传感器报告
1.物品重量如何转化为电量输出？
电阻应 变式传感器
利用电阻应变片 变形时其电阻也随之改变的原理工作（图11
）。主要由弹性
元件、电阻应变片、测量电路和传输电缆4
部分组成。电阻应变片贴在弹性元件
上，弹性元件受力变形时，其上的应变片随之变形，并导致电阻改变。测量电路
测出应变片电阻的变化并变换为与外力大小成比例的电信号输出。 电信号经处理
后以数字形式显示出被测物的质量。 电阻应变式传感器的称量范围为300g
至数千 kg ，计量准确度达1/1000 ～1/10000 ，结构较简单，可靠性较好。大部分
电子衡器 均使用此传感器。
电阻应 变式称重传感器 原理
电阻应变式称重传感器是基于这样一个原理：弹性体（弹性元件，敏感梁）
在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同
产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小） 再经相应 ，
的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流） 从而完成了将外力变 ，
换为电信号的过程。由此可见，电阻应变片、弹性体和检测电路是电阻应变式称
重传感器中不可缺少的几个主要部分。下面就这三方面简要论述。
一、电阻应变片
电阻应变片是把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成的基底上， 成 即
为一片应变片。他的一个重要参数是灵敏系数 K 我们来介绍一下它的意义。 。
设有一个金属电阻丝，其长度为 L 横截面是半径为 r的圆形，其面积记作 ，
S 其电阻率记作r ，这种材料的泊松系数是m 。当这根电阻丝未受外力作用时， ，
它的电阻值为 R ：
R =L/S ） （2 1
r （Ω —）
当他的两端受 F力作用时，将会伸长，也就是说产生变形。设其伸长D L ，
其横截面积则缩小，即它的截面圆半径减少D r 。此外，还可用实验证明，此金
属电阻丝在变形后，电阻率也会有所改变，记作D r 。
对式（2--1 ）求全微分，即求出电阻丝伸长后，他的电阻值改变了多少。我
们有：
D R =r L/SD + /S D S L/S2—2
D Lr - r （2 ）
用式（2--1 式（2--2
）去除 ）得到
D R/RD =/ r r + L/L D S/S2 3
D - （—）
另外，我们知道导线的横截面积 S =r2则 D s = rr 所以
p， p2， D
D S/S D= 2 2 4
r/r — ） （
从材料力学我们知道
D r/r m= L/L2 5 D -（—）
其中，负号表示伸长时，半径方向是缩小的。m 是表示材料横向效应泊松系
数。把式（2 4（2 5 代入（2--3
—） —） ）有 ，
D R/RD =/ r r + L/L m+ L/L 1 + （D r / ）/ D L/L
D D 2 （= m 2 r （ ））
L/L= D K 2--6
D L/L （ ）
其中 K = 1 + D2 / ）/ D L/L（2--7 2--6
m +rr （ （ ） ）式（ ）
1
说明了电阻应变片的电阻变化率（电阻相对变化）和电阻丝伸长率（长度相
对变化）之间的关系。
需要说明的是： 灵敏度系数 K值的大小是由制作金属电阻丝材料的性质决定
的一个常数，它和应变片的形状、尺寸大小无关，不同的材料的 K值一般在 1.7
—3.6 之间；其次 K值是一个无因次量，即它没有量纲。
在材料力学中D L/L 称作为应变，记作e ，用它来表示弹性往往显得太大，
很不方便常常把它的百万分之一作为单位，记作m e 。这样，式（２-- ６）常写
作：
D R/R e= (2
—K8)
二、弹性体
弹性体是一个有特殊形状的结构件。它的功能有两个，首先是它承受称重传 感器所受的外力，对外力产生反作用力，达到相对静平衡；其次，它要产生一个
高品质的应变场（区） 使粘贴在此区的电阻应变片比较理想的完成应变枣电信 ，
号的转换任务。 以托利多公司的 SB 列称重传感器的弹性体为例，来介绍一下 系
其中的应力分布。
设有一带有肓孔的长方体悬臂梁。肓孔底部中心是承受纯剪应力，但其上、 下部分将会出现拉伸和压缩应力。主应力方向一为拉神，一为压缩，若把应变片 贴在这里，则应变片上半部将受拉伸而阻值增加，而应变片的下半部将受压缩，
阻值减少。下面列出肓孔底部中心点的应变表达式，而不再推导。
e = 3Q1+）/2Eb B H2-h2 ）/（B H3-h3 ） （2--9
（（m ） （ （ ）+bh2 （ ）+bh3 ）
其中：Q-- 截面上的剪力；E-- 扬氏模量：m —泊松系数；B b H h 、 、 、 —为梁
的几何尺寸。 需要说明的是，上面分析的应力状态均是"局部"情况，而
应变片实际感受的是"平均"状态。 三、检测电路
检测电路的功能是把电阻应变片的电阻变化转变为电压输出。 因为惠斯登电
桥具有很多优点，如可以抑制温度变化的影响，可以抑制侧向力干扰，可以比较
方便的解决称重传感器的补偿问题等， 以惠斯登电桥在称重传感器中得到了广 所
泛的应用。
因为全桥式等臂电桥的灵敏度最高，各臂参数一致，各种干扰的影响容易相
互抵销，所以称重传感器均采用全桥式等臂电桥。
2.机械人手的握力是如何测量出来的？
压电式传感器
定义：
将被测量变化转换成由于材料受机械力产生的静电电荷或电压变化的传
感器。
2
压电式传感器
基于压电效应的传感器。是一种自发电式和机电转换式传感器。它的敏感元 件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经电荷放大器和测量
电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。 压电式传感器用于测
量力和能变换为力的非电物理量。它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结 构简单、工作可靠和重量轻等。缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的
直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。
压 电效应 可分为 正压电 效应和 逆压电 效应。 正压电 效应是 指：当 晶体
受 到某固 定方向 外力的作 用时 , 内部 就产生 电极化 现象 , 同时 在某两 个表面
上 产生符 号相反 的电荷 ；当外力 撤去后 ，晶体 又恢复 到不带 电的状 态；当 外 力作用 方向改 变时， 电荷的极 性也随 之改变 ；晶体 受力所 产生的 电荷量 与 外力的 大小成 正比。 压电式传 感器大 多是利 用正压 电效应 制成的 。逆压 电 效应是 指对晶 体施加 交变电场 引起晶 体机械 变形的 现象， 又称电 致伸缩
效 应。用 逆压电 效应制 造的变送 器可用 于电声 和超声 工程。 压电敏 感元件
的 受力变 形有厚 度变形 型、长度 变形型 、体积 变形型 、厚度 切变型 、平面
切变型 5 种基本形式（见图） 。压电晶体是 各向异性的，并非所有晶体都能
在 这 5 状 态下产生 压电效 应。例如 石英晶 体就没 有体积变 形压电 效应， 种
但具有良好的 厚度变形和长度变形压电效应。
它 可分为 压电单 晶、压 电多晶 和有机 压电材 料。压 电式传 感器中 用得
最 多的是 属于压 电多晶 的各类压 电陶瓷 和压电 单晶中 的石英 晶体。 其他压
电单晶还有适 用于高温辐射环境的铌酸锂以及 钽酸锂、镓酸锂、锗酸铋等。
压 电陶瓷 有属于 二元系 的钛酸钡 陶瓷、 锆钛酸 铅系列 陶瓷、 铌酸盐 系列陶 瓷 和属于 三元系 的铌镁 酸铅陶瓷 。压电 陶瓷的 优点是 烧制方 便、易 成型、
耐 湿、耐 高温。 缺点是 具有热释 电性， 会对力 学量测 量造成 干扰。 有机压
电 材料有 聚二氟 乙烯、 聚氟乙烯 、尼龙 等十余 种高分 子材料 。有机 压电材
料 可大量 生产和 制成较大 的面积 , 与空气 的声阻 匹配具 有独特 的优越性 , 它
是 很有发 展潜力 的新型 电声材料 。60 代以来 发现了 同时具 有半导 体特性 年
和 压电特 性的晶 体，如 硫化锌、 氧化锌 、硫化 钙等。 利用这 种材料 可以制
成集敏感元件 和电子线路于一体的新型压电传 感器，很有发展前途。
压电式传感器 大致可以分为4 种，即：压电式测力传感器，压电式压力
传感器，压电 式加速度传感器及高分子材料压 力传感器。
压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。 其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在
一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质
完全消失（这个高温就是所谓的"居里点"。由于随着应力的变化电场变化微小 ）
（也就说压电系数比较低） ，所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸
钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数， 是它只能在室温和湿度比较低的环境 但
下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以
已经得到了广泛的应用。
压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因 为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实
际的情况不是这样的， 以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。 所 压
电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种
常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。
3
压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经
得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器
也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。 也可以用于军事工
业， 例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波
压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。
现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶
瓷、PZT 、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。
4 |
|
