力敏传感器的简介
力敏传感器是用来检测气体、固体、液体等物质间相互作用力的传感器。常用材料有半导体、金属及合成材料。目前常用的主要是硅压阻式力敏传感器和电容式力敏传感器。硅压力传感器优点是,灵敏度好、精度高、缺点是受温度影响大。
力敏传感器
力敏传感器的分类
力敏传感器的种类很多,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。主要分为以下几种:应变式传感器、电感式传感器、电容式传感器、压电式传感器。
力敏传感器的原理
以下主要是介绍了电阻式变式传感器、固态压阻式传感器及压电传感器的工作原理。
一、电阻应变式传感器:
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。
二、固态压阻式传感器:
固态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,其电阻率将发生显着变化的现象。
力敏传感器
1、压电效应:
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。
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。
2、石英晶体的压电效应:
石英晶体的外形是规则的六角棱柱体,它有三个晶轴。
1).纵向压电效应:沿着X轴对晶片施加力时,在垂直于X轴的表面上产生电荷。如图1所示。产生的电荷与作用力的大小成正比,与晶片尺寸无关。
2).横向压电效应:沿着Y轴对晶片施加压力时,在垂直于X轴的表面上产生电荷。如图1所示。产生的电荷与作用力的大小成正比,与晶片尺寸有关。
3).压电效应的产生机理
3、压电陶瓷的压电效应:
压电陶瓷是人工制造的具有电畴结构的多晶压电材料。它的压电机理与压电晶体不同。
原始的压电陶瓷不具有压电特性,电畴无规则排列。当外加直流电场时,使得电畴规则排列,这时压电陶瓷就有了压电特性。在极化电场去除后,电畴方向基本不变,留下了很强的剩余极化。极化过的压电陶瓷受力后就产生了电荷。见图3所示。压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多,因此其灵敏度较高。
力敏传感器的的应用
目前就两大领域:工业称重,过程控制。
工业称重,大家都懂的。商品的质量得计量啊。我们所遇到的测量对象有:造船厂的船舶称重,机场的飞机在起飞前后会称重等等。
工程控制,用于控制生产过程或管理流程。饮料厂灌装饮料要称重,制药厂的药片在原材料配比时要称重等等,几乎没有不称重的工厂。