力傳感器的原理 科學(xué)的原理

大家可能會(huì)對(duì)傳感器非常陌生，但是小兔相信大部分從事修理行業(yè)的朋友，對(duì)于力傳感器并不陌生，對(duì)它采用的工作原理也是再熟悉不過了吧，力傳感器是采用了各種力學(xué)原理，并且采用了數(shù)學(xué)中的原理通過力的作用，將接受到的外界信息經(jīng)過加工處理，再通過傳感器進(jìn)行傳輸。也有很多的朋友對(duì)于它的工作原理好奇，那么小兔來為大家解析一下。

力學(xué)傳感器是將各種力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器件，力學(xué)量可分為幾何學(xué)量、運(yùn)動(dòng)學(xué)量及力學(xué)量三部分，其中幾何學(xué)量指的是位移、形變、尺寸等，運(yùn)動(dòng)學(xué)量是指幾何學(xué)量的時(shí)間函數(shù)，如速度、加速度等。力學(xué)量包括質(zhì)量、力、力矩、壓力、應(yīng)力等。根據(jù)被測(cè)力學(xué)的不同，這里我們首先要介紹的是應(yīng)用最為廣泛的應(yīng)變式壓力傳感器。

在以后的網(wǎng)頁中，我們將逐步介紹其它類型的力學(xué)傳感器。[學(xué)傳感器的種類繁多，如電阻應(yīng)變片壓力傳感器、半導(dǎo)體應(yīng)變片壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳感器等。但應(yīng)用最為廣泛的是壓阻式壓力傳感器，它具有極低的價(jià)格和較高的精度以及較好的線性特性。

下面我們主要介紹這類傳感器。[了解壓阻式力傳感器時(shí)，我們首先認(rèn)識(shí)一下電阻應(yīng)變片這種元件。電阻應(yīng)變片是一種將被測(cè)件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成為一種電信號(hào)的敏感器件。它是壓阻式應(yīng)變傳感器的主要組成部分之一。電阻應(yīng)變片應(yīng)用最多的是金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩種。金屬電阻應(yīng)變片又有絲狀應(yīng)變片和金屬箔狀應(yīng)變片兩種。

通常是將應(yīng)變片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在產(chǎn)生力學(xué)應(yīng)變基體上，當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時(shí)，電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn)生形變，使應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。這種應(yīng)變片在受力時(shí)產(chǎn)生的阻值變化通常較小，一般這種應(yīng)變片都組成應(yīng)變電橋，并通過后續(xù)的儀表放大器進(jìn)行放大，再傳輸給處理電路(通常是A/D轉(zhuǎn)換和CPU)顯示或執(zhí)行機(jī)構(gòu)。[屬電阻應(yīng)變片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)由基體材料、金屬應(yīng)變絲或應(yīng)變箔、絕緣保護(hù)片和引出線等部分組成。

根據(jù)不同的用途，電阻應(yīng)變片的阻值可以由設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)，但電阻的取值范圍應(yīng)注意：阻值太小，所需的驅(qū)動(dòng)電流太大，同時(shí)應(yīng)變片的發(fā)熱致使本身的溫度過高，不同的環(huán)境中使用，使應(yīng)變片的阻值變化太大，輸出零點(diǎn)漂移明顯，調(diào)零電路過于復(fù)雜。

力傳感器采用了大部分的力學(xué)原理，其中包括了力學(xué)理論的三個(gè)部分，所以才稱之為力傳感器，力傳感器的類型也是多種多樣，不過主要采用的原理都是大同小異的，因?yàn)槎己土τ邢嚓P(guān)性，所以力傳感器也廣泛應(yīng)用在稱重這一環(huán)節(jié)，根據(jù)小兔的了解力傳感器在很多的地泵中都有應(yīng)用，用來對(duì)一些大型的可移動(dòng)的物體進(jìn)行稱重。對(duì)于它的工作原理就介紹到這里了。

而電阻太大，阻抗太高，抗外界的電磁干擾能力較差。一般均為幾十歐至幾十千歐左右。[阻應(yīng)變片的工作原理[屬電阻應(yīng)變片的工作原理是吸附在基體材料上應(yīng)變電阻隨機(jī)械形變而產(chǎn)生阻值變化的現(xiàn)象，俗稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。金屬導(dǎo)體的電阻值可用下式表示[中：ρ——金屬導(dǎo)體的電阻率(Ω·cm體的截面積(cm了大部分的力學(xué)原理，其中包括了力學(xué)理論的三個(gè)部分，所以才稱之為力傳感器，力傳感器的類型也是多種多樣，不過主要采用的原理都是大同小異的，因?yàn)槎己土τ邢嚓P(guān)性，所以力傳感器也廣泛應(yīng)用在稱重這一環(huán)節(jié)，根據(jù)小兔的了解力傳感器在很多的地泵中都有應(yīng)用，用來對(duì)一些大型的可移動(dòng)的物體進(jìn)行稱重。對(duì)于它的工作原理就介紹到這里了。

工作原理是什么？

傳感器的工作原理是：當(dāng)彈性軸受扭時(shí),應(yīng)變橋檢測(cè)得到的mV級(jí)的應(yīng)變信號(hào)通過儀表放大器放大成強(qiáng)信號(hào),再通過V/F轉(zhuǎn)換器變換成頻率信號(hào),通過信號(hào)環(huán)形變壓器從旋轉(zhuǎn)的初級(jí)線圈傳遞至靜止次級(jí)線圈,再經(jīng)過外殼上的信號(hào)處理電路濾波、整形即可得到與彈性軸承受的扭矩成正比的頻率信號(hào),既可提供給專用二次儀表或頻率計(jì)顯示也可直接送計(jì)算機(jī)處理。

3、力傳感器工作原理你知道嗎？

有許多物理定律是建立在力的概念上的，力作用于質(zhì)量為m的物體時(shí)，會(huì)改變物體的速度。有許多與力有關(guān)的概念，如推力、阻力和扭矩，當(dāng)應(yīng)用于一個(gè)物體時(shí)，推力會(huì)增加物體的速度，而阻力會(huì)降低速度，扭矩會(huì)引起物體轉(zhuǎn)速的變化。當(dāng)物體中的力平衡分布時(shí)，就看不到加速度。隨著技術(shù)的進(jìn)步，人們引入了一種有助于監(jiān)測(cè)力的傳感器，即力傳感器。今天，讓我們來看看力傳感器的工作原理及其應(yīng)用。

一些材料在受到外力作用時(shí)，會(huì)改變其電阻值，這些材料被稱為力敏電阻器。這些材料被用來制造一個(gè)可以測(cè)量力的傳感器。力傳感器是一種有助于測(cè)量施加于物體的力的傳感器，通過觀察力敏電阻器電阻值的變化量，可以計(jì)算出施加的力。

力傳感器的一般工作原理是對(duì)所施加的力作出響應(yīng)，并將力值轉(zhuǎn)換成可測(cè)量的量。市場(chǎng)上有各種基于各種傳感元件的力傳感器，大多數(shù)力傳感器都是使用力敏電阻器設(shè)計(jì)的，這些傳感器由傳感膜和電極組成。

力傳感器的主要用途是測(cè)量施加的力。有各種類型和尺寸的力傳感器可用于不同類型的應(yīng)用。使用力感電阻器的力傳感器的一些應(yīng)用包括壓力感測(cè)按鈕、樂器、汽車占用感測(cè)器、假肢、腳內(nèi)旋系統(tǒng)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等等。

有許多類型的力傳感器可用于不同類型的應(yīng)用。力傳感器的一些例子是稱重傳感器、氣動(dòng)稱重傳感器、電容式稱重傳感器、應(yīng)變計(jì)稱重傳感器、液壓稱重傳感器等。

4、壓力傳感器工作原理是什么

一、壓電壓力傳感器

壓電式壓力傳感器主要基于壓電效應(yīng)（Ptrt），利用電氣元件和其他機(jī)械把待測(cè)的壓力轉(zhuǎn)換成為電量，再進(jìn)行相關(guān)測(cè)量工作的測(cè)量精密儀器，比如很多壓力變送器和壓力傳感器。壓電傳感器不可以應(yīng)用在靜態(tài)的測(cè)量當(dāng)中，原因是受到外力作用后的電荷，當(dāng)回路有無限大的輸入抗阻的時(shí)候，才可以得以保存下來。但是實(shí)際上并不是這樣的。因此壓電傳感器只可以應(yīng)用在動(dòng)態(tài)的測(cè)量當(dāng)中。它主要的壓電材料是：磷酸二氫胺、酒石酸鉀鈉和石英。壓電效應(yīng)就是在石英上發(fā)現(xiàn)的。

當(dāng)應(yīng)力發(fā)生變化的時(shí)候，電場(chǎng)的變化很小很小，其他的一些壓電晶體就會(huì)替代石英。酒石酸鉀鈉，它是具有很大的壓電系數(shù)和壓電靈敏度的，但是，它只可以使用在室內(nèi)的濕度和溫度都比較低的地方。磷酸二氫胺是一種人造晶體，它可以在很高的濕度和很高的溫度的環(huán)境中使用，所以，它的應(yīng)用是非常廣泛的。隨著技術(shù)的發(fā)展，壓電效應(yīng)也已經(jīng)在多晶體上得到應(yīng)用了。例如：壓電陶瓷，鈮鎂酸壓電陶瓷、鈮酸鹽系壓電陶瓷和鈦酸鋇壓電陶瓷等等都包括在內(nèi)。

以壓電效應(yīng)為工作原理的傳感器，是機(jī)電轉(zhuǎn)換式和自發(fā)電式傳感器。它的敏感元件是用壓電的材料制作而成的，而當(dāng)壓電材料受到外力作用的時(shí)候，它的表面會(huì)形成電荷，電荷會(huì)通過電荷放大器、測(cè)量電路的放大以及變換阻抗以后，就會(huì)被轉(zhuǎn)換成為與所受到的外力成正比關(guān)系的電量輸出。它是用來測(cè)量力以及可以轉(zhuǎn)換成為力的非電物理量，例如：

加速度和壓力。它有很多優(yōu)點(diǎn)：重量較輕、工作可靠、結(jié)構(gòu)很簡單、信噪比很高、靈敏度很高以及信頻寬等等。但是它也存在著某些缺點(diǎn)：有部分電壓材料忌潮濕，因此需要采取一系列的防潮措施，而輸出電流的響應(yīng)又比較差，那就要使用電荷放大器或者高輸入阻抗電路來彌補(bǔ)這個(gè)缺點(diǎn)，讓儀器更好地工作。

二、壓阻壓力傳感器

壓阻壓力傳感器主要基于壓阻效應(yīng)（Pstct）。壓阻效應(yīng)是用來描述材料在受到機(jī)械式應(yīng)力下所產(chǎn)生的電阻變化。不同于上述壓電效應(yīng)，壓阻效應(yīng)只產(chǎn)生阻抗變化，并不會(huì)產(chǎn)生電荷。

大多數(shù)金屬材料與半導(dǎo)體材料都被發(fā)現(xiàn)具有壓阻效應(yīng)。其中半導(dǎo)體材料中的壓阻效應(yīng)遠(yuǎn)大于金屬。由于硅是現(xiàn)今集成電路的主要，以硅制作而成的壓阻性元件的應(yīng)用就變得非常有意義。的電阻變化不單是來自與應(yīng)力有關(guān)的幾何形變，而且也來自材料本身與應(yīng)力相關(guān)的電阻，這使得其程度因子大于金屬數(shù)百倍之多。N型硅的電阻變化主要是由于其三個(gè)導(dǎo)帶谷對(duì)的位移所造成不同遷移率的導(dǎo)帶谷間的載子重新分布，進(jìn)而使得電子在不同流動(dòng)方向上的遷移率發(fā)生改變。其次是由于來自與導(dǎo)帶谷形狀的改變相關(guān)的等效質(zhì)量(effect)的變化。在P型硅中，此現(xiàn)象變得更復(fù)雜，而且也導(dǎo)致等效質(zhì)量改變及電洞轉(zhuǎn)換。

壓阻壓力傳感器一般通過引線接入惠斯登電橋中。平時(shí)敏感芯體沒有外加壓力作用，電橋處于平衡狀態(tài)（稱為零位），當(dāng)傳感器受壓后芯片電阻發(fā)生變化，電橋?qū)⑹テ胶狻Ｈ艚o電橋加一個(gè)恒定電流或電壓電源，電橋?qū)⑤敵雠c壓力對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，這樣傳感器的電阻變化通過電橋轉(zhuǎn)換成壓力信號(hào)輸出。電橋檢測(cè)出電阻值的變化，經(jīng)過放大后，再經(jīng)過電壓電流的轉(zhuǎn)換，變換成相應(yīng)的電流信號(hào)，該電流信號(hào)通過非線性校正環(huán)路的補(bǔ)償，即產(chǎn)生了輸入電壓成線性對(duì)應(yīng)關(guān)系的4～出信號(hào)。

為減小溫度變化對(duì)芯體電阻值的影響，提高測(cè)量精度，壓力傳感器都采用溫度補(bǔ)償措施使其零點(diǎn)漂移、靈敏度、線性度、穩(wěn)定性等技術(shù)指標(biāo)保持較高水平。

三、電容式壓力傳感器

電容式壓力傳感器是一種利用電容作為敏感元件，將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成電容值改變的壓力傳感器。這種壓力傳感器一般采用圓形金屬薄膜或鍍金屬薄膜作為電容器的一個(gè)電極，當(dāng)薄膜感受壓力而變形時(shí)，薄膜與固定電極之間形成的電容量發(fā)生變化，通過測(cè)量電路即可輸出與電壓成一定關(guān)系的電信號(hào)。電容式壓力傳感器屬于極距變化型電容式傳感器，可分為單電容式壓力傳感器和差動(dòng)電容式壓力傳感器。

單電容式壓力傳感器由圓形薄膜與固定電極構(gòu)成。薄膜在壓力的作用下變形，從而改變電容器的容量，其靈敏度大致與薄膜的面積和壓力成正比而與薄膜的張力和薄膜到固定電極的距離成反比。另一種型式的固定電極取凹形球面狀，膜片為周邊固定的張緊平面，膜片可用塑料鍍金屬層的方法制成。這種型式適于測(cè)量低壓，并有較高過載能力。還可以采用帶活塞動(dòng)極膜片制成測(cè)量高壓的單電容式壓力傳感器。這種型式可減小膜片的直接受壓面積，以便采用較薄的膜片提高靈敏度。它還與各種補(bǔ)償和保護(hù)部以及放大電路整體封裝在一起，以便提高抗干擾能力。這種傳感器適于測(cè)量動(dòng)態(tài)高壓和對(duì)飛行器進(jìn)行遙測(cè)。單電容式壓力傳感器還有傳聲器式（即話筒式）和聽診器式等型式。

差動(dòng)電容式壓力傳感器的受壓膜片電極位于兩個(gè)固定電極之間，構(gòu)成兩個(gè)電容器。在壓力的作用下一個(gè)電容器的容量增大而另一個(gè)則相應(yīng)減小，測(cè)量結(jié)果由差動(dòng)式電路輸出。它的固定電極是在凹曲的玻璃表面上鍍金屬層而制成。過載時(shí)膜片受到凹面的保護(hù)而不致破裂。差動(dòng)電容式壓力傳感器比單電容式的靈敏度高、線性度好，但加工較困難（特別是難以保證對(duì)稱性），而且不能實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)氣體或液體的隔離，因此不宜于工作在有腐蝕性或雜質(zhì)的流體中。

四、電磁壓力傳感器

多種利用電磁原理的傳感器統(tǒng)稱，主要包括電感壓力傳感器、霍爾壓力傳感器、電渦流壓力傳感器等。

電感壓力傳感器

電感式壓力傳感器的工作原理是由于磁性材料和磁導(dǎo)率不同，當(dāng)壓力作用于膜片時(shí)，氣隙大小發(fā)生改變，氣隙的改變影響線圈電感的變化，處理電路可以把這個(gè)電感的變化轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的信號(hào)輸出，從而達(dá)到測(cè)量壓力的目的。該種壓力傳感器按磁路變化可以分為兩種：變磁阻和變磁導(dǎo)。電感式壓力傳感器的優(yōu)點(diǎn)在于靈敏度高、測(cè)量范圍大；缺點(diǎn)就是不能應(yīng)用于高頻動(dòng)態(tài)環(huán)境。

變磁阻式壓力傳感器主要部件是鐵芯跟膜片。它們跟之間的氣隙形成了一個(gè)磁路。當(dāng)有壓力作用時(shí)，氣隙大小改變，即磁阻發(fā)生了變化。如果在鐵芯線圈上加一定的電壓，電流會(huì)隨著氣隙的變化而變化，從而測(cè)出壓力。

在磁通密度高的場(chǎng)合，鐵磁材料的導(dǎo)磁率不穩(wěn)定，這種情況下可以采用變磁導(dǎo)式壓力傳感器測(cè)量。變磁導(dǎo)式壓力傳感器用一個(gè)可移動(dòng)的磁性元件代替鐵芯，壓力的變化導(dǎo)致磁性元件的移動(dòng)，從而磁導(dǎo)率發(fā)生改變，由此得出壓力值。

霍爾壓力傳感器

霍爾壓力傳感器是基于某些半導(dǎo)體材料的霍爾效應(yīng)制成的?；魻栃?yīng)是指當(dāng)固體導(dǎo)體放置在一個(gè)磁場(chǎng)內(nèi)，且有電流通過時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)的電荷載子受到洛倫茲力而偏向一邊，繼而產(chǎn)生電壓（霍爾電壓）的現(xiàn)象。電壓所引致的電場(chǎng)力會(huì)平衡洛倫茲力。通過霍爾電壓的極性，可證實(shí)導(dǎo)體內(nèi)部的電流是由帶有負(fù)電荷的粒子（自由電子）之運(yùn)動(dòng)所造成。

在導(dǎo)體上外加與電流方向垂直的磁場(chǎng)，會(huì)使得導(dǎo)線中的電子受到洛倫茲力而聚集，從而在電子聚集的方向上產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)，此電場(chǎng)將會(huì)使后來的電子受到電力作用而平衡掉磁場(chǎng)造成的洛倫茲力，使得后來的電子能順利通過不會(huì)偏移，此稱為霍爾效應(yīng)。而產(chǎn)生的內(nèi)建電壓稱為霍爾電壓。

當(dāng)磁場(chǎng)為一交變磁場(chǎng)時(shí)，霍爾電動(dòng)勢(shì)也為同頻率的交變電動(dòng)勢(shì)，建立霍爾電動(dòng)勢(shì)的時(shí)間極短，故其響應(yīng)頻率高。理想霍爾元件的材料要求要有較高的電阻率及載流子遷移率，以便獲得較大的霍爾電動(dòng)勢(shì)。常用霍爾元件的材料大都是半導(dǎo)體，包括N型硅(SnSb)、砷化銦Ge)、砷化鎵GaAs)及多層半導(dǎo)體質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，N型硅的霍爾系數(shù)、溫度穩(wěn)定性和線性度均較好，砷化鎵溫漂小，目前應(yīng)用。

電渦流壓力傳感器

基于電渦流效應(yīng)的壓力傳感器。電渦流效應(yīng)是由一個(gè)移動(dòng)的磁場(chǎng)與金屬導(dǎo)體相交，或是由移動(dòng)的金屬導(dǎo)體與磁場(chǎng)垂直交會(huì)所產(chǎn)生。簡而言之，就是電磁感應(yīng)效應(yīng)所造成。這個(gè)動(dòng)作產(chǎn)生了一個(gè)在導(dǎo)體內(nèi)循環(huán)的電流。

電渦流特性使電渦流檢測(cè)具有零頻率響應(yīng)等特性，因此電渦流壓力傳感器可用于靜態(tài)力的檢測(cè)。

五、振弦式壓力傳感器

振弦式壓力傳感器屬于頻率敏感型傳感器，這種頻率測(cè)量具有想當(dāng)高的準(zhǔn)確度，因?yàn)闀r(shí)間和頻率是能準(zhǔn)確測(cè)量的物理量參數(shù)，而且頻率信號(hào)在傳輸過程中可以忽略電纜的電阻、電感、電容等因素的影響。同時(shí)，振弦式壓力傳感器還具有較強(qiáng)的抗干擾能力，零點(diǎn)漂移小、溫度特性好、結(jié)構(gòu)簡單、分辨率高、性能穩(wěn)定，便于數(shù)據(jù)傳輸、處理和存儲(chǔ)，容易實(shí)現(xiàn)儀表數(shù)字化，所以振弦式壓力傳感器也可以作為傳感技術(shù)發(fā)展的方向之一。

振弦式壓力傳感器的敏感元件是拉緊的鋼弦，敏感元件的固有頻率與拉緊力的大小有關(guān)。弦的長度是固定的，弦的振動(dòng)頻率變化量可用來測(cè)算拉力的大小，即輸入是力信號(hào)，輸出的是頻率信號(hào)。振弦式壓力傳感器分為上下兩個(gè)部分組成，下部構(gòu)件主要是敏感元件組合體。上部構(gòu)件是鋁殼，包含一個(gè)電子模塊和一個(gè)接線端子，分成兩個(gè)小室放置，這樣在接線時(shí)就不會(huì)影響電子模塊室的密封性。

振弦式壓力傳感器可以選擇電流輸出型和頻率輸出型。振弦式壓力傳感器在運(yùn)作式，振弦以其諧振頻率不停振動(dòng)，當(dāng)測(cè)量的壓力發(fā)生變化時(shí)，頻率會(huì)產(chǎn)生變化，這種頻率信號(hào)經(jīng)過轉(zhuǎn)換器可以轉(zhuǎn)換為4~號(hào)。