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第三章力学量传感器13.1多维测力弹性体系统3.2膜片压力传感器3.3光纤压力传感器3.4转矩传感器2•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。•33.1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。基片盖层敏感栅引线粘贴剂丝式应变片箔式应变片43.1.1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。5双量程测力传感器结构3.1.1双量程动态测力弹性体系统63.1.1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δ1≠0，小量程段应变片电桥输出有效，对应小力值测量；•当FF2时，空隙δ1=0，小量程段电桥满输出，而δ2≠0，大量程段电桥输出有效，对应为大力值测量。•当FF1时，空隙δ2=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。73.1.1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，δ1=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。83.1.1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93.1.1双量程动态测力弹性体系统•当测量小量程时，δ1≠0，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。103.1.1双量程动态测力弹性体系统k1c1m1f(t)y1y2c2k2m2m2m1f(t))(211yyk)21(1dtdydtdyc22ykdtdyc22串联二自由度测力传感器模型及受力分析113.1.1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：•211211112221222111222222()()()()()dydydyftmckyydtdtdtdydydydyckyymckydtdtdtdt123.1.1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：dtdxdtdyxyxdtdxdtdyxyx3242311211133.1.1双量程动态测力弹性体系统•可写出状态方程：42213221221121443142113111221)(1)()(xmccxmkkxmcxmkdtdxxdtdxtfmxxmcxxmkdtdxxdtdx143.1.1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：)()()()()()()()(1)()()()()()()(42213221221121443142113111221sXmccsXmkksXmcsXmkssXsXssXsFmsXsXmcsXsXmkssXsXssX153.1.1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：11132121212211)()()()()()()()()()(kscsFsXsFsYkksccsmsFsXsFsY432112112211121221121212()()()mmsmccmcsmkkccmksckkcskk其中：163.1.1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。173.1.3六维测力弹性体系统•目前六维测力弹性体的结构主要有以下四类：①三垂直筋结构②筒形结构③十字交叉梁式结构④组合式弹性体结构18三垂直筋结构•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。19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。20十字交叉梁式结构•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。21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。223.2膜片压力传感器•3.2.1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。233.2.1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。243.2.1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。253.2.1薄膜应变片•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。263.2.1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。273.2.1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-100℃～180℃。•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。28•结构：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；3.2.1薄膜应变片•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。29•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。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。3.2.1薄膜应变片30•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Ni－Cr，半导体薄膜应变片的敏感材料则是Ge,Si。3.2.1薄膜应变片313.2.2E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。03Wh32•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。3.2.2E形膜片33•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0220223()()(1)4rrRrrrpRrhR3.2.2E形膜片34•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。3.2.2E形膜片353.3压电式压力传感器•自学363.4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。373.4.1光纤基础知识1.光纤的结构光纤是用光透射率高的电介质(如石英、玻璃、塑料等)构成的光通路。光纤由折射率n1较大(光密介质)的纤芯，和折射率n2较小(光疏介质)的包层构成的双层同心圆柱结构。光纤的基本结构与波导382.光纤的种类按纤芯和包层材料性质分类：•石英光纤•塑料光纤•液芯光纤•多组分光纤3.4.1光纤基础知识392.光纤的种类按折射率分：•阶跃型光纤•渐变型光纤•W型光纤3.4.1光纤基础知识40按光纤的传播模式来分：多模光纤单模光纤光纤传输的光波，可以分解为沿纵轴向传播和沿横切向传播的两种平面波成分。后者纤芯和包层的界面上会产生全反射。当它在横切向往返一次的相位变化为2π的整数倍时，将形成驻波。形成驻波的光线组称为模；它是离散存在的，亦即某种光纤只能传输特定模数的光。通常纤芯直径较粗时，能传播几百个以上的模，二纤芯很细时，只能传播一个模。前者称为多模光纤，多用于非功能型(NF)光纤传感器；后者是单模光纤，多用于功能型(FF)光纤传感器。3.4.1光纤基础知识413.传光原理光的全反射现象