力传感器分类与综述.doc

§3.3力传感器和压力传感器 力、压力 输出量 电信号等 应变、位移 传感器 弹性元件 转换 输入量 变换力或压力的弹性元件 1.变换力的弹性元件 常见的有：等截面圆柱式、圆环式、 等截面薄板式、悬臂梁式样、扭转轴式等弹性元件。 2.变换压力的弹性元件 常见的有：弹簧管、波纹管、波纹膜片、薄壁圆筒等。 电阻应变片及其应变测量 金属导线的电阻： （） 应变引起电阻变化： 应变片重要参数： 型号敏感栅结构形式阻值 灵敏系数 敏感栅尺寸 （）820圆角线栅1182.00PJ120圆角线栅1201.9~2.112×3PB-5箔式1202.0~2.25×32×1.5箔式352.052×1.5应变桥式测量电路： 令＝0，则＝（平衡条件） 全等臂电桥：初始电阻＝＝＝＝R，则＝0 半等臂电桥：＝＝，＝＝，但是 令四个桥臂电阻都有变化： ＝ 略去二阶小量，考虑＝，并令/= 全桥及半桥均满足＝＝1，故 ＝ 非线性因子的误差在小应变时可以忽略，则有线性关系： ＝ 即输出电压与相邻两臂的电阻变化率之差（或相对两臂电阻变化率之和）成正比 两臂均为应变片时： ＝ 半桥式中：＝，＝＋做应变片，做补偿片时： ＝＝＝ 可消去温度误差。 平面应变测量： 物体自由表面的应力状态： 若主方向可以确定，则通过两个应变和的测量，得到 ＋ ＋ 若主方向不能预先判定，则要有三个方向的贴片得到、、。 由变换式： ＝＋＋ 解出、和，再从而求得主应变与主方向： ＝ ＝ 测力传感器 筒式（圆柱，圆筒，方柱）弹性元件： 在，处： ＝ 在，处： ＝ 悬臂梁式弹性元件： 在距离载荷为处： ＝ 为消除由于的作用点变化引起的误差，可采用测量剪力（＝）的双应变方法： =====, （设＝＝） 即，当与接在半桥的相邻两臂时，它们的差值与电桥输出成正比。 环形弹性元件： 利用其结构简单、稳定、灵敏度高的优点。 对于等截面圆环对径受压，任一截面处弯矩为： = 在内壁贴电阻片，由半桥式可获得较大输出。 S形双孔梁式弹性元件： 优???：灵敏度高，线性好，抗偏心能力强。 将双孔两端简化为双梁，并考虑两端固定，将简化为每梁承受，及弯矩，令每梁弯矩以线性反对称分布，则在孔内4个位置上应变绝对值相等，符号相反： ＝，＝＝－ 则由全桥接法得到 ＝4＝＝ 其中：双孔最大内间距。 膜片式压力传感器 周边固定的圆形膜片受到压力作用，在另一面则可以由应变片测得径向应变与环向应变： ＝ ＝ 其中：膜片厚度，压力。 膜片中心与到达正的最大值： ＝＝ 膜片边缘＝0，达到负的最大值 ＝－ 在＝＝处，＝0 双片测定法： 粘贴在正应变区内（例如处） 粘贴在负应变区内（例如处） 与组成半桥，使输出较大，并有温度补偿 测压用箔式应变花： 周边辐射部分测定负的，中部圆弧部分测定正的四部分接成全桥。 §3.4光耦合传感器 光电耦合器 特点： 以光为媒介的传输，保证了输入端和输出端之间的绝缘电荷都很高（）。 传输具有单向性，符号不会反馈，输出信号不会影响输入端。 发光源使用砷化镓发光二极管，具有低阻抗特点，可抑止干扰，消除噪音。 响应速度快，可用于高频电路。 结构简单，体积小。 光断续器：透过型、反光型。 CCD图象传感器 电荷耦合器件（CCD器件） 金属－氯化物－半导体电容器（MOS电容） 金属电极，二氯化硅，P型硅。 P型硅：主要导电粒子为带正电空穴。 金属电极：加正电压，则在电场作用下，P型硅内空穴被赶尽形成耗尽区：对负电子形成一个低势能区－电子势阱。 光照硅面：光生电子收入势阱内，同时光生空穴被电场排斥出耗尽区。 势阱内电荷的多少反映了入射光的强弱－光生电子量可代表入射光 的信息。每个MOS电容构成一象元，组成光电子图象。 电荷耦合器工作原理 基本结构：并列MOS电容。 电极1,4,7,…与相连 2,5,8,…与相连 …… 电极上加正电压，则硅片上形成一系列的势阱。被收集在势阱内的信号电荷称为电荷包。 时钟脉冲：=时，时钟的电压为，，为零。电荷存在电极1,4,7,…下面的势阱中。 =时，时钟的电压上升到，减少，为零。电荷存在电极2,5,8,…的势阱中。 载流子输运：势阱的深浅与电极上所加的电压成正比。随着上电压减少，势阱变浅，而此时的势阱达到最深，上的电荷包向电极下转移。=时，下降为零，电荷包全部转入下。 输出：输出端结构：PN结。 给PN结以反向偏置，则转移到中端的电压被PN结收集。在负载RL上形成