測力與稱重-淺談力敏傳感器的原理與類型

力敏傳感器是使用很廣泛的一種傳感器。它是生產過程中自動化檢測的重要部件。它的種類很多，有直接將力變換為電量的如壓電式、壓阻式等，有經彈性敏感元件轉換后再轉換成電量的如電阻式、電容式和電感式等。它主要用于兩個方面：測力和稱重。本文介紹電阻應變式傳感器、壓阻式和壓電式傳感器。

傳感器中的彈性敏感元件

一、彈簧管壓力表：彈簧管—彈性敏感元件：將輸入壓力轉換成自身的變形量（應變、位移或轉角）。

二、彈性元件的基本特性：

1．變形：物體在外力作用下改變原來尺寸或形狀的現象。

2．彈性：物體因受外力作用而產生變形，外力去掉后又恢復原狀的特性。

3．彈性元件：具有彈性變形特性的物體。

4．彈性變形：彈性元件受外力作用而產生的變形。

5．彈性特性：作用在元件上的外力與相應變形（應變、位移或轉角）之間的關系。

（1）剛度：彈性元件產生單位變形所需的力。

（2）靈敏度：在單位力作用下彈性元件產生的變形。

剛度和靈敏度表示了彈性元件的軟硬程度。元件越硬，剛度越大，單位力作用下變形越小，靈敏度越小。

6．線性彈性元件：剛度和靈敏度為常數，作用力與變形成線性關系。

三、彈性敏感元件的基本要求及類型：

彈性元件在傳感器技術中占有極其重要的地位。它首先把力、力矩或壓力轉換成相應的應變或位移，然后配合各種形式的傳感元件，將被測力、力矩或壓力變換成電量。

1．基本要求：

（1）具有良好的機械特性（強度高、抗沖擊、韌性好、疲勞強度高等）和良好的機械加工及熱處理性能。

（2）良好的彈性特性（彈性極限高、彈性滯后和彈性后效小等）。

（3）彈性模量的溫度系數小且穩定，材料的線膨脹系數小且穩定。

（4）抗氧化性和抗腐蝕性等化學性能良好。

2．彈性元件的形式：

2．根據彈性元件輸入量的不同，可以分成兩種基本類型：

1）變換力（力矩）彈性元件：等截面柱式、懸臂梁、圓環式和等截面薄板等。

2）變換壓力彈性元件：彈簧管、波紋管、膜片（力、壓力均可以變換）等。

電阻應變式傳感器

電阻應變式傳感器是一種利用電阻應變效應，將力學量轉換為電信號的傳感器。而電阻應變效應是指導體或半導體材料在外力作用下產生機械形變時，其電阻值也發生相應變化的現象。電阻應變式傳感器具有精度高，性能穩定，測量范圍寬，可制成各種機械量傳感器；并且結構簡單，體積小，重量輕。可在超低溫、強振動、強磁場等惡劣環境下工作等特點。

電阻應變式傳感器的結構和性能

主要用途及性能指標：

a）金屬箔式壓力傳感器：采用了箔式應變片貼在合金鋼做的彈性體上，具有精度高、溫度特性好等特點。適用于電子皮帶秤、配料秤等場所。

b)柱式傳感器：采用了箔式應變片貼在合金鋼做的彈性體上，具有精度高、長期穩定性好、密封性好等到特點。適用于地中衡、料斗秤、汽車衡、軌道衡等場所。

c)懸臂梁式傳感器：采用了箔式應變片貼在合金鋼做的彈性體上，一端固定、一端加載，拉、壓均可。具有精度高、密封性好、易安裝等特點。適用于汽車衡、電子秤、料斗秤等場合。

d)橋式傳感器：采用了箔式應變片貼在合金鋼彈性體上，具有精度高、長期穩定性好、密封性能好、抗側向力和抗偏荷能力強等特點。適用于各種汽車衡、軌道衡、料斗秤等場所。

e)波紋管式傳感器：采用懸臂剪切結構、波紋管密封、充氮，可承受拉、壓兩種受力形式，具有精度高、防塵好、抗偏載、抗疲勞能力強、性能穩定、安裝方便等特點。適用于電子秤、皮帶秤、料斗秤等場所。

f)S型拉壓式傳感器：采用S型結構，拉壓均可使用。可應用于高濕度環境，具有優越的抗扭、抗側、抗偏載能力，輸出對稱性好。精度高、結構緊湊等特點。適用于配料秤、料斗秤、機電結合秤、吊鉤秤等場所。

金屬電阻應變片的結構：

1．結構：它由敏感柵、基體、覆蓋層（保護片）和引出線四部分組成。（1）敏感柵是轉換元件，由金屬絲、金屬箔制成，它被粘貼在基體上。通過基體把應變傳遞給它。（2）基體起絕緣作用。（3）覆蓋層（保護片）起絕緣保護作用。（4）引出線焊接于敏感柵兩端，作連接測量導線之用。

2．類型：電阻應變片有金屬電阻應變片和半導體應變片兩類。金屬電阻應變片有絲式、箔式和薄膜式等結構形式。

電阻應變式傳感器的工作原理：電阻應變式傳感器是通過彈性敏感元件將外部的應力轉換成應變ε，再根據電阻應變效應，由電阻應變片將應變轉換成電阻值的微小變化，通過測量電橋轉換成電壓或電流的輸出。

應變片的測量電路：由于應變片受力的電阻值變化范圍很小，如果直接用歐姆表測量其電阻值的變化將十分困難，且誤差很大。所以必須使用專門的電路來測量這種微弱的電阻變化，最常用的電路為電橋電路。

電阻應變式傳感器的應用：在電阻應變式傳感器中，敏感元件一般為各種彈性體，傳感元件就是應變片，測量轉換電路一般為橋路。只要將應變片粘貼于各種彈性體上，并將其接到測量轉換電路，這樣就構成了測量各種物理量的專用應變式傳感器。它可以測量應變應力、彎矩、扭矩、加速度、位移等物理量。

壓阻式傳感器

壓阻式傳感器是通過擴散工藝將四個半導體應變電阻制作在同一硅片上，利用半導體材料的壓阻效應制成的傳感器。它由于工藝一致性好，靈敏度相等，因此漂移抵消，遲滯、蠕變非常小，動態響應快，測量精度高、穩定性好、溫度范圍寬、易小型化、能批量生產和使用方便。

固態壓阻式傳感器的工作原理：固態壓阻式傳感器的工作主要基于壓阻效應，而壓阻效應是在半導體材料上施加作用力時，其電阻率將發生顯著變化的現象。

半導體電阻應變片的結構和特點

一、半導體電阻應變片的結構：它由硅膜片、外殼和引線組成。核心：硅膜片（作為彈性敏感元件）。

二、半導體電阻應變片的特點：優點：靈敏系數比金屬電阻應變片的靈敏系數大數十倍，橫向效應和機械滯后極小。缺點：溫度穩定性和線性度比金屬電阻應變片差很多。

壓阻式壓力傳感器:固態壓阻式壓力傳感器的硅膜片兩邊有兩個壓力腔。一個是和被測壓力相連接的高壓腔，另一個是低壓腔，和大氣相通。當膜片兩邊存在壓力差時，膜片上各點存在應力。膜片上的四個電阻在應力作用下，阻值發生變化，電橋失去平衡，輸出電壓與膜片兩邊壓力差成正比。

壓電傳感器

壓電式傳感器是基于某些材料受力后在其表面產生電荷的壓電效應為轉換原理的傳感器。它是一種典型的有源傳感器，又稱自發電式傳感器。它具有體積小，重量輕，頻率寬，靈敏度高，結構簡單，工作可靠等特點。

壓電傳感器的工作原理

一、壓電效應：當某些晶體或多晶體陶瓷在一定的方向上受到外力作用時，在某兩個對應的晶面上，會產生符號相反的電荷。當外力消失時，電荷也消失；當外力改變方向時，兩晶面上的電荷符號也隨之改變。壓電傳感器就是以壓電效應為基礎，將力學量轉換為電量的器件。典型的具有壓電效應的物質有石英晶體、壓電陶瓷和高分子壓電材料等。石英晶體的壓電效應：石英晶體的外形是規則的六角棱柱體，它有三個晶軸。

1．縱向壓電效應：沿著X軸對晶片施加力時，在垂直于X軸的表面上產生電荷。產生的電荷與作用力的大小成正比，與晶片尺寸無關。

2．橫向壓電效應：沿著Y軸對晶片施加壓力時，在垂直于X軸的表面上產生電荷。產生的電荷與作用力的大小成正比，與晶片尺寸有關。

壓電陶瓷的壓電效應：壓電陶瓷是人工制造的具有電疇結構的多晶壓電材料。它的壓電機理與壓電晶體不同。原始的壓電陶瓷不具有壓電特性，電疇無規則排列。當外加直流電場時，使得電疇規則排列，這時壓電陶瓷就有了壓電特性。在極化電場去除后，電疇方向基本不變，留下了很強的剩余極化。極化過的壓電陶瓷受力后就產生了電荷。見圖4-18所示。壓電陶瓷的壓電系數比石英晶體的大得多，因此其靈敏度較高。

壓電傳感器的測量電路

一、壓電傳感器的等效電路：壓電傳感器可以等效為一個與電容相并聯的電荷源或者是一個電容與電壓源的串聯。

二、壓電傳感器的測量電路：壓電傳感器具有內阻抗很高，而輸出信號微弱的特點。因此要求測量電路的前級放大器有足夠高的阻抗，防止電荷迅速泄露；并且要完成信號放大。其測量電路有兩種：電壓放大器和電荷放大器。

壓電傳感器的應用

一、壓電式單向測力傳感器：用于機床動態切削力的測量。

二、壓電式加速度傳感器：當傳感器感受振動時，質量塊感受與傳感器基座相同的振動，并受到與加速度方向相反的慣性力的作用。這樣，質量塊就有一正比于加速度的交變力作用在壓電片上。由于壓電片壓電效應，兩個表面上就產生交變電荷，當振動頻率遠低于傳感器的固有頻率時，傳感器的輸出電荷（電壓）與作用力成正比，亦即與試件的加速度成正比。