力敏傳感器的分類

　　力敏傳感器的種類很多，有直接將力變換為電量的如壓電式、壓阻式等，有經彈性敏感元件轉換后再轉換成電量的如電阻式、電容式和電感式等。它主要用于兩個方面：測力和稱重。主要分為以下幾種：

　　1、應變式傳感器

　　2、電感式傳感器

　　3、電容式傳感器

　　4、壓電式傳感器

力敏傳感器的原理分析

　　以下主要是介紹了電阻式變式傳感器、固態壓阻式傳感器及壓電傳感器的工作原理。

　　一、電阻應變式傳感器：

　　電阻應變式傳感器是通過彈性敏感元件將外部的應力轉換成應變ε，再根據電阻應變效應，由電阻應變片將應變轉換成電阻值的微小變化，通過測量電橋轉換成電壓或電流的輸出。

　　圖 電阻應變式傳感器的原理框圖：

 

　　二、固態壓阻式傳感器：

　　固態壓阻式傳感器的工作主要基于壓阻效應，而壓阻效應是在半導體材料上施加作用力時，其電阻率將發生顯著變化的現象。

　　三、 壓電傳感器：

　　1、壓電效應：

　　當某些晶體或多晶體陶瓷在一定的方向上受到外力作用時，在某兩個對應的晶面上，會產生符號相反的電荷。當外力消失時，電荷也消失；當外力改變方向時，兩晶面上的電荷符號也隨之改變。

　　壓電傳感器就是以壓電效應為基礎，將力學量轉換為電量的器件。

　　典型的具有壓電效應的物質有石英晶體、壓電陶瓷和高分子壓電材料等。

　　2、石英晶體的壓電效應：

　　石英晶體的外形是規則的六角棱柱體，它有三個晶軸，如下圖所示。

　　圖 石英晶體的坐標軸和切片：

 

　　1）．縱向壓電效應：沿著X軸對晶片施加力時，在垂直于X軸的表面上產生電荷。如圖1所示。產生的電荷與作用力的大小成正比，與晶片尺寸無關。

　　圖1 晶片受力方向與電荷極性的關系：

 

　　2）．橫向壓電效應：沿著Y軸對晶片施加壓力時，在垂直于X軸的表面上產生電荷。如圖1所示。產生的電荷與作用力的大小成正比，與晶片尺寸有關。

　　3）．壓電效應的產生機理：（圖2所示）

　　圖2　壓電效應的產生機理：

 

　　3、壓電陶瓷的壓電效應：

　　壓電陶瓷是人工制造的具有電疇結構的多晶壓電材料。它的壓電機理與壓電晶體不同。

　　原始的壓電陶瓷不具有壓電特性，電疇無規則排列。當外加直流電場時，使得電疇規則排列，這時壓電陶瓷就有了壓電特性。在極化電場去除后，電疇方向基本不變，留下了很強的剩余極化。極化過的壓電陶瓷受力后就產生了電荷。見圖3所示。壓電陶瓷的壓電系數比石英晶體的大得多，因此其靈敏度較高。

　　圖3　壓電陶瓷的極化過程和壓電特性：

 

力敏傳感器的參數及應用

　　量程:0～1～150(MPa)

　　綜合精度:0.2%FS、0.5%FS、1.0%FS

　　輸出信號:4～20mA(二線制)、0～5V、1～5V、0～10V(三線制)

　　供電電壓:24DCV(9～36DCV)

　　介質溫度:-20～85～150℃

　　環境溫度:常溫(-20～85℃)

　　負載電阻:電流輸出型：最大800Ω；

　　電壓輸出型：大于50KΩ

　　絕緣電阻:大于2000MΩ(100VDC

　　密封等級:IP65

　　長期穩定性能:0.1%FS/年

　　振動影響:在機械振動頻率20Hz～1000Hz內，輸出變化小于0.1%FS

　　電氣接口(信號接口):四芯屏蔽線、四芯航空接插件、緊線螺母

　　機械連接(螺紋接口):1/2-20UNF、M14×1.5、M20×1.5、M22×1.5等。

　　廣泛用于工業設備、水利、化工、醫療、電力、空調、金剛石壓機、冶金、車輛制動、樓宇供水等壓力測量與控制。

力敏傳感器的智能化發展

　　隨著計算機控制、通訊、網絡等技術的發展，信息交換溝通的領域正在迅速覆蓋從工廠的現場設備層到控制、管理各層次。集控數據處理平臺，業已成熟，網絡數據采集傳感器，國內尚處萌芽。在力敏傳感器的基礎上,進行技術拓展，提升其信息化水平，形成具有數字化、無線化、智能化、網絡化功能的新型智能化網絡力敏傳感器。

　　力敏傳感器的智能化發展分三個階段：

　　第一階段力敏傳感器數字化，實現傳輸方式的數字化，同時解決傳統產品抗干擾能力差的問題。

　　第二階段力敏傳感器智能化，實現人—機交流，同時解決傳統產品精度低、穩定性差的問題。

　　第三階段力敏傳感器網絡化，實現工業遠程集中控制，解決傳統產品在工業控制中必須一次儀表+二次儀表配合，造成部分功能冗余的問題。其實質將計算機信息技術與傳感器技術有機融合為一體，全面提升傳感器數據傳輸功能和數據處理、判斷功能。

　　近幾十年來微電子技術、計算機網絡技術發生了巨大變化，洞察當今高科技，無不是傳感器技術與計算機信息技術的結合。工業控制從單機控制走向集中監控、集散控制。在進入網絡時代的今天，工業控制器連網也為網絡管理提供了方便。特別是嵌入式系統，片上系統SOC（System on Chip）給電子信息產業及 IC 應用帶來劃時代的進步。信息技術滲入傳感器之中勢不可擋，相互融合更是大勢所趨。傳感器行業向智能化、單片系統化、網絡化的方向發展已是大勢所趨。