第2章 力学量传感器与应用（课件）- 《传感器与检测技术》同步教学（清华大学）

第2章 力学量传感器与应用 2.1 弹性敏感元件 2.2 电阻式应变计 2.3 应变式力传感器 2.4 压电传感器 第一章内容回顾 静态特性 线性度，描述函数、拟合方法（最小二乘法） 灵敏度 定义 迟滞 零漂 温漂 精确度 测量电路及系统 第2章 力学量测控 测量力的传感器形式很多，就其工作原理而说，有： 电阻式、电感式、电容式、压电式、压磁式和压阻式等。 其中电阻应变式力传感器性能较高，约占测力传感器的70％。 1 弹性敏感元件 弹性元件具有受外力能变形，去外力后能恢复原形的特性。 弹性元件是很多力传感器的核心，能够将感受到的各种形变式的非电量变换成为应变量或者位移量，然后由传感元件将他们转化为电量。 概念： 应力 ：单位面积上所受的力 应变 ：单位长度上产生的变形 E为弹性模量，在材料弹性范围内为一常数，那么拉（压）力 下，材料满足胡克定律 1.2 弹性元件的特性 基本特性和特性曲线 特性：弹性元件所受的外力F （含温度等）和变形x间的关系 x= f（F） 特性曲线：表示特性的曲线图 柔度(弹性系数，灵敏系数)：K = dx /dF, 单位力引起变形 刚度： k = dF /dx, 单位变形所需力，弹性特性为线性的，k为常数。 线性度： Δλx= dxmax /xmax×100 % F λ dx dF dxmax xmax 0 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 弹性滞后：弹性元件在加、卸载正反行程中的变形曲线不重合。产生的主要原因：弹性元件在工作过程中存在内摩擦。 加载 去载 F 载荷 变形 滞环 弹性后效：载荷改变后逐渐( )完成相应变形 t1+Δt1 F 8 理想特性 t1 t1 载荷 变形 时间 Δt1 固有的振动频率f0： 弹性元件都有自己的 固有振动频率，它影响 传感器的动态特性，传 感器的工作频率应该 避开固有振动频率，往往 希望f0较高。在实际应 用中常常遇到线性度、 灵敏度和固有振动频率 相互矛盾、相互制约的 问题，这时应根据应用 选择。 弹性元件材料要求及常用的材料 材料要求 1，弹性滞后和后效小 2，弹性模量的温度系数小 3，膨胀系数小且稳定 4，良好的机械加工和热处理性能 5，良好的导电性或者较高的绝缘性 6，某些场合要求耐腐蚀性 主要材料：合金结构钢、合金钢 按照弹性元件上的输入输出，它可分为：力－应变，力－位移，压力－位移，力矩－角度等。 变换力弹性敏感元件 变换力弹性敏感元件：输入力F，输出量为应变或者位移（位移很小即为应变），常用的变换力敏感元件有：实心柱类、环状，悬臂梁和扭转轴类等。 F F F T 加工方便，精度 高，灵敏度低 加工难，各部分 变形不等，灵敏 度较高，测较小的力 加工方便，输出为 应变（桡度） 加工方便，输出为 垃伸或者压缩形变 变换压力的弹性敏感元件 变换压力弹性敏感元件：将压力转换为应变或者位移，常用的变换压力敏感元件有：弹簧管，波纹管，等截面薄板，波纹膜片和膜盒，薄壁圆筒和薄壁半球等。 等截面薄板，受到均匀的压力产生变形， 将应变片贴在薄板表面可以组成电阻应变 式压力传感器，利用薄板的桡度可以组成电 容式、霍尔式压力传感器 用于测较小压力 灵敏度低，坚固性好，用在特殊场合 小结 弹性元件特性 变换力（压力）弹性敏感元件 电阻式： (电位计） 应变式： 物理量变化 电阻变化 传感元件 属于大电阻变化型 物理量变化 变形 （应力、应变） 敏感元件 属于微电阻变化型 传感元件 电阻变化 第二章 电阻式传感器 补充 电位计式传感器的优、缺点： 优点： 结构简单、尺寸小、重量轻、精度高(0.1%0.05%)、性能稳定、受环境因素影响小，可实现输出-输入任意函数关系，输出信号较大，一般不用放大。 缺点： 存在滑动触头与线圈等之间的摩擦，输入能量要求较大，且磨损降低寿命和可靠性，也会降低测量精度。 变阻器式传感器产品 案例：玩具机器人（广州中鸣数码 ） 原理：电机->转角 ->电位器 ->电阻 ★一、金属丝式应变计 二、金属箔式应变计 三，半导体应变计 ★三、测量电路 ★四、应变式传感器 2.2 金属应变片式传感器 ★应变效应 结构与材料 ★主要特性 温度误差及系数 工作原理及分类 电阻应变式传感器的工作原理是将电阻应变片（电阻应变计）粘贴到各种弹性敏感元件上，使物理量的变化变成应变片的应力、应变变化，从而变成电阻值变化。 根据应变片的材料不同，可分为两种 金属电阻应变片 半导体应变片 （包括：金属电阻丝、金属 箔，金属薄膜） （包括：体型、扩散型和 薄膜