力敏傳感器是使用很廣泛的一種傳感器。它是生產(chǎn)過程中自動(dòng)化檢測(cè)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(jīng)彈性敏感元件轉(zhuǎn)換后再轉(zhuǎn)換成電量的如電阻式、電容式和電感式等。它主要用于兩個(gè)方面：測(cè)力和稱重。本文介紹電阻應(yīng)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(zhuǎn)換成自身的變形量（應(yīng)變、位移或轉(zhuǎn)角）。

二、彈性元件的基本特性：

1．變形：物體在外力作用下改變?cè)瓉沓叽缁蛐螤畹默F(xiàn)象。

2．彈性：物體因受外力作用而產(chǎn)生變形，外力去掉后又恢復(fù)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(chǎn)生的變形。

5．彈性特性：作用在元件上的外力與相應(yīng)變形（應(yīng)變、位移或轉(zhuǎn)角）之間的關(guān)系。

（1）剛度：彈性元件產(chǎn)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(chǎn)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(shù)，作用力與變形成線性關(guān)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(shù)中占有極其重要的地位。它首先把力、力矩或壓力轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的應(yīng)變或位移，然后配合各種形式的傳感元件，將被測(cè)力、力矩或壓力變換成電量。

1．基本要求：

（1）具有良好的機(jī)械特性（強(qiáng)度高、抗沖擊、韌性好、疲勞強(qiáng)度高等）和良好的機(jī)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(shù)小且穩(wěn)定，材料的線膨脹系數(shù)小且穩(wěn)定。

（4）抗氧化性和抗腐蝕性等化學(xué)性能良好。

2．彈性元件的形式：

2．根據(jù)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(huán)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(yīng)變式傳感器

電阻應(yīng)變式傳感器是一種利用電阻應(yīng)變效應(yīng)，將力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器。而電阻應(yīng)變效應(yīng)是指導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外力作用下產(chǎn)生機(jī)械形變時(shí)，其電阻值也發(fā)生相應(yīng)變化的現(xiàn)象。電阻應(yīng)變式傳感器具有精度高，性能穩(wěn)定，測(cè)量范圍寬，可制成各種機(jī)械量傳感器；并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕。可在超低溫、強(qiáng)振動(dòng)、強(qiáng)磁場(chǎng)等惡劣環(huán)境下工作等特點(diǎn)。

電阻應(yīng)變式傳感器的結(jié)構(gòu)和性能

主要用途及性能指標(biāo)：

a）金屬箔式壓力傳感器：采用了箔式應(yīng)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(diǎn)。適用于電子皮帶秤、配料秤等場(chǎng)所。

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

c)懸臂梁式傳感器：采用了箔式應(yīng)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(diǎn)。適用于汽車衡、電子秤、料斗秤等場(chǎng)合。

d)橋式傳感器：采用了箔式應(yīng)變片貼在合金鋼彈性體上，具有精度高、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好、密封性能好、抗側(cè)向力和抗偏荷能力強(qiáng)等特點(diǎn)。適用于各種汽車衡、軌道衡、料斗秤等場(chǎng)所。

e)波紋管式傳感器：采用懸臂剪切結(jié)構(gòu)、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(qiáng)、性能穩(wěn)定、安裝方便等特點(diǎn)。適用于電子秤、皮帶秤、料斗秤等場(chǎng)所。

f)S型拉壓式傳感器：采用S型結(jié)構(gòu)，拉壓均可使用。可應(yīng)用于高濕度環(huán)境，具有優(yōu)越的抗扭、抗側(cè)、抗偏載能力，輸出對(duì)稱性好。精度高、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)。適用于配料秤、料斗秤、機(jī)電結(jié)合秤、吊鉤秤等場(chǎng)所。

金屬電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)：

1．結(jié)構(gòu)：它由敏感柵、基體、覆蓋層（保護(hù)片）和引出線四部分組成。（1）敏感柵是轉(zhuǎn)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(yīng)變傳遞給它。（2）基體起絕緣作用。（3）覆蓋層（保護(hù)片）起絕緣保護(hù)作用。（4）引出線焊接于敏感柵兩端，作連接測(cè)量導(dǎo)線之用。

2．類型：電阻應(yīng)變片有金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩類。金屬電阻應(yīng)變片有絲式、箔式和薄膜式等結(jié)構(gòu)形式。

電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理：電阻應(yīng)變式傳感器是通過彈性敏感元件將外部的應(yīng)力轉(zhuǎn)換成應(yīng)變?chǔ)?，再根?jù)電阻應(yīng)變效應(yīng)，由電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻值的微小變化，通過測(cè)量電橋轉(zhuǎn)換成電壓或電流的輸出。

應(yīng)變片的測(cè)量電路：由于應(yīng)變片受力的電阻值變化范圍很小，如果直接用歐姆表測(cè)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(cè)量這種微弱的電阻變化，最常用的電路為電橋電路。

電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用：在電阻應(yīng)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(yīng)變片，測(cè)量轉(zhuǎn)換電路一般為橋路。只要將應(yīng)變片粘貼于各種彈性體上，并將其接到測(cè)量轉(zhuǎn)換電路，這樣就構(gòu)成了測(cè)量各種物理量的專用應(yīng)變式傳感器。它可以測(cè)量應(yīng)變應(yīng)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(kuò)散工藝將四個(gè)半導(dǎo)體應(yīng)變電阻制作在同一硅片上，利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)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(dòng)態(tài)響應(yīng)快，測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好、溫度范圍寬、易小型化、能批量生產(chǎn)和使用方便。

固態(tài)壓阻式傳感器的工作原理：固態(tài)壓阻式傳感器的工作主要基于壓阻效應(yīng)，而壓阻效應(yīng)是在半導(dǎo)體材料上施加作用力時(shí)，其電阻率將發(fā)生顯著變化的現(xiàn)象。

半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

一、半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)：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(dǎo)體電阻應(yīng)變片的特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：靈敏系數(shù)比金屬電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)大數(shù)十倍，橫向效應(yīng)和機(jī)械滯后極小。缺點(diǎn)：溫度穩(wěn)定性和線性度比金屬電阻應(yīng)變片差很多。

壓阻式壓力傳感器:固態(tài)壓阻式壓力傳感器的硅膜片兩邊有兩個(gè)壓力腔。一個(gè)是和被測(cè)壓力相連接的高壓腔，另一個(gè)是低壓腔，和大氣相通。當(dāng)膜片兩邊存在壓力差時(shí)，膜片上各點(diǎn)存在應(yīng)力。膜片上的四個(gè)電阻在應(yīng)力作用下，阻值發(fā)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(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)為轉(zhuǎn)換原理的傳感器。它是一種典型的有源傳感器，又稱自發(fā)電式傳感器。它具有體積小，重量輕，頻率寬，靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠等特點(diǎn)。

壓電傳感器的工作原理

一、壓電效應(yīng)：當(dāng)某些晶體或多晶體陶瓷在一定的方向上受到外力作用時(shí)，在某兩個(gè)對(duì)應(yīng)的晶面上，會(huì)產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷。當(dāng)外力消失時(shí)，電荷也消失；當(dāng)外力改變方向時(shí)，兩晶面上的電荷符號(hào)也隨之改變。壓電傳感器就是以壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，將力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電量的器件。典型的具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)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(yīng)：石英晶體的外形是規(guī)則的六角棱柱體，它有三個(gè)晶軸。

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

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

壓電陶瓷的壓電效應(yīng)：壓電陶瓷是人工制造的具有電疇結(jié)構(gòu)的多晶壓電材料。它的壓電機(jī)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(guī)則排列。當(dāng)外加直流電場(chǎng)時(shí)，使得電疇規(guī)則排列，這時(shí)壓電陶瓷就有了壓電特性。在極化電場(chǎng)去除后，電疇方向基本不變，留下了很強(qiáng)的剩余極化。極化過的壓電陶瓷受力后就產(chǎn)生了電荷。見圖4-18所示。壓電陶瓷的壓電系數(shù)比石英晶體的大得多，因此其靈敏度較高。

壓電傳感器的測(cè)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(gè)與電容相并聯(lián)的電荷源或者是一個(gè)電容與電壓源的串聯(lián)。

二、壓電傳感器的測(cè)量電路：壓電傳感器具有內(nèi)阻抗很高，而輸出信號(hào)微弱的特點(diǎn)。因此要求測(cè)量電路的前級(jí)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(hào)放大。其測(cè)量電路有兩種：電壓放大器和電荷放大器。

壓電傳感器的應(yīng)用

一、壓電式單向測(cè)力傳感器：用于機(jī)床動(dòng)態(tài)切削力的測(cè)量。

二、壓電式加速度傳感器：當(dāng)傳感器感受振動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊感受與傳感器基座相同的振動(dòng)，并受到與加速度方向相反的慣性力的作用。這樣，質(zhì)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(yīng)，兩個(gè)表面上就產(chǎn)生交變電荷，當(dāng)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于傳感器的固有頻率時(shí)，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。