力敏传感器技术详解：弹性元件特性与各类力传感器原理
力敏传感器技术详解：弹性元件特性与各类力传感器原理
力敏传感器是将力学量转换成电压、电流等电信号形式的传感器。根据测量原理的不同，力敏传感器可以分为应变式力传感器、压阻式力传感器、压电式力传感器和谐振式力传感器等几种。力敏传感器用途广泛，它们在工业、农业、国防、航空航天、医学等众多领域都得到了广泛的应用，是传感器家族中极为重要的一个部分。
4.1弹性敏感元件的基本特性
4.1.1刚度与柔度
(1)刚度
刚度是指单位输出量（位移、应变）所需要的输入量（外界载荷），一般用k表示。如图4-1所示，某点处刚度可以表示为
(2)柔度
柔度是刚度的倒数，表示单位输入量引起的输出量，可以说就是弹性敏感元件的灵敏度，一般用S来表示。某一点处的灵敏度可以表示为
4.1.2弹性滞后
在弹性形变范围内，加载特性（输入量逐渐增加的过程）与卸载特性（输入量逐渐减小的过程）不重合的现象称为弹性滞后，如图4-2所示
4.1.3弹性后效与蠕变
弹性元件在阶跃载荷作用下，所产生的变形并不能立即完成，需要经过一段时间间隔。这个过程称为弹性元件的弹性后效。当外力保持恒值时，弹性元件在一个较长时间范围内仍然继续缓慢变形的现象称为蠕变。
4.1.4固有振动频率
弹性敏感元件的动态特性和变换时的滞后现象，与它的固有振动频率有关，一般总是希望它有较高的固有频率。固有频率的计算比较复杂，实际中常常通过实验来确定，但也可以用下式进行估算:
4.2应变式压力传感器
电阻应变式传感器具有悠久的历史，是应用最广泛的传感器之一。将电阻应变片粘贴到各种弹性敏感元件上，可以构成电阻应变式传感器，对位移、加速度、力、力矩、压力等各种物理量进行测量。一般用于测量较大的压力。
4.2.1应变式压力传感器的基本原理
1.金属的应变效应
金属丝的电阻随着它所受的机械形变（拉伸或者压缩）的大小而发生相应的变化，这个现象就称为金属的电阻应变效应。
2.应变式压力传感器的结构
应变式压力传感器由电阻应变计、弹性元件、外壳及补偿电阻组成。
4.2.2电阻应变片的横向效应
由弯曲部分的横向缩短作用引起的电阻值的减少量对由轴向伸长作用引起的电阻值的增加量起抵消作用，它使所测应变数值偏小或者说使应变片灵敏度降低，这种现象就称为横向效应，它给测量带来误差，并且弯曲半径越大，横向效应也越大。
4.2.3电阻应变片的温度误差与温度补偿
1.桥路补偿
桥路补偿也称为补偿片法。
2.应变片自补偿
粘贴在被测部位上的是一种特殊应变片，当温度变化时，产生的附加应变为零或者相互抵消，这种特殊的应变片称为温度自补偿应变片。
(1)选择式自补偿应变片 (2)双金属敏感栅自补偿应变片
3.热敏补偿
图4-8所示为电阻应变片热敏电阻补偿法的电路。
4.2.4应变式压力传感器测量电路
1.直流电桥法
2.交流电桥法
4.2.5应变片式压力传感器的应用举例
1.振筒式压力传感器
2.膜片式压力传感器
4.3压阻式压力传感器
固体受到作用力后电阻率要发生变化，这就是固体的压阻效应。压阻效应是微应变式传感器依据的基本效应。所有的固体都有这个特点，其中以半导体材料最为显著，因而最具有实用价值。
4.3.1压阻式力传感器基本原理
半导体小条在其纵向受到压力作用时，其电阻值会发生改变。半导体应变片就是利用这一原理来进行物理量测量的。不同类型的半导体，施加载荷的方向不同，压阻效应也不一样。目前使用最多的是单晶硅半导体。
4.3.2半导体应变片的温度补偿
1.电阻温度系数补偿方法
电阻温度系数的补偿主要采用自补偿，分为一元件法和二元件法，与金属应变片自补偿法相同。
2.灵敏系数温度补偿法
4.3.3压阻式传感器的应用举例
1.压阻式压力微传感器
2.MS压力变送器
4.4压电式压力传感器
压电式传感器的工作原理是基于某些物质的压电效应，压电效应分正、逆压电效应。压电式传感器具有体积小、重量轻、结构简单、工作可靠、动态特性好、静态特性差的特点。压电式传感器多用于加速度和动态力或压力的测量。
4.4.1压电效应
1.石英晶体的压电效应
石英晶体
2.压电陶瓷的压电效应
当压力撤销后，陶瓷片恢复原状，片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。这种由机械能转变为电能的现象，就是压电陶瓷的正压电效应。
4.4.2压电传感器的等效电路
4.4.3压电元件常用结构形式
由于压电晶体表面产生的电荷一般不够多，所以在实际使用中常把两片或两片以上的压电片组合在一起。图4-23所示是几种“双压电晶片”结构原理图。
4.4.4压电式传感器的测量电路
1.电压放大器
2.电荷放大器
4.5谐振式压力传感器
基于机械谐振技术，以谐振元件作为敏感元件而实现的传感器称为谐振式传感器，它利用压力变化来改变物体的谐振频率，从而通过测量频率变化来间接测量压力。
4.5.1谐振式传感器的基本原理
机械式谐振传感器将被测量转换为物体的机械谐振频率，其中振动的部分称为振子。振子即机械振动系统的谐振频率f可以近似表示为
4.5.2谐振式传感器测量的特点
(1)输出为周期信号，被测量能够通过检测周期信号算出来，使得谐振式传感器便于与计算机连接，便于远距离传输。
(2)谐振式传感器是一个闭环系统，处于谐振状态，使得该类传感器的输出自动跟随输入。
(3)谐振式传感器的敏感元件即谐振子固有的谐振特性，决定其具有高的灵敏度和分辨率。
(4)相对于谐振子的振动能量，系统的功耗是很小的，因此该类传感器的抗干扰性好、稳定性好。
4.5.3谐振式传感器的测量电路
信号频率的测量方法主要有两种：频率法和周期法。对于常规的谐振式传感器，一般采用周期测量。周期测量法是测量重复信号完成一个循环所需的时间。其测量电路如图4-30所示。
4.5.4谐振式传感器的应用举例
1.振弦式压力传感器
2.振筒式压力传感器
振筒式传感器是一种典型的直接输出频率的谐振式传感器，其原理结构如图4-32所示。
3.谐振膜式压力传感器
谐振膜式传感器的原理结构如图4-33所示。
4.石英音叉谐振传感器
石英音叉谐振传感器的原理结构如图4-34所示。它是利用石英晶体的压电效应和谐振特性而构成的。