测量力值的仪器：压磁式力传感器简介

力体现了物质之间的相互作用，凡是能使物体的运动状态或物体所具有的动量发生改变而获得加速度或者使物体发生变形的作用都称为力。按照力产生的原因不同，可以把力分为重力、弹性力、惯性力、膨胀力、摩擦力、浮力、电磁力等。按力对时间的变化性质可分为静态力和动态力两大类。静态力是指不变的力或变化很缓慢的力，动态力是指随时间变化显著的力，如冲击力、交变力或随机变化的力等。

对力本身是无法进行测量的，因而对力的测量总是通过观测物体受力作用后，形状、运动状态或所具有的能量的变化来实现的。力值测量所依据的原理是力的静力效应和动力效应。力的静力效应是指弹性物体受力后产生相应变形的物理现象，可见只需通一定手段测出物体的弹性变形量，就可间接确定物体所受力的大小。力的动力效应是指具有一定质量的物体受到力的作用时，其动量将发生变化，从而产生相应加速度的物理现象，因此只需测出物体的加速度，就可间接测得力的值。由上可知，测力传感器可以是位移型、加速度型或物性型。按其工作原理则可以分为弹性式、电阻应变式、电感式、电容式、压电式、压磁式等。

1.力的检测方法

力的测量方法可归纳为力平衡法、测位移法和利用某些物理效应的传感器法。

（1）力平衡法

力平衡法是基于比较测量的原理，用一个已知力来平衡待测的未知力，从而得出待测力的值。平衡力可以是已知质量的重力、电磁力或气动力等。

磁电式力平衡测力系统如图3-140所示。它由光源、放大器和一个力矩线圈组成一个伺服式测力系统。

图3-140 磁电式力平衡测力系统

图3-140中，在无外力作用时，系统处于初始平衡位置，光线全部被遮住，光敏元件无电流输出，力矩线圈不产生力矩。当被测力F_i作用在杠杆上时，杠杆发生偏转，光线通过窗口打开的相应缝隙，照射到光敏元件上，光敏元件输出与光照成比例的电信号，经放大后加到力矩线圈上与磁场相互作用而产生电磁力矩，用来平衡被测力F_i与标准质量m的重力力矩之差，使杠杆重新处于平衡。此时杠杆转角与被测力F_i成正比，而放大器输出电信号在采样电阻R上的电压降U_o与被测力F_i成比例，从而可测出力F_i。

（2）测位移法

在力作用下，弹性元件会产生变形。测位移法就是通过测量未知力所引起的位移，从而间接地测得未知力的值。

电容传感器与弹性元件组成的测力装置如图3-141所示。图中，扁环形弹性元件内腔上下平面上分别固连电容传感器的两个极板。在力作用下，弹性元件受力变形，使极板间距改变，导致传感器电容量变化。用测量电路将此电容量变化转换成电信号，即可得到被测力值。通常采用调频或调相电路来测量电容。这种测力装置可用于大型电子吊秤。

图3-142所示为两种常用的由差动变压器与弹性元件构成的测力装置。弹性元件受力产生位移，带动差动变压器的铁心运动，使两线圈互感发生变化，最后使差动变压器的输出电压产生和弹性元件受力大小成比例的变化。图3-142a是差动变压器与弹簧组合构成的测力装置；图3-142b为差动变压器与筒形弹性元件组成的测力装置。

图3-141 电容式测力装置

图3-142 差动变压器式测力装置

（3）利用某些物理效应测力

物体在力的作用下会产生某些物理效应，如应变效应、压磁效应、压电效应等，可以利用这些效应间接检测力值。各种类型的测力传感器就是基于这些效应。

2.常用测力传感器

测力传感器通常将力转换为正比于作用力大小的电信号，使用十分方便，因而在工程领域得到广泛应用。测力传感器种类繁多，依据不同的物理效应和检测原理可分为电阻应变式、压磁式、压电式、振弦式力传感器等。

（1）应变式力传感器

在所有力传感器中，应变式力传感器应用最为广泛。它能应用于从极小到很大的动、静态力的测量，且测量准确度高，其使用量约占力传感器总量的90%左右。

应变式力传感器的工作原理与应变式压力传感器基本相同。应变式力传感器首先把被测力转变成弹性元件的应变，再利用电阻应变效应测出应变，从而间接地测出力的大小。

应变片的布置和接桥方式，对于提高传感器的灵敏度和消除有害因素的影响有很大关系。根据电桥的加减特性和弹性元件的受力性质，在贴片位置许可的情况下，可贴4或8片应变片，其位置应是弹性元件应变最大的地方。图3-143给出了常见的柱形、筒形、梁形弹性元件及应变片的贴片方式。

图3-143 几种弹性元件及应变片贴片方式(www.xing528.com)

在实际应用中，电阻应变片用于力的测量时，需要和电桥一起使用。因为应变片电桥电路的输出信号微弱，采用直流放大器又容易产生零点漂移，故多采用交流放大器对信号进行放大处理，所以应变片电桥电路一般都采用交流电源供电，组成交流电桥。

（2）压磁式力传感器

当铁磁材料在受到外力的拉、压作用而在内部产生应力时，其磁导率会随应力的大小和方向而变化。受拉力时，沿力作用方向的磁导率增大，而在垂直于作用力的方向上磁导率略有减小；受压力作用时则磁导率的变化正好相反。这种物理现象就是铁磁材料的压磁效应。这种效应可用于力的测量。

压磁式力传感器一般由压磁元件、传力机构组成，如图3-144a所示。其中主要部分是压磁元件，它由其上开孔的铁磁材料薄片叠成。

图3-144 压磁式力传感器

图3-144中，压磁元件上冲有四个对称分布的孔，孔1和2之间绕有励磁绕组W₁₂（初级绕组），孔3和4间绕有测量绕组W₃₄（次级绕组），如图3-144b所示。当励磁绕组W₁₂通有交变电流时，铁磁体中产生一定大小的磁场。若无外力作用，则磁感应线相对于测量绕组平面对称分布，合成磁场强度H平行于测量绕组W₃₄的平面，磁感应线不与测量绕组W₃₄交链，故绕组W₃₄不产生感应电动势，如图3-144c所示。当有压缩力F作用于压磁元件上时，磁感应线的分布图发生变形，不再对称于测量绕组W₃₄的平面，如图3-144d所示。合成磁场强度H不再与测量绕组平面平行，因而就有部分磁感应线与测量绕组相交链，而在其上感应出电动势。作用力越大，交链的磁通越多，感应电动势越大。

压磁式力传感器的输出电动势比较大，通常不需要放大，只要经过滤波整流后就可直接输出，但要求有一个稳定的励磁电源。压磁式力传感器可测量很大的力，抗过载能力强，能在恶劣条件下工作。但频率响应不高（1～10kHz），测量准确度一般在1%左右，常用于冶金、矿山等重工业部门作为测力或秤重传感器使用。

（3）压电式测力传感器

压电式测力传感器的工作原理与压电式压力传感器基本相同，作为测力传感器，它具有以下特点：静态特性好，灵敏度、线性度好、滞后小，因压电式测力传感器中的敏感元件自身的刚度很高，而受力后，产生的电荷量（输出）仅与力值有关而与变形元件的位移无直接关系，因而其刚度的提高基本上不受灵敏度的限制，可同时获得高刚度和高灵敏度；动态特性好，即固有频率高、工作频带宽，幅值相对误差和相位误差小、瞬态响应上升时间短，故特别适用于测量动态力和瞬态冲击力；稳定性好、抗干扰能力强；当采用时间常数大的电荷放大器时，可以测量静态力和准静态力，但长时间连续测量静态力将产生较大的误差。因此压电式测力传感器已成为动态力测量中的十分重要的部件。选择不同切型的压电晶片，按照一定的规律组合，则可构成各种类型的测力传感器。

1）拉、压型单向测力传感器。

根据垂直于电轴的X₀型切片便可制成拉（压）型单向测力传感器，其结构如图3-145所示。

该传感器中使用了两片压电石英晶片反向叠在一起，这样可使灵敏度提高一倍。对于小力值传感器，还可采用多只压电晶片重叠在一起的方式，来进一步提高其灵敏度。

2）双向测力传感器。

如采用两对不同切型（X₀型和Y₀型）的石英晶片组成传感元件，即可构成双向测力传感器。其结构如图3-146所示。两对压电晶片分别感受两个方向（x方向和y方向）的作用力，并由各自的引线分别输出。

图3-145 单向压电式测力传感器结构

1—壳体 2—弹性垫 3—压电晶体 4—电极 5—绝缘套 6—引出导线

图3-146 双向压电式测力传感器

3）三向测力传感器

图3-147所示为压电式三向测力传感器元件组合方式的示意图，其结构与双向式类同。它的传感元件由三对不同切型的压电石英晶片组成。其中一对为X₀型切片，具有纵向压电效应，用它测量z向力F_z。另外两对为Y₀型切片，具有横向压电效应，两者互成90°安装，分别测y向力F_y和x向力F_x。这种传感器可以同时测出空间任意方向的作用力在x、y、z三个方向上的分力。多向测力传感器的优点是简化了测力仪的结构，同时又提高了测力系统的刚度。

由于压电式传感器的输出电信号非常微弱，一般需进行放大。但因压电传感器的内阻抗相当高，除阻抗匹配的问题外，连接电缆的长度、噪声都是突出的问题。为解决这些问题，通常传感器的输出信号先由低噪声电缆输入高输入阻抗的前置放大器。前置放大器的主要作用首先是将压电传感器的高阻抗输出变换成低阻抗输出，其次也将微弱信号加以放大。压电传感器的输出信号经过前置放大器的阻抗变换后，就可以采用一般的放大、检波、指示或通过功率放大至记录和数据处理设备。

图3-147 用于三向测力的传感器元件组合方式

按照压电传感器的工作原理及等效电路，传感器的输出可以是电压信号（这时把传感器看作电压发生器），也可以是电荷信号（这时把传感器看做是电荷发生器）。因此，前置放大器也有两种形式：一种是电压放大器，其输出电压与输入电压（即传感器的输出电压）成比例，这种电压前置放大器一般称为阻抗变换器；另一种是电荷放大器，其输出电压与输入电荷成比例。这两种放大器的主要区别是：使用电压放大器时，整个测量系统对电缆电容的变化非常敏感，尤其是连接电缆长度变化更为明显；而使用电荷放大器时，电缆长度变化的影响可以忽略不计。