第3章 力学量传感器
定义：将力/压力等力学量信号变成电信号的装置 称为力学量传感器。
力学传感器的分类：
- 应用普遍的：电阻式、压电式、电容式、电感式、谐振式、变磁阻式、光纤式等等。
- 传统的如弹簧：成本低、不需电源，但体积大、笨重、输出非电量。
- 新的声表面波压力传感器、磁致伸缩型压力传感器、电位式压力传感器等。
发展方向：正向集成化、数字化和智能化
一、学习目的与要求
通过本章的学习，熟悉并掌握力学量传感器的工作原理和硬件组成结构。深入理解金属材料和半导体材料的压阻效应及其相应的压力传感器的基本原理，如金属应变计的原理及结构、压阻式传感器的基本原理及其结构与设计、集成压阻式压力传感器的原理；熟练掌握压力传感器的主要的应用电路——电桥电路的基本原理；掌握压电式传感器的基本原理和测量电路及其接口技术。了解其它几种压力传感器、新型压电传感器的原理。
二、课程内容
3.1 应变计
金属应变计是利用金属的电阻应变效应制成的、能将机械构件的应变转换为电阻变化的传感器，可分为丝式应变计、箔式应变计和金属薄膜应变计。
3.2 压电式传感器
3.3 电容式压力传感器
3.4 电感式压力传感器
3.5 谐振式压力传感器
3.6 新型力学量传感器及其发展
三、考核知识点
（1）金属应变计的原理及结构；
k0为灵敏系数。
基本原理----金属导体受外力作用时发生机械形变，导致其阻值大小发生变化的现象即将应变转换为电阻变化的金属电阻应变效应。
金属应变计：在弹性元件上粘贴金属应变片的传感器
（2）压阻式传感器的基本原理及其结构与设计；
压阻式传感器是指利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电路就可得到正 比于力变化的电信号输出。压阻式传感器用于压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他物理量（如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度）的测量和控制
这种传感器采用集成工艺将电阻条集成在单晶硅膜片上，制成硅压阻芯片，并将此芯片的周边固定封装于外壳之内，引出电极引线。压阻式压力传感器又称为固态压力传感器，它不同于粘贴式应变计需通过弹性敏感元件间接感受外力，而是直接通过硅膜片感受被测压力的。
（3）集成压阻式压力传感器的原理；
用ISO技术将半导体材料的敏感芯片封装在不锈钢波纹膜片的壳体中，在不锈钢波纹膜片和芯片之间充有硅油。芯片引线穿过壳体引出并采用密封措施，防止硅油向外泄露或外面的压力介质渗入其中，这样芯片、硅油、壳体和引线组成压力传感器。当传感器处在压力介质中时，介质压力作用于波纹膜片上使使其中的硅油受压，硅油将膜片的压力传递给半导体芯片。芯片受压后使其电阻值发生变化，电阻信号通过引线引出。不锈钢波纹膜片壳体受到压力并保护芯片，因而压阻式压力传感器能在有腐蚀性介质中感应压力信号。
（4）压电式传感器的原理；
压电式传感器是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电的非电物理量。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。
（5）其它几种压力传感器；
（6）压力测量电路的原理及其接口技术。
（7）金属应变片的分类
1．丝式应变片（回线式和短接式）
（1） 回线式应变片
原理：直线金属丝受单向拉伸时，每段电阻都增加，总电阻的增加为各段电阻增量之和。
总之，应变片受应变时电阻变化与纵向应变、横向应变有关
（2）短接式应变片
数根等长金属丝平行放置，用直径比金属丝大5～10倍镀银丝焊接。优点：克服了回线式应变片的横向效应。 缺点：焊点在冲击振动时易疲劳破坏。
2. 箔式应变片
---很薄的金属片粘于基片，经光刻﹑腐蚀等，接电极，涂覆覆盖层。优点：尺寸准确，线条均匀，性能稳定，散热好，寿命长，但K0较低,仅为2～6 。
3. 薄膜应变片: 薄膜被直接沉积在弹性基底上，光刻形成应变计。优点:具有无滞后和蠕变、稳定性好等，适合于制作高内阻、小型化、高精度的力敏器件。
四、考核要求
1.识记
（1）金属电阻应变效应；
应变效应，金属导体的电阻值随着它受力所产生机械变形（拉伸或压缩）的大小而发生变化的现象称之为金属的电阻应变效应。
（2）半导体的压阻效应；
所谓半导体的压阻效应，是指当半导体受到应力作用时，由于载流子迁移率的变化，使其电阻率发生变化的现象。它有以下优点：①灵敏度与精度高；②易于小型化和集成化；③结构简单、工作可靠，在几十万次疲劳试验后，性能保持不变；④动态特性好，其响应频率为103～105Hz。
（3）压电效应、正压电效应、负压电效应；
压电效应：压电传感器的转换原理就是压电效应
正压电效应：它指某些电介质在受到某一方向的外力作用而产生的形变（包括弯曲和伸缩形变）时，内部电荷的极化会在其表面产生电荷的现象，去掉外力之后又回到不带电状态。这种没有外电场，只是因形变产生的极化现象被称为正压电效应。
逆压电效应：当物质上施加电场时，不仅产生极化，同时还产生应力或应变，去掉电场后该物质的形变随之消失。这种把电能变成机械能的现象称为逆压电效应。
（4）压电材料、压电晶体 ；
具有压电效应的晶体----压电晶体，
具有压电效应的电介质材料----压电材料。
（5）电容式压力传感器及其组成；
一般由敏感电容器和检测电路组成。比压阻式传感器有更高的温度稳定性。
1.按原理分为两类：
一类：在硅片上取适当的晶向蚀刻成薄硅膜，与温度系数相近的、喷镀有电极的玻璃板焊接形成。
另一类：蚀刻两个硅膜片，一敏感膜片，一参考膜片；再按照结构分为有单端式和差动式。
2.按敏感膜片型式分为：圆型、方型、环型。 或双圆型、双方型、双环型。
（6）电感式压力传感器及其分类；
利用电感的电磁感应原理将被测压力的变化转换为线圈电感系数（L）的一种机电转换装置称为电感式压力传感器，分为自感式和互感式两种。
- 谐振式压力传感器及其分类。
利用压力变化改变物体的谐振频率，也称为振动式压力传感器。 按振动部分的结构，可分为振弦式、振动筒式、振动膜式、音叉式等类型。
2.领会
（1）压力传感器的主要应用电路——电桥电路的基本原理；
电桥电路是由四个二端元件接成四边形形成的电路结构。各边称为电路的桥臂。激励源接到桥臂的一个对角上，另一对接电桥的负载或电桥的输出检测电路。
（2）压电式传感器的基本原理。
压电式传感器是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电的非电物理量。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。
3.简单应用
压电式传感器的测量电路及其接口技术。
五、本章重点、难点
重点：熟练掌握压力传感器的主要的应用电路——电桥电路的基本原理；掌握压电式传感器的基本原理和测量电路及其接口技术。
难点：金属材料和半导体材料的压阻效应及其相应的压力传感器的基本原理；金属应变计的原理及结构、压阻式传感器的基本原理及其结构与设计。
