第四章 力敏传感器A

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1、第第4 4章章 力敏传感器力敏传感器4.0 4.0 概概 念念4.1 4.1 应变式电阻传感器应变式电阻传感器4.2 4.2 压电式力传感器压电式力传感器4.3 4.3 电容式力传感器电容式力传感器主要内容主要内容4.0 4.0 概概 念念 弹性形变弹性形变 当外力去掉后能完全恢复原来的尺寸或形状的形变当外力去掉后能完全恢复原来的尺寸或形状的形变 弹性元件弹性元件 具有弹性形变特性的物体具有弹性形变特性的物体 弹性特性弹性特性 作用在弹性敏感元件上的外力与其引起的相应变形作用在弹性敏感元件上的外力与其引起的相应变形（应变、位移或转角）之间的关系称为弹性元件的弹（应变、位移或转角）之间的关系称为

2、弹性元件的弹性特性。弹性特性可用刚度或灵敏度来表示。性特性。弹性特性可用刚度或灵敏度来表示。 弹性特性可能是线性的，也可能是非线性的弹性特性可能是线性的，也可能是非线性的图41 弹性特性 刚度 弹性敏感元件在外力作用下抵抗变形的能力，一般用k表示。0limFxxFdFkxdx 式中： 作用在弹性元件上的外力；弹性元件产生的变形。 从弹性特性曲线求得刚度的方法 如果弹性元件的弹性特性是线性的，则其刚度为常数tandFkdx 灵敏度 灵敏度就是单位力产生变形的大小。 灵敏度是刚度的倒数，一般用Sn表示。 关于刚度和灵敏度的理解 刚度与灵敏度是从不同的侧面对同一特性的描述 刚度描述的是抵抗变形的能力

3、 灵敏度描述的是变形的能力ndxSdF 弹性滞后 弹性元件在弹性变形范围内，弹性特性的加载曲线与卸载曲线不重合的现象 弹性变形之差x叫做弹性敏感元件的滞后误差 曲线1和曲线2所包围的范围称为滞环 弹性后效弹性后效 弹性敏感元件所加载弹性敏感元件所加载荷改变后，不是立即荷改变后，不是立即完成相应的变形，而完成相应的变形，而是在一定时间间隔中是在一定时间间隔中逐渐完成变形的现象逐渐完成变形的现象 弹性后效体现的是时弹性后效体现的是时间因素的影响，对传间因素的影响，对传感器的动态特性影响感器的动态特性影响尤其明显尤其明显应力应力 stressstress 物体由于外因（载荷、温度变化等）而变形时物体

4、由于外因（载荷、温度变化等）而变形时，在它内部任一截面的两方出现的相互作用力，称，在它内部任一截面的两方出现的相互作用力，称为为“内力内力”。内力的集度，即单位面积上的内力称。内力的集度，即单位面积上的内力称为为“应力应力”。 应力可分解为垂直于截面的分量，称为应力可分解为垂直于截面的分量，称为“正应正应力力”或或“法向应力法向应力”（用符号（用符号表示）；相切于截表示）；相切于截面的分量称为面的分量称为“剪应力或切应力剪应力或切应力”（用符号（用符号表示表示）。应力的单位为）。应力的单位为PaPa。 应变应变 strainstrain 应变又称应变又称“相对变形相对变形”。物体由于外因。物体

5、由于外因( (载载荷、温度变化等）使它的荷、温度变化等）使它的几何形状和尺寸发生相几何形状和尺寸发生相对改变对改变的物理量。的物理量。 弹性模量弹性模量定义：材料在弹性变形阶段，其应力和定义：材料在弹性变形阶段，其应力和应变成正比例关系（即符合胡克定律），其应变成正比例关系（即符合胡克定律），其比例系数称为弹性模量。比例系数称为弹性模量。单位：单位：用牛用牛/ /米米22表示表示 意义：弹性模量可视为衡量材料产生弹意义：弹性模量可视为衡量材料产生弹性变形难易程度的指标，其值越大，使材料性变形难易程度的指标，其值越大，使材料发生一定弹性变形的应力也越大，即材料刚发生一定弹性变形的应力也越大，即材

6、料刚度越大，亦即在一定应力作用下，发生弹性度越大，亦即在一定应力作用下，发生弹性变形越小变形越小 泊松系数泊松系数 在固体力学中，材料的横向应变与纵向应在固体力学中，材料的横向应变与纵向应变之比就是泊松比，又称泊松系数变之比就是泊松比，又称泊松系数 。挠挠 度度 挠度挠度弯曲变形时横截面形心沿与轴线垂直方向的弯曲变形时横截面形心沿与轴线垂直方向的线位移称为挠度，用线位移称为挠度，用 y表示。简言之就是指梁、桁架等受表示。简言之就是指梁、桁架等受弯构件荷载作用下的最大变形弯构件荷载作用下的最大变形.挠曲线挠曲线如图，平面弯曲时，梁的轴线将变为一条如图，平面弯曲时，梁的轴线将变为一条在梁的纵对称面

7、内的平面曲线，该曲线称为梁的挠曲线。在梁的纵对称面内的平面曲线，该曲线称为梁的挠曲线。 电阻应变式传感器是一种由电阻应变片和电阻应变式传感器是一种由电阻应变片和弹性敏感元件组合起来的传感器。弹性敏感元件组合起来的传感器。其中：其中：1. 1. 弹性敏感元件感受被测量，产生变形弹性敏感元件感受被测量，产生变形2. 2. 电阻应变片是传感器组成中的转换元件，电阻应变片是传感器组成中的转换元件， 它将应变转换为电阻值的变化它将应变转换为电阻值的变化优点：优点： 精度高，测量范围广精度高，测量范围广 频率响应特性较好频率响应特性较好 结构简单，尺寸小，重量轻结构简单，尺寸小，重量轻 易于实现小型化、固

8、态化易于实现小型化、固态化 价格低廉，品种多样，便于选择价格低廉，品种多样，便于选择 一、一、 金属应变片式传感器金属应变片式传感器 金属应变片式传感器的核心元件是金属应变片，金属应变片式传感器的核心元件是金属应变片，它可将试件上的应变变化转换成电阻变化。它可将试件上的应变变化转换成电阻变化。 缺点：具有非线性，输出信号微弱，抗干扰能力较差，缺点：具有非线性，输出信号微弱，抗干扰能力较差，因此信号线需要采取屏蔽措施；因此信号线需要采取屏蔽措施；）（14 SLR）（24 2dSSLdSLdLSdR）（34 SdSdLdLRdR 44 222）（ rdrrrdrSdSll+ dl2r2(r-dr)

9、F图图4-2 金属丝的应变效应金属丝的应变效应金属的径向应变金属的轴向应变令rrdrLdL r (12 ) 46 C()C(1-2 ) 47dRdRddVdLdSCVLS （）或（）将（将（4-44-4）式、（）式、（4-54-5）代入（）代入（4-34-3）式得：）式得： (12 )C(1-2 ) 48SK令（） 49SSdRdRRKKR，或（）2 2 金属金属应变片分类及结构应变片分类及结构基片基片覆盖层覆盖层金属丝金属丝引线引线图图4-4 4-4 箔式应变片箔式应变片金属应变丝电阻的相对变化与它所感受的应变之金属应变丝电阻的相对变化与它所感受的应变之间具有线性关系，用灵敏度系数间具有线性

10、关系，用灵敏度系数K KS S表示。当金属表示。当金属丝做成丝做成应变片应变片后，其电阻后，其电阻应变特性与应变特性与金属单丝金属单丝情况不同。实验表明，金属应变片的电阻相对变情况不同。实验表明，金属应变片的电阻相对变化与应变化与应变在很宽的范围内均为线性关系。在很宽的范围内均为线性关系。K K 为金属应变片的灵敏系数。为金属应变片的灵敏系数。 测量结果表明，应变片的灵敏系数测量结果表明，应变片的灵敏系数K K恒小于线材恒小于线材的灵敏系数的灵敏系数K KS S。原因主要是胶层传递变形失真及横向。原因主要是胶层传递变形失真及横向效应。效应。 KRR 41 0RKR或（）金属丝式应变片由于敏感栅

11、的两端为半圆弧形的横栅，金属丝式应变片由于敏感栅的两端为半圆弧形的横栅，测量应变时，构件的轴向应变测量应变时，构件的轴向应变 使敏感栅电阻发生变使敏感栅电阻发生变化，而其横向应变化，而其横向应变r r 也使敏感栅半圆弧部分的电阻发也使敏感栅半圆弧部分的电阻发生变化。生变化。 bOlrdld0r应变片的这种既受轴应变片的这种既受轴向应变影响，又受横向应变影响，又受横向应变影响而引起电向应变影响而引起电阻变化的现象称为阻变化的现象称为。应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加载应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加载特性与卸载特性不重合，即为特性与卸载特性不重合，即为。 1 1机械应变机械应