測力傳感器的原理：力傳感器

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力傳感器
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本詞條由“科普中國”科學(xué)百科詞條編寫與應(yīng)用工作項目
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。
力傳感器（force sensor） 將力的量值轉(zhuǎn)換為相關(guān)電信號的器件。力是引起物質(zhì)運動變化的直接原因。力傳感器能檢測張力、拉力、壓力、重量、扭矩、內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)變等力學(xué)量。具體的器件有金屬應(yīng)變片、壓力傳感器等，在動力設(shè)備、工程機械、各類工作母機和工業(yè)自動化系統(tǒng)中，成為不可缺少的核心部件。
[1]
力傳感器主要由三個部分組成：1---力敏元件（即彈性體，常見的材料有鋁合金，合金鋼和不銹鋼）。2---轉(zhuǎn)換元件（最為常見的是電阻應(yīng)變片）。3---電路部分(一般有漆包線，pcb板等）。
中文名
力傳感器
外文名
force sensor
類    別
電子元件
組    成
三個部分
主要分類
應(yīng)變管式
目錄
1
主要分類
?
應(yīng)變管式
?
膜片式
?
應(yīng)變梁式
?
組合式
2
提高力傳感器精度 - 補償
3
應(yīng)用領(lǐng)域
4
如何更換力傳感器
力能夠產(chǎn)生多種物理效應(yīng)，可采用多種不同的原理和工藝，針對不同的需要設(shè)計制造力傳感器。力傳感器主要有：（1）被測力使彈性體（如彈簧、梁、波紋管、膜片等）產(chǎn)生相應(yīng)的位移，通過位移的測量獲得力的信號。（2）彈性構(gòu)件和應(yīng)變片共同構(gòu)成傳感器，應(yīng)變片牢固粘貼在構(gòu)件表面上。彈性構(gòu)件受力時產(chǎn)生形變，使應(yīng)變片電阻值變化（發(fā)生應(yīng)變時，應(yīng)變片幾何形狀和電阻率發(fā)生改變，導(dǎo)致電阻值變化），通過電阻測量獲得力的信號。應(yīng)變片可由金屬箔制成，也可由半導(dǎo)體材料制成。（3）利用壓電效應(yīng)測力。通過壓電晶體把力直接轉(zhuǎn)換為置于晶體兩面電極上的電位差。（4）力引起機械諧振系統(tǒng)固有頻率變化，通過頻率測量獲取力的相關(guān)信息。（5）通過電磁力與待測力的平衡，由平衡時相關(guān)電磁參數(shù)獲得力的信息。
[1]
力傳感器主要分類
語音
力傳感器應(yīng)變管式
石英力傳感器
在筒壁上貼有2片或4片應(yīng)變片，其中一半貼在實心部分作為溫度補償片,另一半作為測量應(yīng)變片。當(dāng)沒有壓力時 4片應(yīng)變片組成平衡的全橋式電路;當(dāng)壓力作用于內(nèi)腔時,圓筒變形成“腰鼓形”,使電橋失去平衡,輸出與壓力成一定關(guān)系的電壓。這種傳感器還可以利用活塞將被測壓力轉(zhuǎn)換為力傳遞到應(yīng)變筒上或通過垂鏈形狀的膜片傳遞被測壓力。應(yīng)變管式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、適用性強，在火箭彈、炮彈和火炮的動態(tài)壓力測量方面有廣泛應(yīng)用。
力傳感器膜片式
它的彈性敏感元件為周邊固定圓形金屬平膜片。膜片受壓力變形時，中心處徑向應(yīng)變和切向應(yīng)變均達(dá)到正的最大值，而邊緣處徑向應(yīng)變達(dá)到負(fù)的最大值，切向應(yīng)變?yōu)榱?。因此常把兩個應(yīng)變片分別貼在正負(fù)最大應(yīng)變處，并接成相鄰橋臂的半橋電路以獲得較大靈敏度和溫度補償作用。采用圓形箔式應(yīng)變計(見電阻應(yīng)變計)則能最大限度地利用膜片的應(yīng)變效果。這種傳感器的非線性較顯著。膜片式壓力傳感器的最新產(chǎn)品是將彈性敏感元件和應(yīng)變片的作用集于單晶硅膜片一身，即采用集成電路工藝在單晶硅膜片上擴(kuò)散制作電阻條，并采用周邊固定結(jié)構(gòu)制成的固態(tài)壓力傳感器（見壓阻式傳感器）。
力傳感器應(yīng)變梁式
測量較小壓力時，可采用固定梁或等強度梁的結(jié)構(gòu)。一種方法是用膜片把壓力轉(zhuǎn)換為力再通過傳力桿傳遞給應(yīng)變梁。圖3中兩端固定梁的最大應(yīng)變處在梁的兩端和中點，應(yīng)變片就貼在這些地方。這種結(jié)構(gòu)還有其他形式，例如可采用懸梁與膜片或波紋管構(gòu)成。
力傳感器組合式
在組合式應(yīng)變壓力傳感器中，彈性敏感元件可分為感受元件和彈性應(yīng)變元件。感受元件把壓力轉(zhuǎn)換為力傳遞到彈性應(yīng)變元件應(yīng)變最敏感的部位，而應(yīng)變片則貼在彈性應(yīng)變元件的最大應(yīng)變處。實際上較復(fù)雜的應(yīng)變管式和應(yīng)變梁式都屬于這種型式。感受元件有膜片、膜盒、波紋管、波登管等，彈性應(yīng)變元件有懸臂梁、固定梁、Π形梁、 環(huán)形梁、薄壁筒等。它們之間可根據(jù)不同需要組合成多種型式。 應(yīng)變式壓力傳感器主要用來測量流動介質(zhì)動態(tài)或靜態(tài)壓力，例如動力管道設(shè)備的進(jìn)出口氣體或液體的壓力、內(nèi)燃機管道壓力等等。
力傳感器提高力傳感器精度 - 補償
語音
力傳感器補償
溫度將會使4個應(yīng)變片的應(yīng)變信號（電阻）在相同方向和程度變化。因為兩個正向應(yīng)變和兩個負(fù)向應(yīng)變被列入等式，因此溫度將不會產(chǎn)生輸出信號。剩下微小的殘余誤差可以通過連接到惠斯通電橋上特殊的鎳金屬來進(jìn)行修正。另外，應(yīng)變片需要進(jìn)行溫度對靈敏度的補償 (TCS)。等溫度變化時，材料的 E 模量 將會降低，導(dǎo)致產(chǎn)生應(yīng)變。另外，應(yīng)變片的靈敏度依賴于溫度。在高溫狀況下電阻的補償將產(chǎn)生更大的壓降。這將降低惠斯通電橋的輸出信號。在負(fù)載狀態(tài)下，線性誤差 也將產(chǎn)生變化。這可以通過對彈性體材料和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化以及選擇精確的測量點來完成。圖 中 列出了補償方法的總結(jié)。除了以上描述的 TKzero 和 TCS,也可以通過調(diào)整對線性和靈敏度進(jìn)行補償.
力傳感器應(yīng)用領(lǐng)域
語音
稱重傳感器形式的選擇主要取決于稱重的類型和安裝空間，保證安裝合適，稱重安全可靠；另一方面要考慮廠家的建議，對于傳感器制造廠家來講，它一般規(guī)定了傳感器的受力情況、性能指標(biāo)、安裝形式、結(jié)構(gòu)形式、彈性體的材質(zhì)等。譬如鋁合金懸臂梁傳感器適合于電子計價秤、平臺秤、案秤等；鋼式懸臂梁傳感器適用于電子皮帶秤、分選秤等；鋼質(zhì)橋式傳感器適用于軌道衡、汽車衡等；柱式稱重傳感器適用于汽車衡、動態(tài)軌道衡、大噸位料斗秤等。稱重傳感器主要應(yīng)用在各種電子衡器、工業(yè)控制領(lǐng)域、在線控制、安全過載報警、材料試驗機等領(lǐng)域。如電子汽車衡、電子臺秤、電子叉車、動態(tài)軸重秤、電子吊鉤秤、電子計價秤、電子鋼材秤、電子軌道衡、料斗秤、配料秤、罐裝秤等。
力傳感器如何更換力傳感器
語音
在稱重傳感器實際使用過程中，有時會遇到超載、沖擊等情況，造成傳感器塑性變形，影響計量準(zhǔn)確度，嚴(yán)重時，還會導(dǎo)致傳感器損壞，無法正常使用，這時就需要更換傳感器了。此時我們應(yīng)當(dāng)如何操作呢？更換的時候還需要注意哪些問題？下面專家就這個問題和大家分享一下。稱重傳感器能夠更換的前提是施加力的軸線與傳感器的受力軸線重合，這是第一點。隨著額定載荷的增大，稱重傳感器輸出的微伏/分度信號是減小的，而不是隨著額定載荷的增大，輸出信號也增大。這一點往往被忽略。所以在更換傳感器時，應(yīng)盡可能用和原來一樣載荷的傳感器。若想更換載荷稍大一點的，就要注意電子秤的稱重儀表量程是否可調(diào):如果是不可調(diào)的舊式顯示儀表，會因為換成載荷較大的傳感器，輸出的微伏/分度信號變小，不能滿量程輸出、顯示，撥碼調(diào)整達(dá)不到目的而不能使用；如果是量程可調(diào)的稱重傳感器，換成載荷較大的傳感器后，則可通過設(shè)定量程，按說明書調(diào)試使用。同時應(yīng)注意，如果傳感器的額定載荷過大，輸出的微伏/分度信號過小，容易降低秤的靈敏度。對于在第二傳力聯(lián)桿中安裝S形傳感器的機電結(jié)合秤，應(yīng)注意：重新安裝傳感器后的聯(lián)桿長度與原來的聯(lián)桿長度一致。從另一方面說，就是要保證第一傳力杠桿水平且聯(lián)桿與第一傳力杠桿垂直成90度角。如果有偏差，將直接影響秤的準(zhǔn)確度和靈敏度。聯(lián)桿長度過長，將會出現(xiàn)"秤大"現(xiàn)象；過短，將會出現(xiàn)"秤小"現(xiàn)象。此時還應(yīng)注意，聯(lián)桿必須處于自由懸掛狀態(tài)，不可與其它物體摩擦，以免影響秤的靈敏度。機電結(jié)合秤在更換傳感器后的調(diào)試中，應(yīng)在機械秤調(diào)試準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上按稱重顯示儀表說明書進(jìn)行。無論是電子秤或機電結(jié)合秤，在更換傳感器后，都必須經(jīng)過檢定合格后方可使用。以上方案除了針對一般的稱重傳感器有效外，還對S形傳感器有效。稱重傳感器需要更換的情況在使用的時候經(jīng)常會遇到，只要按照上面的操作，即使更換傳感器也不會對測量造成影響。
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2019-10-140
參考資料
1.

《中國大百科全書》總編委會．《中國大百科全書》：《中國大百科全書》出版社，2009

測力傳感器的原理：壓電式傳感器原理與測力應(yīng)用

精品
?
精品
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壓電式傳感器原理與測力應(yīng)用

壓電式傳感器的工作原理以晶體的壓電效應(yīng)為理論依據(jù)。
壓電效應(yīng)分正、
逆
壓電效應(yīng)，利用正壓電效應(yīng)制作成了電勢型傳感器。壓電式傳感器具有體積小、
重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、動態(tài)特性好、靜態(tài)特性差的特點。該傳感器多用
于加速度和動態(tài)力或壓力的測量。
某些物質(zhì)在沿一定方向受到壓力或拉力作用而
發(fā)生改變時，
其表面上會產(chǎn)生電荷，
若將外力去掉時，
它們又重新回到不帶電的
狀態(tài)，
這種現(xiàn)象就稱為正壓電效應(yīng)。
在壓電材料的兩個電極面上，
如果加以交流
電壓，
那么壓電片能產(chǎn)生機械振動，
即壓電片在電極方向上有伸縮的現(xiàn)象，
壓電
材料的這種現(xiàn)象稱為電致伸縮效應(yīng)，
也叫做逆壓電效應(yīng)。
而具有壓電效應(yīng)的物體
稱為壓電材料。常見的壓電材料有石英、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等。

1.
石英晶體的壓電效應(yīng)

圖中所示為天然結(jié)構(gòu)的石英晶體，它是個六角形晶柱。在直角坐標(biāo)系中，
x
軸平行于正六面體的棱線，稱為電軸或
1
軸；
y
軸垂直于六面體棱面，稱為機械
軸或
2
軸；
z
軸表示其縱向軸，稱為光軸或
3
軸。通常把沿電軸方向的力作用下
產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為縱向壓電效應(yīng)；
而把沿機械軸方向的力作用下產(chǎn)生電荷
的壓電效應(yīng)稱為橫向壓電效應(yīng)，在光軸方向時則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。

從晶體上沿軸線切下的薄片稱為晶體切片，
在每一切片中，
當(dāng)沿電軸方向加
作用力
x
F
時，則在與電軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷
x
Q
，它的大小為
x
Q
=
11
d
x
F

式中，
11
d
為壓電系數(shù)（
C/N
）
。

電荷
x
Q
的符號由
x
F
是受壓還是受拉而決定。

測力傳感器的原理：求測力傳感器的工作原理及定義？

測力傳感器的工作原理及定義
測力傳感器傳感器”在新韋式大詞典中定義為：“從一個系統(tǒng)接受功率，通常以另一種形式將功率送到第二個系統(tǒng)中的器件”。根據(jù)這個定義，傳感器的作用是將一種能量轉(zhuǎn)換成另一種能量形式，所以不少學(xué)者也用“換能器－Transducer”來稱謂“傳感器－Sensor”。
傳感器安裝使用注意事項:設(shè)計加載裝置及安裝時應(yīng)保證加載力的作用線與傳感器受力軸線重合，使傾斜負(fù)荷和偏心負(fù)荷的影響減至最小。按本說明中的傳感器量程選定確定所用傳感器的額定載荷。傳感器外殼、保護(hù)蓋板、引線接頭均經(jīng)密封處理，用戶不準(zhǔn)打開。為防止化學(xué)腐蝕．安裝時宜用凡士林涂抹傳感器外表面。應(yīng)避免陽光直曬和環(huán)境溫度劇變的場臺使用在無法避免時應(yīng)加裝防護(hù)或緩解裝置。為防止大電流直接竄過傳感器本體而損壞傳感器禁止在傳感器安裝后進(jìn)行電焊作業(yè)，在萬不得已時應(yīng)在傳感器加載裝置兩端加接銅編織線做的旁路器。
傳感器的電纜線應(yīng)遠(yuǎn)離強動力電源線或有脈沖波的場所，無法避競時應(yīng)把傳感器的電纜線單獨穿入鐵管內(nèi)，并盡量縮短連接距離。電纜線不宜自行加長，在確實需加長時應(yīng)在接頭處錫焊，并加防潮密封膠。在高度精度使用場合，應(yīng)使傳感器和儀表在預(yù)熱30分鐘后使用。傳感器應(yīng)放在干燥通風(fēng)無腐蝕性氣體的室內(nèi)。
傳感器工作原理的分類物理傳感器應(yīng)用的是物理效應(yīng)，諸如壓電效應(yīng)，磁致伸縮現(xiàn)象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應(yīng)。被測信號量的微小變化都將轉(zhuǎn)換成電信號。化學(xué)傳感器包括那些以化學(xué)吸附、電化學(xué)反應(yīng)等現(xiàn)象為因果關(guān)系的傳感器，被測信號量的微小變化也將轉(zhuǎn)換成電信號。
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按照 ISO 376 標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)定
長期穩(wěn)定性好
此傳感器用于拉/壓力高精度測量,并可進(jìn)行力比對測量 .另外一個顯著特點是 創(chuàng)新性的補償方法能夠大大減少使彎矩和惻向力的影響.
NOS-W409力傳感器 同樣適合用于 工業(yè)場合, 一個傳感器可以用于多個量程,這樣可以節(jié)約大量時間,節(jié)省購買多個傳感器的費用. 傳感器的量程覆蓋范圍為 0...20kN 到 0...500kN.