力敏传感器的工作原理与分类-完整版
第七章力敏传感器
Company Logo
电容式应变传感器
消灭寄生电容
⑴．驱动电缆法 它实际上是一种等电位屏蔽 法。如图所示：在电容传感器与 测量电路的前置级之间采用双层 屏蔽电缆，并接入增益为1的驱 动放大器。
驱动电缆法原理图
该方法的难处是，要在很宽的 频带上严格实现放大倍数等于1， 且输出与输入的相移为零。
Company Logo
Company Logo
压电传感器
压电效应图 (a)正压电效应；(b)压电效应的可逆性
Company Logo
压电传感器
压电材料 1、压电晶体(SiO2)
目前传感器中使用的均 是以居里点为573℃，晶体 的结构为六角晶系的α-石 英。 石英晶体不是在任何方向上都存在压电效应 压电晶体的正压电效应和逆压电效应是对应存 在的，哪个方向上有正压电效应，则在此方向上 必定存在逆压电效应，而且力-电之间呈线性关系。
Company Logo
压电传感器
2、压电陶瓷
压电陶瓷是人工多晶铁电体，原始的压电陶瓷呈现各 向同性不具有压电性，因此，必须作极化处理，即在一定 温度下对其施加强直流电场，迫使电畴趋向外电场方向作 规则排列；极化电场去除后，趋向电畴基本保持不变，形 成很强的剩余极化，从而呈现出压电性。
Company Logo
Company Logo
电阻式应变传感器 四、电阻应变计的应用 1、应变计的选用 （1）选择类型——使用目的、要求、对象、环境等 （2）材料考虑——使用温度、时间、最大应变量及精度 （3）阻值选择——根据测量电路和仪器选定标称电阻 （4）尺寸考虑——试件表面、应力分布、粘贴面积 （5）其他考虑——特殊用途、恶劣环境、高精度
电容式应变传感器 ⑵.整体屏蔽法 所谓整体屏蔽是将整 个电桥(包括电源、电缆 等)统一屏蔽起来；其关 键在于正确选取接地点。 ⑶.采用组合式与集成技术 一种方法是将测量电路的前置级或全部装在紧靠传感 器处，缩短电缆；另一种方法是采用超小型大规模集成 电路，将全部测量电路组合在传感器壳体内；更进一步 就是利用集成工艺，将传感器与调理等电路集成于同一 芯片，构成集成电容式传感器。
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。
第四章 力敏传感器解析
4.1.4. 电阻应变片的测量电路 ❖4.1.4.4 直流电桥电路 ❖① 直流电桥平衡条件
图 4-6直流电桥电路
4.1.4. 电阻应变片的测量电路 ❖② 电压灵敏度
电桥电压灵敏度
4.1.4. 电阻应变片的测量电路
❖a) 电桥的电压灵敏度正比于电桥电源电压。电源 电压愈高，电压灵敏度愈高。但是，电源电压的 提高，受到两方面的限制：一是应变片的允许温 升，即应变片的允许功耗；二是应变片电阻的温 度误差。所以，电源电压应适当选择，一般取1～ 3V。
(a，b)可变电阻调节
(c，d)电容调节
图 4-11交流电桥平衡调节电路
4.1.5 电阻应变式传感器应用
❖1，应变式力传感器 ❖2，应变式压力传感器 ❖3，应变式加速度传感器
4.1.5 电阻应变式传感器应用 ❖① 柱（筒）式力传感器
图 4-12柱（筒）式力传感器
4.1.5 电阻应变式传感器应用
的。实际在应用时，环境（工作）温度经常会发
生变化，使应变片上的条件改变，影响其输出特 性。这种单纯由温度变化引起的应变片电阻值变 化的现象，称为温度效应。
❖设环境引起的构件温度变化为 时，粘贴在试件表 面的应变片敏感栅材料的电阻温度系数为 ，则应 变片产生的电阻相对变化为
❖
（4-7）
❖ 同时，由于敏感栅材料和被测构件材料两者的线 膨胀系数不同，当 存在时，引起应变片的附加应 变。其值为
式中 ---电阻的相对变化；
---电阻率的相对变化； ---金属丝长度相对变化,用 表示， 为金属丝长度方向的应变或轴向应变
---截面积的相对变化，因为， ；r为金属丝的半径，
则
为金属丝半径的相对变，即径向
应变 。
4.1.2 金属电阻应变片
力敏传感器 ppt课件
返回
上一页
下一页
2020/12/27
20
（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 时测定该批产品的平均灵敏系数值。
电阻应变片的灵敏系数k < 电阻丝的灵敏系数k0 粘结层传递变形失真
原因： 还存在有横向效应
返回
上一页
输出电压：
R4 R1
UO
(1 R2 R1
R3 R1
R1 R1
)1
R4 R3
R1
电桥灵敏度定义为:
ku
UO R1 / R1
ku
n
1 n2
U
2020/12/27
27
当n =1 时，得
ku
U 4
UO
U 4
R1 R1
2020/12/27
28
(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
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。
2020/12/27
23
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
返回
上一页
下一页
2020/12/27
24
(1) 直流电桥
直流电桥的工作原理
I L U R L ( R 1 R 2 )R 3 ( R 4 ) R 1 R R 1 4 R - 2 R ( 2 R R 3 3 R 4 ) R 3 R 4 ( R 1 R 2 )
2020/12/27
7
2020/12/27
第3章力敏传感器
三、金属应变片的参数
机械滞后
对粘贴的应变片，在温度一定时，增加和减 少机械应变过程中同一机械应变量下指示应 变的最大差值
零漂
指已粘贴好的应变片，在温度一定和无机械 应变时，指示应变随时间的变化
蠕变
已粘贴好的应变片在温度一定并承受一定的 机械应变时，指示应变值随时间的变化
3.1.2 半导体应变片
传感器原理
第三章 力/压力敏传感器
第三章 力/压力敏传感器
主要内容： 电阻应变计
金属应变计 半导体应变计 应变计的测量原理和测量线路 电阻应变式传感器的应用
压电式力传感器
压电式传感器的基本原理 压电传感器的等效电路与测量线路 压电式传感器的应用
第三章 力/压力敏传感器
力/压力敏传感器可用于测量位移、加速 度、力、力矩、压力等各种参数，由于 它们都与机械应力有关，这类传感器常 被称为力学量传感器
若检流计中没有电流流过，称电桥 处于平衡状态，此时，有
R2R3R1R4
根据电桥是否处于平衡状态，使用 电桥的方法可分为平衡电桥和非平 衡电桥
平衡电桥的工作原理
平衡电桥多用直流供电 常用零示法获取电阻的改变量 图示R3和R4称为比例臂，R2称
为调节臂 测量前和测量时需作两次平衡 平衡电桥多用于静态测量 零示法的要点：图中1和2点具有
相等的电位
一、直流电压源单臂电桥
电桥电路中，R2为应变片 电桥输出电压为
VoE(R1R 2R2R3R 4R4)
初始时，电桥应处于平衡状态
R2R3 R1R4 R1 R3 n R2 R4
(n为桥臂比）
一、直流电压源单臂电桥
当应变片R2受到应变时，电阻 的变化为△R2，则电桥的输出 电压为
力敏传感器
3、主要特性
（1） 灵敏度系数 金属应变丝的电阻相对变化与它所感受的应变之间具有 线性关系，用灵敏度系数KS 表示。当金属丝做成应变片 后，其电阻—应变特性，与金属单丝情况不同。因此， 须用实验方法对应变片的电阻—应变特性重新测定。实 验表明，金属应变片的电阻相对变化与应变 ε在很宽的范 围内均为线性关系。即
令 则
Ky
( n 1)r KS 2L
Kx
2nl (n 1)r KS 2L
R K x K y r R
可见，敏感栅电阻的相对变化分别是ε和εr作用的结果。 横向灵敏系数与轴向灵敏系数之比值，称为横向效 应系数H。 Ky n 1r H K x 2nl n 1r 由上式可见，r愈小，l愈大，则H愈小。即敏感栅越窄、 基长越长的应变片，其横向效应引起的误差越小。
（3） 机械滞后 应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加载 特性与卸载特性不重合，即为机械滞后。 产生原因：应变片在承受机械应变后，其内部会产生 残余变形，使敏感栅电阻发生少量不可逆变化；在制 造或粘贴应变片时，如果敏感栅受到不适当的变形或 者粘结剂固化不充分。
机械滞后值还与应变片所 承受的应变量有关，加载时的 机械应变愈大，卸载时的滞后 也愈大。所以，通常在实验之 前应将试件预先加、卸载若干 次，以减少因机械滞后所产生 的实验误差。
丝绕式应变片敏感栅半圆弧形部分dl2横向效应金属应变片由于敏感栅的两端为半圆弧形的横栅测量应变时构件的轴向应变使敏感栅电阻发生变化其横向应变也将使敏感栅半圆弧部分的电阻发生变化除了起作用外应变片的这种既受轴向应变影响又受横向应变影响而引起电阻变化的现象称为横向效应
第四章 力敏传感器
力敏传感器指对力学量敏感的虚假应变为
t R t K t e g t K R t
传感器的原理与分类
传感器的原理与分类传感器是一种能够将外部物理量或化学量转化为电信号输出的装置。
它广泛用于各个领域，如工业控制、医疗仪器、环境监测等。
本文将介绍传感器的原理与分类。
一、传感器的原理传感器的工作原理通常基于以下几种方法：1. 电阻变化原理：这种原理是利用物质的电阻与所测量的物理量之间的关系来实现测量。
例如，热敏电阻用于测量温度，压力敏感电阻用于测量压力。
2. 压电效应原理：压电传感器应用压电效应，当施加压力或振动时，某些晶体或陶瓷材料会产生电荷。
这种效应用于加速度计和声波传感器等。
3. 光电效应原理：通过测量光电效应来实现测量，如光电二极管、光敏电阻和光电二极管等。
光电传感器广泛用于光电编码器、光照度传感器等应用中。
4. 磁电效应原理：一些材料具有磁性，当施加外部磁场时会产生电压。
这种效应被应用于磁电传感器，例如磁力计和磁感应传感器。
二、传感器的分类根据测量的物理量类型和工作原理，传感器可以分为多种类型：1. 温度传感器：用于测量物体的温度变化，例如热敏电阻、热电偶和红外线传感器等。
2. 湿度传感器：用于测量空气中的湿度水分含量，例如湿度电容传感器和湿度电阻传感器。
3. 压力传感器：用于测量气体或液体的压力，常见的有压阻传感器、压电传感器和电容式传感器等。
4. 加速度传感器：用于测量物体的加速度和振动，例如MEMS加速度计和压电加速度计等。
5. 光传感器：用于测量光的强度、光照度或颜色等，常见的有光敏二极管、光电二极管和光电二极管等。
6. 气体传感器：用于检测空气中的气体浓度，例如气敏电阻传感器和气体电化学传感器等。
7. 生物传感器：用于检测生物体内的生理指标，例如心率传感器、血压传感器和葡萄糖传感器等。
8. 磁传感器：用于检测磁场的强度和方向，常见的有霍尔传感器、磁阻传感器和磁感应传感器等。
9. 接触式传感器：与被感测对象直接接触，例如压力传感器和力传感器等。
10. 非接触式传感器：无需与被感测对象直接接触，例如红外线传感器和超声波传感器等。
传感器工作原理
传感器工作原理传感器是一种能够感知和测量物理量，并将其转化为可供人们理解和利用的电信号或其他形式的信号的设备。
传感器在各个领域中起着至关重要的作用，如工业生产、医疗设备、环境监测等。
本文将详细介绍传感器的工作原理及其分类。
一、传感器的工作原理传感器的工作原理基于物理效应，通过感知和测量物理量来实现。
常见的传感器工作原理包括：1. 电阻变化原理：利用物质电阻随温度、压力、湿度等物理量的变化而发生变化的特性。
例如，温度传感器利用电阻与温度之间的关系来测量温度。
2. 压电效应原理：利用压电材料在受力时产生电荷的效应。
例如，压力传感器利用压电材料的变形来测量压力。
3. 光电效应原理：利用光电材料在光照射下产生电荷的效应。
例如，光敏电阻利用光照强度的变化来测量光照强度。
4. 磁敏效应原理：利用磁敏材料在磁场作用下产生电荷的效应。
例如，磁感应传感器利用磁敏材料的磁阻变化来测量磁场强度。
5. 声波传播原理：利用声波在介质中传播的特性。
例如，声波传感器利用声波的传播时间来测量距离。
二、传感器的分类传感器按照测量的物理量、工作原理和应用领域可以进行分类。
以下是常见的传感器分类：1. 温度传感器：用于测量温度变化，常见的温度传感器有热电偶、热敏电阻、红外线传感器等。
2. 压力传感器：用于测量气体或液体的压力变化，常见的压力传感器有压电传感器、电容传感器、压力传感膜等。
3. 湿度传感器：用于测量空气中的湿度变化，常见的湿度传感器有电容式湿度传感器、电阻式湿度传感器等。
4. 光照传感器：用于测量光照强度的变化，常见的光照传感器有光敏电阻、光电二极管、光电三极管等。
5. 加速度传感器：用于测量物体的加速度变化，常见的加速度传感器有压电加速度传感器、电容加速度传感器等。
6. 磁场传感器：用于测量磁场强度的变化，常见的磁场传感器有霍尔传感器、磁敏电阻等。
7. 气体传感器：用于测量气体浓度的变化，常见的气体传感器有气体电化学传感器、气体红外传感器等。