第3章 力傳感器

第3章力傳感器

3.1彈性敏感元器件

3.2電阻應(yīng)變片傳感器

3.3壓電傳感器

3.4電容式傳感器

3.5電感式傳感器

3.6加速度傳感器

3.7力傳感器應(yīng)用實(shí)例

3.8實(shí)訓(xùn)3.1彈性敏感元器件

力是物理基本量之一，因此各種動(dòng)態(tài)、靜態(tài)力的大小的測(cè)量十分重要。

力的測(cè)量需要通過(guò)力傳感器間接完成，力傳感器是將各種力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器件。力敏感元件轉(zhuǎn)換元件顯示設(shè)備F圖3-1力傳感器的測(cè)量示意圖彈性敏感元件把力或壓力轉(zhuǎn)換成了應(yīng)變或位移，然后再由傳感器將應(yīng)變或位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。彈性敏感元件是一個(gè)非常重要的傳感器部件，應(yīng)具有：良好的彈性、足夠的精度，長(zhǎng)期使用和溫度變化時(shí)的穩(wěn)定性。3.1.1彈性敏感元件的特性1.剛度剛度是彈性元件在外力作用下變形大小的量度。

2.靈敏度靈敏度是指彈性敏感元件在單位力作用下產(chǎn)生變形的大小。它是剛度的倒數(shù)。

3.彈性滯后實(shí)際的彈性元件在加載／卸載的正反行程中變形曲線是不重合的，這種現(xiàn)象稱(chēng)為彈性滯后現(xiàn)象,它會(huì)給測(cè)量帶來(lái)誤差。4.彈性后效

當(dāng)載荷從某一數(shù)值變化到另一數(shù)值時(shí),彈性元件變形不是立即完成相應(yīng)的變形，而是經(jīng)一定的時(shí)間間隔逐漸完成變形，這種現(xiàn)象稱(chēng)為彈性后效。5.固有振蕩頻率彈性敏感元件都有自己的固有振蕩頻率f0，它將影響傳感器的動(dòng)態(tài)特性。傳感器的工作頻率應(yīng)避開(kāi)彈性敏感元件的固有振蕩頻率。往往希望f0較高。3.1.2彈性敏感元件的分類(lèi)彈性敏感元件在形式上可分為兩大類(lèi)：變換力的彈性敏感元件。變換壓力的彈性敏感元件。1.變換力的彈性敏感元件如圖3-2所示。有：（1）等截面圓柱式（2）圓環(huán)式（3）等截面薄板式（4）懸臂梁式（5）扭轉(zhuǎn)軸圖3-2一些變換力的彈性敏感元件形狀2.變換壓力的彈性敏感元件（1）彈簧管圖3-3彈簧管的結(jié)構(gòu)（2）波紋管波紋管是有許多同心環(huán)狀皺紋的薄壁圓管。圖3-4波紋管的外形（3）波紋膜片和膜盒平膜片在壓力或力作用下位移量小，因而常把平膜片加工制成具有環(huán)狀同心波紋的圓形薄膜。

圖3-5波紋膜片波紋的形狀

（4）薄壁圓筒圓筒的壁厚一般小于圓筒直徑的二十分之一。薄壁圓筒彈性敏感元件的靈敏度取決于圓筒的半徑和壁厚，與圓筒長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。圖3-6薄壁圓筒彈性敏感元件的結(jié)構(gòu)3.2電阻應(yīng)變片傳感器電阻應(yīng)變片（簡(jiǎn)稱(chēng)應(yīng)變片）的作用是把導(dǎo)體的機(jī)械應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻應(yīng)變，以便進(jìn)一步電測(cè)。電阻應(yīng)變片的典型結(jié)構(gòu)如圖3-7所示。圖3-7金屬電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)3.2.1電阻應(yīng)變片工作原理電阻應(yīng)變片式傳感器是利用了金屬和半導(dǎo)體材料的“應(yīng)變效應(yīng)”。

金屬和半導(dǎo)體材料的電阻值隨它承受的機(jī)械變形大小而發(fā)生變化的現(xiàn)象就稱(chēng)為“應(yīng)變效應(yīng)”。圖3-8金屬電阻絲應(yīng)變效應(yīng)

設(shè)電阻絲長(zhǎng)度為L(zhǎng)，截面積為S，電阻率為ρ，則電阻值為

當(dāng)電阻絲受到拉力F時(shí)，一是受力后材料幾何尺寸L、S變化；二是受力后材料的電阻率ρ也發(fā)生了變化，則其阻值發(fā)生變化。3.2.2電阻應(yīng)變片的分類(lèi)

電阻應(yīng)變片主要分為金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩類(lèi)。

金屬電阻應(yīng)變片分體型和薄膜型。屬于體型的有電阻絲柵應(yīng)變片、箔式應(yīng)變片、應(yīng)變花等。

半導(dǎo)體應(yīng)變片是用鍺或硅等半導(dǎo)體材料作為敏感柵。a—絲繞式（u型）；b—短接式（H型）；c—箔式；d—半導(dǎo)體應(yīng)變式圖3-9應(yīng)變片的類(lèi)型

在平面力場(chǎng)中，為測(cè)量某一點(diǎn)上主應(yīng)力的大小和方向，常需測(cè)量該點(diǎn)上兩個(gè)或三個(gè)方向的應(yīng)變。

為此需要把兩個(gè)或三個(gè)應(yīng)變片逐個(gè)粘結(jié)成應(yīng)變花，或直接通過(guò)光刻技術(shù)制成。

應(yīng)變花分互成45°的直角形應(yīng)變花和互成60°的等角形應(yīng)變花兩種基本形式。a—絲式應(yīng)變花；b—箔式應(yīng)變花圖3-10應(yīng)變花的基本形式

3.2.3電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路

彈性元件表面的應(yīng)變傳遞給電阻應(yīng)變片敏感絲柵，使其電阻變化。測(cè)量出電阻變化，便可知應(yīng)變（被測(cè)量）大小。

圖3-11（a）、（b）為半橋測(cè)量電路

圖（a）中，無(wú)應(yīng)變時(shí)，R1=R2=R3=R4=R，則橋路輸出電壓為a-半橋式(單臂工作);b-半橋式(雙臂工作);c-全橋式(雙臂工作);d-全橋式(四臂工作)

圖3-11基本測(cè)量電路

有應(yīng)變時(shí)，代入

由可得

在圖（b）中，R1、R2均為相同應(yīng)變測(cè)量片，又互為補(bǔ)償片。

有應(yīng)變時(shí)，一片受拉，另

一片受壓，此時(shí)阻值為R1+ΔR1和R2-ΔR2，按上述同樣的方法，可以計(jì)算輸出電壓為

在圖（c）中，R1、R3為相同應(yīng)變測(cè)量片，有應(yīng)變時(shí)，兩片同時(shí)受拉或同時(shí)受壓。R2、R4為補(bǔ)償片。可以計(jì)算輸出電壓為

圖（d）是四個(gè)橋臂均為測(cè)量片的電路，且互為補(bǔ)償，有應(yīng)變時(shí)，必須使相鄰兩個(gè)橋臂上的應(yīng)變片一個(gè)受拉，另一個(gè)受壓。可以計(jì)算輸出電壓為

3.3壓電傳感器某些晶體，受一定方向外力作用而發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，相應(yīng)地在一定的晶體表面產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，外力去掉后，電荷消失；

力的方向改變時(shí)，電荷的符號(hào)也隨之改變。

這種現(xiàn)象稱(chēng)為壓電效應(yīng)或正壓電效應(yīng)。

當(dāng)晶體帶電或處于電場(chǎng)中時(shí)，晶體的體積將產(chǎn)生伸長(zhǎng)或縮短的變化。

這種現(xiàn)象稱(chēng)為電致伸縮效應(yīng)或逆壓電效應(yīng)。

3.3.1石英晶體的壓電效應(yīng)

石英晶體成正六邊形棱柱體。a—石英晶體結(jié)構(gòu)；b、c、d、e—壓電效應(yīng)示意圖

圖3-12石英晶體結(jié)構(gòu)及壓電效應(yīng)

晶體沿軸線切下的薄片稱(chēng)“晶體切片”。

圖3-13所示是垂直于電軸Ｘ切割的石英片，在與Ｘ軸垂直的兩面覆以金屬。

沿Ｘ方向施加作用力Ｆx時(shí)，在與電軸垂直的表面上產(chǎn)生電荷Ｑxx為

在覆以金屬極面間產(chǎn)生的電壓為

圖3-13垂直于電軸X切割的石英晶體切片

如果在同一切片上，沿機(jī)械軸Y方向施加作用力Fy時(shí)，則在與X軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷為

d12為石英晶體的橫向壓電系數(shù)。由石英晶體的軸對(duì)稱(chēng)條件得d12=-d11,所以

產(chǎn)生電壓為

3.3.2壓電陶瓷的壓電效應(yīng)

壓電陶瓷具有鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)類(lèi)似的電疇結(jié)構(gòu)。

當(dāng)壓電陶瓷極化處理后，陶瓷材料內(nèi)部存有很強(qiáng)的剩余場(chǎng)極化。

當(dāng)陶瓷材料受到外力作用時(shí)，電疇的界限發(fā)生移動(dòng)，引起極化強(qiáng)度變化，產(chǎn)生了壓電效應(yīng)。

具有非常高的壓電系數(shù)，約為石英晶體的幾百倍，但機(jī)械強(qiáng)度較石英晶體差。a—Z向施力；b—X向施力

圖3-14壓電陶瓷的壓電效應(yīng)

當(dāng)壓電陶瓷在極化面上受到沿極化方向（Z向）的作用力Fz時(shí)（作用力垂直于極化面）。則在兩個(gè)鍍銀（或金）的極化面上分別出現(xiàn)正負(fù)電荷，電荷量Qzz與力Fz成比例，即：

dzz為壓電陶瓷的縱向壓電系數(shù)。輸出電壓為

當(dāng)沿X軸方向施加作用力Fx時(shí)，在鍍銀極化面上產(chǎn)生電荷Qzx為

同理

dz1、dz2是壓電陶瓷在橫向力作用時(shí)的壓電系數(shù)，且均為負(fù)值；電荷除以壓電陶瓷片電容Cz可得電壓輸出。

3.3.3壓電元器件的串聯(lián)和并聯(lián)

(a)并聯(lián)(b)串聯(lián)圖3-15壓電元器件的串聯(lián)與并聯(lián)

3.3.4壓電測(cè)力傳感器結(jié)構(gòu)

通常為荷重墊圈式。圖3-16所示為YDS-781型壓電式單向傳感器結(jié)構(gòu)，它由

底座、傳力上蓋、片式電極、石英晶片、絕緣件及電極引出插座等組成。

當(dāng)外力作用時(shí)，

上蓋將力傳遞到石英晶片，石英晶片實(shí)現(xiàn)力—電轉(zhuǎn)換。

電信號(hào)由電極傳送到插座后輸出。1-傳力上蓋；2-壓電片；3-片式電極；4-電極引出插頭；5-絕緣材料；6-底座圖3-16YDS-781型壓電式單向力傳感器結(jié)構(gòu)3.3.5單片集成硅壓力傳感器

采用單晶硅晶體制成，英文縮寫(xiě)為ISP（integratedsiliconpressure）。

其內(nèi)部除傳感器單元外，還有信號(hào)放大、溫度補(bǔ)償和壓力修正電路。

美國(guó)Motorola公司生產(chǎn)的單片集成硅壓力傳感器，有MPX2100、MPX4100A、MPX5100和MPX5700等型號(hào)。圖3-17MPX4100A封裝形式MPX4100A測(cè)量壓力范圍為15～115kPa，溫度補(bǔ)償范圍為－40～＋125℃。MPX4100A有多種封裝形式。6個(gè)引腳從左到右依次為輸出端（UO）、公共地（GND）、電源（US），其余為空腳。

內(nèi)部電路由3個(gè)部分組成，如圖3-18所示。圖3-18MPX4100A電路組成單晶硅壓電傳感器單元如圖3-19所示。

當(dāng)它受到垂直方向上的壓力p時(shí)，該壓力進(jìn)入熱塑殼體，作用于單晶硅壓電傳感器管芯，與密封真空室的參考?jí)毫ο啾容^，使輸出電壓大小與壓力p成正比，為UO＝US（0.01059p－0.01518±αpγ）

經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，可由微處理器計(jì)算出被測(cè)壓力值。圖3-19MPX4100A型集成硅壓力傳感器結(jié)構(gòu)

3.4電容式傳感器

當(dāng)S、d或ε改變，則電容量c也隨之改變。

若保持其中兩個(gè)參數(shù)不變，通過(guò)被測(cè)量的變化改變其中一個(gè)參數(shù)，就可以把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化。

電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可用于力、壓力、壓差、振動(dòng)、位移、加速度、液位、粒位、成分含量等測(cè)量。平行板電容器如圖3-20所示，電容量為

圖3-20平行板電容器圖

3.4.1變極距式電容傳感器

平行板電容器的ε和S不變，只改變電容器兩極板間距離d，為變極距型電容傳感器，常用于壓力的測(cè)量。圖3-21變極距式傳感元件原理圖

初始狀極距為d0時(shí)，電容器容量C0為：

電容器受外力作用，極距減小Δd，則電容器容量改變?yōu)?/p>

電容值相對(duì)變化量為此時(shí)C1與Δd的關(guān)系呈線性關(guān)系。

實(shí)際應(yīng)用中大都采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。

如圖3-22所示，中間電極若受力向上位移Δd，則C1容量增加，C2容量減小，兩電容差值為

電容傳感器做成差動(dòng)式之后，靈敏度提高一倍。得到：圖3-22差動(dòng)式電容傳感元件

為消除極板的邊緣效應(yīng)的影響,可采用保護(hù)環(huán)。保護(hù)環(huán)與極板具有同一電位，把電極板間的邊緣效應(yīng)移到了保護(hù)環(huán)與極板2的邊緣，極板1與極板2之間的場(chǎng)強(qiáng)分布變得均勻了。

圖3-23加保護(hù)環(huán)消除極板邊沿電場(chǎng)的不均勻性

3.4.2變面積式電容傳感器

如圖3-24所示。

圖（a）所示平板形位移x后，電容量由初始值變?yōu)殡娙萘孔兓?/p>

靈敏度為

a—平板形電容；b—旋轉(zhuǎn)形電容；c—圓柱形電容圖3-24變面積式電容結(jié)構(gòu)原理圖

圖（b）所示為角位移傳感器，設(shè)兩片極板全重合（θ=0）時(shí)的電容量為C0，動(dòng)片轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ后，電容量變?yōu)殡娙萘孔兓?/p>

靈敏度為

圖（c）為圓柱形電容式位移傳感器，設(shè)內(nèi)外電極長(zhǎng)度為L(zhǎng)，起始電容量為C0，動(dòng)極向上位移y后，電容量變?yōu)?/p>

電容量變化：

靈敏度為

a—平板形差動(dòng)電容；b—旋轉(zhuǎn)形差動(dòng)電容；c—圓柱形差動(dòng)電容圖3-25變面積差動(dòng)電容結(jié)構(gòu)原理圖

圖3-25所示是變面積式差動(dòng)電容結(jié)構(gòu)，傳感器輸出和靈敏度均提高一倍。3.4.3變介電常數(shù)式電容傳感器

如圖3-26所示。介質(zhì)沒(méi)進(jìn)入電容器時(shí)（x=0），電容量為

介質(zhì)進(jìn)入電容x后，電容量為

整理可得：

圖3-26變介質(zhì)位移式傳感電容結(jié)構(gòu)原理圖

3.5電感式傳感器電感傳感器利用電磁感應(yīng)將被測(cè)非電量（如壓力、位移等）轉(zhuǎn)換成電感量的變化輸出。

常用的有自感式和互感式兩類(lèi)。

電感式壓力傳感器大都采用變隙式電感做為檢測(cè)元件，它和彈性敏感元件組合在一起構(gòu)成電感式壓力傳感器。3.5.1自感式傳感器

圖3-27所示為閉磁路式自感傳感器。1-線圈；2-鐵芯（定鐵芯）；3-銜鐵（動(dòng)鐵芯）圖3-27閉磁路式自感傳感器原理結(jié)構(gòu)圖

電感量L為：

當(dāng)銜鐵受外力作用使氣隙厚度減小，則線圈電感變化為：

電感的相對(duì)變化為：氣隙變化量Δδ越小，非線性失真越??；氣隙δo越小，靈敏度越高。常用差動(dòng)變隙式。1-線圈；2-鐵芯；3-銜鐵；4-導(dǎo)桿圖3-28差動(dòng)變隙式電感傳感器圖3-29所示為交流電橋測(cè)量電路

把傳感器的兩個(gè)線圈作為電橋的兩個(gè)橋臂Z1和Z2,另外二個(gè)相鄰的橋臂用純電阻代替。

對(duì)于高Q值(Q=ωL/R)的差動(dòng)式電感傳感器，其輸出電壓；

圖3-29交流電橋測(cè)量電路

3.5.2互感式傳感器

互感傳感器有初級(jí)線圈和次級(jí)線圈。初級(jí)接入激勵(lì)電源后，次級(jí)將因互感而產(chǎn)生電壓輸出。

當(dāng)線圈間互感隨被測(cè)量變化時(shí)，輸出電壓將產(chǎn)生相應(yīng)的變化。次級(jí)線圈一般有兩個(gè)，接線方式又是差動(dòng)的，故又稱(chēng)為差動(dòng)變壓器。

差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)形式較多，有變隙式、變面積式和螺線管式等。1.工作原理

非電量測(cè)量中，應(yīng)用最多的是螺線管式差動(dòng)變壓器。

如圖3-30所示，由初級(jí)線圈、兩個(gè)次級(jí)線圈和插入線圈中央的圓柱形鐵芯等組成。

可以測(cè)量1～100mm范圍內(nèi)的機(jī)械位移，具有：

測(cè)量精度高，靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。1-活動(dòng)銜鐵；2-導(dǎo)磁外殼；3-骨架；4-匝數(shù)為n1的初級(jí)繞組；5-匝數(shù)為n2a的次級(jí)繞組；6-匝數(shù)為n2b的次級(jí)繞組圖3-30螺線管式差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)

螺線管式差動(dòng)變壓器按線圈繞組排列方式的不同，可分為一節(jié)、二節(jié)、三節(jié)、四節(jié)和五節(jié)式等類(lèi)型。(a)一節(jié)式；(b)二節(jié)式；(c)三節(jié)式；(d)四節(jié)式；(e)五節(jié)式圖3-31線圈排列方式

差動(dòng)變壓器即傳感器中兩個(gè)次級(jí)線圈反向串聯(lián)。圖3-32差動(dòng)變壓器等效電路2.差動(dòng)變壓器輸出電壓

二次側(cè)開(kāi)路時(shí)有：

二次連通后分三種情況：①活動(dòng)銜鐵處于中間位置時(shí)，M1=M2=M，故：＝0②活動(dòng)銜鐵向上移動(dòng)，M1=M+ΔMM2=M-ΔM

，故：，

與同極性③活動(dòng)銜鐵向下移動(dòng)，M1=M-ΔMM2=M+ΔM故：，

與同極性。3.6加速度傳感器3.6.1加速度傳感器組成

加速度傳感器可應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)視、工程測(cè)振、地質(zhì)勘探等儀器儀表中，也可以用于物體移動(dòng)和傾倒的報(bào)警和保護(hù)。

加速度傳感器有多種型式，用電容傳感器做成的加速度傳感器結(jié)構(gòu)如圖3-33所示。圖3-33加速度傳感器物理結(jié)構(gòu)組成a）結(jié)構(gòu)組成b）等效電路

加速度傳感器有兩個(gè)測(cè)力單元（也叫重力傳感器）。

測(cè)力單元為差動(dòng)式結(jié)構(gòu)的變極距電容傳感器。

上下兩塊極板a、b為固定極板，與加速度傳感器殼體固定成一體。中間極板c是活動(dòng)的，與活動(dòng)框連成一體，經(jīng)彈簧錨定在殼體上。

加速度傳感器殼體可以水平方向固定在被測(cè)設(shè)備上，測(cè)被測(cè)設(shè)備的水平方向加速度；

也可以豎直方向固定在被測(cè)設(shè)備上，測(cè)被測(cè)設(shè)備的豎直方向加速度（重力加速度以外）或靜止時(shí)受到地球引力（重力）。

圖3-33（b)為加速度傳感器殼體豎直方向固定在被測(cè)設(shè)備上時(shí)，一個(gè)測(cè)力單元的等效電路。

被測(cè)設(shè)備豎直方向加速度（重力加速度以外）或靜止時(shí)受到地球引力（重力），會(huì)使活動(dòng)框連帶中間極板上下移動(dòng)。

向下移動(dòng)時(shí)，C2電容量增大，C1減??；向上移動(dòng)時(shí)，C1電容量增大，C2減小。C1、C2與外接電阻R1、R2組成電橋測(cè)量電路，如圖3-34所示，可測(cè)出加速度（重力加速度以外）或靜止時(shí)地球引力。圖3-34差動(dòng)式電容傳感器電橋電路

加速度傳感器有單軸和雙軸兩種。

單軸加速度傳感器的兩個(gè)測(cè)力單元是同方向的，兩個(gè)測(cè)力單元電容變化相疊加，可增加輸出信號(hào)強(qiáng)度。

雙軸加速度傳感器的兩個(gè)測(cè)力單元分別為X和Y方向，兩個(gè)測(cè)力單元電容變化量相減，不僅可以測(cè)出加速度或靜止時(shí)地球引力的大小，還可以測(cè)出方向。3.6.2ADXL320雙軸加速度傳感器

為美國(guó)ANALOGDEVICES公司生產(chǎn)，超小型±5g雙軸加速度傳感器，體積為4mm×4mm×1.45mm。

它可以檢測(cè)到X、Y軸兩個(gè)方向的加速度或靜止時(shí)的地球引力（重力）。

引腳功能如表3-1所示。1NC空腳9NC空腳2STSelf-test10YOUTY軸電壓輸出3COM接地11N.C.空腳4NC空腳12XOUTX軸電壓輸出5COM接地13NC空腳6COM接地14VS電源7COM接地15VS電源8NC空腳16NC空腳表3-1雙軸加速度傳感器ADXL320引腳功能ADXL320集成電路平面處水平方向時(shí)，XOUT＝1.500V，YOUT＝1.500V。

集成電路平面處垂直方向作360°內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí)，受地球引力（重力）作用，XOUT和YOUT輸出電壓

在1.326V～1.674V之間變化。

電壓值如圖3-35所示。圖3-35ADXL320受地球引力作用端口輸出電壓3.6.3物體移動(dòng)和傾倒報(bào)警電路圖3-36用ADXL320設(shè)計(jì)的物體移動(dòng)報(bào)警電路ADXL320按圖中所示方向放置時(shí)，XOUT＝1.500V，YOUT＝1.674V，分別接電壓比較器A1、A2。Va、Vb電壓可設(shè)為1.550V和1.650V。

物體移動(dòng)和傾倒時(shí)，XOUT和YOUT端口輸出電壓變化。

一旦高于Va或低于Vb時(shí)，A1、A2就會(huì)輸出高電平，經(jīng)VD1、VD2隔離，A3放大后，輸出高電平啟動(dòng)報(bào)警器報(bào)警。3.6.4MMA1220D單軸加速度傳感器

為Motorola公司生產(chǎn)的單軸加速度傳感器，由一個(gè)測(cè)力單元（重力傳感器）和放大器、濾波器組成，16腳SOIC（減小空間的表面貼片）封裝。

加速度靈敏度為250mV/g，響應(yīng)時(shí)間2ms，最大工作加速度為11g，最高工作頻率為200Hz。

電路連接如圖3-37所示。

圖3－37MMA1220D加速度傳感器電路連接MMA1220D在靜止?fàn)顟B(tài)下，向左或向右放置，重力加速度都為0g，輸出為2.5V；

向上放置，受到1g重力加速度，輸出為2.75V；

向下放置，受到－1g重力加速度，輸出為2.25V。

如圖3－38所示。圖3－38MMA1220D靜止?fàn)顟B(tài)放置輸出電壓3.6.5手機(jī)跌落關(guān)機(jī)保護(hù)MMA1220D加速度傳感器可以用于手機(jī)跌落關(guān)機(jī)保護(hù)。

在手機(jī)發(fā)生跌落時(shí)，加速度傳感器處于自由落體狀態(tài)（失重），上下左右4個(gè)方向都沒(méi)有重力作用，輸出電壓為2.5V。

該輸出電壓送入比較器，與2.5V電壓相減，為0時(shí)，產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)送入微處理器，進(jìn)入關(guān)機(jī)程序，及時(shí)關(guān)機(jī)，以保護(hù)手機(jī)軟硬件不受損壞。3.7力傳感器應(yīng)用實(shí)例3.7.1煤氣灶電子點(diǎn)火器如圖3-39所示，讓高壓跳火來(lái)點(diǎn)燃?xì)狻?/p>

當(dāng)使用者將開(kāi)關(guān)往里壓時(shí)，把氣閥打開(kāi)；

將開(kāi)關(guān)旋轉(zhuǎn)，則使彈簧往左壓，此時(shí)，彈簧有一個(gè)很大的力撞擊壓電晶體。

產(chǎn)生高壓放電，導(dǎo)致燃燒盤(pán)點(diǎn)火。圖3-39煤氣灶電子點(diǎn)火裝置

3.7.2壓電式玻璃破碎報(bào)警器

BS-D2壓電式玻璃破碎傳感器的外形及內(nèi)部電路如圖3-40所示。

傳感器把振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成電壓輸出，輸出電壓經(jīng)放大、濾波、比較等處理后提供給報(bào)警系統(tǒng)。

傳感器的最小輸出電壓為100mV，內(nèi)阻抗為15～20KΩ。

報(bào)警器的電路框圖如圖3-41所示。圖3-40BS-D2壓電式玻璃破碎傳感器

(a)外形；(b)內(nèi)部電路圖3-41壓電式玻璃破碎報(bào)警器電路框圖3.7.3帶溫度補(bǔ)償?shù)膲毫﹄娮娱_(kāi)關(guān)

用壓力傳感器MPX2100P和NTC熱敏電阻構(gòu)成的帶溫度補(bǔ)償?shù)膲毫﹄娮娱_(kāi)關(guān)如圖3-42所示。

壓力傳感器MPX2100P將壓力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)A1、A2兩級(jí)放大，輸出信號(hào)送比較器A3反相輸入端。

由NTC熱敏電阻降壓后的參考電壓加到比較器A3同相輸入端。圖3-42帶溫度補(bǔ)償?shù)膲毫﹄娮娱_(kāi)關(guān)

當(dāng)壓力傳感電壓大于參考電壓時(shí)，A3輸出低電平，觸發(fā)執(zhí)行器電路工作。

當(dāng)溫度降低時(shí)，壓力傳感電壓減小。

由于溫度降低NTC熱敏電阻值增大，降壓增大，參考電壓降低，保持A3輸出低電平，起了溫度補(bǔ)償?shù)淖饔谩?.7.4電阻應(yīng)變片稱(chēng)重傳感器

如圖3-43所示，主要由彈性元件、電阻應(yīng)變片、測(cè)量電路和傳輸電纜部分組成。

電阻應(yīng)變片貼在彈性元件上，彈性元件受力變形時(shí)，電阻應(yīng)變片隨之變形，并導(dǎo)致電阻值改變。

測(cè)量電路測(cè)出電阻值的變化并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。圖3-43電阻應(yīng)變片稱(chēng)重傳感器結(jié)構(gòu)

校準(zhǔn)電阻器用來(lái)調(diào)整輸出電信號(hào)的大小。

電信號(hào)經(jīng)處理后以數(shù)字形式顯示出被測(cè)物體的重量。

電阻應(yīng)變片稱(chēng)重傳感器有柱形、箱形、懸臂梁形、剪切梁形、圓環(huán)形和輪幅形等多種類(lèi)型。3.7.5指套式電子血壓計(jì)

指套式電子血壓計(jì)是利用放在指套上的壓力傳感器，把手指的血壓變?yōu)殡娦盘?hào)，由電子檢測(cè)電路處理后，直接顯示出血壓值的一種微型測(cè)量血壓裝置。

圖3-44是指套式血壓計(jì)的外形圖，它由指套、電子電路及壓力源三部分組成。圖3-44指套式電子血壓計(jì)外形圖

指套的外圈為硬性指環(huán)，中間為柔性氣囊。它直接和壓力源相連。

旋動(dòng)調(diào)節(jié)閥門(mén)時(shí)，柔性氣囊便會(huì)被充入氣體，使產(chǎn)生的壓力作用到手指的動(dòng)脈上。

電子血壓計(jì)電路框圖如圖3-45所示。

手臂式電子血壓計(jì)原理與指套式類(lèi)似。圖3-45指套式電子血壓計(jì)電路框圖

時(shí)鐘放大器壓電傳感器門(mén)控觸發(fā)移位寄存器幅值比較器移位寄存器幅值比較器A/D轉(zhuǎn)換器譯碼驅(qū)動(dòng)顯示器顯示器譯碼驅(qū)動(dòng)S3.7.6CL-YZ-320型力敏傳感器

以金屬棒為彈性梁的測(cè)力傳感器。

在彈性梁的圓柱面上沿軸向均勻粘貼4只半導(dǎo)體應(yīng)變片，兩個(gè)對(duì)臂分別組成半橋，兩個(gè)半橋分別用于每個(gè)軸向的分力測(cè)量。

當(dāng)外力作用于彈性梁的承載部位時(shí)，彈性梁將產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)變值，通過(guò)半導(dǎo)體應(yīng)變片將此應(yīng)變值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電阻變化量，傳感器隨之輸出相應(yīng)的電信號(hào)。圖3-46力敏傳感器外形圖3-47力敏傳感器結(jié)構(gòu)

3.7.7手機(jī)和平板電腦的橫豎顯示轉(zhuǎn)換ADXL320雙軸加速度傳感器可用于手機(jī)和平板電腦的屏幕橫豎顯示方向自動(dòng)轉(zhuǎn)換。

稱(chēng)為手機(jī)或平板電腦的G－Se