第四章 力敏传感器
R2 R3 R1R4 Rg ( R1 R2 )( R3 R4 ) R1R2 ( R3 R4 ) R3 R4 ( R1 R2 )
若检流计中没有电流流过，称电 桥处于平衡状态，此时，有
R2 R3 R1R4
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
4.1.2.2 金属应变片的分类
箔式应变片
利用光刻、腐蚀方法将电阻箔材在其绝缘基 底下制成各种图形 优点
• • • • • • 可制成任意形状以适应不同的测量要求 粘合面积大 粘结情况好，传递试件应变性能好 散热性能好，允许通过较大的工作电流 横向效应可以忽略 蠕变、机械滞后小，疲劳寿命高
关于温度误差的理解
应变片的正常工作流程
被测量变化——感知应变——电阻变化 电阻变化——应变——被测量变化
温度电阻关系引起温度误差形成示意
被测量未变——应变未变——电阻不应变化 温度变化直接导致电阻变化 电阻变化——认为是应变产生——认为被测量变化 温度引起的电阻变化被体现为了被测量的变化，形 成误差
4.1.2.2 金属应变片的分类
薄膜应变片
采用真空蒸发或真空沉积等方法将电阻材料 在基底上制成一层各种形式敏感栅而形成应 变片 应变片灵敏系数高 易实现工业化生产 温度误差较难控制
4.1.2.4 金属电阻应变片的参数
应变片电阻值（R0）
指未安装的应变片，在不受外力的情况下 ，于室温条件测定的电阻值，也称原始阻 值。 应变片电阻值趋于标准化
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传感器与检测技术
第4 章 力敏传感器
主要内容
应变式电阻传感器
金属电阻应变片
• 工作原理 • 温度误差及补偿
电阻应变片的测量电路 电阻应变式传感器的应用
压电式传感器
压电效应 压电式传感器的等效电路和测量电路 压电式传感器的应用
第4章 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 常见的力学量传感器类型
4.1.2 金属电阻应变片
4.1.2.1金属电阻应变片的结构
图 4-1金属电阻应变片结构
4.1.2.1 金属电阻应变片的结构
4.1.2.2 金属应变片的分类
丝式应变片
用金属丝构成敏感栅粘结在各种绝缘基底上构成 回线式应变片
• 电阻丝绕制 • 存在横向效应
短接式应变片
• • • • 电阻丝焊接 克服横向效应 焊点多，容易出现疲劳破坏 制造工艺要求高
4.1.2.4 金属电阻应变片的参数
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
将温度变化t时的电阻变化折合成应变，则 Rt / R0 t t K K K为应变片的灵敏系数
4.1.2.5 金属电阻应变片的温度误差及其补偿
试件材料与敏感栅材料的线膨胀系数不同， 使应变片产生附加应变
• 与材料的线膨胀系数相关 • 由于线膨胀系数不同，通过附加应变影响电阻 变化
4.1.2.5 金属电阻应变片的温度误差及其补偿
温度误差产生原因
温度变化引起应变片敏感栅电阻变化而产生 附加应变
• 与敏感栅材料的温度系数相关 • 直接影响电阻的变化，而不是通过应变作用 Rt R0 (1 t ) R0 R0t Rt Rt R0 R0t
• 局限性大，一种α 值的应变片只能在一种材料 上应用
金属应变片的温度补偿方法
双金属敏感栅自补偿应变片
• 利用两种材料的电阻温度系数不同（一个正， 一个负）的特性，通过串联的形式来达到温度 补偿的目的 • 这种方式主要是补偿温度系数带来的影响
4.1.3 半导体应变片
4.1.3.1 半导体应变片的分类和结构
金属丝几何尺寸 变化引起
金属的电阻应变效应小结
在受到轴向应力单独作用时金属丝的电阻相对变 化与轴向应变之间成线性关系 金属的电阻应变效应是金属应变片工作的基本原 理 金属丝材料的电阻应变效应以结构尺寸变化的影 响为主，很多时候电阻率变化带来的影响可以忽 略 金属应变片感受到的应变是整个敏感栅长度内各 处感受到应变的平均值 应变片的灵敏系数恒小于金属丝的灵敏系数
应变丝的伸长和膨胀量为：
lt1 l0 (1 丝 t ) l0 l0 丝 t
lt1 lt1 l0 l0 丝 t 试件的伸长和膨胀量为： lt 2 l0 (1 试 t ) l0 l0 试 t
lt 2 lt 2 l0 l0 试 t
F d’ F d F
ΔL
L
金属的电阻应变效应分析
当金属丝受到轴向力F而被拉伸（或压缩）时，其 L、A、ρ 均会发生变化，金属丝的电阻值随之发 生变化，电阻相对变化分别为：
ln R ln L ln A ln dR dL dA d R L A
因为
dA dr 2 A r
dV C V d dV dL dA C C C 1 2 x V A L
d
金属的电阻应变效应分析
于是
dR (1 2 ) x C (1 2 ) x (1 2 ) C (1 2 ) x R dR 金属丝几何尺寸 k s x 变化引起电阻率 R 的变化 k s (1 2 ) C (1 2 )
4.1.1 电阻应变片的种类
按敏感栅材料划分
金属应变片、半导体应变片
按基底材料划分
纸基、胶基、浸胶基、金属基应变片等
按工作温度划分
常温、中温、高温和低温应变片
按用途划分
一般用途和特殊用途应变片
4.1.2.3 金属应变片的工作原理
金属的电阻应变效应 L R A
按照材料类型分为P型硅应变片、N型硅应变片、 P-N互补型应变片；按照特性分为灵敏系数补偿 型应变片和非线性补偿应变片； 以材料的化学成分分为硅、锗、锑化铟、磷化嫁 、磷化铟等应变片； 按结构分类包括体型应变片、扩散型应变片和薄 膜型半导体应变计。
4.1.3.2 半导体应变片的工作原理
半导体材料的压阻效应 当半导体材料受到应力作用时，其晶 格间距就会发生变化，使得其电阻率 发生变化，这一现象称为压阻效应 半导体材料的电阻在外力作用下的相 对变化与金属相同，表达如下：
金属的电阻应变效应分析
金属丝的轴向应变 金属丝的径向应变
dL x L
dr y r
金属丝受拉时，沿轴向伸长，而沿径向缩 短，二者之间的关系为
y x
( 为金属丝材料的泊松系数)
金属的电阻应变效应分析
则
dR d (1 2 ) x R
通过实验发现，金属材料的电阻率相对变化与其 体积变化之间有如下关系
简单、方便 但是在温度变化梯度 较大的条件下，很难 做到工作片与补偿片 处于温度完全一致的 情况，因而影响到补 偿效果
金属应变片的温度补偿方法
应变片自补偿法
利用温度自补偿应变片来实现温度补偿的方 法称为应变片自补偿法 选择式自补偿应变片
• 利用温度系数与线膨胀系数的关系来达到温度 自补偿的目的 t t ( 试 丝 )t 0 K K ( 试 丝 )
绝缘电阻
敏感栅与基底间的电阻值，一般应大于 10G。
4.1.2.4 金属电阻应变片的参数
灵敏系数（K）
指应变片安装于试件表面，在其轴线方向的 单向应力作用下，应变片的阻值相对变化与 试件表面上安装应变片区域的轴向应变之比 。 灵敏系数的准确性直接影响测量精度，其误 差大小是衡量应变片质量优劣的主要标志 灵敏系数要求尽量大而稳定
电阻应变式传感器 压电式传感器 电容式传感器 电感式传感器
4.1 应变式电阻传感器
电阻应变式传感器通常是一种由电阻应变片和弹 性敏感元件组合起来的传感器 常用于力、力矩、压力、位移、加速度等参数的 测量 弹性敏感元件是应变式电阻传感器中的敏感元件 ，能够直接感受被测量，然后将被测量的变化转 换为应力或者应变 电阻应变片是应变式电阻传感器中的转换元件， 它可以将应力或者应变转换为电阻的变化
4.1.2.5 金属电阻应变片的温度误差及其补偿
由上面的两种情况而引起总电阻变化为
Rt Rt Rt R0t R0 K ( 试 丝 )t
总附加虚假应变量为
Rt / R0 t t ( 试 丝 )t K K
由温度变化引起 的电阻变化折合 为应变 由温度变化和线膨 胀系数不同而引起 的附加应变
4.1.4 电阻应变片的测量电路
应变片把应变转换为电阻的变化并没有达 到测量的最终目的，还需把这个电阻的变 化再转化为电压或电流的变化，以便显示 与记录应变的大小。 能完成上述作用的电路称为电阻应变式传 感器的信号调节电路 通常采用测量电桥来作为应变计的信号调 节电路
电桥的工作原理
电桥电路中，检流计流过的电流 可表达如下:
关于温度误差的理解
线膨胀系数不同导致温度误差的示意
被测量不变——应变不变——电阻不变 线膨胀系数不同，温度变化产生附加应变 被测量不变——附加应变产生——电阻变化 电阻变化——应变变化——被测量变化 附加应变被体现为了被测量的变化，形成误差
金属应变片的温理解
温度误差是由于温度变化引起的 这里讨论的温度误差的形成并不是因为温 度变化引起传感器被测量的变化，而是在 认为传感器感知的被测量并没有真正变化 时，由于传感器输出端的变化被折合为被 测量的变化
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。
第四章力敏材料与力传感器,
R R
Kx
2-1
K—电阻应变片的灵敏度
3. 测量电路——不平衡电桥
Uo
Ui 4
( R1 R1
R2 R2
R3 R3
R4 R4
)
2-3
由于 R R K
∴
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。
Uo
Ui 4
K (1
2
3
4)
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：
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。
1
00 103 2 10
4章-力
图3-16 应变式加速度传感器
几种应变式传感器外形
几种应变式传感器外形
二、了解应变片的应用
—— 模拟电子称实验电路
电子称是将转换成电信号的称重传感器。电子台秤不仅 能快速、准确地称出商品的重量，用数码显示出来，而且具 有计算器的功能，使用起来更加方便。下面的实验为模拟电 子称实验。 一、实验目的 1、了解电阻应变式传感器的基本结构。 2、掌握电阻应变式传感器的使用方法。 3、掌握电阻应变式传感器测量电路的调试方法。
弹性敏感元件的输入量与输出量之间的关系称 为弹性敏感元件的基本特性。弹性敏感元件的基本 特性包括刚度、灵敏度、弹性滞后和弹性后效等。 （1）刚度 刚度是使弹性敏感元件产生单位变形所需要的 外部作用力。(或压力)其表达式为
（2）灵敏度
灵敏度是刚度的倒数，它表示弹性敏感元件 在承受单位输入量(力、压力等)时所产生的变形 大小，一般用K表示，即
[技能要点]
学会识别一般的电阻应变式传感器、压电式 传感器，了解电阻应变式传感器和压电式传感器 的基本结构和材料，通过实验掌握电阻应变式传 感器的使用方法，掌握电阻应变式传感器测量电 路的调试方法。
[知识要点] 了解电阻应变式传感器、压电式传感器的基本 结构、材料，掌握直流电桥的平衡条件及电压灵敏 度，熟悉电阻应变片的温度补偿方法。学习电阻应 变式、压电式传感器在相关领域的应用。
1、应变效应 电阻应变片的工作原理是基于应变效应，即 导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械形 变时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为 “应变效应”。 由电工学可知，金属丝电阻R可用下式表示：
（3－1） 式中 ρ──电阻率，Ω·m； l──电阻丝长度，m； A──电阻丝截面积，m2。
当沿金属丝的长度方向施加均匀力时，上式中ρ 、r、l 都将发生变化，导致电阻值发生变化。即得 到以下结论：金属丝受外力作用而伸长时，长度增 加，而截面积减少，电阻值会增大；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 会减小。阻值变化通常较小。
力敏传感器的原理及应用
力敏传感器的原理及应用引言力敏传感器是一种能够测量并转换物体施加在其上的力的传感器。
它通过将受力物体的压力或应变转化为可测量的电信号，实现对力的测量和监控。
力敏传感器在许多领域具有广泛的应用，如工业自动化、机械设备、医疗领域等。
本文将介绍力敏传感器的工作原理以及其在各个领域的应用。
原理力敏传感器的工作原理基于应变表效应。
应变表是一种压敏传感器，它由电阻片或导线网格构成。
当力施加在力敏传感器上时，所受力的压力引起传感器中的应变，导致应变表发生形变。
应变表中的电阻随着应变的变化而发生改变，从而改变电阻值。
这个电阻值的变化通过电桥电路检测和测量，最终转换为电信号输出。
应用力敏传感器在许多领域都有广泛的应用，以下是一些常见的应用示例：1.工业自动化–力敏传感器可用于监测和控制机器人和自动化设备的力度和压力。
例如，在装配线上，力敏传感器可用于测量组装件的压力以确保正确的安装。
–在物流领域，力敏传感器可用于检测货物在传送带上的重量和压力，以实现自动分拣和包装。
2.机械设备–力敏传感器可用于监测和控制机械设备中的力度和扭矩。
例如，在一个工厂中，力敏传感器可用于监测机械装置的压力和力矩，以确保机器正常运行。
–在汽车工业中，力敏传感器可用于测量刹车和转向系统中的压力和力度，以实现精确的操控和安全性能。
3.医疗应用–在医疗领域，力敏传感器可用于监测和控制医疗设备的力度和压力。
例如，在手术中，力敏传感器可用于测量手术器械施加的力度和压力，以确保手术的准确性和安全性。
–在假肢领域，力敏传感器可用于检测假肢与残肢之间的力度和压力，以实现更加舒适和自然的运动。
优势力敏传感器相比其他传感器具有一些独特的优势：•灵敏度高：力敏传感器能够非常敏感地探测和测量微小的力度和压力变化。
•可靠性高：力敏传感器通常具有较长的使用寿命，并能够在恶劣的环境条件下正常工作。
•成本低：力敏传感器的制造成本相对较低，可以大规模应用于各个领域。
•多功能性：力敏传感器可用于测量不同类型的力，如压力、拉力和扭矩等。
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。
力敏传感器
液体表面张力系数的测定液体的表面张力是表征液体性质的一个重要参数．测量液体的表面张力系数有多种方法，拉脱法是测量液体表面张力系数常用的方法之一．该方法的特点是，用秤量仪器直接测量液体的表面张力，测量方法直观，概念清楚．用拉脱法测量液体表面张力，对测量力的仪器要求较高，由于用拉脱法测量液体表面的张力约在1×10-3～1×10-2 N之间，因此需要有一种量程范围较小，灵敏度高，且稳定性好的测量力的仪器．近年来，新发展的硅压阻式力敏传感器张力测定仪正好能满足测量液体表面张力的需要，它比传统的焦利秤、扭秤等灵敏度高，稳定性好，且可数字信号显示，利于计算机实时测量，为了能对各类液体的表面张力系数的不同有深刻的理解，在对水进行测量以后，再对不同浓度的酒精溶液进行测量，这样可以明显观察到表面张力系数随液体浓度的变化而变化的现象，从而对这个概念加深理解。
[实验目的]1．用拉脱法测量室温下液体的表面张力系数2．学习力敏传感器的定标方法[实验原理]测量一个已知周长的金属片从待测液体表面脱离时需要的力，求得该液体表面张力系数的实验方法称为拉脱法．若金属片为环状吊片时，考虑一级近似，可以认为脱离力为表面张力系数乘上脱离表面的周长，即F=α·π(D1十D2) （1）式中，F为脱离力，D1，D2分别为圆环的外径和内径，α为液体的表面张力系数．硅压阻式力敏传感器由弹性梁和贴在梁上的传感器芯片组成，其中芯片由四个硅扩散电阻集成一个非平衡电桥，当外界压力作用于金属梁时，在压力作用下，电桥失去平衡，此时将有电压信号输出，输出电压大小与所加外力成正此，即△U=KF （2）式中，F为外力的大小，K为硅压阻式力敏传感器的灵敏度，△U为传感器输出电压的大小。
[实验装置]1.结构图图1 结构图1、水平调节螺丝2、升降螺丝3、玻璃器皿4、吊环5、力敏传感器6、支架7、固定螺丝8、航空插头9、底座 10、数字电压表 11、调零图2为实验装置图,其中,液体表面张力测定仪包括硅扩散电阻非平衡电桥的电源和测量电桥失去平衡时输出电压大小的数字电压表．其他装置包括铁架台,微调升降台,装有力敏传感器的固定杆,盛液体的玻璃皿和圆环形吊片,实验证明,当环的直径在3cm附近而液体和金属环接触的接触角近似为零时.运用公式(1)测量各种液体的表面张力系数的结果较为正确。
力敏传感器的原理
力敏传感器的原理力敏传感器是一种广泛应用于工业自动化、机器人、医疗设备等领域的传感器，用于测量和感知物体施加在其上的力的大小。
它基于材料的力学特性以及与物体接触的感知技术，可以精确地测量静态或动态的力，并将其转化为电信号输出。
力敏传感器的原理主要分为两种类型：压电式和变阻式力敏传感器。
1. 压电式力敏传感器压电式力敏传感器利用压电效应来实现力的测量。
压电效应是指某些晶体材料在受到机械应力时会产生电荷或电位变化的现象。
压电材料通常是由特殊晶体或陶瓷制成，如石英、锆酸钛等。
在压电式力敏传感器中，压电材料被安置在传感器的接触面上。
当外界力作用在传感器上时，力会通过接触面传递给压电材料。
由于压电效应，压电材料内部的电荷或电位会发生变化，这种变化可以通过感应电极捕捉到，并转化为电信号输出。
2. 变阻式力敏传感器变阻式力敏传感器则利用材料的电阻随受力变化的特性来实现力的测量。
在变阻式力敏传感器中，通常采用应变测量电阻（strain gauge）来感知受力。
应变测量电阻是一种以金属导线或薄膜材料制成的电阻，其电阻值会随着受力的变化而发生变化。
通常，应变测量电阻被粘贴或粘合在传感器的应变区域上，当外界力作用于传感器时，应变区域发生形变，从而导致应变测量电阻的电阻值发生变化。
为了测量电阻值的变化，变阻式力敏传感器通常需要一个电桥电路。
电桥电路由多个电阻组成，其中一个电阻为应变测量电阻，其余的为补偿电阻和标定电阻。
当外界力施加在传感器上时，应变测量电阻的电阻值发生变化，这会引起电桥电路不平衡，进而产生微小的电压差。
这个电压差可以通过电桥电路中的放大器放大，并转化为可供读取和处理的模拟电信号或数字信号输出。
总结起来，力敏传感器的原理主要包括压电效应和应变测量电阻。
压电式力敏传感器利用压电效应将受力转化为电荷或电位变化，并输出相应的电信号；而变阻式力敏传感器则利用应变测量电阻的电阻值随受力变化的特性，通过电桥电路将变化转化为电压差输出。
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
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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