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力敏传感器的工作原理和种类

发布时间:2021-03-02

【导读】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。
 
什么是力敏传感器?
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。
 
力敏传感器的工作原理和种类
 
力敏传感器的工作原理
电阻应变式传感器是通过弹性敏感元件将外部的应力转换成应变ε,再根据电阻应变效应,由电阻应变片将应变转换成电阻值的微小变化,通过测量电桥转换成电压或电流的输出。
 
力敏传感器的单笔电桥和双臂电桥以及差动电桥:
 
1、单臂电桥:
图中的电阻R1为电阻应变片。起始时,应变片未承受应变,电桥平衡:R1 R3= R2 R4 ,此时 UO=0。
 
当应变片承受应变时,则R1增大为R1+ΔR,
 
力敏传感器的工作原理和种类
 
对于等臂电桥和输出对称电桥,此时的输出电压为:
 
力敏传感器的工作原理和种类
 
2、双臂电桥:
电阻R1、R2为应变片,R3、R4为固定电阻。当应变片承受应变时,R1增大为R1+ΔR,同时R2减小为R2-ΔR,此时的输出电压为单臂工作时的两倍。
 
力敏传感器的工作原理和种类
 
3、差动电桥:
电阻R1、R2 、R3、R4均为应变片。当应变片承受应变时,则R1和R3增大ΔR,R2和R4减小ΔR,此时的输出电压为单臂工作时的四倍。
 
结论:上述三种工作方式中,差动全桥工作方式的灵敏度最高,差动半桥次之,单臂电桥灵敏度最低。采用全桥(或双臂半桥)还能实现温度变化的自动补偿:
 
力敏传感器有哪几种?
1、压阻式传感器
压阻式传感器是通过扩散工艺将四个半导体应变电阻制作在同一硅片上,利用半导体材料的压阻效应制成的传感器。它由于工艺一致性好,灵敏度相等,因此漂移抵消,迟滞、蠕变非常小,动态响应快,测量精度高、稳定性好、温度范围宽、易小型化、能批量生产和使用方便。
 
力敏传感器的工作原理和种类
 
工作原理:压阻式传感器的工作主要基于压阻效应,而压阻效应是在半导体材料上施加作用力时,其电阻率将发生显著变化的现象。
 
2、压阻式压力传感器
固态压阻式压力传感器的结构如图4-12所示,传感器硅膜片两边有两个压力腔。一个是和被测压力相连接的高压腔,另一个是低压腔,和大气相通。
 
3、压电式传感器
压电式传感器是基于某些材料受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理的传感器。它是一种典型的有源传感器,又称自发电式传感器。它具有体积小,重量轻,频率宽,灵敏度高,结构简单,工作可靠等特点。
 
工作原理:当某些晶体或多晶体陶瓷在一定的方向上受到外力作用时,在某两个对应的晶面上,会产生符号相反的电荷。当外力消失时,电荷也消失;当外力改变方向时,两晶面上的电荷符号也随之改变。
 
力敏传感器的工作原理和种类
 
压电传感器就是以压电效应为基础,将力学量转换为电量的器件。
 
典型的具有压电效应的物质有石英晶体、压电陶瓷和高分子压电材料等。
 
4、压电式加速度传感器
当传感器感受振动时,质量块感受与传感器基座相同的振动,并受到与加速度方向相反的惯性力的作用。这样,质量块就有一正比于加速度的交变力作用在压电片上。由于压电片压电效应,两个表面上就产生交变电荷,当振动频率远低于传感器的固有频率时,传感器的输出电荷(电压)与作用力成正比,亦即与试件的加速度成正比。
 
力敏传感器的工作原理和种类
 
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