第三章：力传感器

力传感器的应用加速度传感器在汽车中的应用加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。当测得的负加速度值超过设定值时，微处理器据此判断发生了碰撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。装有传感器的假人气囊高分子压电电缆的应用演示将两根高分子压电电缆相距若干米，平行埋设于柏油公路的路面下约5cm，可以用来测量车速及汽车的载重量，并根据存储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。1.荷重传感器原理演示荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形。轴向变短，径向变长。3.2、电阻应变式力传感器R=ΡL/S1.电阻应变式传感器工作示意图秤盘弹性元件电阻应变片支架3.2、电阻应变式力传感器3.2、电阻应变式力传感器弹性元件电阻应变片测量电路显示仪表力F应变ε电阻变化ΔR电压u2.电阻应变式传感器工作原理框图3.2、电阻应变式力传感器3.弹性敏感元件作用：弹性敏感元件把力或压力转换成了应变或位移，•然后再由传感器将应变或位移转换成电信号。F固定点电缆性能要求：良好的弹性、足够的精度，应保证长期使用和温度变化时的稳定性特性：1.刚度、2.柔度（灵敏度）3.迟滞（弹性滞后）、4.响应时间（弹性后效）、3.2、电阻应变式力传感器3.弹性敏感元件分类：变换力的弹性敏感元件和变换压力的弹性敏感元件。3.2、电阻应变式力传感器3.弹性敏感元件分类：变换力的弹性敏感元件和变换压力的弹性敏感元件。3.2、电阻应变式力传感器4.电阻应变片电阻应变片的工作原理电阻应变效应：当金属或者是半导体材料在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化的现象。ΔRFΔl、ΔA、Δρ3.2、电阻应变式力传感器4.电阻应变片电阻应变片的结构及种类电阻应变片的结构：金属电阻丝应变片的基本结构1-电阻丝；2-基片；3-覆盖层；4-引出线电阻丝较细,一般在0.015~0.06mm,其两端焊有较粗的低阻镀锡铜丝（0.1~0.2mm）4作为引线,以便与测量电路连接。右图中,l称为应变计的标距,也称（基）栅长,a称为（基）栅宽,l×a称为应变计的使用面积。4312al3.2、电阻应变式力传感器4.电阻应变片电阻应变片的结构及种类电阻应变片的结构：3.2、电阻应变式力传感器4.电阻应变片电阻应变片的结构及种类电阻应变片的种类：金属属性半导体式丝式箔式纸基胶基应变片薄膜型体形体型薄模型扩散型外延型Pn结及其它形式3.2、电阻应变式力传感器4.电阻应变片电阻应变片的结构及种类电阻应变片的种类：金属丝弯曲部分可作成圆弧、锐角或直角,如图所示。弯曲部分作成圆弧（U）形是最早常用的一种形式,制作简单但横向效应较大。直角（H）形两端用较粗的镀银铜线焊接,横向效应相对较小,但制作工艺复杂,将逐渐被横向效应小、其他方面性能更优越的箔式应变计所代替丝式应变片(a)(b)(c)(a)(b)(c)（U）形（H）形箔式应变计的线栅是通过光刻、腐蚀等工艺制成很薄的金属薄栅（厚度一般在0.003～0.01mm）。与丝式应变计相比有如下优点:(1)工艺上能保证线栅的尺寸正确、线条均匀,大批量生产时,阻值离散程度小。(2)可根据需要制成任意形状的箔式应变计和微型小基长（如基长为0.1mm）的应变计。(3)敏感栅截面积为矩形,表面积大,散热好,在相同截面情况(4)厚度薄,因此具有较好的可挠性,它的扁平状箔栅有利于(5)便于批量生产,生产效率高。3.2、电阻应变式力传感器4.电阻应变片电阻应变片的结构及种类箔式应变片电阻应变片的种类：3.2、电阻应变式力传感器4.电阻应变片电阻应变片的种类及结构金属箔式应变片的外形3.2、电阻应变式力传感器4.电阻应变片电阻应变片的结构及种类薄膜式应变片电阻应变片的种类：薄膜式应变计是采用真空溅射或真空沉积技术,在薄的绝缘基片上蒸镀金属电阻薄膜（厚度在零点几纳米到几百纳米）,再加上保护层制成。其优点是灵敏度高,允许通过的电流密度大,工作温度范围广,可工作于-197～317°C,也可用于核辐射等特殊情况下。半导体应变片半导体应变片灵敏系数较大，机械滞后小、频率响应快，电阻值变化范围较宽，容易小型化；但是热稳定性差，测量误差较大3.2、电阻应变式力传感器5.测量电路测量电路为电桥和仪器放大器温度误差把应变片安装在弹性元件上,即使试件不受任何外力作用,如果环境温度发生变化,应变计的电阻也将发生变化。这种变化叠加在测量结果中将产生很大误差。这种由于环境温度改变而带来的误差,称为应变计的温度误差,又称热输出产生温度误差的原因有二:(1)敏感栅金属丝电阻本身随温度发生变化。(2)试件材料与应变丝材料的线膨胀系数不一,使应变丝产生附加变形而造成的电阻变化。3.2、电阻应变式力传感器6.温度误差及其补偿温度误差3.2、电阻应变式力传感器6.温度误差及其补偿温度误差的补偿温度补偿方法应变片自补偿法线路补偿法单丝自补偿法组合式自补偿法电桥补偿法①.应变片的自补偿法：粘贴在被测部位上的是一种特殊应变片，当温度变化时，产生的附加应变为零或相互抵消，这种应变片称为温度自补偿应变片。利用这种应变片来实现温度补偿的方法称为应变片自补偿法。a.选择式自补偿应变片b.双金属敏感栅自补偿应变片b.双金属敏感栅自补偿应变片敏感栅丝由两种不同温度系数的金属丝串接组成3.2、电阻应变式力传感器6.温度误差及其补偿温度误差的补偿3.2、电阻应变式力传感器6.温度误差及其补偿温度误差的补偿②.线路补偿法电桥补偿法是一种常用和效果较好的补偿法。在被测试件上安装一工作应变计R1,在另外一个与被测试件的材料相同,但不受力的补偿件上安装一补偿应变计Rb。补偿件与被测试件处于完全相同的温度场内。测量时,使两者接入电桥的相邻臂上,如图2.14所示。由于补偿片Rb是与工作片R1完全相同的,且都贴在同样材料的试件上,并处于同样温度下,这样,由于温度变化使工作片产生的电阻变化ΔR1t补偿片的电阻变化ΔRbt相等,因此,电桥输出Uo与温度无关,从而补偿了应变计的温度误差。3.2、电阻应变式力传感器6.温度误差及其补偿温度误差的补偿②.电桥补偿法FR1Rb半桥补偿法FFR1Rb总结与预习•电阻应变式传感器的工作原理•电子秤的校准：复习静性能的标定方法，全桥测量电路的原理休息一下