力传感器工作原理 科学的原理

大家可能会对传感器非常陌生，但是小兔相信大部分从事修理行业的朋友，对于力传感器并不陌生，对它采用的工作原理也是再熟悉不过了吧，力传感器是采用了各种力学原理，并且采用了数学中的原理通过力的作用，将接受到的外界信息经过加工处理，再通过传感器进行传输。也有很多的朋友对于它的工作原理好奇，那么小兔来为大家解析一下。

力学传感器是将各种力学量转换为电信号的器件，力学量可分为几何学量、运动学量及力学量三部分，其中几何学量指的是位移、形变、尺寸等，运动学量是指几何学量的时间函数，如速度、加速度等。力学量包括质量、力、力矩、压力、应力等。根据被测力学的不同，这里我们首先要介绍的是应用最为广泛的应变式压力传感器。

在以后的网页中，我们将逐步介绍其它类型的力学传感器。[!21ki@][@21ki!]力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。

下面我们主要介绍这类传感器。[!21ki@][@21ki!]在了解压阻式力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。

通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路(通常是A/D转 换和CPU)显示或执行机构。[!21ki@][@21ki!] 金属电阻应变片的内部结构由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。

根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者设计，但电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。

力传感器采用了大部分的力学原理，其中包括了力学理论的三个部分，所以才称之为力传感器，力传感器的类型也是多种多样，不过主要采用的原理都是大同小异的，因为都和力有相关性，所以力传感器也广泛应用在称重这一环节，根据小兔的了解力传感器在很多的地泵中都有应用，用来对一些大型的可移动的物体进行称重。对于它的工作原理就介绍到这里了。

而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为 几十欧至几十千欧左右。[!21ki@][@21ki!]电阻应变片的工作原理[!21ki@][@21ki!] 金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示[!21ki@][@21ki!] [!21ki@][@21ki!] 式中：ρ——金属导体的电阻率(Ω·cm2/m)[!21ki@][@21ki!] S——导体的截面积(cm2)[!21ki@][@21ki!]

力传感器采用了大部分的力学原理，其中包括了力学理论的三个部分，所以才称之为力传感器，力传感器的类型也是多种多样，不过主要采用的原理都是大同小异的，因为都和力有相关性，所以力传感器也广泛应用在称重这一环节，根据小兔的了解力传感器在很多的地泵中都有应用，用来对一些大型的可移动的物体进行称重。对于它的工作原理就介绍到这里了。

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1．压阻效应式进气歧管绝对压力传感器

图2-17所示为压阻效应式进气歧管绝对压力传感器，主要由压力转换元件、混合集成电路、真空室、壳体和线束插接器组成。

图2-18所示为压阻效应式进气歧管压力传感器的内部结构，主要由硅膜片、真空室、硅杯、底座、真空管接头和引线电极等组成。

通过特殊加工，使4个电阻应变片处于特殊的位置，即在受到膜片拉应力的作用下，应变电阻R2、R4增加（即产生正向增量ΔR），应变电阻R1、R3减小（即产生负向增量－ΔR）。如图2-19所示，当惠斯通桥形电路的电源电压为UCC时，电桥的输出电压U0为：

U0=（R+ΔR）UCC/[（R+ΔR）+（R－ΔR）]－（R－ΔR）UCC/[（R+ΔR）+（R－ΔR）]

= UCC（ΔR/R）

式中：R——应变电阻的初始值（一般为100mΩ）；

ΔR——应变电阻R的阻值变化量。

2．电容式进气歧管绝对压力传感器

通常，以空气为介质，用两个金属平板做电极组成的平板电容器，就构成一个电容式变换器（即传感器）。

平板电容器的电容量为：

式中：S——两平行极板的工作面积（cm2）；

d——两极板间的距离（cm）；

εr——极板间介质的介电常数；

ε0——真空或空气的介电常数。

由上式可以看出，影响电容器电容量的因素是S和d。改变S和d，即可改变电容，这是电容式变换器（传感器）的基本工作原理。

将电容变换器与传感器混合集成电路的振荡电路相连接，通过振荡电路输出与电容变化一致的电信号，从而将进气歧管的压力转变成电信号。

3．电感式进气歧管绝对压力传感器

电感式进气歧管绝对压力传感器的主要由膜盒、铁心、感应线圈、电子电路等组成。

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