第七章力敏传感器.ppt

Strain Gauge Sensors 力敏传感器 电阻式应变传感器 一、导电材料的应变电阻效应 电阻应变片的工作原理是基于应变效应，即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值发生变化， 这种现象称为“应变效应”。  电阻式应变传感器 二、半导体材料的压阻效应 压阻效应是指半导体材料，当某一轴向受外力作用时，其电阻率ρ发生变化的现象。 电阻式应变传感器 三、电阻应变计的结构与类型 结构： 电阻式应变传感器 电阻式应变传感器 四、电阻应变计的应用 电阻式应变传感器 电容式应变传感器 电容式应变传感器 电容式应变传感器 电容式应变传感器 电容式应变传感器 电容式应变传感器 电容式应变传感器 图中C为传感器电容，Rp为低频损耗并联电阻，它包含极板间漏电和介质损耗；Rs为高湿、高温、高频激励工作时的串联损耗电组，它包含导线、极板间和金属支座等损耗电阻；L为电容器及引线电感；Cp为寄生电容，克服其影响，是提高电容传感器实用性能的关键之一。 电容式应变传感器 电容式应变传感器 压电传感器 一些离子型晶体的电介质不仅在电场力作用下，而且在机械力作用下，都会产生极化现象。 当外力消失，电介质又恢复不带电原状；当外力变向，电荷极性随之而变。这种现象称为正压电效应，或简称压电效应。 压电传感器 压电传感器 压电材料 压电传感器 压电传感器 常用的压电陶瓷 (1)二元系压电陶瓷 (2)三元系压电陶瓷 (3)综合性能更为优越的四元系压电陶瓷也已经研制成 ⑴ 压电半导体 ⑵ 有机高分子压电材料 一 某些合成高分子聚合物，经延展拉伸和电极化后具有压电性高分子压电薄膜，如聚氟乙烯PVF)等。 二 高分子化合物中掺杂压电陶瓷PZT或BaTiO3粉末制成的高分子压电薄膜。 * LOGO 导体受拉伸后的参数变化 式中：π——半导体材料的压阻系数;σ——半导体材料的所受应变力; E——半导体材料的弹性模量;ε——半导体材料的应变。 典型应变计的结构及组成 (a)丝式 (b)箔式 (c)半导体 1—敏感栅 2—基底 3—引线 4—盖层 5—粘结剂 6—电极 (1)敏感栅——实现应变-电阻转换的敏感元件。 通常由直径为0.015～0.05mm的金属丝绕成栅状，或用金属箔腐蚀成栅状。 (2)基底——为保持敏感栅固定的形状、尺寸和位置，通常用粘结剂将其固结在纸质或胶质的基底上。基底必须很薄，一般为0.02～0.04mm。 (3)引线——起着敏感栅与测量电路之间的过渡连接和引导作用。通常取直径约0.1～0.15mm的低阻镀锡铜线，并用钎焊与敏感栅端连接。 (4)盖层——用纸、胶作成覆盖在敏感栅上的保护层；起着防潮、防蚀、防损等作用。 (5)粘结剂——制造应变计时，用它分别把盖层和敏感栅固结于基底；使用应变计时，用它把应变计基底粘贴在试件表面的被测部位。因此它也起着传递应变的作用。 （1）选择类型——使用目的、要求、对象、环境等 （2）材料考虑——使用温度、时间、最大应变量及精度 （3）阻值选择——根据测量电路和仪器选定标称电阻 （4）尺寸考虑——试件表面、应力分布、粘贴面积 （5）其他考虑——特殊用途、恶劣环境、高精度 1、应变计的选用 （1）粘结剂的选择 通常在室温工作的应变片多采用常温、指压固化条件的粘结剂如聚脂树脂、环氧树脂类。 （2）应变计的粘贴 ①准备——试件和应变片；②涂胶；③贴片；④复查；⑤接线；⑥防护。 2、应变计的使用 由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，当忽略边缘效应影响时，其电容量与介电常数ε0 、极板的有效面积A以及两极板间的距离δ有关： 电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型 。 变极距型电容传感器原理图 (1)变极距型电容传感器只有在|Δδ0/δ0| 很小(小测量范围)时，才有近似的线性输出； (2)灵敏度S与初始极距δ0的平方成反比，故可用减少δ0的办法来提高灵敏度。例如在电容式压力传感器中，常取δ0＝0.1～0.2mm，C0在20～100pF之间。由于变极距型的分辨力极高，可测小至0.01μm的线位移，故在微位移检测中应用最广 变面积型电容传感器原理图 这种传感器的输出特性呈线性。因而其量程不受线性范围的限制，适合于测量较大的直线位移和角位移。只在初始极距δ0精确保持不变时成立，否则将导致测量误差。 变面积型电容传感器与变极距型相比，其灵敏度较低。因此，在实际应用中，也采用差动式结构，以提高灵敏度。当动极板C随角位移(Δα)输入而摆动时两组电容值一增一减，差动输出。 变介质型电容传感器原理图 优点： Ⅰ.温度稳