十米，且混有 大 量 污物、杂质的水或其他液体的液位测量。,力传感器压阻式,投入式液位计外形,压阻式固态压力传感器,光柱 显示器,橡胶 背压管,材料应变的测量,斜拉桥上的斜拉绳应变测试,常州信息职业技术学院,传知万物 感创未来,力传感器,压电式传感器的主要特性 压电式传感器的工作

18、原理 压电式传感器的种类与结构 压电式传感器的测量电路 压电式传感器的应用,力传感器压电式,一、压电式传感器的主要特性,压电式传感器是一种典型的自发电式传感器。它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。 压电式传感元件是力敏感元件，它可以测量最终能变换为力的非电物理量，例如动态力、动态压力、振动、加速度等，但不能用于静态参数的测量。 压电式传感器具有体积小、质量轻、频率响应高、信噪比大等特点。由于它没有运动部件，因此结构坚固、可靠性、稳定性高。,压电传感器主要特性,二、压电式传感器的工作原理压电效应 某些晶体，在一定方向受到外力作用时，内部将

19、产生极化现象，相应地在晶体的两个表面产生符号相反的电荷；当外力作用除去时，又恢复到不带电状态。当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变，这种现象称为压电效应。 反之，在电介质的极化方向上施加交变电场或电压，它会产生机械变形，当去掉外加电场时，电介质变形随之消失，这种想象称为逆压电效应（电致伸缩效应）。,压电传感器工作原理,具有压电效应的物质很多，压电式传感器中的压电元件材料一般有三类： 压电晶体（单晶体） 经过极化处理的压电陶瓷（多晶体） 高分子压电材料,压电传感器材料分类,当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄

20、漏、消失。,1、石英晶体的压电效应,压电传感器工作原理,石英晶体的特点 优点：性能非常稳定，在20200范围内压电常数变化率只有-0.0001/。此外，具有自振频率高、动态响应好、机械强度高、绝缘性能好、迟滞小、重复性好、线性范围宽等优点。 缺点：压电常数小。因此，石英晶体大多只在标准传感器、高精度传感器或使用温度较高的传感器中使用，而在一般要求的测量中，基本采用压电陶瓷。,压电传感器工作原理,石英晶体振荡器（晶振）,石英晶体在振荡电路中工作时，压电效应与逆压电效应交替作用，从而产生稳定的振荡输出频率。,晶振,天然结构的石英晶体呈六角形晶柱,天然形成的 石英晶体外形,压电传感器工作原理,压电传

21、感器工作原理,石英晶体有三个轴（课本P64图3-15a、图3-16） X轴电轴，通过六面体相对的两个棱线并垂直于光轴 Y轴机械轴，垂直于两个相对的晶柱棱面 Z轴光轴，与晶体的纵轴线方向一致 用金刚石刀具从晶体上沿XYZ轴线切割出一片平行六面体的薄片（正方形薄片）称为晶体切片。当晶体薄片受到压力时，晶格产生变形，表面产生正电荷，电荷Q与所施加的力F成正比 。,压电传感器工作原理,石英晶体薄片,压电传感器工作原理,课本P64图3-16 当沿X轴对晶片施加力时，将在垂直于X轴的表面产生电荷，这种现象称为纵向压电效应； 沿Y轴施加力的作用时，电荷仍出现在与X轴垂直的表面上，称为横向压电效应； 沿Z轴方

22、向受力时，不产生压电效应。,压电传感器工作原理,纵向压电效应产生的电荷： 沿X轴施加压力，产生垂直于X轴平面的电荷 纵向压电系数，下标的意义是产生电荷的面的轴向及施加作用力的轴向 沿晶轴X方向施加的压力 当晶片受到X向的压力作用时，与作用力成正比，而与晶片的几何尺寸无关； 若作用力改为拉力时，则在垂直于X轴的平面上仍出现等量电荷，但极性相反。,压电传感器工作原理,横向压电效应产生的电荷： 沿Y轴向施加压力，产生垂直于X轴平面的电荷 横向压电系数 沿晶轴Y方向施加的压力 根据石英晶体的对称条件： =- ， 得： =-,沿机械轴方向给晶片施加压力，产生的电荷与几何尺寸有关， 沿Y轴的压力产生的电荷

23、与沿X轴的压力产生的电荷极性相反。,垂直于X轴向面积越大、晶片越薄，横向压电效应产生的电荷越多,压电传感器工作原理,石英晶片受压力或拉力时，电荷的极性,x,压电传感器工作原理,石英晶体在机械力的作用下在其表面产生电荷的原因： 石英晶体的每一个晶体单元，有三个硅离子和六个氧离子，正负离子分布在正六边形的顶角上，当作用力为零时，正负电荷互相平衡，对外没有带电现象。（课本P64图3-15）,压电传感器工作原理,2、压电陶瓷的压电效应 压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它由无数细微的电畴组成。电畴是分子自发形成的区域，它有一定的极化方向。在无外电场作用时，各个电畴在晶体中无规则排列，极化效应相互抵消，

24、因此在原始状态下，压电陶瓷呈中性，不具有压电效应。 为使压电陶瓷具有压电效应，必须在一定温度下做极化处理。即以强电场使电畴规则排列，这时压电陶瓷便具有压电性。在极化电场去除后，电畴基本保持不变，留下很强的剩余极化，当压电陶瓷受外力作用时，其表面也能产生电荷，也具有压电效应。,压电传感器工作原理,三、压电式传感器的种类与结构 1、压电材料 选取合适的压电材料一般考虑： 转换性能：具有较大的压电常数 机械性能：具有较高机械强度、刚度，以获得较高固有频率 电性能：具有较高的电阻率和介电常数，以期减少电荷的泄漏以及外部分布电容的影响，获得良好的低频特性 温度、湿度稳定性能：具有较高的居里点，以期获得较

25、宽的工作温度范围（居里点是指压电性能破坏时的温度转变点） 时间稳定性能：压电材料的压电特性不随时间蜕变，有较好的时间稳定性,压电传感器种类结构,石英晶体（单晶体、压电晶体） 分类：天然和人工培养两种类型。 特点：在几百摄氏度的温度范围内，压电系数不随温度而变化。居里点为573。有很大的机械强度和稳定的机械性能，但灵敏度很低，介电常数小，因此逐渐被其他压电材料替代。 性能稳定、精度高、居里点高、灵敏度低,压电传感器种类结构,压电陶瓷（多晶体） 压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，比石英晶体的压电灵敏度高得多，制造成本却较低，目前国内外生产的压电元件绝大多数采用压电陶瓷，烧制方便、耐湿、耐高温、易于

26、成形。 锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT）压电陶瓷主要研究对象，具有较高压电系数和居里点（300以上） 钛酸钡压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷,压电传感器种类结构,压电陶瓷外形,压电传感器种类结构,无铅压电陶瓷及其换能器外形（上海硅酸盐研究所研制）,压电传感器种类结构,高分子压电材料 某些合成高分子聚合物薄膜经延展拉伸和电场极化后，具有一定的压电性能，这类薄膜称为高分子压电薄膜。是一种柔软的压电材料，不易破碎，可以大量生产和制成较大面积。 如果将压电陶瓷的粉末加入高分子化合物中，可以制成高分子-压电陶瓷薄膜，既保持了高分子压电薄膜的柔软性，又具有较高压电系数，是一种很有希望的压电材料。,

27、压电传感器种类结构,高分子压电薄膜及拉制,压电传感器种类结构,高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆,压电传感器种类结构,可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板,压电传感器种类结构,压电式脚踏报警器,压电传感器种类结构,并联 串联,+ + + +,+ + + +,- - - -,- - - -,+,-,导电胶,2、压电元件的结构形式 在压电式传感器中，常将两片或多片组合在一起使用，由于压电材料有极性，故接法有两种：串联和并联。,压电传感器种类结构,特点： 并联：输出电荷大、电容大、时间常数大，适合测慢变信号，并以电荷量作输出量的场合。 串联：输出电压高、电容小，适合以电压作为输出量，以及测量电路输

28、入阻抗很高的场合。,压电传感器种类结构,1、等效电路,电荷源等效 电压源等效,四、压电式传感器的测量电路,压电传感器测量电路,压电传感器内阻抗很高，而输出信号微弱，测量电路要求有一个高输入阻抗的前置放大器作阻抗匹配，才能防止电荷迅速泄漏而使测量误差减小。 前置放大器作用： （1）将高阻抗输出变换为低阻抗输出； （2）将输出的微弱信号进行放大。 前置放大器两种形式： （1）电压放大器：输出电压与输入电压成正比 （2）电荷放大器：输出电压与输入电荷成正比,压电传感器测量电路,压电传感器测量电路,2、电荷放大器测量电路,电荷放大器的输出电压仅与输入电荷和反馈电容有关，电缆长度等因素的影响很小：,电荷

29、放大器能将压电传感器输出的电荷转换为电压（Q/U转换器），但并无放大电荷的作用，只是一种习惯叫法。,压电传感器测量电路,四通道电荷放大器外形,.,压电传感器测量电路,上图所示的四通道电荷放大器指标（参考东方振动和噪声技术研究所资料）,灵 敏 度：0.11000mV/pC频率范围：0.3100KHz 噪声(最大增益)：折合至输入端小于5V准 确 度：1%最大输出：10V/10mA电源：220V/50Hz 控制方式：计算机或手动,焊接式 电荷放大器,压电传感器测量电路,超小型电荷放大器模块,主要指标:灵 敏 度：1、10、100mV/pC(任选一档)频率范围：0.3100KHz(上、下限可选)噪声(最大灵敏度)：输出端小于1mV归 一 化：外接电阻调整线性误差：1%最大输出：5V或10V电源：6V15V 特点：可组成经济的多点