力敏传感器的分类

　　力敏传感器的种类很多，有直接将力变换为电量的如压电式、压阻式等，有经弹性敏感元件转换后再转换成电量的如电阻式、电容式和电感式等。它主要用于两个方面：测力和称重。主要分为以下几种：

　　1、应变式传感器

　　2、电感式传感器

　　3、电容式传感器

　　4、压电式传感器

力敏传感器的原理分析

　　以下主要是介绍了电阻式变式传感器、固态压阻式传感器及压电传感器的工作原理。

　　一、电阻应变式传感器：

　　电阻应变式传感器是通过弹性敏感元件将外部的应力转换成应变ε，再根据电阻应变效应，由电阻应变片将应变转换成电阻值的微小变化，通过测量电桥转换成电压或电流的输出。

　　图 电阻应变式传感器的原理框图：

 

　　二、固态压阻式传感器：

　　固态压阻式传感器的工作主要基于压阻效应，而压阻效应是在半导体材料上施加作用力时，其电阻率将发生显着变化的现象。

　　三、 压电传感器：

　　1、压电效应：

　　当某些晶体或多晶体陶瓷在一定的方向上受到外力作用时，在某两个对应的晶面上，会产生符号相反的电荷。当外力消失时，电荷也消失；当外力改变方向时，两晶面上的电荷符号也随之改变。

　　压电传感器就是以压电效应为基础，将力学量转换为电量的器件。

　　典型的具有压电效应的物质有石英晶体、压电陶瓷和高分子压电材料等。

　　2、石英晶体的压电效应：

　　石英晶体的外形是规则的六角棱柱体，它有三个晶轴，如下图所示。

　　图 石英晶体的坐标轴和切片：

 

　　1）．纵向压电效应：沿着X轴对晶片施加力时，在垂直于X轴的表面上产生电荷。如图1所示。产生的电荷与作用力的大小成正比，与晶片尺寸无关。

　　图1 晶片受力方向与电荷极性的关系：

 

　　2）．横向压电效应：沿着Y轴对晶片施加压力时，在垂直于X轴的表面上产生电荷。如图1所示。产生的电荷与作用力的大小成正比，与晶片尺寸有关。

　　3）．压电效应的产生机理：（图2所示）

　　图2　压电效应的产生机理：

 

　　3、压电陶瓷的压电效应：

　　压电陶瓷是人工制造的具有电畴结构的多晶压电材料。它的压电机理与压电晶体不同。

　　原始的压电陶瓷不具有压电特性，电畴无规则排列。当外加直流电场时，使得电畴规则排列，这时压电陶瓷就有了压电特性。在极化电场去除后，电畴方向基本不变，留下了很强的剩余极化。极化过的压电陶瓷受力后就产生了电荷。见图3所示。压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多，因此其灵敏度较高。

　　图3　压电陶瓷的极化过程和压电特性：

 

力敏传感器的参数及应用

　　量程:0～1～150(MPa)

　　综合精度:0.2%FS、0.5%FS、1.0%FS

　　输出信号:4～20mA(二线制)、0～5V、1～5V、0～10V(三线制)

　　供电电压:24DCV(9～36DCV)

　　介质温度:-20～85～150℃

　　环境温度:常温(-20～85℃)

　　负载电阻:电流输出型：最大800Ω；

　　电压输出型：大于50KΩ

　　绝缘电阻:大于2000MΩ(100VDC

　　密封等级:IP65

　　长期稳定性能:0.1%FS/年

　　振动影响:在机械振动频率20Hz～1000Hz内，输出变化小于0.1%FS

　　电气接口(信号接口):四芯屏蔽线、四芯航空接插件、紧线螺母

　　机械连接(螺纹接口):1/2-20UNF、M14×1.5、M20×1.5、M22×1.5等。

　　广泛用于工业设备、水利、化工、医疗、电力、空调、金刚石压机、冶金、车辆制动、楼宇供水等压力测量与控制。

力敏传感器的智能化发展

　　随着计算机控制、通讯、网络等技术的发展，信息交换沟通的领域正在迅速覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理各层次。集控数据处理平台，业已成熟，网络数据采集传感器，国内尚处萌芽。在力敏传感器的基础上,进行技术拓展，提升其信息化水平，形成具有数字化、无线化、智能化、网络化功能的新型智能化网络力敏传感器。

　　力敏传感器的智能化发展分三个阶段：

　　第一阶段力敏传感器数字化，实现传输方式的数字化，同时解决传统产品抗干扰能力差的问题。

　　第二阶段力敏传感器智能化，实现人—机交流，同时解决传统产品精度低、稳定性差的问题。

　　第三阶段力敏传感器网络化，实现工业远程集中控制，解决传统产品在工业控制中必须一次仪表+二次仪表配合，造成部分功能冗余的问题。其实质将计算机信息技术与传感器技术有机融合为一体，全面提升传感器数据传输功能和数据处理、判断功能。

　　近几十年来微电子技术、计算机网络技术发生了巨大变化，洞察当今高科技，无不是传感器技术与计算机信息技术的结合。工业控制从单机控制走向集中监控、集散控制。在进入网络时代的今天，工业控制器连网也为网络管理提供了方便。特别是嵌入式系统，片上系统SOC（System on Chip）给电子信息产业及 IC 应用带来划时代的进步。信息技术渗入传感器之中势不可挡，相互融合更是大势所趋。传感器行业向智能化、单片系统化、网络化的方向发展已是大势所趋。