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1、课题一 力敏传感器的工作原理与分类,任务目标 掌握电阻应变式力敏传感器的工作原理；掌握电感应变式力敏传感器的工作原理；了解电阻应变式和电感应变式力敏传感器之间的区别。,一、力敏传感器概述,力敏传感器，顾名思义就是能对各种力或能转化为力的物理量产生反应，并能将其转变为电参数的装置或元件。很显然，要成为真正实用意义上的力敏传感器，这个由力转化为电参数的过程最好能成线性关系。根据由力至电参数转变的方式不同，力敏传感器一般有电阻应变式传感器、电位计式传感器、电感式传感器、压电式传感器、电容式传感器等，它们也可用来测量力值。,二、电阻应变式传感器,电阻应变式传感器是目前工程测力传感器中应用最普遍的一种传
2、感器，它测量精度高，范围广，频率响应特性较好，结构简单，尺寸小，易实现小型化，并能在高温、强磁场等恶劣环境下使用，并且工艺性好，价格低廉。它主要应用在力作用下，将材料应变转变为电阻值的变化，从而实现力值的测量。组成电阻应变片的材料一般为金属或半导体材料。,1电阻应变式传感器工作原理,（1）应变效应由物理学可知，电阻丝的电阻R与电阻丝的电阻率、导体长度及截面积存在如下关系,（2-1）,图2-1 电阻丝应变效应,（2）电阻应变式传感器的结构及特性,金属电阻应变片分为金属丝式和金属箔式两种。金属丝式电阻应变片。金属丝式电阻应变片的基本结构图如图2-2所示。由敏感栅1、基底2和盖层3、引线4和黏结剂几
3、个基本部分组成。,图2-2 金属丝式电阻应变片的基本结构图,金属箔式应变片。如图2-3所示，它与金属丝式电阻应变片相比，有如下优点：用光刻技术能制成各种复杂形状的敏感栅；横向效应小；散热性好，允许通过较大电流，可提高相匹配的电桥电压，从而提高输出灵敏度；疲劳寿命长，蠕变小；生产效率高。但是，制造箔式应变片的电阻值的分散性要比丝式应变片的大，有的能相差几十欧姆，需要调整阻值。金属箔式应变片因其一系列优点而将逐渐取代丝式应变片，并占主要地位。,（a）箔式单向应变片（b）箔式转矩应变片（c）箔式压力应变片（d）箔式花状应变片,图2-3 各种箔式应变片,2电阻应变片传感器基本应用电路,将电阻应变片粘贴
4、于待测构件上，应变片电阻将随构件应变而改变，将应变片电阻接入相应的电路中，使其转化为电流或电压输出，即可测出力值。通常将应变片接入电桥来实现电阻至电压或电流的转换。根据电桥电源不同，又分直流电桥和交流电桥。这里主要介绍直流电桥。图2-4所示为一直流电桥，计算可知,（2-2）,若使此电桥平衡，即，只要。一般我们取 即可实现。现将 换成电阻应变片，即组成半桥单臂电桥，随构件产生应变造成传感器电阻变化时，式（2-2）变成,（2-3）,一般，可忽略，由此可得,可见，输出电压与电阻变化率成线性关系，也即和应变成线性关系，由此即可测出力值，由式（2-3）可得半桥单臂工作输出的电压灵敏度,（2-4）,为了提
5、高输出电压灵敏度，可以采用半桥双臂或全桥电路，如图2-5所示。图2-5（a）为半桥双臂，图2-5（b）为全桥电路。,（a）半桥双臂（b）全桥电路,图2-5 直流电桥的连接方式,对于半桥双臂,（2-5）,全桥,（2-6）,即半桥双臂可使电压灵敏度比半桥单臂提高一倍，而全桥电路电压灵敏度又比半桥双臂电压灵敏度提高一倍。可见，利用全桥，并提高供电电压E，可提高灵敏度系数。,3.温度误差及其补偿,用作测量应变的金属应变片，希望其阻值仅随应变变化，而不受其它因素的影响。实际上应变片的阻值受环境温度(包括被测试件的温度)影响很大。由于环境温度变化引起的电阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，
6、从而产生很大的测量误差，称为应变片的温度误差，又称热输出。因环境温度改变而引起电阻变化的两个主要因素：应变片的电阻丝(敏感栅)具有一定温度系数；电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。,（1）温度误差,（2）温度补偿,一般采用桥路补偿法、应变片补偿法或热敏电阻补偿法。,所谓桥路补偿法，如图2-4所示，当ab间接入应变片传感器，bc间也接入同样的应变片，但bc间接入的应变片不受构件应变力的作用，将它用同样的方法粘贴在与ab间应变片所贴构件材料相同的材料上，并与ab间应变片处于同一温度场中，这样ab、bc间应变片的阻温效应相同，电阻的变化量 也相同，由电桥理论可知，它们起了互相抵消作用，对输出电压没
7、有影响。,应变片补偿法分自补偿和互补偿两种。自补偿法的原理是合理选择应变片阻温系数及线膨胀系数，使之与被测构件线膨胀系数匹配，使应变片温度变化时，由热造成的输出值为0。应变片互补偿法的原理是检测用的应变片敏感栅由两种材料组成，在温度变化时，它们的阻值变化量 相同，但符号相反，这样就可抵消由于温度变化而造成传感器误输出。使用中要注意选配敏感栅电阻丝材料。,热敏电阻补偿法如图2-6所示，图中R5为分流电阻，Rt为NTC热敏电阻，使Rt与应变式传感器处在同一温度场中，适当调整R5值，可使 与Uab的乘积不变，热输出为零。,图2-6 热敏电阻补偿法,电阻应变式传感器广泛应用在测力及可以转化为力值的量（
8、如加速度等）。,图2-8 应变式加速度传感器原理图,加速度传感器就是将被测加速度 通过一个悬臂梁将力 转化成应变片的应力，从而达到测量加速度 的目的。,三、电感式传感器,1工作原理电感式传感器是利用线圈自感或互感的变化来实现测量的一种装置，可以用来测量位移、振动、压力、流量、重量、力矩和应变等多种物理量。电感式传感器的核心部分是可变自感或可变互感，在被测量转换成线圈自感或互感的变化时，一般要利用磁场作为媒介或利用铁磁体的某些现象。这类传感器的主要特征是具有绕组。,2优点和缺点（1）优点结构简单可靠，输出功率大，抗干扰能力强，对工作环境要求不高，分辨力较高（如在测量长度时一般可达0.1mm），示
9、值误差一般为示值范围的0.1%0.5%，稳定性好。（2）缺点频率响应低，不宜用于快速动态测量。一般来说，电感式传感器的分辨力和示值误差与示值范围有关。示值范围大时，分辨力和示值精度将相应降低。,3种类电感式传感器种类很多，有利用自感原理的自感式传感器（通常称电感式传感器），有利用互感原理的差动变压器式传感器。此外，还有利用涡流原理的涡流式传感器，利用压磁原理的压磁式传感器和利用互感原理的感应同步器等。,下面简单介绍其中一种较为常见的传感器：变压器式传感器。变压器式传感器工作原理：变压器式传感器是将非电量转换为线圈间互感的一种磁电动机构，很像变压器的工作原理，因此常称其为变压器式传感器。这种传感
10、器多采用差动形式。,图2-9 气隙型差动变压器式传感器,当没有非电量输入时，衔铁C与铁心A、B的间隔相同，则绕组W1a和W2a间的互感ma与绕组W1b和W2b间的互感mb相等。,当衔铁的位置改变时，则ma不等于mb，ma和mb的差值即可反映被测量值的大小。,为反映差值互感，将两个一次绕组的同名端顺向串联，并施加交流电压u，二次绕组的同名端反向串联，同时测量串联后的合成电动势e2为：e2=e2a-e2b（e2值的大小取决于被测位移的大小，e2的方向取决于位移的方向。）,图2-10 截面积型差动变压器式传感器,图2-10所示为改变气隙有效截面积型差动变压器式传感器，输入非电量为角位移。它是一个山字
11、形铁芯A上绕有三个绕组，,衔铁B以O点为轴转动，衔铁B转动时由于改变了铁芯与衔铁间磁路上的垂直有效截面积s，也就改变了绕组间的互感，使其中一个互感增大，另一个互感减小，因此两个二次绕组中的感应电动势也随之改变。,将绕组w2a和w2b反相串联并测量合成电动势e2，就可以判断出非电量的大小及方向。,一般来说，较小位移量的测量采用差动变压器，图2-11列出其应用实例。图2-11（a）为测物体重量的电子秤，用差动变压器把弹簧的位移变为电信号，换算为重量即可；图2-11（b）为偏心测量仪，以起始点作为基准，用正负量来显示转体的偏心程度。,（a）电子秤（b）偏心测量仪,图2-11 差动变压器应用实例,为了测量列车运行的速度和加速度的大小，可采用如图所示的装置，它是由一块安装在列车头底部的强磁体和埋设在轨道地面的一组线圈及电流测量仪组成的（测量仪未画出）。当列车经过线圈上方时，线圈中产生的电流被记录下来，就能求出列车在各位置的速度和加速度。,阶段小结 力敏传感器是将动态或静态力的大小转换成便于测量的电量的装置。本模块介绍了电阻应变式传感器，其将外力转化成电阻值的变化，再利用电桥电路检测出电阻值的变化值，从而得出对应的力变化量。还讲述了电感式传感器，其将外力引起的微小位移量转化成电感参数的变化，从而得出相应力的变化量。如位移量很小，可采用差动变压器来放大信号的方式，以提高传感器的灵敏度。,
