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第四章 力敏传感器
教学目标：
了解弹性敏感元件的特性和要求。
了解几种常用测力称重传感器的特点、
掌握电阻应变效应及半导体的压阻效应
了解电桥电路的作用。
掌握单臂、双臂和全桥测量电路的异同点。
理解压电式传感器的工作原理。了解它的特点。
了解它们的应用。
力敏传感器是使用很广泛的一种传感器。它是生产过程中自动化检测的重要部件。它的种类很多，有直接将力变换为电量的如压电式、压阻式等，有经弹性敏感元件转换后再转换成电量的如电阻式、电容式和电感式等。它主要用于两个方面：测力和称重。本章介绍电阻应变式传感器、压阻式和压电式传感器。
§4-1（传感器中的）弹性敏感元件
一、弹簧管压力表的组成：（如图4-1）
图4-1 弹簧管压力表的组成框图
弹簧管——弹性敏感元件：将输入压力转换成自身的变形量（应变、位移或转角）。
二、弹性元件的基本特性：
变形：物体在外力作用下改变原来尺寸或形状的现象。
弹性：物体因受外力作用而产生变形，外力去掉后又恢复原状的特性。
弹性元件：具有弹性变形特性的物体。
弹性变形：弹性元件受外力作用而产生的变形。
弹性特性：作用在元件上的外力与相应变形（应变、位移或转角）之间的关系。
刚度：弹性元件产生单位变形所需的力。
灵敏度：在单位力作用下弹性元件产生的变形。
刚度和灵敏度表示了弹性元件的软硬程度。元件越硬，刚度越大，单位力作用下变形越小，灵敏度越小。
线性弹性元件：刚度和灵敏度为常数，作用力F与变形X成线性关系。
三、弹性敏感元件的基本要求及类型：
弹性元件在传感器技术中占有极其重要的地位。它首先把力、力矩或压力转换成相应的应变或位移，然后配合各种形式的传感元件，将被测力、力矩或压力变换成电量。
基本要求：
具有良好的机械特性（强度高、抗冲击、韧性好、疲劳强度高等）和良好的机械加工及热处理性能。
良好的弹性特性（弹性极限高、弹性滞后和弹性后效小等）。
弹性模量的温度系数小且稳定，材料的线膨胀系数小且稳定。
抗氧化性和抗腐蚀性等化学性能良好。
2．弹性元件的形式：
2．根据弹性元件输入量的不同，可以分成两种基本类型：
变换力（力矩）弹性元件：等截面柱式、悬臂梁、圆环式和等截面薄板等。
变换压力弹性元件：弹簧管、波纹管、膜片（力、压力均可以变换）等。
§4-2 电阻应变式传感器
电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将力学量转换为电信号的传感器。而电阻应变效应是指导体或半导体材料在外力作用下产生机械形变时，其电阻值也发生相应变化的现象。
电阻应变式传感器具有精度高，性能稳定，测量范围宽，可制成各种机械量传感器；并且结构简单，体积小，重量轻。可在超低温、强振动、强磁场等恶劣环境下工作等特点。
§4-2-1 电阻应变式传感器的外形结构和性能一、 部分电阻应变式传感器的外形：
(b) (c)
（d） (e) (f)
图4-2 各种应变式电阻传感器的外形图
箔式压力；(b)柱式；(c)悬臂梁式；(d)桥式；(e)波纹管式；(f)S型拉压式
二、主要用途及性能指标：
（a） 金属箔式压力传感器：
采用了箔式应变片贴在合金钢做的弹性体上，具有精度高、温度特性好等特点。适用于电子皮带秤、配料秤等场所。它的性能指标见表4-1所示：
表4-1
金属箔式压力传感器的性能指标
量程灵敏度
2、5、10、20、30、50、100、150、200kg1～2mv±0.1mv/V
非线性
滞后误差
±0.02%F·S
±0.02%F·S
重复性误差
蠕变
±0.01%F·S
±0.05 ％F·S/30min
零点温度系数输出温度系数输入阻抗
输出阻抗
绝缘电阻供桥电压
±0.03%F·S/10℃
±0.03%F·S/10℃
385±10Ω
350±5Ω
≥5000MΩ9～15VDC
工作温度范围
允许过载负荷
-20～+70℃
150%F·S
材质
合金钢
接线方式
电源（+）红线 电源（-）绿线
输出（+）黄线 输出（-）白线
柱式传感器：
采用了箔式应变片贴在合金钢做的弹性体上，具有精度高、长期稳定性好、密封性好等到特点。适用于地中衡、料斗秤、汽车衡、轨道衡等场所。
量程：0.1～200ｔ；精度：±0.05%F·S。
悬臂梁式传感器：
采用了箔式应变片贴在合金钢做的弹性体上，一端固定、一端加载，拉、压均可。具有精度高、密封性好、易安装等特点。适用于汽车衡、电子秤、料斗秤等场合。
量程：0.05～20ｔ；精度：±0.03%F·S。
桥式传感器：
采用了箔式应变片贴在合金钢弹性体上，具有精度高、长期稳定性好、密封性能好、抗侧向力和抗偏荷能力强等特点。适用于各种汽车衡、轨道衡、料斗秤等场所。
量程：5~50ｔ；精度：±0.02%F·S。
波纹管式传感器：
采用悬臂剪切结构、波纹管密封、充氮，可承受拉、
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