第四章力敏材料與力傳感器

力敏材料與力傳感器1.彈性敏感元件2.應(yīng)變式電阻傳感器3.壓阻式壓力傳感器4.壓電式傳感器5.電容式傳感器6.電感式傳感器7.轉(zhuǎn)矩傳感器

力是基本物理量之一，因此各種動態(tài)、靜態(tài)力的大小的測量是十分重要的。力的測量需要通過力傳感器間接完成，力傳感器是將各種力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電信號的器件。力敏感元件轉(zhuǎn)換元件顯示設(shè)備F力傳感器的測量示意圖1.彈性敏感元件

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。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；保證長期使用和溫度變化時(shí)的穩(wěn)定性。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，一般用k表示。

2.靈敏度靈敏度是指彈性敏感元件在單位力作用下產(chǎn)生形變的大小，在彈性力學(xué)中稱為彈性元件的柔度。它是剛度的倒數(shù)，用K表示。

3.彈性滯后實(shí)際的彈性元件在加載/卸載的正向/反向行程中形變曲線是不重合的，這種現(xiàn)象稱為彈性滯后現(xiàn)象，它會給測量帶來誤差。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的，這種現(xiàn)象稱為彈性后效。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態(tài)特性。傳感器的工作頻率應(yīng)避開彈性敏感元件的固有振蕩頻率。往往希望f0較高。1.2彈性敏感元件的分類彈性敏感元件在形式上可分為兩大類：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）彈簧管變換壓力的彈性敏感元件

(a)彈簧管；(b)波紋管；(c)等截面薄板；(d)膜盒；(e)薄壁圓筒；(f)薄壁半球

（2）波紋管

波紋管是有許多同心環(huán)狀皺紋的薄壁圓管。（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，這就是波紋膜片。波紋管膜片波紋的形狀（4）薄壁圓筒薄壁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，與圓筒長度無關(guān)。

薄壁圓筒彈性敏感元件的結(jié)構(gòu)

2.電阻應(yīng)變片傳感器電阻應(yīng)變片的分類

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。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。半導(dǎo)體應(yīng)變片及金屬絲式應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體應(yīng)變片外形金屬絲式應(yīng)變片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)箔式應(yīng)變片的外形

在平面力場中，為測量某一點(diǎn)上主應(yīng)力的大小和方向，常需測量該點(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)變花應(yīng)變花的基本形式應(yīng)變片的工作原理

金屬絲受拉時(shí)，L變長、r變小，導(dǎo)致R變大。金屬電阻絲應(yīng)變效應(yīng)2.1電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)及工作原理1.結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變片（簡稱應(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。電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)2.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)象就稱為“應(yīng)變效應(yīng)”。

應(yīng)變片的工作原理

設(shè)有一長度為l、截面積為A、半徑為r

、電阻率為

的金屬單絲，它的電阻值R可表示為：

當(dāng)沿金屬絲的長度方向作用均勻拉力（或壓力）時(shí)，上式中

、r、l都將發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電阻值R發(fā)生變化。例如金屬絲受拉時(shí)，l將變長、r變小，均導(dǎo)致R變大；又如，某些半導(dǎo)體受拉時(shí)，

將變大，導(dǎo)致R變大。實(shí)驗(yàn)證明，電阻絲及應(yīng)變片的電阻相對變化量

R

R與材料力學(xué)中的軸向應(yīng)變

x的關(guān)系在很大范圍內(nèi)是線性的，即K—電阻應(yīng)變片的靈敏度∴由于

根據(jù)應(yīng)用要求的不同，可接入不同數(shù)目的電阻應(yīng)變片，一般分為下面幾種形式的電橋：3.測量電路——不平衡電橋

單臂電橋

全橋四臂工作方式的靈敏度最高，雙臂半橋次之，單臂半橋靈敏度最低。雙臂電橋

R1、R2為應(yīng)變片，R3、R4為固定電阻。應(yīng)變片R1、R2感受到的應(yīng)變

1~

2以及產(chǎn)生的電阻增量正負(fù)號相間，可以使輸出電壓Uo成倍地增大。四臂全橋

全橋的四個(gè)橋臂都為應(yīng)變片，如果設(shè)法使試件受力后，應(yīng)變片R1~

R4產(chǎn)生的電阻增量（或感受到的應(yīng)變

1~

4）正負(fù)號相間，就可以使輸出電壓Uo成倍地增大。上述三種工作方式中，全橋四臂工作方式的靈敏度最高，雙臂半橋次之，單臂半橋靈敏度最低。采用全橋（或雙臂半橋）還能實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償。2.2應(yīng)變式電阻傳感器使用注意事項(xiàng)1.應(yīng)變片的粘貼：

(1)去污：采用手持砂輪工具除去構(gòu)件表面的油污、漆、銹斑等，并用細(xì)紗布交叉打磨出細(xì)紋以增加粘貼力，用浸有酒精或丙酮的紗布片或脫脂棉球擦洗。(2)貼片：在應(yīng)變片的表面和處理過的粘貼表面上，各涂一層均勻的粘貼膠，用鑷子將應(yīng)變片放上去，并調(diào)好位置，然后蓋上塑料薄膜，用手指揉和滾壓，排出下面的氣泡。（3）測量：從分開的端子處，預(yù)先用萬用表測量應(yīng)變片的電阻，發(fā)現(xiàn)端子折斷和壞的應(yīng)變片。（4）焊接：

將引線和端子用烙鐵焊接起來，注意不要把端子扯斷。

（5）固定：

焊接后用膠布將引線和被測對象固定在一起，防止損壞引線和應(yīng)變片。2.實(shí)際應(yīng)用中電橋電路的調(diào)零

調(diào)節(jié)RP，最終可以使R1

/R2

=R4/R3（R1

、R2

是R1、R2并聯(lián)RP后的等效電阻），電橋趨于平衡，Uo被預(yù)調(diào)到零位，這一過程稱為調(diào)零。

圖中的R5是用于減小調(diào)節(jié)范圍的限流電阻。

當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，橋臂上的應(yīng)變片溫度同時(shí)升高，溫度引起的電阻值漂移數(shù)值一致，可以相互抵消，所以全橋的溫漂較??；半橋也同樣能克服溫漂。3．傳感器的溫度補(bǔ)償2.3應(yīng)變式電阻荷重傳感器及其應(yīng)用

應(yīng)變效應(yīng)的應(yīng)用十分廣泛。它可以測量應(yīng)變應(yīng)力、彎矩、扭矩、加速度、位移等物理量。電阻應(yīng)變片的應(yīng)用可分為兩大類：第一類是將應(yīng)變片粘貼于某些彈性體上，并將其接到測量轉(zhuǎn)換電路，這樣就構(gòu)成測量各種物理量的專用應(yīng)變式傳感器。

第二類是將應(yīng)變片貼于被測試件上，然后將其接到應(yīng)變儀上就可直接從應(yīng)變儀上讀取被測試件的應(yīng)變量。應(yīng)變式力傳感器FFFF各種懸臂梁FF固定點(diǎn)固定點(diǎn)電纜應(yīng)變片在懸臂梁上的粘貼及變形

應(yīng)變式荷重傳感器的外形及應(yīng)變片的粘貼位置FR1R2R4應(yīng)變式荷重傳感器外形及受力位置（續(xù)）FF荷重傳感器原理演示

荷重傳感器上的應(yīng)變片在重力作用下產(chǎn)生變形。軸向變短，徑向變長。汽車衡汽車衡（以下參考北京遠(yuǎn)亞興業(yè)商貿(mào)有限公司資料）汽車衡稱重系統(tǒng)荷重傳感器計(jì)算公式

當(dāng)KF為常數(shù)時(shí)，橋路所加的激勵(lì)源電壓Ui越高，滿量程輸出電壓Uom也越高。

思考：綜合考慮靈敏度與功耗發(fā)熱，Ui的取值范圍多少為好？荷重傳感器應(yīng)用估算

例：現(xiàn)用銘牌指標(biāo)為F=

100

103N，KF=2mV/V的荷重傳感器稱重。當(dāng)橋路電壓6V時(shí)，測得橋路的輸出電壓為24mV，求被測荷重為多少噸。

解由荷重傳感器銘牌上得到，Uom=24mV。被測荷重

荷重傳感器應(yīng)用估算

在上面介紹過的汽車衡示意圖中，共使用了4個(gè)荷重傳感器，量程Fm=20t，靈敏度KF=2.5mV/V，使用4個(gè)獨(dú)立的橋路電源，每一個(gè)電源電壓均相等，Ui=12V，四個(gè)荷重傳感器的輸出串聯(lián)，總的輸出電壓Uo=24mV，請估算汽車的質(zhì)量。

汽車在鋼板上有少許的前、后、左、右偏位，是否會影響測量結(jié)果？為什么？

荷重傳感器用于構(gòu)件的稱重

荷重傳感器（共3個(gè)，120度分布，以達(dá)到均衡目的，另兩個(gè)未拍出）底座墊塊電纜電子秤

磅秤超市打印秤遠(yuǎn)距離顯示電子天平電子天平的精度可達(dá)十萬分之一人體秤

吊鉤秤

便攜式

圖示應(yīng)變式電阻加速度傳感器由基座(用來固定在被測物體上)、等截面懸臂梁、質(zhì)量塊和4個(gè)電阻應(yīng)變片組成，以等截面懸臂梁為彈性敏感元件。加速度傳感器l一基座；