力敏传感器
第四篇力敏传感器
第四章力敏传感器教学目标：1．了解弹性敏感元件的特性和要求。
2．了解几种常用测力称重传感器的特点、3．掌握电阻应变效应及半导体的压阻效应4．了解电桥电路的作用。
5．掌握单臂、双臂和全桥测量电路的异同点。
6．理解压电式传感器的工作原理。
了解它的特点。
7．了解它们的应用。
力敏传感器是使用很广泛的一种传感器。
它是生产过程中自动化检测的重要部件。
它的种类很多，有直接将力变换为电量的如压电式、压阻式等，有经弹性敏感元件转换后再转换成电量的如电阻式、电容式和电感式等。
它主要用于两个方面：测力和称重。
本章介绍电阻应变式传感器、压阻式和压电式传感器。
§4-1（传感器中的）弹性敏感元件一、弹簧管压力表的组成：（如图4-1）图4-1弹簧管压力表的组成框图弹簧管——弹性敏感元件：将输入压力转换成自身的变形量（应变、位移或转角）。
二、弹性元件的基本特性：1．变形：物体在外力作用下改变原来尺寸或形状的现象。
2．弹性：物体因受外力作用而产生变形，外力去掉后又恢复原状的特性。
3．弹性元件：具有弹性变形特性的物体。
4．弹性变形：弹性元件受外力作用而产生的变形。
5．弹性特性：作用在元件上的外力与相应变形（应变、位移或转角）之间的关系。
（1）刚度：弹性元件产生单位变形所需的力。
（2）灵敏度：在单位力作用下弹性元件产生的变形。
刚度和灵敏度表示了弹性元件的软硬程度。
元件越硬，刚度越大，单位力作用下变形越小，灵敏度越小。
6．线性弹性元件：刚度和灵敏度为常数，作用力F与变形X成线性关系。
三、弹性敏感元件的基本要求及类型：弹性元件在传感器技术中占有极其重要的地位。
它首先把力、力矩或压力转换成相应的应变或位移，然后配合各种形式的传感元件，将被测力、力矩或压力变换成电量。
基本要求：（1）具有良好的机械特性（强度高、抗冲击、韧性好、疲劳强度高等）和良好的机械加工及热处理性能。
（2）良好的弹性特性（弹性极限高、弹性滞后和弹性后效小等）。
（3）弹性模量的温度系数小且稳定，材料的线膨胀系数小且稳定。
力敏传感器的原理
力敏传感器的原理
力敏传感器是一种能感知物体施加在其上的力的装置。
它基于荷兰物理学家皮埃尔·居里发现的压电效应。
压电效应指的是
某些材料在受到外力时会产生电位移，从而生成电荷。
因此，力敏传感器的原理可以简单概括为利用压电效应测量物体施加在其上的力。
具体来说，力敏传感器通常由一个或多个压电材料制成。
当施加在传感器上的力发生变化时，压电材料会产生相应的电位移。
这个电位移可以通过测量传感器的电阻或电荷来检测和量化。
传感器上的电阻或电荷的变化与力的大小成正比。
为了提高测量的准确性和灵敏度，力敏传感器通常结合了一些辅助电子元件和信号处理器。
这些元件可以对输出信号进行放大、滤波和校准，以便将物体施加在传感器上的力转化为精确的电信号。
力敏传感器在许多领域广泛应用，例如工业自动化、医疗设备、机器人技术等。
它们可以用于测量物体的重量、压力、拉力等参数，从而实现对物体的控制和监测。
除了压电效应外，力敏传感器还可以基于应变测量原理、纳米技术等进行设计和制造。
不同原理的力敏传感器适用于不同的应用场景，但它们的基本原理都是测量物体施加在传感器上的力。
简述力敏传感器测量原理
简述力敏传感器测量原理力敏传感器是一种用于检测微小变化的传感器，其特点是它可以检测的变化量很小，甚至可以检测到毫米级的微小变化，并且精度很高，稳定可靠。
力敏传感器的测量原理是将力传递到传感器的传感元件上，然后根据传感元件的变化，通过信号放大器放大信号，再通过数据处理芯片计算出变化的量，最后将数据解码输出。
力敏传感器可以根据力种类分为压力传感器、电工磁传感器、拉力传感器、触觉传感器、微动传感器、钢丝传感器、陀螺秤传感器等。
其中，压力传感器是将被测物体的压力变化传递到传感元件上，通过变换电阻信号，放大信号，最后在压力分析仪或测量仪表中进行读出。
电工磁传感器显示出分离式电磁效应，可以测量出场及电流的变化，并将信号放大以满足解码需要。
拉力传感器可用于测量各种拉力，如杆件、线材等，并可将变形精确地转换为拉力信号，再放大后输出数据。
触觉传感器是一种用于检测触觉信号的传感器，可以检测到压力、热量、振动等信号，能够捕捉到物体的触摸状态及表面结构等信息，并转换为控制信号输出，使得自动化控制的操作更加精准和可靠。
微动传感器用于检测物体的微小运动，通过测量物体的微小运动和线性位移，检测机器的正常运行及小部件是否有松动等。
钢丝传感器能够检测到拉力传感器无法检测到的微小变化，其特别优势是一种极低的响应阻抗，可以检测到更多的变化量。
陀螺秤传感器能够检测角度和角速度变化，常用于导航及仪表系统之中。
以上就是力敏传感器测量原理的简要介绍。
当然，不同的传感器的测量原理是不同的，但是本质上都是通过将力传递到传感元件，再经过变换、放大和数据处理等步骤获得变化量，最终将数据解码输出，以供应用程序使用。
力敏传感器具有体积小、可靠性高、数字量多以及抗干扰能力强等特点，因此得到了广泛的应用。
力敏传感器的测量原理已经大大改善了传感器的功能，使得传感器更加精准、可靠，从而为各种应用提供了实用的便利。
力敏传感器在工业自动化、航空航天、机器人技术、智能家居和智能手机等领域都有着广泛的应用前景，前景十分广阔。
传感器与检测技术52力敏传感器
根据电阻值的变化测量力的大小。
2
应变式力敏传感器
利用材料的应变特性测量力的大小。
3
压电式力敏传感器
利用物质的压电效应将力转换为电荷或电压信号。
力敏传感器的应用场景
机器人技术
力敏传感器广泛应用于机器人领 域，帮助机器人感知外部环境和 对象的力大小。
汽车制造
力敏传感器用于汽车生产中，测 量车辆各个部件的力和压力。
医疗设备
力敏传感器在医疗设备中起到关 键作用，如测量手术器械施加的 力度。
力敏传感器的优势和局限性
1 优势
高精度测量，广泛应用于各个行业，可靠性 高。
2 局限性
受环境条件和使用方式的限制，有时需要进 行定期校准。
温度传感器
应用于气象、制冷、汽车等领域，精确测量温度。
压力传感器
广泛用于工业控制、汽车制造和生物医学等领域，测量液体或气体的压力。
光传感器
用于照明、摄影、安防等领域，检测光线的强度和颜色。
力敏传感器
力敏传感器是一种测量物体受到的力或压力的传感器。它通过将力转换为电信号来实现测量。力敏传感器广泛 应用于机械工程、汽车工业和医疗设备等领域。
传感器与检测技术
在传感器与检测技术领域，了解不同种类的传感器和应用领域至关重要。本 节将介绍力敏传感器的原理、工作方式以及应用场景。
传感器与检测技术简介
传感器与检测技术是研究和开发用于测量、探测和监测物理量的设备和技术的领域。它们在工业、医疗、科学 等多个领域发挥着重要作用。
传感器的种类和应用领域
电子课件-《传感器技术与应用》-A05-3188 第四章 力敏传感器
第四章 力敏传感器
常见的压电式传感器
第四章 力敏传感器
2.压电材料特点和分类
用于制作压电元件的压电材料一般分为三大类： 一是压电晶体（单晶），它包括石英晶体和其他 压电单晶； 二是压电陶瓷； 三是新型压电材料，其中有压电半导体和有机高 分子压电材料两种。
第四章 力敏传感器
石英晶体薄片
压电陶瓷
第四章 力敏传感器
二、压电材料的主要特性参数
1.压电常数
压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数，它直接 关系到压电元件输出的灵敏度。
2.弹性常数
压电材料的弹性常数、刚度决定着压电元件的固有 频率和动态特性。
3.介电常数
对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容与介 电常数有关；而固有电容又影响着压电传感器的频率 下限。
电阻应变片的工作原理是利用导体或半导体材料 的电阻应变效应，即导体或半导体材料在外力作用下， 会产生机械变形，其电阻值也将随着发生变化的现象。
第四章 力敏传感器
实验表明，在金属丝的弹性变形范围内，当金属 丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，当 金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积 减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩 时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。
第四章 力敏传感器
二以使用面积和电阻值表示，如 （3×10）mm2，120Ω。
2.应变片的灵敏系数K 3.应变片允许工作电流 4.应变极限 5.横向效应
第四章 力敏传感器
三、电阻应变片的选用
1.电阻应变片的选择 （1）应变片结构形式的选择
第四章 力敏传感器
名称 丝式 箔式 薄膜式
特点 制造简单、价格便宜、性能稳定、易于粘贴等优点，但蠕 变较大，金属丝易脱胶，逐渐被箔式所取代，多用于大批量、 一次性试验 表面积与截面积之比大，散热条件好，允许通过较大电流， 从而增大输出信号，提高灵敏度；可根据测量需要制成任意 形状，在制造工艺上能保证敏感栅尺寸准确线条均匀；具有 较好的可挠性，有利于粘贴及应变的传递；易加工，适于批 量生产 应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作范围广，易实现 工业化生产，但难以控制电阻与温度和时间的变化关系，是 一种很有前途的新型应变片
力敏传感器在生活应用实例中的应用
力敏传感器在生活应用实例中的应用力敏传感器是一种能够感知物体受到的力的传感器，广泛应用于各个领域。
它的应用不仅仅局限于工业生产中，还可以在日常生活中发挥重要作用。
下面将介绍一些力敏传感器在生活应用实例中的应用。
力敏传感器可以应用在医疗领域。
在手术过程中，医生需要对患者进行一系列的检查和治疗。
而力敏传感器可以用于测量患者受到的压力，帮助医生判断患者的病情。
例如，在心脏手术中，医生需要准确地测量患者心脏受到的压力，以便进行下一步的治疗。
力敏传感器可以精确地测量心脏受到的压力，并将数据传输到监测仪器上，以供医生参考。
这样一来，医生在操作时可以根据实时数据进行调整，提高手术的准确性和安全性。
力敏传感器还可以应用在智能家居领域。
随着科技的不断发展，越来越多的家庭开始使用智能家居设备。
而力敏传感器可以用于智能家居设备中的触摸感应功能。
例如，在智能灯光系统中，力敏传感器可以感知到人们对开关的轻按或重按，从而根据不同的力度来控制灯光的亮度。
又如，在智能床垫上，力敏传感器可以感知到人体的压力分布，根据不同的压力分布来调整床垫的硬度和软度，提供更舒适的睡眠体验。
这些智能家居设备不仅方便了人们的生活，还提高了生活的品质。
力敏传感器还可以应用在运动领域。
现代人越来越注重健康和运动，而力敏传感器可以帮助人们更好地了解自己的运动情况。
例如，在健身器械中，力敏传感器可以测量人体在运动过程中的力度和压力，从而帮助人们调整运动的强度和方式。
又如，在运动鞋中，力敏传感器可以感知脚底的压力分布，从而根据不同的压力分布来调整鞋垫的硬度和软度，提供更舒适的运动体验。
力敏传感器的应用使得运动更加科学和有效，帮助人们更好地保持身体健康。
力敏传感器还可以应用在交通领域。
在汽车制造过程中，力敏传感器可以用于测试汽车部件的耐力和质量。
例如，在制动系统中，力敏传感器可以测量制动踏板受到的压力，以确保制动系统的正常工作。
又如，在悬挂系统中，力敏传感器可以测量车轮受到的压力，以确保悬挂系统的稳定性和安全性。
2024年力敏传感器市场发展现状
2024年力敏传感器市场发展现状引言力敏传感器作为一种重要的传感器技术，在不同领域都有广泛应用。
本文将重点分析力敏传感器市场的发展现状，包括市场规模、应用领域、主要厂商和市场趋势等方面的内容。
市场规模力敏传感器市场近年来呈现快速增长的趋势。
根据市场研究机构统计数据显示，全球力敏传感器市场规模从2015年的X亿美元增长到2019年的Y亿美元。
预计到2025年，力敏传感器市场将进一步扩大，达到Z亿美元。
应用领域力敏传感器的广泛应用使其在多个领域都有市场需求。
以下是一些力敏传感器的主要应用领域：工业制造力敏传感器在工业制造过程中起到至关重要的作用。
其可以用于测量机械设备的力和压力变化，帮助监测设备状态和保障生产质量。
工业制造领域对力敏传感器的需求在不断增加，推动了市场的发展。
医疗保健在医疗保健领域，力敏传感器被广泛应用于健康监测、康复训练和手术机器人等方面。
通过测量人体的力度和压力变化，力敏传感器可以为医疗专业人员提供宝贵的数据支持，促进精准治疗和康复。
汽车行业汽车行业是力敏传感器的另一个重要应用领域。
力敏传感器可以被嵌入到汽车制动系统、悬挂系统和安全气囊等部件中，实现对车辆状态和乘客安全的监测。
随着汽车智能化和电动化的发展，力敏传感器在汽车行业的需求将进一步增加。
主要厂商力敏传感器市场上存在着众多的厂商，以下是一些在市场中具有较大份额的主要厂商：•公司A：作为市场的领导者之一，公司A拥有先进的技术和广泛的产品线，满足不同应用领域的需求。
•公司B：公司B专注于力敏传感器的研发和生产，其产品在工业和医疗领域享有良好的口碑。
•公司C：公司C在汽车行业的力敏传感器领域拥有较强的竞争实力，其产品被多家知名汽车制造商采用。
市场趋势力敏传感器市场在未来将呈现以下几个趋势：1.技术创新：力敏传感器技术将不断创新，提高测量精度和稳定性，满足对传感器性能的不断提升的需求。
2.自动化需求：随着工业自动化的推进，对力敏传感器的需求将进一步增加，推动市场发展。
电子信息工程技术《力敏传感器》
模块二 力敏传感器及其应用练习题一、填空题：1、根据电容式传感器的电容量为d SC ε=可知，可分为 、__和 三种类型。
电容式和电感式传感器常用 结构，以提高灵敏度，减小非线性。
2、用某直流电桥测量电阻R 〔注：R 和R3为相对桥臂电阻，R2和R4为另一对相对桥臂电阻〕，三个桥臂电阻值分别为R2=50Ω, R3=100Ω，R4=25Ω，当电桥平衡时，那么电阻R= 。
3、当压电式加速度计固定在试件上而承受振动时，质量块产生一可变力作用在压电晶片上，由于 效应，在压电晶片两外表上就有 产生。
4、电阻应变片的测量电路主要有直流电桥和交流电桥，其中直流电桥中又有单臂电桥 和 。
5、电容式传感器利用电容器的原理，将非电量转换成 。
电容式传感器可分为变极距式、变面积式、 。
6、某些电介质当沿一定方向对其施力而变形时产生极化现象，同时在它的外表产生符号相反的电荷，当外力去掉后又恢复不带电的状态，这种现象称为 ；在介质极化方向施加电场时电介质会产生形变，这种效应又称 。
7、采用 电源供电的电桥称为交流电桥。
8、用于制作压电传感器的常用压电材料是、、。
9、电感式传感器可分为、和电涡流三大类。
10、变面积电容传感器的输出特性是的，因此灵敏度是常数。
11、用电涡流传感器探测地雷属于测量。
12、自感式传感器常见的形式有变隙式，变面积式、。
13、电容式传感器可分为、和三种。
14、差动式电感传感器的优点有、和提高传感器的稳定性。
15、将超声波转化为电信号是利用压电材料的。
16、压电式传感器的工作原理是以晶体的效应为理论依据。
17、电阻应变片的工作原理是基于金属的效应。
18、压电式传感器的工作原理是以晶体的为理论根底。
19、电容式压力传感器是变型的。
2021用电涡流位移传感器测量转速时，被测轴齿盘的材料必须是_______。
21、用于制作压电传感器的常用压电材料是 、压电陶瓷。
22、压电式传感器的前置放大器有 放大器和 放大器两种，其中， 放大器的输出根本不受到杂散电容和电缆电容的影响。
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原因： 还存在有横向效应
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（三）横向效应
敏感栅是由多条直线和圆弧部分组成 直线段：沿轴向拉应变εx，电阻 圆弧段：沿轴向压应度εy 电阻 K
εy
εx
(箔式应变片)
εy
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横向效应
应变片的横栅部分将纵栅部分的电阻变化抵消了一部分，降低了整个电阻应变片的 灵敏度，带来测量误差，其大小与敏感栅的构造及尺寸有关。 敏感栅的纵栅愈窄、愈长，而横栅愈宽、愈短，则横向效应的影响愈小。
• 缺点： 在温度变化较大的条件下，很难做到工作片与梯补偿片处于温度完全一致的 情况，因而影响补偿效果。
③热敏电阻补偿
R5 分流电阻
R1＋⊿R
R2 Rt
U
Ui
R3
R4
U0
TK
Rt
URt
U = Ui - URt
K
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5. 电阻应变式传感器的应用
1 应变式力传感器 2 应变式压力传感器 3. 应变式液体重量（或液位）传感器 4 应变式加速度传感器
• 优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大， 工作范围广，易实现工业化生产
• 问题：难控制电阻与温度和时间的变化关系
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2 、金属应变片的主要特性
（一）应变片的电阻值 R （二）灵敏系数 （三）横向效应
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（一）应变片的电阻值 R
• 应变片在未经安装也不受外力情况下，在室温下测得的电阻值
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1、 工作原理
（1）电阻应变效应
R＝ l
A
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F Δl、ΔA 、Δρ ΔR
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R l A R l A
半径为r的圆导体，A=πr2，ΔA/A=2Δr/r 由材料力学可知，在弹性范围内，
l / l , r / r , / E
R (1 2 E)
R
ε为导体的纵向应变，其数值一般很小，常以微应变度量； μ为电阻丝材料的泊松比，一般金属μ=0.3~0.5；
半 导 体：k0值主要是由电阻率相对变化所决定
R R
k0
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（3） 应变片的基本结构与种类
丝绕式
敏感栅 基底 覆盖层
直径为0.025mm左右的合金电阻丝 绝缘 保护
位移、力、力矩、加速度、压力
弹性敏 感元件
应变
外力作用
应变片
被测对象表面产生微小机械变形
应变片敏感栅随同变形
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电阻值发生相应变化
' 0
U 4
R R
实际输出电压
U0
U
R 4R 2R
U 4
R R
1
1 2
R 1
R
电桥的相对非线性误差为
U0
U
' 0
1
1
1 2
R 1
R
1 1
1 2
R R
1
1 2
R R
1 2
K
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减小非线性误差 采用的措施为：
（1）采用半桥差动电桥 R1＋⊿R1
F R1
R3
R2
U
R2－⊿R2 U0
R1 R1
)1
R4 R3
U
UO
n
1 n2
R1 U R1
电桥灵敏度定义为:
ku
UO R1 / R1
n
ku
U
1 n2
当n =1 时，得
U ku 4
UO
U 4
R1 R1
(2)非线性误差及其补偿
略去分母中的ΔR1/R1项 ,假设ΔR1/R1<<1 单臂电桥，即R1桥臂变化ΔR，理想的线性关系
U
输出电压为：
U0
U
R
R
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4.温度误差及其补偿
( 1)当环境温度变化△t 时，敏感栅材料电阻温度系数为 ，
则引起的电阻相对变化为
Rt Rt R0 R0 t
(2)试件材料的线膨胀引起的误差。当温度变化△t时，因试件 材料和敏感栅材料的线膨胀系数不同，应变片将产生附加拉
长（或压缩），引起的电阻相对变化.
R2
R1t / R1
1 K1(g s1)
通过调节两种敏感栅的长度来控制 应变片的温度自补偿，
可达±0.45μ /℃的高精度
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② 电桥补偿法
R1
Rb
U0
R3
R4
U
F
R1
F
Rb
R1 +⊿R Rb -⊿R
R1＋⊿R
Rb－⊿R
U0
R3
R4
U
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电桥补偿法
• 优点： 简单、方便，在常温下补偿效果较好.
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（2） 应变式压力传感器
P
膜 R1 片
R2
U0
R4 R3
U
膜片式压力传感器
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筒式压力传感器 测较大压力
机床液压系统的压力（106～107Pa）， 枪炮的膛内压力（108Pa），
动态特性和灵敏度主要由材料的E值和尺寸决定
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组合式压力传感器
应变片不直接粘贴在压力感受元件上 压力敏感元件为膜片或膜盒、波纹管、弹簧管等
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R1
R2
IL
RL
R4 R3
U
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2、不平衡直流电桥的工作原理及灵敏度
R1 R3
R2
U0
R4
U
UO
U
R1R4 R2 R3
(R1 R2 )R3 R4
R1R4 R2 R3
应变片工作时，R1其电阻变化为ΔR，设桥臂比n=R2/R1 输出电压：
R4 R1
UO
(1
R2 R1
R3 R1
Rt R0 K0t R0 K0 ( g s )t
s 应变丝的线膨胀系数； g 试件的线膨胀系数
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由于温度变化而引起的总电阻变化为
Rt Rt Rt R0t R0K0 ( g s )t
相应的虚假应变输出
t
Rt / R0 K0
t
K0
(g
s )t
温度补偿
温度 补偿
λ为压阻系数，与材质有关；σ为应力值；E为材料的弹性模量；
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（2）金属电阻的灵敏系数
k0
R
R
1 2
/
1 2
材料的几何尺寸变化引起的
k 0 / 材料的电阻率ρ0以前者为主（μ = 0.25～0.5 (钢 μ = 0.285 ）
k0≈1.5～2
等截面梁
结构简单，易加工，灵敏度高 适合于测5000N以下的载荷,也可用于小压力测量
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Ⅱ
等
F
强 度 悬 臂
X
l
h
6lF
b0h 2 E
梁
Ⅲ
双 端
3lF
4bh2 E
固
定
梁
③薄壁圆环压力传感器
3F[R (h bh2 E
/
2)]
1
2
在外力作用下，各点的应力差别较大
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3、 电阻应变片的测量电路
1 直流电桥 2 非线性误差及其补偿
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(1) 直流电桥
• 直流电桥的工作原理
IL
U
RL (R1
R2 )( R3
R1R4 - R2 R3 R4 ) R1R2 (R3 R4 ) R3R4 (R1
R2 )
IL=0时电桥平衡
平衡条件 :
R1R4=R2R3 R1/R2=R3/R4
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U0 U1 U2 ( A1 A2 ) g h
式中 A1 、A2——传感器的传输系数； g ——重力加速度(m/s2)；
ρ——被测溶液的密度(Kg/m3)。 如ρ不变，则 U 0与h有关，构成液位计
溶液重量
U0
( A1
A2 )Q D
式中 Q——容器内感压膜上面溶液的重量(N) ； D——柱形容器的截面积(m2)。
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应变片的类型和材料
• 金属丝式 • 金属箔式
回线式 短接式
• 金属薄膜式
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金属丝式应变片
1-基片；2-电阻丝； 3-覆盖层；4-引出线
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金属箔式应变片
• 在绝缘基底上，将厚度为0.003～0.01mm电 阻箔材，利用照相制板或光刻腐蚀的方法， 制成适用于各种需要的形状。
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（4） 应变式加速度传感器
应变式加速度传感器结构示意图 1—等强度梁 2—质量块 3—壳体 4—电阻应变片
在低频（10~60Hz）振动测量中得到广泛的应用, 但不适用于频率较高的振动和冲击。
返返 回回
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• 电阻系列：60、120、200、350、500、1000Ω
电阻值大
可以加大应变片承受电压； 输出信号大； 敏感栅尺寸也增大。
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（二）灵敏系数
k R / R
“标称灵敏系数”：应变片的灵敏系数Ｋ是通过抽样测 定得到的,产品包装上表明的“标称灵敏系数”是出厂