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传感技术第二章第1页，本讲稿共82页第二章 力学量传感器 力学量通常是指狭义力学量：力、力矩、应力、压力等物理量。力学量传感器，又称力敏传感器，是应用最广泛的一类传感器。力学量作用的结果 使器件结构尺寸变化，引起相关的电阻、电容、电感等电参量变化，构成结构型传感器。引起器件物理性能变化，如压阻效应、压电效应、压磁效应等，构成物性型传感器。本章主要介绍一些常用的力学量传感器。第2页，本讲稿共82页2.1 多维测力弹性体系统 传统的应变片式测力传感器具有坚固耐用、长期稳定、成本低等优点。如果把一个弹性体设计成不同的膜片、弹性梁及弹性筒的组合，各组成部分贴应变片分别测不同方向、不同性质的力，弹性体构成一个测多个力的弹性元件组合体，称作多维测力弹性体。再加上相关测量电路，就组成 一个多维测力弹性体系统。第3页，本讲稿共82页2.1.1 双量程动态测力弹性体系统 双量程测力传感器可以在保证第一级大推力测量精度的同时，解决第二级小推力的测量问题，提高了其灵敏度和测量精度，使之达到与第一级有同等的测量精度。一、结构 在实际中，双量程测力传感器大都采用了轮辐式结构，将弹性体串联成一体的复合弹性体，分别用于测量小力值和大力值。其特点是结构紧凑、合理可靠；高度小，结构稳定性好；有过载保护等。第4页，本讲稿共82页双量程测力传感器结构 2.1.1 双量程动态测力弹性体系统第5页，本讲稿共82页2.1.1 双量程动态测力弹性体系统 这种复合结构传感器适用于大力值测量，又能保证在小力值范围内具有足够的灵敏度。当FF2时，空隙1=0，小量程段电桥满输出，而20，大量程段电桥输出有效，对应为大力值测量。当FF1时，空隙2=0，达到过载保护状态。两组轮辐上，应变片粘贴方式一致(都受拉应力)，分别由四片电阻应变片组成全电桥电路。第6页，本讲稿共82页2.1.1 双量程动态测力弹性体系统 二、动态数学模型从动力学观点来看，串联结构的应变片式测力传感器的弹性结构部分可以抽象为二自由度的振动系统。假定传感器安置于完全理想刚性的基体上，则传感器可等效为串联的二阶弹簧质量阻尼（kmc）系统。当测量大力值时，1=0压头和弹性体成为一体，可简化成只有一个质量块的单自由度系统。系统的幅频特性和相频特性与一般的二阶系统的特性完全相同。第7页，本讲稿共82页2.1.1 双量程动态测力弹性体系统高量程时传感器的力学模型图 第8页，本讲稿共82页2.1.1 双量程动态测力弹性体系统 当测量小量程时，10，测小力值和大力值的两弹性体都是受力的，应简化成有两个质量块的二自由度系统。串联二自由度测力传感器的力学模型及受力分析如图所示，图中，f(t)为外界向系统实施的激励力，m1、m2分别为两个质量体的集中质量，k1、k2分别为两个弹性体的刚度，c1、c2分别为两个自由度结构的阻尼系数。第9页，本讲稿共82页2.1.1 双量程动态测力弹性体系统k1c1m1f(t)y1y2c2k2m2m2m1f(t)串联二自由度测力传感器模型及受力分析 第10页，本讲稿共82页2.1.1 双量程动态测力弹性体系统 于是可以根据系统受力分析，列写出描述二自由度系统输入-输出关系的微分方程组：第11页，本讲稿共82页2.1.1 双量程动态测力弹性体系统 现设x1、x2、x3、x4为状态变量，于是有：第12页，本讲稿共82页2.1.1 双量程动态测力弹性体系统可写出状态方程：第13页，本讲稿共82页2.1.1 双量程动态测力弹性体系统 现对上式进行拉氏变换，当初始状态为零时，有：第14页，本讲稿共82页2.1.1 双量程动态测力弹性体系统 由上式可解出，当激励F(s)存在时，其两个质量块的位移输出Y1(s)、Y2(s)的传递函数为：其中：第15页，本讲稿共82页2.1.1双量程动态测力弹性体系统 这种串联式复合弹性体结构紧凑合理，结构稳定性好，有过载保护，可用于测量压缩力、推力、拉力及制动转矩和拖曳转矩。系统的线性度、迟滞、重复性均小于满量程的千分之一。第16页，本讲稿共82页2.1.2 六维测力弹性体系统目前六维测力弹性体的结构主要有以下四类：三垂直筋结构 筒形结构 十字交叉梁式结构 组合式弹性体结构第17页，本讲稿共82页三垂直筋结构 上下分别为两个圆环，中间由筋相连，这类弹性体结构简单，承载能力强，抗冲击力强。主要缺点是测量沿垂直筋方向力的灵敏度低，应用受到限制。在垂直筋内表面贴应变片测拉压应力，在垂直筋外表面贴应变片测剪切应力。第18页，本讲稿共82页筒形结构 在一个圆柱整体上加工出两层竖筋，相当两个四垂直筋结构叠层组合。弹性体敏感部分位于上圆环（横梁）和下层竖筋（竖梁），在八个变形处的对称表面贴有八组应变片，组成八组输出电桥。该结构线性度好，重复性好，迟滞小，有温度补偿作用，但结构复杂不易加工，高度方向尺寸大，刚度低。第19页，本讲稿共82页十字交叉梁式结构弹性体敏感部分是十字梁的四个臂，每个臂的四面均贴有应变片。弹性体为铝合金总体式结构，外形尺寸较大，对外机械连接麻烦。可以满足各分力和分力矩的一定灵敏度要求，各维力间干扰可控制在一定范围内。十字梁外端由薄片支撑，超载能力低，动态响应特性不易提高。第20页，本讲稿共82页组合式弹性体结构 六维测力（矩）弹性体是组合式结构，分上下两个组件。上部组件是中空正方形薄壁筒，四个侧面贴有应变片4和4，5和5。当薄壁筒有微应变时，应变片能测出作用力矩第21页，本讲稿共82页2.2 膜片压力传感器第22页，本讲稿共82页2.2.1 薄膜应变片 传统的应变片是采用金属丝粘贴或硅扩散的方法来制作敏感栅，价格便宜、结构简单、使用方便，因此成为电阻应变片传感器中十分广泛的力敏器件。但是粘贴式应变片的敏感层与基片之间的传递性能不好，存在蠕变、机械滞后、零漂等不足，影响了它的测量精度。第23页，本讲稿共82页2.2.1 薄膜应变片 薄膜应变片的稳定性是指蠕变和零漂的大小。蠕变和零漂是难以补偿的误差。蠕变：在恒定的温度条件下，一恒定的负载施加到薄膜应变片上，应变片的电阻随时间发生单方向变化的现象。零漂：在负载为零的情况下，应变片的电阻随时间发生单方向变化的现象。第24页，本讲稿共82页2.2.1 薄膜应变片 薄膜应变片采用溅射或蒸发的方法，将半导体或金属敏感材料直接镀制于弹性基片上。相对于金属粘贴式应变片而言，薄膜应变片的应变传递性能极大地得到改善几乎无蠕变，并且具有稳定性好、可靠性高、尺寸小等优点，是一种很有发展前途的力敏传感器。第25页，本讲稿共82页2.2.1 薄膜应变片 与传统的应变片相比，薄膜应变片具有如下优点：1）稳定性好。薄膜应变片的蠕变和滞后低，例如：溅射合金薄膜应变片在温度高达230时蠕变和滞后低于0.1，而金属丝和粘贴式应变片在100以上的温度下，由于粘结材料的性能，使得蠕变和滞后十分严重。第26页，本讲稿共82页2.2.1 薄膜应变片2）使用寿命长。能承受106次以上的重复加载，工作仍十分正常。3）灵敏度高。半导体Ge、Si薄膜应变片的阻值较大，灵敏系数一般在30以上。4）温度系数小。Ge、Si薄膜应变片的温度系数约为10-5-1数量级，多层结构的溅射薄膜应变片的温度系数约为0.018-1。第27页，本讲稿共82页2.2.1 薄膜应变片5）工作温度范围宽。多层结构的溅射薄膜应变片的工作温度达-100180。6）量程大。薄膜应变片具有较大的量程，例如多层结构的溅射薄膜应变式传感器的量程可从0.02N到30kN。7）成本低。由于薄膜应变片的制造工艺简单、成品合格率高，因此成本较低。第28页，本讲稿共82页2.2.1 薄膜应变片第29页，本讲稿共82页2.2.1 薄膜应变片 薄膜应变片的基本结构大致为三层式结构：即基片绝缘层敏感层。基片多为导电的金属弹性材料；中间沉积一层绝缘介质，如Si3N4薄膜或双层Ta2O5+SiO2介质膜；在绝缘层上沉积一层半导体或金属敏感膜作为敏感层。在敏感膜局部做出金属内引线层（Al薄膜），然后用光刻工艺在敏感层制成敏感栅和内引线图案，内引线将各敏感栅连成电桥，并用外引线引出。第30页，本讲稿共82页2.2.1 薄膜应变片 薄膜应变片测量应变的机理利用的是敏感材料的压阻效应。也就是说，在应变的作用下，一方面，材料发生几何形变引起材料的电阻发生变化；另一方面，因材料晶格的变形等因素引起材料的电子自由程度发生变化，导致材料的电阻率变化，从而使材料的电阻发生变化。第31页，本讲稿共82页2.2.1 薄膜应变片 薄膜应变片的敏感薄膜是器件的关键部分，制作敏感薄膜的工艺有溅射、蒸发、沉积等。由于溅射的分子具有很大的能量，不像蒸发只是凝结在表面，故附着力强，膜的性能好。敏感层的材料各有不同，合金薄膜应变片使用的是金属合金，如NiCr，半导体薄膜应变片的敏感材料则是Ge,Si。第32页，本讲稿共82页2.2.2 E形膜片周边固定的圆形平膜片（硅杯），在设计计算时，假设平膜片最大挠度（膜片厚度），因而采用小挠度理论；同时假设压力均匀作用于平膜片表面。实际中在考虑膜片弯曲同时，也要考虑中心面拉伸影响。针对平膜片因大挠度所产生的非线性误差问题，可以在平膜片（硅杯）中心制作一个硬中心，因硅杯成“E”字型，称作E形膜片，见图。第33页，本讲稿共82页2.2.2 E形膜片E形膜片的硬中心将均布压力转换为集中力，在小位移下易产生较高应力。相对平膜片，增加了有效面积，在膜片应变式压力传感器中有广泛应用。第34页，本讲稿共82页2.2.2 E形膜片图为E形膜片的应力分布，最大弯曲应力在r=R和r=r0膜片上表层处，计算公式为第35页，本讲稿共82页2.2.2 E形膜片 E形膜片改善了平膜片因大挠度带来的非线性误差问题。常采用E形膜片作为差压传感器的敏感器件，差压传感器不同于压力传感器，所测差压值（压差）比较小，而在膜片两侧有很高的静压值，要有过压保护装置。第36页，本讲稿共82页2.3 光纤压力传感器 在光通信系统中，光纤用作远距离传输光波信号的载体。光纤传感技术是随光通信技术发展逐步形成的。与其他类型的传感器相比，光纤传感器有灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘性好、光路可弯曲等优点，而且易于联接计算机、结构简单、体积小、耗电少。第37页，本讲稿共82页2.3.1 光纤传感器概述 1.光纤传感器的工作原理光传输过程中，外界因素（压力、温度、振动、电磁场等）对光纤的作用，会引起光纤光波特征参量(如光强、相位、频率、偏振及波长)的变化。如果能测出光波特征参量的变化，就可得到导致光波参数变化的被测量的大小。第38页，本讲稿共82页2.3.1 光纤传感器概述2.光纤传感器的分类（1）按照光纤在传感器中的作用可分为：功能型：光纤既起传光作用，又起测量敏感元件作用。它是利用光纤本身对外界被测对象具有敏感能力和检测功能这一特性开发而成的传感器。光纤不但起到传光作用，而且在被测对象作用下，诸如光强、相位、偏振态等光学特性得到了调制，空载波变为调制波，携带了被测对象的信息。第39页，本讲稿共82页2.3.1 光纤传感器概述信号处理 光接收器光纤敏感元件光发送器第40页，本讲稿共82页2.3.1 光纤传感器概述非功能型：只起传光作用，入射出射光纤之间另有敏感元件。光纤只当作传播光的媒介，对待测对象的调制功能是依仗其它物理性质的光转换敏感元件来实现的。入射光纤和出射光纤之间插有敏感元件，传感器中的光纤是不连续的。信号处理光接收器敏感元件光发送器光纤第41页，本讲稿共82页2.3.1 光纤传感器概述（2）按光纤被调制的原理分类。光纤的光波用方程描述为式中，E0为光波振幅；为频率；为初相角。式中包含五个参数光强，频率，波长、相位和偏振态。被测量在敏感头（调制器）内与光发生相互作用，结果改变上述五个参数之一，如改变光强，就称作强度调制光纤传感器，依次类推，因此就有五种调制型光纤传感器。第42页，本讲稿共82页2.3.1 光纤传感器概述 3.光纤传感器的组成 光纤传感器由光源、光纤耦合器、光纤、光探测器等几个基本部分组成。光源：光源是光纤传感器中的重要器件。光源是将电信号变成光信号。第43页，本讲稿共82页2.3.1 光纤传感器概述 光纤耦合器：常有必要将光源射出的光束分别耦合进两根以上光纤。同理，也有必要将两束光纤的出射光同时耦合给探测器，它也借助光纤耦合器完成。这种分束及耦合过程一般采用光纤耦合器完成。第44页，本讲稿共82页2.3.1 光纤传感器概述 光探测器：在光纤传感器中光探测器占有极为重要的地位，它的作用是把传送到接收端的光信号转换成电信号，即将电信号“解调”出来，然后进行进一步的放大和处理。光探测器的作用是将光信号变成电信号。常用的光探测器有光敏二极管、光敏三极管、光电倍增管等。第45页，本讲稿共82页2.3.1 光纤传感器概述集光本领：数值孔径：表示向光纤入射的信号光波难易程度的参数。NA越大，表明可在较大入射角范围内输入全反射光，为表示光纤的集光能力大小，定义光纤临界角的正弦值为光纤的数值孔径（NA），在光纤端面，无论光源的发射功率有多大，只有2张角之内的入射光才能被光纤接收、传播。第46页，本讲稿共82页2.3.1 光纤传感器概述 数值孔径只与光纤的折射率有关，与光纤的尺寸无关，因此光纤可以做得很细，并且可以弯曲。NA 由于外界介质多为空气，空气的折射率为1，所以上式可以进一步简化。第47页，本讲稿共82页2.3.2全内反射光纤压力传感器 图所示的光纤压力传感器是基于全内反射条件被破坏的原理。两根光纤由一个直角棱镜连接，棱镜斜面与膜片之间有很小气隙。第48页，本讲稿共82页2.3.2全内反射光纤压力传感器 无压力作用时，膜片没有变形，膜片与光纤间保持较大的初始气隙，膜片光照面较大，反射到接收光纤的光强较大，光电探测器输出的光电信号也较大。第49页，本讲稿共82页2.3.2全内反射光纤压力传感器 膜片受压力作用要向内侧挠曲，使光纤与膜片间气隙减小，因此发送光纤在膜片内表面的光照面积也缩小，致使反射回接收光纤的光强减小。光电探测器输出随之减小。传感器的输出信号只与光纤和膜片之间的距离以及膜片的形状有关。第50页，本讲稿共82页2.3.3 全光纤干涉压力传感器 全光纤干涉压力传感器的工作机理是基于全光纤干涉。第51页，本讲稿共82页2.3.3 全光纤干涉压力传感器 从氦氖激光器发出一束相干光束，经前端3dB耦合器代替分束器在空气中分光，避免了非待测场的干扰影响。分光后，一束光进入测量光纤臂，另一束光进入参考光纤臂。压力变化引起测量光纤臂光程变化。在后端3dB耦合器，两束光产生干涉，干涉条纹变化是两束光相位差引起的。为克服空气受环境条件影响所导致空气光程的变化，以光纤光程代替空气光程，光波传输路程全部在光纤内部完成。第52页，本讲稿共82页2.3.3 全光纤干涉压力传感器这种压力传感器的灵敏度极高，尤其适于微小声压测量，在测量空间尺寸受限场合应用更是优越。第53页，本讲稿共82页2.3.4偏振调制压力传感器各向同性的介质材料，在外(压)力作用下会呈现各向异性的光学特性光弹效应，又称应力双折射效应。光弹效应是一种使传输光产生线性双折射的偏振效应。（透明）平面物体受到应力作用时，物体各点都有两个主应力分量，光入射到这一透明物体时，将形成两束线性偏振光，而且两个光矢量分别沿两个主应力方向传播。其折射率之差与主应力之差成正比。第54页，本讲稿共82页晶体在受压后其折射率发生变化，呈现双折射的现象称为光弹效应。利用光弹效应测量压力的原理及传感器结构如图。(b)传感器结构12345P(a)检测原理P67234 51光源2起偏器31/4波长板4光弹性元件5检偏器6光纤7自聚焦透镜偏振光线偏振光椭圆偏振光2.3.4偏振调制压力传感器第55页，本讲稿共82页发自LED的入射光经起偏器后成为直线偏振光。当有与入射光偏振方向呈45的压力作用于晶体时，使晶体呈双折射，从而使出射光成为椭圆偏振光，由检偏器检测出与入射光偏振方向相垂直方向上的光强，即可测出压力的变化。其中1/4波长板用于提供一偏置，使系统获得最大灵敏度。2.3.4偏振调制压力传感器第56页，本讲稿共82页2.4 转矩传感器 1.转矩的定义及单位使机械元件转动的力矩或力偶称为转动力矩，简称转矩。机械元件在转矩作用下都会产生一定程度的扭转变形，故转矩有时又称为扭矩。力矩是由一个不通过旋转中心的力对物体形成的，而力偶是一对大小相等、方向相反的平行力对物体的作用。所以转矩等于力与力臂或力偶臂的乘积，在国际单位制(SI)中，转矩的计量单位为牛顿米(Nm)，工程技术中也曾用过公斤力米等作为转矩的计量单位。第57页，本讲稿共82页2.4转矩传感器 转矩是各种工作机械传动轴的基本载荷形式，与动力机械的工作能力、能源消耗、效率、运转寿命及安全性能等因素紧密联系，转矩的测量对传动轴载荷的确定与控制、传动系统工作零件的强度设计以及原动机容量的选择等都具有重要的意义。第58页，本讲稿共82页